חשיפה עמוקה של סודות תעשיית פרוסות הסיליקון: פוטנציאל עצום הופך אותה למלך חומרי המוליכים למחצה

פרוסות סיליקון הן אבן הפינה של חומרים מוליכים למחצה. הם נעשים תחילה למוטות סיליקון על ידי משיכת גבישים בודדים, ולאחר מכן נחתכים ויוצרים. מכיוון שמספר האלקטרונים הערכיים של אטומי הסיליקון הוא 4 והמספר הסידורי בינוני, לסיליקון תכונות פיזיקליות וכימיות מיוחדות וניתן להשתמש בו בתחומים כימיים, פוטו-וולטאיים, שבבים ועוד. במיוחד בתחום השבבים, תכונות המוליכים למחצה של הסיליקון הן שהופכות אותו לאבן הפינה של השבבים. בתחום הפוטו-וולטאים ניתן להשתמש בו לייצור חשמל סולארי. יתרה מכך, הסיליקון מהווה 25.8% מקרום כדור הארץ. הוא יחסית נוח לכרייה ובעל יכולת מיחזור חזקה, כך שהמחיר נמוך, מה שמשפר עוד יותר את טווח היישום של הסיליקון.

1. סיליקון - אבן היסוד של חומרי שבבים חומרי סיליקון מחולקים לסיליקון חד גביש וסיליקון רב גבישי לפי הסידור השונה של תאי יחידה. ההבדל הגדול ביותר בין סיליקון גבישי יחיד לסיליקון רב גבישי הוא שסידור התא היחיד של סיליקון גביש יחיד מסודר, בעוד שסיליקון רב גבישי אינו מסודר. במונחים של שיטות ייצור, סיליקון פוליקריסטלי מיוצר בדרך כלל על ידי שפיכה ישירה של חומר סיליקון לתוך כור היתוך כדי להמיס אותו ואז קירורו. סיליקון מונו-גבישי נוצר למוט גבישי על ידי משיכת גביש בודד (שיטת צ'וקרלסקי). מבחינת תכונות פיזיקליות, המאפיינים של שני סוגי הסיליקון שונים בתכלית. לסיליקון מונו-גבישי מוליכות חשמלית חזקה ויעילות המרה פוטו-אלקטרית גבוהה. יעילות ההמרה הפוטואלקטרית של סיליקון חד-גבישי היא בדרך כלל סביב 17% עד 25%, בעוד היעילות של סיליקון רב גבישי היא מתחת ל-15%.

▲ פרוסות סיליקון מוליכים למחצה ופוסות סיליקון פוטו-וולטאיות

▲מבנה תא יחידת סיליקון קריסטל יחיד

פרוסות סיליקון פוטו-וולטאיות:בשל האפקט הפוטואלקטרי והיתרונות הברורים של סיליקון חד גבישי, אנשים משתמשים בפרוסות סיליקון כדי להשלים את ההמרה של אנרגיית השמש לאנרגיה חשמלית. בשדה הפוטו-וולטאי משתמשים בדרך כלל בתאי הסיליקון החד-גבישיים המרובעים עם פינות מעוגלות. נעשה שימוש גם בפרוסות סיליקון פוליקריסטליות זולות יותר, אך יעילות ההמרה נמוכה יותר.

▲ קדמי ואחורי של תא סיליקון חד גבישי

▲ תא סיליקון פוליגריסטלי מלפנים ומאחור

מכיוון שלפלסות סיליקון פוטו-וולטאיות יש דרישות נמוכות לפרמטרים כמו טוהר ועיוות, תהליך הייצור פשוט יחסית. אם לוקחים כדוגמה תאי סיליקון חד-גבישיים, הצעד הראשון הוא לחתוך ולעגל. ראשית, חתכו את מוט הסיליקון החד-גבישי למוטות מרובעים בהתאם לדרישות הגודל, ולאחר מכן עיגלו את ארבע הפינות של המוטות המרובעים. השלב השני הוא כבישה, שעיקרה הסרת זיהומים פני השטח של המוטות המרובעים החד-גבישיים. השלב השלישי הוא חיתוך. ראשית, הדבק את המוטות המרובעים שנקו על לוח העבודה. לאחר מכן הניחו את לוח העבודה על הפרוס וחתכו אותו לפי פרמטרי התהליך שנקבעו. לבסוף, נקה את פרוסות הסיליקון החד-גבישיות ופקח על חלקות פני השטח, התנגדות ופרמטרים אחרים.

פרוסות סיליקון מוליכים למחצה:לפרוסות סיליקון מוליכים למחצה יש דרישות גבוהות יותר מאשר פרוסות סיליקון פוטו-וולטאיות. ראשית, כל פרוסות הסיליקון המשמשות בתעשיית המוליכים למחצה הם סיליקון חד גבישי, על מנת להבטיח את אותן תכונות חשמליות של כל מיקום של פרוסת הסיליקון. מבחינת צורה וגודל, פרוסות סיליקון חד-גבישיות פוטו-וולטאיות הן מרובעות, בעיקר עם אורכי צד של 125 מ"מ, 150 מ"מ ו-156 מ"מ. פרוסות הסיליקון החד-גבישיות המשמשות למוליכים למחצה הן עגולים, עם קטרים ​​של 150 מ"מ (6- פרוסות אינץ'), 200 מ"מ (8- אינץ' פרוסות) ו-300 מ"מ (12- אינץ' פרוסות). מבחינת טוהר, דרישת הטוהר לפרוסות סיליקון חד-גבישיות המשמשות לפוטו-וולטאיות היא בין 4N-6N (99.99%-99.9999%), אך דרישת הטוהר לפרוסות סיליקון חד-גבישיות המשמשות למוליכים למחצה היא בערך 9N (99.9999999%)-11N (99.999999999%), ודרישת הטוהר המינימלית היא פי 1000 מזו של פרוסות סיליקון חד-גבישיות המשמשות לפוטו-וולטאיות. מבחינת מראה, שטוחות פני השטח, החלקות והניקיון של פרוסות סיליקון המשמשות עבור מוליכים למחצה גבוהים מאלה של פרוסות סיליקון המשמשות לפוטו-וולטאיות. טוהר הוא ההבדל הגדול ביותר בין פרוסות סיליקון חד-גבישיות המשמשות לפוטו-וולטאיות לבין פרוסות סיליקון חד-גבישיות המשמשות עבור מוליכים למחצה.

▲ תהליך ייצור פרוסות סיליקון מוליכים למחצה

הפיתוח של חוק מור הוא פיתוח פרוסות סיליקון. מכיוון שפוסות סיליקון מוליכים למחצה הן עגולות, פרוסות סיליקון מוליכים למחצה נקראות גם "פרוסות סיליקון" או "וופלות". ופלים הם ה"מצע" לייצור שבבים, וכל השבבים מיוצרים על ה"מצע" הזה. בהיסטוריה של הפיתוח של פרוסות סיליקון מוליכים למחצה, ישנם שני כיוונים עיקריים: גודל ומבנה.

מבחינת גודל, נתיב הפיתוח של פרוסות סיליקון הולך וגדל: בשלב המוקדם של פיתוח מעגלים משולבים, נעשה שימוש בפרוסות 0.75-אינץ'. הגדלת שטח הפרוסים ומספר השבבים על פרוס בודד יכולה להוזיל עלויות. בסביבות 1965, עם כניסתו של חוק מור, הן טכנולוגיית המעגלים המשולבים והן פרוסות הסיליקון החלו תקופה של התפתחות מהירה. פרוסות סיליקון עברו צמתים של 4-אינץ', 6-אינץ', 8-אינץ' ו-12-אינץ'. מאז אינטל ו-IBM פיתחו יחד 12-ייצור שבבי פרוסות אינץ' בשנת 2001, פרוסות הסיליקון המיינסטרים הנוכחיות הן 12- פרוסות אינץ', מהווים כ-70%, אך לפרוסות 18-אינץ' (450 מ"מ) יש הועלה על סדר היום.

▲פרמטרים בגדלים שונים של פרוסות

▲פיתוח גודל פרוסות סיליקון

מבחינת מבנה, כיוון הפיתוח של פרוסות סיליקון הופך יותר ויותר מורכב: בשלב המוקדם של פיתוח מעגלים משולבים, היה רק ​​סוג אחד של שבב לוגי, אך עם המספר ההולך וגדל של תרחישי יישומים, שבבי לוגיקה, התקני כוח. , שבבים אנלוגיים, שבבים אנלוגיים ודיגיטליים מעורבים, שבבי אחסון פלאש/DRAM, שבבי תדר רדיו וכו' הופיעו בזה אחר זה, מה שהופך לפרוסות סיליקון צורות מבניות שונות. כעת, ישנם בעיקר שלושה סוגים:

PW (ופל פולני):רקיק מלוטש. פרוסות הסיליקון שנחתכו ישירות לאחר משיכת גבישים בודדים אינם מושלמים בהחלקה או עיוות, ולכן יש ללטש אותם תחילה. שיטה זו היא גם הדרך הפרימיטיבית ביותר לעיבוד פרוסות סיליקון.

