2021年中国半导体硅材料行业概览.pdf
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1、2021年中国半导体硅材料行业概览2021 China Semiconductor Silicon Material Industry Overview2021年中国半導体材料産業概要报告标签:半导体、晶圆、芯片、硅材料报告作者:莫子庆2021/06 硅片是半导体产业链的起点,会直接影响芯片的制造质量。半导体硅片是生产集成电路、分立器件、传感器等半导体产品的关键材料。半导体晶圆制造材料市场中半导体硅片是最大宗产品,占晶圆制造材料市场规模比例31%,全球半导体材料市场份额达36%。硅基材料由于抗辐射、耐高温性能好、可靠性高、兼容性强等特点,目前95%以上的半导体芯片和器件由硅基材料制造。半导体产
2、业链的起点,半导体晶圆制造材料最大宗产品“硅片”01 根据制造工艺分类,半导体硅片可分为抛光片、外延片与以SOI硅片为代表的高端硅基材料。抛光片可直接用于制作半导体器件,广泛应用于存储芯片与功率器件等。外延片常在CMOS 电路中使用,如通用处理器芯片、图形处理器芯片等。SOI硅片适合应用在要求耐高压、耐恶劣环境、低功耗、集成度高的芯片上,如射频前端芯片、功率器件、汽车电子、传感器以及星载芯片等。半导体硅片分为抛光片、外延片与以SOI硅片为代表的高端硅基材料,不同的硅片应用于不同领域02 自“02专项”起,中国半导体产业相关政策的陆续发布与实施,增强产业创新能力和国际竞争力,努力实现核心技术及产
3、品国产化,促进中国半导体产业链自主可控化。在良好的政策环境下,国家产业投资基金及民间资本也以市场化的投资方式进入半导体产业,中国半导体设备行业将迎来前所未有的发展契机,有助于中国半导体设备行业技术水平提高。国家政策大力扶持下,国产替代迎来曙光03中国将成为全球最大半导体设备市场,带动半导体材料需求中国半导体产业供需缺口大,进口替代是中长期内产业主要逻辑。从需求端分析,随着经济的不断发展,中国已成为了全球电子产品生产及消费市场,半导体器件需求持续旺盛。未来随着互联网、大数据、云计算、物联网、人工智能、5G 等高新技术产业和战略性新兴产业进一步发展,中国半导体器件消费还将持续增加。2020年,中国
4、成为最大半导体设备市场,将直接带动相关半导体材料的需求,半导体硅材料行业复苏得以支撑将重新回稳并有望持续增长。摘要2021 LeadL400-072-558832021 LeadL400-072-5588 名词解释-7 中国半导体硅材料行业综述-8定义及应用分类-9技术工艺分类-10SOI硅片-11市场规模-12竞争格局-13 半导体硅材料行业产业链分析-14产业链全景图-15上游:多晶硅材料-16中游:半导体硅片-18下游:晶圆代工-19 半导体硅材料发展趋势及前景-21行业发展趋势-22需求端-24政策端-25 中国半导体材料行业企业推荐-27沪硅产业-28中环股份-30立昂微-32 方法
5、论-33 法律声明-34目录CONTENTS42021 LeadL400-072-5588 Terms-9 Overview of Semiconductor Silicon Material-10The Operating Principle of Semiconductor Silicon Material-11Technology of Semiconductor Silicon Material-12SOI Semiconductor Silicon Material-13Market Size-14Competition Situation-15 Analysis of Semico
6、nductor Silicon Material-16Full Vision-17Upstream-18Midstream-20Downstream-21 Development Prospects of Semiconductor Silicon Material-23Development Trend of Thin Film Deposition-24Demand-26Policy-27 Enterprise Recommendation of Semiconductor Silicon Material-29NSIG-30TJSEMI-32LION-34 Methodology-35