AW (Anneal Wafer):רקיק מחולל. עם הפיתוח המתמשך של טכנולוגיית התהליך וההפחתה המתמשכת של גדלי תכונת הטרנזיסטור, החסרונות של פרוסות מלוטשות נחשפות בהדרגה, כגון פגמי סריג מקומיים על פני השטח של פרוסות סיליקון ותכולת חמצן גבוהה על פני פרוסות הסיליקון. על מנת לפתור בעיות אלו, פותחה טכנולוגיית חישול פרוסות. לאחר הליטוש, פרוסות הסיליקון מונחות בצינור תנור מלא בגז אינרטי (בדרך כלל ארגון) לצורך חישול בטמפרטורה גבוהה. זה לא רק יכול לתקן את פגמי הסריג על פני השטח של רקיקת הסיליקון, אלא גם להפחית את תכולת החמצן על פני השטח.

EW (אפיטקסי פרוס):פרוסות סיליקון אפיטקסיאליות. עם הגדלת תרחישי היישום של מעגלים משולבים, פרוסות הסיליקון הסטנדרטיות המיוצרות על ידי מפעלי פרוסות סיליקון כבר לא יכולות לעמוד בדרישות של מוצרים מסוימים במונחים של תכונות חשמליות. יחד עם זאת, פגמי הסריג המופחתים על ידי חישול תרמי אינם יכולים לעמוד בדרישות רוחב הקו הקטנות יותר ויותר. זה הוביל להופעתם של פרוסות סיליקון אפיטקסיאליות. השכבה האפיטקסיאלית הרגילה היא סרט דק סיליקון. שכבה של סרט דק סיליקון גדלה על בסיס פרוסת הסיליקון המקורית באמצעות טכנולוגיית שקיעת סרט דק. מכיוון שמצע הסיליקון קיים כגביש זרע באפיטקסיית סיליקון, צמיחת השכבה האפיטקסיאלית תשכפל את מבנה הגביש של פרוסת הסיליקון. מכיוון שרקיק הסיליקון המצע הוא גביש יחיד, השכבה האפיטקסיאלית היא גם גביש בודד. עם זאת, מכיוון שהוא אינו מלוטש, ניתן לצמצם את פגמי הסריג על פני השטח של פרוסת הסיליקון לאחר הצמיחה לרמה נמוכה מאוד.

אינדיקטורים טכניים לאפיטקסיה כוללים בעיקר את עובי השכבה האפיטקסיאלית והאחידות שלה, אחידות התנגדות, בקרת מתכת גוף, בקרת חלקיקים, תקלות הערמה, נקעים ובקרת פגמים אחרת. בשלב זה, אנשים השיגו איכות פרוסת סיליקון אפיטקסיאלית גבוהה על ידי אופטימיזציה של טמפרטורת התגובה של האפיטקסיה, קצב זרימת הגז האפיטקסי ושיפועי טמפרטורת המרכז והקצה. בשל מוצרים שונים והצורך בשדרוגים טכנולוגיים, התהליך האפיטקסיאלי עבר אופטימיזציה מתמדת להשגת איכות פרוסות סיליקון אפיטקסיאלית גבוהה.

בנוסף, הטכנולוגיה הנוכחית יכולה ליצור שכבות אפיטקסיות עם רכיבי סימום התנגדות וריכוזי סימום שונים מאלה של פרוסת הסיליקון המקורית, מה שמקל על השליטה בתכונות החשמליות של פרוסת הסיליקון הגדלה. לדוגמה, ניתן ליצור שכבה של שכבת סיליקון אפיטקסיאלית מסוג N על פרוסת סיליקון מסוג P, ובכך ליצור צומת PN מסוממים בריכוז נמוך, שיכול לייעל את מתח ההתמוטטות ולהפחית את אפקט הבריח בייצור השבבים הבאים. עובי השכבה האפיטקסיאלית משתנה בדרך כלל בהתאם לתרחיש השימוש. בדרך כלל, עובי השבב הלוגי הוא בערך 0.5 מיקרון עד 5 מיקרון, ועובי התקן הכוח הוא בערך 50 מיקרון עד 100 מיקרון מכיוון שהוא צריך לעמוד במתח גבוה.

▲ תהליך גידול פרוסות סיליקון אפיטקסיאלי

▲ סימום שונה של פרוסות אפיטקסיאליות

SW (SOI Wafer):SOI ראשי תיבות של Silicon-On-Insulator. פרוסות סיליקון SOI משמשות לעתים קרובות בשבבים קדמיים של RF בגלל יתרונותיהם כגון קיבול טפילי קטן, אפקט ערוץ קצר קטן, צפיפות תורשה גבוהה, מהירות גבוהה, צריכת חשמל נמוכה, ובעיקר רעש מצע נמוך.

▲מבנה MOS סיליקון רגיל

מבנה MOS של פרוסות סיליקון SOI

ישנן ארבע שיטות עיקריות לייצור פרוסות סיליקון SOI:טכנולוגיית SIMOX, טכנולוגיית Bonding, טכנולוגיית Sim-bond וטכנולוגיית Smart-CutTM; העיקרון של פרוסות סיליקון SOI הוא פשוט יחסית, ומטרת הליבה היא להוסיף שכבת בידוד (בדרך כלל בעיקר סיליקון דו חמצני SiO2) באמצע המצע.

▲ארבע טכנולוגיות לייצור פרוסות SOI

מנקודת המבט של פרמטרי ביצועים, טכנולוגיית Smart-CutTM היא הביצועים המצוינים ביותר בטכנולוגיית ייצור פרוסות סיליקון SOI הנוכחית. הביצועים של טכנולוגיית Simbond אינם שונים בהרבה מאלה של טכנולוגיית Smart-Cut, אך מבחינת עובי הסיליקון העליון, פרוסת הסיליקון SOI המיוצרת בטכנולוגיית Smart-Cut היא דקה יותר, ומבחינת עלות הייצור, Smart -טכנולוגיית Cut יכולה לעשות שימוש חוזר בפרוסות סיליקון. לייצור המוני עתידי, לטכנולוגיית Smart-Cut יש יותר יתרונות עלות, כך שהתעשייה מכירה כיום בדרך כלל בטכנולוגיית Smart-Cut ככיוון הפיתוח העתידי של פרוסות סיליקון SOI.

▲השוואת ביצועים של טכנולוגיות ייצור רקיקות SOI שונות

טכנולוגיית SIMOX: SIMOX ראשי תיבות של Separation by Implanted Oxygen. אטומי חמצן מוזרקים לתוך הפרוסה, ולאחר מכן חישול בטמפרטורה גבוהה כדי להגיב עם אטומי הסיליקון שמסביב ליצירת שכבה של דו תחמוצת הסיליקון. הקושי של טכנולוגיה זו הוא לשלוט בעומק ובעובי של השתלת יוני חמצן. יש לו דרישות גבוהות לטכנולוגיית השתלת יונים.

טכנולוגיית הדבקה: טכנולוגיית הדבקה נקראת גם טכנולוגיית הדבקה. פרוסות סיליקון SOI המיוצרות על ידי הדבקה נקראות גם Bonded SOI, או בקיצור BSOI. טכנולוגיית ההדבקה דורשת שני פרוסות סיליקון רגילות, שאחת מהן גדלה עם שכבת תחמוצת (SiO2), ולאחר מכן נקשרה עם מקור סיליקון אחר. החיבור הוא שכבת התחמוצת. לבסוף, הוא נטחן ומלוטש עד לעומק הרצוי של השכבה הקבורה (SiO2). מכיוון שטכנולוגיית ההתקשרות פשוטה יותר מטכנולוגיית השתלת יונים, רוב פרוסות סיליקון SOI מיוצרות כיום באמצעות טכנולוגיית מליטה.