7、Legal Statement-36目录CONTENTS52021 LeadL400-072-5588图表1:硅片对应制程节点和终端应用领域-11图表2:半导体硅片(抛光片、外延片)工艺流程图-12图表3:SOI硅片制作工艺-13图表4:全球SOI硅片市场规模,2013-2019年-13图表5:全球半导体硅片销售额,2013-2019年-14图表6:中国半导体硅片销售额,2012-2018年-14图表7:全球半导体硅片行业市场份额,2018年-15图表8:中国主要半导体硅片生产商-15图表9:行业产业链-17图表10:中国多晶硅年产能,2011-2019年-18图表11:中国多晶硅进口量及占比
8、-18图表12:全球半导体硅片出货面积及增长率,2013-2019年-19图表13:不同尺寸半导体硅片市场占有率,2014-2019年-19图表14:全球半导体硅片价格走势,2009-2018年-20图表15:不同尺寸半导体硅片市场占有率,2014-2019年-20图表16:全球晶圆代工行业市场规模,2021-2025年预测-21图表17:全球晶圆管代工行业市场份额,2019年-21图表18:全球晶圆管代工厂产能分别占比,2019年-22图表19:全球晶圆代工行业营收分别占比,2019年-20图表20:全球半导体行业市场规模,2015-2020年-23图表21:半导体行业经济产值图-24图表2
9、2:半导体设备市场规模,2015-2020年-24图表目录List of Figures and Tables62021 LeadL400-072-5588图表23:半导体行业周期-25图表24:中国半导体产业相关政策,2013-2020年-27图表25:中国半导体产业相关政策,2013-2020年(续)-28图表26:沪硅产业核心产品-30图表27:硅集团控股公司情况-31图表28:沪硅产业产品产能和产量情况,万片-31图表29:主要营收构成-32图表30:营收规模及归母净利润,2016-2020年-32图表31:中环股份拟实施定增以推进半导体大硅片计划-33图表32:核心产品-34图表33
10、:营收规模及归母净利润,2016-2020年-34图表目录List of Figures and Tables72021 LeadL400-072-5588硅片:用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸,尺寸越大产率越高。SOI硅片:绝缘体上硅,是常见的硅基材料之一,其核心特征是在顶层硅和支撑衬底之间引入了一层氧化物绝缘埋层。多晶硅:是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时,硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核,如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则这些晶粒结合起来,就结晶成多晶硅。单晶硅:单晶硅通常指的是硅原子的一种排列形式形成的物质。名词解释82021 LeadL400-072-5588行
11、业综述010203050492021 LeadL400-072-5588来源:头豹研究院硅片对应制程节点和终端应用领域中国半导体硅材料行业综述定义及应用分类 硅片作为半导体产业链的起点,直接影响芯片的制造质量。主流单晶硅圆片为8和12英寸,半导体硅片向大尺寸演进是硅片制造技术的主要发展方向头豹洞察硅片是半导体产业链的起点,会直接影响芯片的制造质量。半导体硅片是生产集成电路、分立器件、传感器等半导体产品的关键材料。半导体晶圆制造材料市场中半导体硅片是最大宗产品,占晶圆制造材料市场规模比例31%,全球半导体材料市场份额达36%。单晶硅圆片按其直径主要分为6英寸、8英寸、12英寸及18英寸等,目前主