▲סיליקון על מבודד

▲שיטת הדבקת רקיק ליצירת סיליקון על מבודד

טכנולוגיית Sim-bond:טכנולוגיית חיבור הזרקת חמצן. טכנולוגיית Sim-bond היא שילוב של SIMOX וטכנולוגיית bond. היתרון הוא שניתן לשלוט בעובי שכבת התחמוצת הקבורה בדיוק רב. הצעד הראשון הוא הזרקת יוני חמצן לתוך פרוסת סיליקון, לאחר מכן חישול בטמפרטורה גבוהה ליצירת שכבת תחמוצת, ולאחר מכן ליצור שכבת תחמוצת SiO2 על פני השטח של פרוסת הסיליקון. השלב השני הוא לחבר את פרוסת הסיליקון לפריסת אחרת. לאחר מכן חישול בטמפרטורה גבוהה כדי ליצור ממשק מליטה מושלם. השלב השלישי הוא תהליך הדילול. הדילול מתבצע באמצעות טכנולוגיית CMP, אך בשונה מטכנולוגיית ה-bond, ל-sim-bond שכבת עצירה עצמית, אשר תפסיק אוטומטית בעת השחזה לשכבת SiO2. לאחר מכן, שכבת SiO2 מוסרת על ידי תחריט. השלב האחרון הוא ליטוש.

טכנולוגיית חיתוך חכם:טכנולוגיית פילינג חכמה. טכנולוגיית חיתוך חכם היא הרחבה של טכנולוגיית ההדבקה. הצעד הראשון הוא לחמצן רקיק ויצירת עובי קבוע של SiO2 על פני הפרוסה. השלב השני הוא שימוש בטכנולוגיית השתלת יונים כדי להחדיר יוני מימן לעומק קבוע של הפרוסה. השלב השלישי הוא חיבור רקיק אחר לפרוסה המחומצת. השלב הרביעי הוא שימוש בטכנולוגיית חישול תרמית בטמפרטורה נמוכה ליצירת בועות עם יוני מימן, מה שגורם לקילוף של חלק מפרוסת הסיליקון. לאחר מכן נעשה שימוש בטכנולוגיית חישול תרמית בטמפרטורה גבוהה כדי להגביר את חוזק ההדבקה. השלב החמישי הוא לשטח את משטח הסיליקון. טכנולוגיה זו מוכרת בינלאומית ככיוון הפיתוח של טכנולוגיית SOI. עובי שכבת התחמוצת הקבורה נקבע לחלוטין על ידי עומק השתלת יוני מימן, שהוא מדויק יותר. יתר על כן, ניתן לעשות שימוש חוזר בפרוסה המקולפת, מה שמוזיל מאוד את העלות.

▲ שיטת חיבור SIM ליצירת סיליקון על מבודד

▲שיטת חיתוך חכם ליצירת סיליקון על מבודד

2. טכנולוגיית ייצור עם מחסומים גבוהים 1. טכנולוגיית ייצור

חומר הגלם של פרוסות סיליקון הוא קוורץ, הידוע בדרך כלל כחול, אותו ניתן לכרות ישירות בטבע. ניתן להשלים את תהליך ייצור הפרוסות במספר שלבים: בעיקר דה-אוקסידציה וטיהור, זיקוק פוליסיליקון, מטילי סיליקון גבישיים (מוטות סיליקון), גלגול, חיתוך פרוסות, ליטוש פרוסות, חישול, בדיקה, אריזה ועוד שלבים.

▲CZ (Czochralski) תהליך ייצור פרוסות מוליכים למחצה

▲CZ פאראד סכמטי קריסטל יחיד

ניקוי חמצון וטיהור:השלב הראשון בייצור פרוסות סיליקון הוא ניקוי חמצון וטיהור עפרות הקוורץ. התהליכים העיקריים כוללים מיון, הפרדה מגנטית, ציפה, הסרת גז בטמפרטורה גבוהה וכו'. זיהומי הברזל והאלומיניום העיקריים בעפרה מוסרים.

זיקוק פוליסיליקון:לאחר קבלת SiO2 טהור יחסית, נוצר סיליקון גביש יחיד באמצעות תגובות כימיות. התגובה העיקרית היא SiO2+C→Si+CO. לאחר השלמת התגובה, CO מתנדף ישירות, כך שרק גבישי סיליקון נשארים. בשלב זה, הסיליקון הוא סיליקון רב גבישי, והוא סיליקון גולמי, המכיל הרבה זיהומים. על מנת לסנן זיהומים עודפים, יש לכבוש את הסיליקון הגולמי המתקבל. החומצות הנפוצות הן חומצה הידרוכלורית (HCl), חומצה גופרתית (H2SO4) וכו'. תכולת הסיליקון לאחר השרייה בחומצה היא בדרך כלל מעל 99.7%. במהלך תהליך הכבישה, למרות שגם ברזל, אלומיניום ושאר יסודות מומסים בחומצה ומסננים החוצה. עם זאת, סיליקון מגיב גם עם חומצה ליצירת SiHCl3 (טריכלורוסילאן) או SiCl4 (סיליקון טטרכלוריד). עם זאת, שני החומרים נמצאים במצב גזי, ולכן לאחר הכבישה, הלכלוכים המקוריים כמו ברזל ואלומיניום התמוססו בחומצה, אך הסיליקון הפך לגזי. לבסוף, הגז SiHCl3 או SiCl4 בעל הטוהר הגבוה מופחת עם מימן כדי להשיג סיליקון פולי-גבישי בטוהר גבוה.

שיטת CZ מייצרת סיליקון קריסטל יחיד:פרוסות סיליקון משמשות בעיקר בשבבי לוגיקה וזיכרון, עם נתח שוק של כ-95%; שיטת CZ מקורה בציור של צ'וקרלסקי של חוטים דקים ממתכת מותכת בשנת 1918, ולכן היא נקראת גם שיטת CZ. זוהי הטכנולוגיה המרכזית לגידול סיליקון גביש יחיד כיום. התהליך העיקרי הוא לשים סיליקון פולי-גבישי בכור היתוך, לחמם אותו כדי להמיס אותו, ולאחר מכן להדק גביש זרעי סיליקון גביש יחיד ולהשהות אותו מעל הכור. כאשר מושכים אותו אנכית, קצה אחד מוכנס לתוך ההמסה עד שהוא נמס, ואז הוא מסובב לאט ונמשך כלפי מעלה. בדרך זו, הממשק בין הנוזל למוצק יתעבה בהדרגה ליצירת גביש יחיד. מכיוון שניתן להתייחס לכל התהליך כתהליך של שכפול גביש הזרע, גביש הסיליקון הנוצר הוא סיליקון גביש יחיד. בנוסף, הסימום של הוואפר מתבצע גם בתהליך משיכת הקריסטל החד-גביש, בדרך כלל בסימום פאזה נוזלית וסימום פאזי גז. סימום שלב נוזלי מתייחס להוספת אלמנטים מסוג P או מסוג N לתוך כור ההיתוך. במהלך תהליך משיכת גבישים בודדים, ניתן למשוך את האלמנטים הללו ישירות לתוך מוט הסיליקון.

▲CZ Faraday שיטת קריסטל יחיד

▲ מוט סיליקון לאחר משיכת קריסטל יחיד

קוטר גלגול:מאחר וקשה לשלוט בקוטר של מוט הסיליקון הקריסטל החד-גבישי בתהליך משיכת הגביש היחיד, על מנת לקבל את מוט הסיליקון בקוטר סטנדרטי, כגון 6 אינץ', 8 אינץ', 12 אינץ' וכו'. קריסטל יחיד, קוטר מטיל הסיליקון יתגלגל. פני השטח של מוט הסיליקון לאחר הגלגול חלקים ושגיאת הגודל קטנה יותר.

חיתוך חיתוך:לאחר השגת מטיל הסיליקון, חותכים את הפרוסה. את מטיל הסיליקון מניחים על מכונת חיתוך קבועה וחותכים לפי תוכנית החיתוך שנקבעה. מאחר שעובי פרוסת הסיליקון קטן, קצה פרוסת הסיליקון החתוך חד מאוד. מטרת השיפוף היא ליצור קצה חלק. לפריסת הסיליקון המחוררת יש מתח מרכזי נמוך יותר, מה שהופך אותו למוצק יותר ולא קל לשבור אותו בייצור השבבים העתידי.

מֵרוּט:המטרה העיקרית של הליטוש היא להפוך את פני הוופל לחלקים יותר, שטוחים וללא נזקים, ולהבטיח את עקביות העובי של כל רקיק.

אריזת בדיקה:לאחר השגת פרוסת הסיליקון המלוטשת, יש לבדוק את התכונות החשמליות של פרוסת הסיליקון, כגון התנגדות ופרמטרים נוספים. לרוב מפעלי פרוסות הסיליקון יש שירותי פרוסות אפיטקסיאליות. אם יש צורך בפרוסות אפיטקסיאליות, תתבצע גידול פרוסות אפיטקסיאליות. אם אין צורך בפרוסה האפיטקסיאלית, הוא ייארז ויישלח למפעלים אחרים של פרוסות אפטקסיות או מפעלי פרוסות.

שיטת התכה של אזור (FZ):פרוסות סיליקון המיוצרות בשיטה זו משמשות בעיקר בחלק מהשבבי כוח, עם נתח שוק של כ-4%; פרוסות סיליקון מתוצרת FZ (שיטת התכת אזור) משמשות בעיקר כמכשירי כוח. וגודל פרוסות סיליקון הוא בעיקר 8 אינץ' ו-6 אינץ'. נכון לעכשיו, כ-15% מפרוסות הסיליקון מיוצרות בשיטת המסת אזור. בהשוואה לפרוסות סיליקון המיוצרות בשיטת CZ, המאפיין הגדול ביותר של שיטת FZ הוא שיש לה התנגדות גבוהה יחסית, טוהר גבוה יותר ויכול לעמוד במתח גבוה, אך קשה לייצר פרוסות בגודל גדול, והתכונות המכניות גרועות, לכן הוא משמש לעתים קרובות לפרוסות סיליקון של מכשירי כוח, ולעתים רחוקות נעשה בו שימוש במעגלים משולבים.

ישנם שלושה שלבים בהכנת מוטות סיליקון קריסטל יחיד בשיטת התכה אזורית:

1. מחממים סיליקון פולי-גבישי, מגע עם גביש זרע, וסובב כלפי מטה כדי למשוך גביש יחיד. בתא תנור תחת ואקום או סביבת גז אינרטי, השתמש בשדה חשמלי כדי לחמם את מוט הסיליקון הפולי-גבישי עד שהסיליקון הפולי-גבישי באזור המחומם נמס ליצירת אזור מותך.

2. צור קשר עם האזור המותך עם גביש זרעים וממיס אותו.

3. על ידי הזזת עמדת חימום השדה החשמלי, האזור המותך על הפוליסיליקון נע כלפי מעלה ברציפות, בעוד גביש הזרע מסתובב באיטיות ונמתח כלפי מטה, ויוצר בהדרגה מוט סיליקון קריסטל יחיד. מכיוון ששיטת המסת האזור אינה משתמשת בכור היתוך, נמנעים מקורות זיהום רבים, ולגביש היחיד הנמשך בשיטת ההיתוך האזורי יש מאפיינים של טוהר גבוה.

▲FZ Farad מבנה חלל קריסטל יחיד

▲ דיאגרמה סכמטית של משיכת גביש יחיד FZ

2. עלות ייצור

לפרוסות סיליקון מוליכים למחצה יש דרישות גבוהות יותר לטוהר ולתכונות חשמליות מאשר לפרוסות סיליקון אנרגיה חדשות, ולכן נדרשים יותר שלבי טיהור ואספקת חומרי גלם בתהליך הייצור, וכתוצאה מכך מגוון רחב יותר של חומרי גלם לייצור. לכן, שיעור עלות חומרי הסיליקון מופחת יחסית, אך שיעור הוצאות הייצור יגדל יחסית.

עבור פרוסות סיליקון מוליכים למחצה, עלות חומר הגלם היא העלות העיקרית, המהווה כ-47% מהעלות העסקית העיקרית. השני הוא הוצאות ייצור המהוות כ-38.6%. בדומה לענף ייצור המוליכים למחצה, תעשיית פרוסות הסיליקון היא תעשייה עתירת הון עם ביקוש גבוה להשקעה בנכסים קבועים, אשר תניב הוצאות ייצור גבוהות עקב פחת של רכוש קבוע כגון מכונות וציוד. לבסוף, עלויות העבודה הישירות מהוות כ-14.4%.

בין עלויות חומרי הגלם של ייצור פרוסות סיליקון, פוליסיליקון הוא חומר הגלם העיקרי, המהווה כ-30.7%. השני הוא חומרי אריזה, המהווים כ-17.0%. מאחר ולפרוסות סיליקון מוליכים למחצה יש דרישות גבוהות לניקיון ואקום, במיוחד לפרוסות סיליקון, אשר מתחמצנות בקלות, הדרישות לאריזה גבוהות בהרבה מאלו של פרוסות סיליקון חדשות. לכן, במבנה העלויות, חומרי אריזה מהווים שיעור גבוה. כור היתוך קוורץ מהווה כ-8.7% מעלות חומר הגלם. כור היתוך הקוורץ המשמש בייצור פרוסות סיליקון מוליכים למחצה הוא גם כור היתוך חד פעמי, אך התכונות הפיזיקליות והתרמיות של הכור תובעניות יותר. נוזל ליטוש, גלגל השחזה וכרית ליטוש מהווים 13.8% בסך הכל ומשמשים בעיקר בתהליך ליטוש פרוסות סיליקון.

▲מבנה עלויות תפעול של תעשיית הסיליקון בשנת 2018

▲הרכב חומרי הגלם של תעשיית הסיליקון בשנת 2018

עלויות המים והחשמל מהוות כ-15% מעלות הייצור: בעלות הייצור, סך עלויות המים והחשמל מהווה כ-15% מסך עלות הייצור, מתוכן עלויות החשמל כ-11.4% ועלויות המים. כ-3.4%. במונחים של סכומים מקבילים, לפי הנתונים הכספיים לשנת 2018 של קבוצת תעשיית הסיליקון, העלות הכוללת של עלויות החשמל והמים שוות ערך לעלות חומרי האריזה, ומהווה כמחצית מחומר הפוליסיליקון. עלות החשמל גבוהה מעט מזו של כור היתוך קוורץ בכ-20%.

▲שיעור עלויות הייצור של תעשיית הסיליקון ב-2018

▲ הרכב עלויות חלקי של Silicon Industry Group בשנת 2018 (יחידה: 10,000 יואן)

3, ארבעה מחסומים לייצור פרוסות סיליקון

המחסומים בפני פרוסות סיליקון גבוהים יחסית, במיוחד עבור פרוסות סיליקון מוליכים למחצה. ישנם ארבעה חסמים עיקריים: חסמים טכניים, חסמי הסמכה, חסמי ציוד וחסמים הון.

▲ החסמים העיקריים לתעשיית ייצור פרוסות סיליקון

חסמים טכניים:האינדיקטורים הטכניים של פרוסות סיליקון גדולים יחסית. בנוסף לגודל הנפוץ, עובי הליטוש וכו', יש גם עיוות, התנגדות, עקמומיות וכו' של פרוסות סיליקון. במונחים של פרוסות סיליקון מיינסטרים 300 מ"מ, בשל דרישות האחידות הגבוהות של תהליכים מתקדמים לפרוסות סיליקון, בהשוואה לפרוסות של 200 מ"מ, מתווספים פרמטרים כגון שטוחות, עיוות, עקמומיות ושאריות מתכת פני השטח כדי לנטר את דרישות האיכות של פרוסות סיליקון 300 מ"מ. . מבחינת טוהר, פרוסות סיליקון בתהליך מתקדם נדרשות להיות סביב 9N (99.9999999%)-11N (99.999999999%), המהווה את המחסום הטכני העיקרי עבור ספקי פרוסות סיליקון.

פרוסות סיליקון הן מוצרים מותאמים במיוחד; טוהר הוא הפרמטר הבסיסי ביותר של פרוסות סיליקון וגם המחסום הטכני העיקרי. בנוסף, פרוסות סיליקון אינן מוצרים אוניברסליים ואינן ניתנות להעתקה. המפרט של פרוסות סיליקון גדולות במפעלי יציקות פרוסות שונות לחלוטין, והשימושים השונים במוצרי קצה שונים יובילו גם לדרישות שונות לחלוטין לפרוסות סיליקון. זה דורש מיצרני פרוסות סיליקון לתכנן ולייצר פרוסות סיליקון שונות לפי מוצרי לקוח קצה שונים, מה שמגביר עוד יותר את הקושי באספקת פרוסות סיליקון.

▲תחזית הרווח של מגזרי העסקים של החברה

חסמי הסמכה:ליצרני השבבים יש דרישות מחמירות לאיכות חומרי הגלם השונים והם זהירים מאוד בבחירת הספקים. ישנם חסמים גבוהים לכניסה לרשימת הספקים של יצרני השבבים. בדרך כלל, יצרני שבבים ידרשו מספקי פרוסות סיליקון לספק כמה פרוסות סיליקון לייצור ניסוי, ורובם משמשים לפרוסות בדיקה, לא פרוסות לייצור המוני של פרוסות. לאחר מעבר פרוסות הבדיקה, קבוצות קטנות של פרוסות בייצור המוני ייוצרו בניסיון. לאחר העברת ההסמכה הפנימית, יצרן השבבים ישלח את המוצרים ללקוחות במורד הזרם. לאחר קבלת אישור הלקוח, ספק פרוסות הסיליקון יאושר סופית וחוזה הרכישה ייחתם. לוקח הרבה זמן למוצרים של חברות פרוסות סיליקון מוליכים למחצה להיכנס לשרשרת האספקה ​​של יצרני השבבים. מחזור ההסמכה של ספקים חדשים נמשך לפחות 12-18 חודשים.

בנוסף, חסמי ההסמכה מפרוסות בדיקה ועד פרוסות לייצור המוני: נכון לעכשיו, רוב ה-12-פרוסות אינץ' בסין נשארות באספקת פרוסות בדיקה, אך הליכי האישור של פרוסות בדיקה שונים לחלוטין מאלה של פרוסות ייצור המוני, ותקני ההסמכה לייצור המוני פרוסות סיליקון מחמירים יותר. מכיוון שפוסות סיליקון בבדיקה אינן מייצרות שבבים, הן צריכות לקבל אישור רק על ידי מפעל היציקה עצמו, והן צריכות להיות מאושרות רק באתר הייצור הנוכחי. עם זאת, עבור פרוסות סיליקון בייצור המוני, הם חייבים להיות מאושרים על ידי לקוחות מסוף סופרים ולנטר אותם בכל השלבים של תהליך הייצור כולו לפני שניתן יהיה לספק אותם בקבוצות. באופן כללי, על מנת לשמור על היציבות של אספקת פרוסות סיליקון ותפוקת השבבים. ברגע שיצרן פרוסות וספק פרוסות סיליקון יקימו יחסי אספקה, הם לא יחליפו ספק בקלות, ושני הצדדים יקימו מנגנון משוב שיענה על צרכים מותאמים אישית, והדביקות בין ספקי פרוסות סיליקון ללקוחות תמשיך לגדול. אם יצרן פרוסות סיליקון חדש מצטרף לשורות הספקים, עליו לספק קשרי שיתוף פעולה הדוקים יותר ואיכות פרוסות סיליקון גבוהה יותר מהספק המקורי. לכן, בתעשיית פרוסות הסיליקון, הדביקות בין ספקי פרוסות סיליקון ליצרני פרוסות היא גדולה יחסית, ולספקים חדשים קשה לשבור את הדביקות.

מחסומי ציוד:ציוד הליבה לייצור פרוסות סיליקון הוא תנור הגביש החד, אותו ניתן לתאר כ"מכונת הפוטוליתוגרפיה" בפרוסות סיליקון. תנורי הגביש היחיד של יצרני פרוסות סיליקון מהמיינסטרים הבינלאומיים מיוצרים כולם בעצמם. לדוגמה, תנורי הגביש החד של Shin-Etsu ו-SUMCO מתוכננים ומיוצרים באופן עצמאי על ידי החברה או מתוכננים ומיוצרים באמצעות חברות בנות מחזיקות, ויצרני פרוסות סיליקון אחרים אינם יכולים לרכוש אותם. ליצרנים גדולים אחרים של פרוסות סיליקון יש ספקים עצמאיים משלהם לתנורי גביש בודדים וחותמים על הסכמי סודיות קפדניים, מה שלא מאפשר ליצרני פרוסות סיליקון חיצוניים לרכוש, או שהם יכולים לרכוש רק תנורי גביש חד-גביש רגילים, אך אינם יכולים לספק תנורי גביש בודדים במפרט גבוה. . לכן, מחסומי ציוד הם גם הסיבה לכך שיצרנים מקומיים לא יכולים להיכנס לספקים המרכזיים של פרוסות סיליקון עולמיות.

חסמי הון:תהליך הייצור של פרוסות סיליקון מוליכים למחצה הינו מורכב, המצריך רכישת ציוד ייצור מתקדם ויקר, וכן מצריך שינוי וניפוי רציף בהתאם לצרכים השונים של הלקוחות. בשל העלויות הקבועות הגבוהות כגון פחת בציוד, לשינויים בביקוש במורד הזרם יש השפעה רבה יותר על ניצול הקיבולת של חברות פרוסות סיליקון, ובכך על הרווחים של חברות לייצור פרוסות סיליקון. בפרט, חברות שזה עתה נכנסו לתעשיית פרוסות הסיליקון היו כמעט במצב של הפסדים לפני שהגיעו למשלוחים בקנה מידה, ויש להם דרישות גבוהות לחסמי הון. בנוסף, בשל מחזור ההסמכה הארוך של יריעות פרוסות לפרוסות סיליקון, יצרני פרוסות סיליקון צריכים להמשיך ולהשקיע בתקופה זו, מה שגם דורש הרבה מאוד כספים.

3. עדיין יהיה המלך של חומרי המוליכים למחצה כיום, שוק פרוסות המוליכים למחצה נשלט על ידי חומרי סיליקון. חומרי סיליקון מהווים כ-95% משוק המוליכים למחצה כולו. חומרים אחרים הם בעיקר חומרים מוליכים למחצה מורכבים, בעיקר פרוסות חומר מוליכים למחצה מהדור השני של GaAs וחומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי פרוסות SiC ו- GaN. ביניהם, פרוסות סיליקון הן בעיקר שבבי לוגיקה, שבבי זיכרון וכו', והן חומרי פרוסות המוליכים למחצה הנפוצים ביותר. פרוסות GaAs הן בעיקר שבבי RF, ותרחישי היישום העיקריים הם מתח נמוך ותדר גבוה; חומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי הם בעיקר שבבים בעלי הספק גבוה ותדר גבוה, ותרחישי היישום העיקריים הם תדר גבוה והספק גבוה.

▲יחס חומרי רקיק

▲ היקף יישום של פרוסות מחומרים שונים

מוליכים למחצה מורכבים וחומרי סיליקון אינם נמצאים במערכת יחסים תחרותית, אלא ביחסים משלימים; חוקי הפיתוח של חומרים מוליכים למחצה (במיוחד פרוסות, מצעים וחומרי פרוס אפיטקסיאליים) כוללים שלושה מסלולים, כלומר גודל, מהירות והספק, ושלושת המסלולים תואמים לחומרי מוליכים למחצה מהדור הראשון, השני והשלישי.

▲השוואת ביצועים של חומרים מהדור הראשון/שני/שלישי

חומרים מוליכים למחצה מהדור הראשון:מסלול בגודל גדול: חומרי המוליכים למחצה מהדור הראשון מתייחסים לחומרי סיליקון. חומרי סיליקון הם חומרי הפרוסות המוקדמים ביותר שפותחו, והם גם החומרים בעלי הטכנולוגיה הבוגרת ביותר, העלות הנמוכה ביותר והשרשרת התעשייתית השלמה ביותר בשלב זה. במקביל, ככל שגודל פרוסות הסיליקון גדל, העלות של שבב בודד יורדת. תחומי היישום העיקריים הם שבבי לוגיקה ושדות במתח נמוך ובעלי הספק נמוך. הגודל של פרוסות סיליקון נע בין 2 אינץ', 4 אינץ', 6 אינץ', 8 אינץ', ועד לטכנולוגיית ה-12-אינץ' המיינסטרים של פרוסות. חברות פרוסות סיליקון טיפוסיות כוללות את Shin-Etsu Chemical, Sumco, וכו' היפניות. נכון לעכשיו, מותגי הפרוסים הבינלאומיים העיקריים משתמשים בחומרי סיליקון כחומר הייצור העיקרי.

▲ השוואה בין גדלי רקיק שונים

חומרים מוליכים למחצה מהדור השני:מסלול מהיר. מכיוון שהשבב צריך להיות מסוגל לעמוד במיתוג בתדר גבוה במעגל ה-RF, הומצא פרוסות המוליכים למחצה מהדור השני. תחום היישום העיקרי הוא מעגל RF, ותחום הטרמינל הטיפוסי הוא שבב ה-RF של מסופים ניידים כגון טלפונים ניידים. המוליכים למחצה מהדור השני מיוצגים בעיקר על ידי GaAs (גליום ארסניד) ו-InP (אינדיום פוספיד), ביניהם GaAs הוא חומר שבב ה-RF המסוף הנייד הנפוץ כיום. חברות יציקה טיפוסיות כוללות Taiwan Win Semiconductors, Macronix, Skyworks, Qorvo וכו', שהן חברות IDM של שבבי RF. הזרם המרכזי הנוכחי הוא 4-אינץ' ו-6-אינץ' פרוסות.

חומרים מוליכים למחצה מהדור השלישי:מסלול בעל הספק גבוה: כמעט באותה נקודת התחלה, עם הכי הרבה הזדמנויות. המסלול השלישי הוא הגדלת ההספק, מה שיקדם את היישום הנרחב שלו בתחום המעגלים בעלי הספק גבוה. החומרים העיקריים הם SiC ו- GaN. המסופים העיקריים הם תחומים תעשייתיים, רכב ואחרים. תוואי הכוח פיתח שבבי IGBT על חומרי סיליקון, בעוד לחומרי SiC (סיליקון קרביד) ו-GaN (גליום ניטריד) יש ביצועים גבוהים יותר מ-IGBT. נכון לעכשיו, פרוסות SiC הן בעיקר 4-אינץ' ו-6-אינץ', וחומרי GaN הם בעיקר 6-אינץ' ו-8-אינץ'. מפעלי היציקה הגדולים בעולם כוללים את קרי ווולפספיד בארצות הברית ו-X-Fab בגרמניה. אולם בתחום זה גם התפתחותן של ענקיות בינלאומיות איטיות יחסית. חברות מקומיות כמו Sanan Optoelectronics, למרות שעדיין קיים פער מסוים ברמת הטכנולוגיה, נמצאות בשלב הראשוני של התעשייה כולה ובסבירות גבוהה לשבור את המונופול הזר ולתפוס מקום במפת יציקת הכוח הבינלאומית.

חומרים מרוכבים דורשים מצעי סיליקון:למרות שכרגע יש מספר רב של שבבי פרוסות SiC ו- GaN, כמו מטעני GaN ששוחררו על ידי Xiaomi, OPPO ו-Realme, והדגם3 ששוחרר על ידי Tesla משתמש ב- SiC MOSFET במקום IGBT. עם זאת, עבור פרוסות, רוב שבבי המוליכים למחצה הצרכניים משתמשים כיום בפרוסות סיליקון כמצעים, ולאחר מכן מייצרים פרוסות אפיטקסיאליות מורכבות, ולאחר מכן מייצרים שבבים על פרוסות אפיטקסיאליות.

העלות של פרוסות מוליכים למחצה מורכבות גבוהה יחסית:נכון להיום, בשל חוסר השלמות של שרשרת תעשיית המוליכים למחצה המורכבים, כושר הייצור של המוליכים למחצה המורכבים נמוכה ומחיר פרוסות המוליכים למחצה המורכבים גבוה יחסית. זה מוביל לקבלה נמוכה של משתמש קצה, והפתרון המרכזי לאלקטרוניקה צרכנית הוא עדיין "מצע סיליקון + פרוס אפיטקסיאלי מורכב". בתחום הרכב, IGBT מבוסס סיליקון הוא עדיין הפתרון המרכזי. לשבבי IGBT מבוססי סיליקון יש עלויות נמוכות ומגוון רחב של מתחים אופציונליים. המחיר של מכשירי SiC MOSFET הוא פי 6 עד 10 מזה של IGBT מבוססי סיליקון. בהשוואה בין פרמטרי הביצועים של SiC-MOSFET ו-Si-IGBT תחת הפרמטרים הטכניים של Infineon 650V/20A, SiC-MOSFET עדיין עדיף על Si-IGBT מבחינת פרמטרי ביצועים, אבל מבחינת מחיר, SiC-MOSFET הוא פי 7 מזה של Si-IGBT. יתרה מכך, ככל שהתנגדות ההפעלה של התקני SiC יורדת, המחיר של SiC-MOSFET עולה באופן אקספוננציאלי. לדוגמה, כאשר התנגדות ההפעלה היא 45 מיליאוהם, ה-SiC-MOSFET הוא רק 57.6$, כאשר ההתנגדות היא 11 מיליאוהם המחיר הוא 159.11$, וכאשר התנגדות ההפעלה שווה ל-6 מיליאוהם, המחיר הגיע $310.98.

▲השוואת Infineon SiC-MOSFET לעומת Si-IGBT

▲ Infineon SiC-MOSFET מחיר ויחס על התנגדות

4, מאמצים מקומיים יצרו פוטנציאל שוק עצום.

1. שוק פרוסות הסיליקון נכנס למחזור צמיחה.

שיעור החומרים לייצור מוליכים למחצה גדל משנה לשנה. ניתן לחלק חומרים מוליכים למחצה לחומרי אריזה וחומרי ייצור (כולל פרוסות סיליקון וכימיקלים שונים וכו'). בטווח הארוך, חומרי ייצור מוליכים למחצה וחומרי אריזה נמצאים באותה מגמה. עם זאת, מאז 2011, עם התפתחות מתמשכת של תהליכים מתקדמים, גדלה בהדרגה צריכת חומרי ייצור מוליכים למחצה, והפער בין חומרי ייצור לחומרי אריזה גדל בהדרגה. בשנת 2018 עמדו מכירות חומרי הייצור על 32.2 מיליארד דולר, ומכירות חומרי האריזה עמדו על 19.7 מיליארד דולר, וחומרי הייצור היו פי 1.6 בערך מחומרי אריזה. בקרב חומרי מוליכים למחצה, חומרי ייצור מהווים כ-62% וחומרי אריזה מהווים 38%.

▲שיעור צריכת החומרים של מוליכים למחצה ב-2018

▲יחס עלות חומר ייצור מוליכים למחצה

פרוסות סיליקון הן החומרים המתכלים הגדולים ביותר בייצור מוליכים למחצה; מבין חומרי הייצור, פרוסות סיליקון, כחומרי הגלם של מוליכים למחצה, מהווים את השיעור הגדול ביותר, ומגיעים ל-37%. מאז 2017, עם התבוסה של Lee Sedol על ידי "AlphaGo", טכנולוגיות כוכבים חדשות בהובלת בינה מלאכותית היו הטכנולוגיות העיקריות המניעות את הפיתוח של מוליכים למחצה עולמיים. בפרט, בשנת 2018, הביקוש העולמי לזיכרון זינק, יחד עם התפרצות טכנולוגיית הבלוקצ'יין, והביקוש לפרוסות סיליקון הגיע לשיא. הגידול במשלוחי המוליכים למחצה העולמיים הניע גם את הגידול המהיר במשלוחי פרוסות סיליקון. במונחים של משלוחים, בשנת 2018, שטח משלוח פרוסות הסיליקון העולמי עלה על 10 מיליארד אינץ' רבוע בפעם הראשונה, והגיע ל-12.7 מיליארד אינצ'ים רבועים. בשנת 2019, עקב חיכוכים מסחריים במחצית הראשונה של השנה, שטח המשלוח ירד ל-11.8 מיליארד אינץ' רבוע. במונחים של מחזור שוק, מכירות השוק העולמי בשנת 2018 היו 11.4 מיליארד דולר, ובשנת 2019 הם הגיעו ל-11.2 מיליארד דולר.

▲2009-2019 אזור משלוח פרוסות סיליקון גלובלי

▲2009-2019 מכירות גלובליות של פרוסות סיליקון

מנקודת המבט של פילוח פרוסות, בשל העלות הגבוהה של חומרים מוליכים למחצה מהדור השני והשלישי, והעובדה שרוב המוליכים למחצה המורכבים מבוססים על פרוסות סיליקון, פרוסות סיליקון מהוות 95% ממצעי הפרוסים העולמיים. מנקודת המבט של גדלי פרוסות ספציפיים, פרוסות 12-אינץ' הן הסוג העיקרי של פרוסות סיליקון גלובליות. בשנת 2018, 12-wafers אינץ' היוו 64% ממשלוחי פרוסות סיליקון העולמיות, ו-8-wafers אינץ' היוו 26%.

▲יחס משלוח פרוסות סיליקון לפי גודל

מנקודת המבט של יישומי טרמינלים, הצריכה העולמית של 12-וופלים אינץ' היא בעיקר שבבי זיכרון, כאשר זיכרון Nand Flash ו-DRAM מהווים כ-75% בסך הכל, מתוכם Nand Flash צורך כ-33% מהוופרים, ו-Nand לפלאש יש 35% מהשוק במורד הזרם בשוק הסמארטפונים. ניתן לראות שהעלייה במשלוחים ובקיבולת של סמארטפונים היא הגורם העיקרי המניע את המשלוח של 12-וופל אינץ'. בין פרוסות 12-אינץ', שבבי לוגיקה מהווים כ-25%, DRAM מהווה כ-22.2%, ושבבים אחרים כגון CIS מהווים כ-20%.

2. לשוק פרוסות סיליקון מוליכים למחצה של סין יש שטח עצום

שוק החומרים המוליכים למחצה בסין גדל בהתמדה. בשנת 2018, מכירות חומרי מוליכים למחצה העולמיות הגיעו ל-51.94 מיליארד דולר, עלייה של 10.7% משנה לשנה. ביניהם, מכירות סין היו 8.44 מיליארד דולר. בניגוד לשוק העולמי, מכירות החומרים המוליכים למחצה בסין גדלו מאז 2010, וצמחו בשיעור של יותר מ-10% במשך שלוש שנים רצופות מ-2016 עד 2018. שוק החומרים המוליכים למחצה העולמי מושפע מאוד מגורמים מחזוריים, במיוחד בטייוואן , סין ודרום קוריאה, שבהן התנודות גדולות. השווקים בצפון אמריקה והאירופה נמצאים כמעט במצב של אפס צמיחה. החומרים המוליכים למחצה של יפן נמצאים במצב של צמיחה שלילית במשך זמן רב. בעולם, רק שוק החומרים המוליכים למחצה ביבשת סין נמצא בחלון צמיחה ארוך טווח. שוק החומרים המוליכים למחצה הסיני עומד בניגוד חד לשוק העולמי.

▲ מכירות וקצב צמיחה של חומרים מוליכים למחצה גלובליים (במיליארד דולר ארה"ב)

▲ מכירות שנתיות של חומרים מוליכים למחצה לפי מדינה ואזור (יחידה: מיליארד דולר ארה"ב)

חומרי מוליכים למחצה גלובליים עוברים בהדרגה לשוק היבשתי הסיני. מנתח המכירות של מדינות ואזורים שונים, שלוש המדינות או האזורים המובילים היוו 55% ב-2018, וניכרת השפעת הריכוזיות האזורית. ביניהם, טייוואן, סין אחראית לכ-23% מכושר ייצור הפרוסות העולמי, מה שהופך אותה לאזור עם כושר הייצור הגדול בעולם. מכירות החומרים המוליכים למחצה שלה עומדות על 11.4 מיליארד דולר, מהווים 22% מהעולם, במקום הראשון, וזה היה אזור צריכת החומרים המוליכים למחצה הגדול בעולם במשך תשע שנים רצופות. דרום קוריאה אחראית לכ-20% מיכולת הייצור העולמית של פרוסות, עם מכירות חומרים מוליכים למחצה של 8.72 מיליארד דולר, המהווים 17%, במקום השני. סין היבשתית מהווה כ-13% מכושר הייצור העולמי, עם מכירות חומרים מוליכים למחצה של 8.44 מיליארד דולר, המהווים כ-16% מהעולם, במקום השלישי. עם זאת, בטווח הארוך, נתח השוק של חומרי מוליכים למחצה ביבשת סין גדל משנה לשנה, מ-7.5% בשנת 2007 ל-16.2% בשנת 2018. חומרי מוליכים למחצה גלובליים עוברים בהדרגה לשוק היבשתי הסיני.

▲ נתח מכירות לפי מדינה ואזור ב-2018

▲ מכירות וחלק של חומרים מוליכים למחצה בסין היבשתית (במיליארד דולר אמריקאי)

יכולת ייצור פרוסות גלובלית תביא לצמיחה נפיצה. ה-12-inch wafer fab, המייצג את הטכנולוגיה המתקדמת ביותר ב-wafer fabs של ימינו, היה בשיאו בבנייה משנת 2017 עד 2019, עם ממוצע של 8 12-inch wafer fabs שנוספו בכל שנה ברחבי העולם. ההערכה היא שעד שנת 2023, יהיו בעולם 138 12-אינץ' ופל פאבים. על פי הסטטיסטיקה של IC Insight, בשל אי הוודאות של מלחמת הסחר בין סין לארה"ב במחצית הראשונה של 2019, יצרניות רקיקות גדולות ברחבי העולם דחו את תוכניות הגדלת הקיבולת שלהן, אך לא ביטלו אותן. עם התאוששות הסחר בין סין לארה"ב במחצית השנייה של 2019 והתפרצות שוק ה-5G, כושר ייצור הפרוסות העולמי בשנת 2019 עדיין שמר על עלייה של 7.2 מיליון חתיכות. עם זאת, עם הגעתו של גל החלפת שוק ה-5G, קיבולת ייצור הפרוסות העולמית תביא לתקופת שיא של עלייה מ-2020 ל-2022, עם עלייה של שלוש שנים של 17.9 מיליון חלקים, 20.8 מיליון חלקים ו-14.4 מיליון חלקים בהתאמה, וכן יקבע שיא בשנת 2021. קיבולות פרוסות אלו יהיו בדרום קוריאה (סמסונג, Hynix), טייוואן (TSMC) וסין היבשתית (Yangtze River Storage, Changxin Storage, SMIC, Huahong Semiconductor וכו'). סין היבשת תהיה אחראית ל-50% מהגידול בקיבולת.

▲מספר של 12-אינץ' רקיקות ברחבי העולם, 2002-2023

▲ הגדלת קיבולת הייצור העולמית (יחידה: מיליון חתיכות בשנה, רקיק שווה ערך של 8-אינץ')

בניית מבני רקיק ביבשת סין תפתח תקופה של צמיחה מהירה. מאז 2016, סין היבשתית החלה להשקיע באופן פעיל בבניית פקקים, וגל של בניית מפעלים יצא לדרך. על פי התחזית של SEMI, 62 פאב רקיק ייבנו ויוכנסו לייצור בעולם משנת 2017 עד 2020, מתוכם 26 יהיו בסין, המהווים 42% מהכלל. מספר הבנייה בשנת 2018 היה 13, המהווה 50% מההרחבה. תוצאת ההתרחבות צפויה להוביל לגידול בהוצאות ההון ובהוצאות הציוד למוצרי רקיק. לפי SEMI, עד שנת 2020, הקיבולת המותקנת של וופרים ביבשת סין תגיע ל-4 מיליון 8-אינץ' שוות ערך לחודש, בהשוואה ל-2.3 מיליון ב-2015, עם קצב גידול שנתי של 12%, כלומר גבוה בהרבה מאזורים אחרים. במקביל, הקרן הלאומית הגדולה השקיעה רבות גם בתעשיית ייצור המוליכים למחצה. בשלב הראשון של ההשקעה של הקרן הגדולה, ענף הייצור היוו עד 67%, גבוה בהרבה מתעשיית העיצוב ותעשיית האריזות והבדיקות.

▲2010-2020 ההשקעה של סין פרוסות מוליכים למחצה (יחידה: 100 מיליון דולר)

▲יחס השקעה של השלב הראשון של הקרן הלאומית הגדולה

נכון לסוף 2019, עדיין יש 9 8-אינץ' רקיקות ו-10 12-אינץ' רקיקות בבנייה או בתכנון בסין. בנוסף, מכיוון שרוב הפקקים של סין 12-אינץ' נמצאים כעת בייצור נסיוני או בייצור אצווה קטנה, הם נמצאים בתחתית כושר הייצור. לאחר קבלת אימות מוצר מלקוחות ואימות שוק, כושר הייצור יכנס לשלב התגברות, ויהיה ביקוש עצום לחומרי גלם במעלה הזרם.

▲ מותגי רקיק חדשים בסין

הפופולריות של 5G הובילה לעלייה בתכולת הסיליקון של מסופים: מעידן הסמארטפונים החל באייפון 3, לטלפונים ניידים 4G המיוצגים על ידי אייפון 5, ולבסוף לעידן הנוכחי של טלפונים ניידים 5G. תכולת הסיליקון בטלפונים ניידים ממשיכה לעלות. על פי ניתוח עלויות החומר של טלפונים ניידים על ידי פירוק ארגונים כמו תובנות טכנולוגיות ו-iFixit, ערך היחידה של השבבים העיקריים של טלפונים ניידים, כגון מעבדי טלפון נייד (AP), שבבי עיבוד פס בסיסי (BP), זיכרון (Nand flash , DRAM), מודולי מצלמה (CIS), שבבי תדר רדיו (RF), שבבי ניהול צריכת חשמל (PMIC), שבבי Bluetooth/wifi וכו', הראו עלייה הדרגתית, ושיעור הערך הכולל של היחידה גדל משנה לשנה. אמנם בשלב האייפון X ירד שיעור השבבים עקב שינויים במסך, אך לאחר מכן אופטימיזציה מתמשכת, גם שיעור עלויות השבבים גדל משנה לשנה. בעידן ה-iPhone 11 pro max, השיא של טלפונים ניידים 4G, שיעור השבבים הראשיים הגיע ל-55%, ושוויה של יחידה בודדת הוא כ-272 דולר ארה"ב. בהתפתחות מאייפון 3 ל-iPhone 11 Pro Max, מצלמת הטלפון הנייד השתנתה מצילום בודד ל-3 צילומים, זיכרון הגוף גדל מ-8GB ל-512GB, שיעור תכולת הסיליקון ליחידה גדל מ-37% ל-55% , והערך ליחידה עלה מ-$68 ל-US$272.

2020 היא השנה הראשונה לייצור המוני של טלפונים ניידים 5G. על פי ניתוח הפירוק של הטלפונים הניידים Samsung S20 ו-Xiaomi 10 שיצאו לאור, הערך והשיעור של השבבים הראשיים ליחידה עלו עוד יותר בהשוואה לטלפונים ניידים 4G. עבור סמסונג, השבבים הראשיים מהווים 63.4% מעלות החומר הכוללת, והערך ליחידה הגיע ל-335 דולר ארה"ב, שהוא גבוה ב-23% מ-iPhone 11 Pro Max. עבור Xiaomi, שיעור השבבים הראשיים גבוה עוד יותר, ומגיע ל-68.3%, והערך ליחידה של השבבים הראשיים הגיע גם הוא ל-300 דולר ארה"ב. לפי הפירוק של Samsung S20 ו-Xiaomi 10, ההערכה היא שהשבבים העיקריים בטלפונים הניידים ההתחלתיים של 5G יהוו כ-65%~70%, והערך של מכונה בודדת יהיה בסביבות ארה"ב{{18} }.

▲ פירוט עלויות BOM של סמארטפונים מיינסטרים

▲ יחס עלות של שבבים ראשיים בטלפונים ניידים שונים

בניית פקקים מגדילה את הביקוש לפרוסות סיליקון: הרחבת קיבולת הפקקים תוביל בהכרח לעלייה בביקוש לפרוסות סיליקון. נכון לעכשיו, סין השקיעה רבות בפקקים, ויצרה תעשיית זיכרון הנשלטת על ידי Yangtze Memory Technologies וחפיי צ'אנגשין, תעשיית שבבי לוגיקה הנשלטת על ידי SMIC, קו ייצור תהליכים מיוחדים שנשלט על ידי Huahong Semiconductor ו- Jetta Semiconductor, ומפעל יציקה למכשירי חשמל נשלט על ידי China Resources Microelectronics ו- Silan Microelectronics. נכון לעכשיו, שיעור הצמיחה של מכירות פרוסות סיליקון בסין ב-2017/2018 גבוה מ-40%. ונהנים מהמגמה של השקעות בקרנות גדולות והחלפה מקומית, יצרני פרוסות במורד הזרם הרחיבו לחלוטין את כושר הייצור שלהם, מה שהוביל לעלייה בביקוש לפרוסות סיליקון במעלה הזרם. על פי התחזית של SUMCO, בשנת 2020, הביקוש לפרוסות סיליקון 8-אינץ' ביבשת סין יעמוד על כ-970,000 חתיכות, ופסקיות 12-אינץ' יגיעו ל-1.05 מיליון חתיכות.

▲ מכירות וקצב הצמיחה של פרוסות סיליקון ביבשת סין (יחידה: מיליארד דולר)

▲שינויים בביקוש לפרוסות סיליקון ביבשת סין (יחידה: 10,000 חתיכות לחודש)

מחזור עליית מחירים + תהליך מתקדם מקדם עליית "מחיר": לפי חישוב מחיר פרוסות סיליקון ההיסטורי, הוא נמצא כעת בתחילתו של סבב חדש של מחזור עליית מחירים. מ-2009 עד 2011, הסמארטפונים הפכו לפופולריים במהירות, תכולת הסיליקון בטלפונים ניידים גדלה, ומחיר הסיליקון ליחידת שטח המשיך לעלות, והגיע ל-$1.09 לאינץ' רבוע ב-2011. מאוחר יותר. , עם הגידול במלאי פרוסות הסיליקון והירידה במכירות הסמארטפונים, מחיר פרוסות הסיליקון ליחידת שטח המשיך לרדת, והגיע לנקודת השפל שלו ב-2016, ב-0.67 דולר לאינץ' רבוע. בשנת 2016, "AlphaGo" של גוגל ניצחה את לי סדול, ואיפשרה לבינה מלאכותית להיכנס לבמת ההיסטוריה. הביקוש העולמי לפרוסות סיליקון גדל, ונכנס לסבב חדש של מחזור עליית מחירים. עם השקת טלפונים ניידים 5G בשנת 2019, המחיר של פרוסות סיליקון ליחידת שטח הגיע ל-$0.94. עם השחרור בקנה מידה גדול של טלפונים ניידים 5G בשנת 2020, המניע את הביקוש העולמי לפרוסות סיליקון, צפוי שיהיו 2-3 שנים של עליית מחירים בעתיד.

תהליכים מתקדמים מעלים מחירים; פרוסות סיליקון מוליכים למחצה הם חומר הבסיס לייצור שבבים, ולכל תנודות באיכות תהיה השפעה רצינית על השבבים. עם הפיתוח המתמשך של תהליכים מתקדמים, דרישות הטומאה לפרוסות סיליקון מוליכים למחצה הולכות וגדלות. דרישות גבוהות יותר הופכות את תהליך הייצור של פרוסות סיליקון לקשה יותר ויותר, כך שהמחיר הולך ועולה. לדוגמה, עבור אותו פרוסות סיליקון 12-אינץ', המחיר של פרוסות סיליקון בתהליך 7nm הוא פי 4.5 מהמחיר של פרוסות סיליקון 90nm. נכון לעכשיו, מוצרי הפרוסים ביבשת סין בנויים בעיקר עם פרוסות 12-אינץ', ומחיר פרוסות הסיליקון גבוה בהרבה מזה של פרוסות 8-אינץ'. במקביל, מפעלי שבבי לוגיקה המיוצגים על ידי SMIC ו-Huahong Semiconductor העבירו בהדרגה את התהליך מתהליך 28nm ל-16/14nm, מה שהעלה את המחיר הכולל של פרוסות סיליקון.

מאז שקו הייצור 12-אינץ' נפתח לראשונה בעולם בשנת 2000, הביקוש בשוק גדל באופן משמעותי. בשנת 2008, נפח המשלוח עלה על 8-אינץ' פרוסות סיליקון בפעם הראשונה, ובשנת 2009 הוא חרג מסכום שטח המשלוח של גדלים אחרים של פרוסות סיליקון. משנת 2016 עד 2018, עקב ההתפתחות המשגשגת של שווקים מתעוררים כמו בינה מלאכותית, מחשוב ענן ובלוקצ'יין, שיעור הצמיחה השנתי המורכב של פרוסות סיליקון 12-אינץ' היה 8%. בעתיד, נתח השוק של פרוסות סיליקון 12-אינץ' ימשיך לגדול. לפי נתוני SUMCO, עדיין יהיה פער בהיצע ובביקוש הגלובלי של 12-פרוסות סיליקון ב3-5 השנים הבאות, והפער יגדל יותר ויותר ככל שגשוגו של המוליך למחצה מחזור עולה. עד 2022, יהיה פער של 1000K/חודש. כבסיס ייצור מוליכים למחצה מתפתח בעולם, הפער העצום של פרוסות סיליקון בסין יקדם את מהירות לוקליזציה של פרוסות סיליקון.

על פי נתונים סטטיסטיים של SUMCO, כמות המכירות של פרוסות סיליקון ביבשת סין בשנת 2018 הייתה כ-930 מיליון דולר, גידול של 45% משנה לשנה, מה שהופך אותו לשוק פרוסות הסיליקון הצומח במהירות הגבוהה ביותר בעולם. נהנה מתוכניות ההרחבה של פקקים גדולים כגון Yangtze Memory, SMIC ו-Changxin Storage ב-2020-2022. ההערכה היא שעד סוף 2022, הביקוש לפרוסות סיליקון מקבילות 12-אינץ' ביבשת סין יגיע ל-2.01 מיליון בחודש, עם שטח שוק של 20 מיליארד יואן.

סיברנץ' מאמינה שכמי שמקבל את ההעברה השלישית של תעשיית המוליכים למחצה, נתח מכירות המוליכים למחצה של ארצי בשוק העולמי ממשיך לעלות. בנוסף, המדינה שלי היא היצרנית, היצואנית והצרכנית הגדולה בעולם של מוצרי אלקטרוניקה, ויש לה ביקוש גדול למוצרי מוליכים למחצה. לכן, לרמת הלוקליזציה תהיה השפעה רבה על הביטחון התעשייתי. בתור המגוון הגדול והבסיסי ביותר בשוק חומרי ייצור הפרוסים, למדינה שלי יש חסרונות בתחום פרוסות הסיליקון, וזה בולט יותר בפרוסות סיליקון גדולות. עם זאת, בתמיכה של מדיניות וקרנות לאומיות, חברות סיניות רבות תכננו קווי ייצור והניחו פרוסות סיליקון גדולות מוליכים למחצה.