12、流硅片尺寸为8和12英寸。半导体硅片向大尺寸演进是硅片制造技术的发展方向,可提高生产效率并降低成本。硅基材料由于抗辐射、耐高温性能好、可靠性高、兼容性强等特点,在上世纪60年代后期逐步取代锗基材料成为主流半导体材料,目前95%以上的半导体芯片和器件由硅基材料制造。尺寸制程应用领域12英寸先进制程7nm高端智能手机处理器、高性能计算机、显示卡(CPU、GPU 等)10nm16/14nm高端显示卡(GPU)、智能手机处理器、高端存储芯片、计算机处理器、FGPA 芯片等20-22nm存储芯片、中低端智能手机处理器、计算机处理器、移动端影像处理器等12英寸成熟制程28-32nmWi-Fi/蓝牙通信芯片
13、、音效处理芯片、存储芯片、FPGA 芯片、ASIC 芯片等45nm-65nmDSP 处理器、影响传感器、射频 ixnp、WIFI/蓝牙/GPS/NFC 通信芯片、存储芯片等65nm-90nm物联网 MCU 芯片、射频芯片、模拟芯片、功率器件等8英寸90nm-0.13um汽车 MCU 芯片、基站通信设备、物联网 MCU 芯片、射频芯片、模拟芯片、功率器件等0.13um-0.15um指纹识别芯片、影像传感器、通信 MCU、电源管理芯片、功率器件、LED 驱动 IC、传感器芯片等0.18um-0.25um影像传感器、嵌入式非易失性存储芯片等6英寸0.35um-0.5umMOSFET 功率器件、IGB
14、T 等0.5um-1.2umMOSFET 功率器件、IGBT 等、MEMS、分立器件102021 LeadL400-072-5588来源:头豹研究院半导体硅片(抛光片、外延片)工艺流程图头豹洞察中国半导体硅材料行业综述技术工艺分类 半导体硅片分为抛光片、外延片与以 SOI 硅片为代表的高端硅基材料,不同的硅片应用于不同的领域,由于SOI硅片拥有极高性能,被广泛应用于高端芯片中半导体单晶硅片生产工艺可分为直拉法、外延法和区熔法,其中直拉法和区熔法用于制备单晶硅棒材。根据制造工艺分类,半导体硅片可分为抛光片、外延片与以SOI硅片为代表的高端硅基材料。单晶硅锭经过切割、研磨和抛光处理后得到抛光片。抛
15、光片经过外延生长形成外延片,抛光片经过氧化、键合或离子注入等工艺处理后形成 SOI 硅片。抛光片可直接用于制作半导体器件,广泛应用于存储芯片与功率器件等。外延片是通过化学气相沉积的方式在抛光面上生长一层或多层,掺杂类型、电阻率、厚度和晶格结构都符合特定器件要求的新硅单晶层。外延片常在CMOS 电路中使用,如通用处理器芯片、图形处理器芯片等。SOI硅片即绝缘体上硅,是常见硅基材料之一,SOI硅片具有寄生电容小、短沟道效应小、低压低功耗、集成密度高、速度快、抗宇宙射线粒子的能力强等优点。因此,SOI硅片适合应用在要求耐高压、耐恶劣环境、低功耗、集成度高的芯片上,如射频前端芯片、功率器件、汽车电子、
16、传感器以及星载芯片等。硅锭加工拉晶环节成型环节抛光环节外延环节硅锭加工多晶硅熔化接入籽晶旋转拉晶单晶硅锭硅锭去头径向滚圆定位边/槽研磨硅锭研磨切片双面研磨倒角刻蚀双面抛光边缘抛光最终抛光抛光片外延生长外延片抛光片/外延片清洗检测包装出货112021 LeadL400-072-5588来源:沪硅产业招股说明书,头豹研究院SOI硅片制作工艺中国半导体硅材料行业综述SOI硅片全球SOI硅片市场规模,2013-2019年 中国RF-SOI产业链发展不均衡,射频前端模块和器件大部分依赖进口,国产RF-SOI硅片以出口为主2016年至2018年全球SOI硅片市场销售额从4.4亿美元增长至7.2亿美元,年均
17、复合增长率27.5%;同期,中国SOI硅片市场销售额从0.02亿美元上升至0.11亿美元,年均复合增长率132.46%。目前,中国仅有少数芯片制造企业具有基于RF-SOI工艺制造射频前端芯片的能力,因此国产RF-SOI硅片目前以出口为主,根据Soitec预测数据,2024年全球SOI硅片市场规模将达到16至24亿美元。将一片硅片通过高温氧化在表面形成氧化硅通过离子注入的方式将大量的氢离子打入硅片中需要剥离的深度将另一片硅片和氧化硅片进行键合工艺,使之形成三明治(氧化层在中间)结构加热至摄氏600度使得离子注入的氢离子断裂,去除上层多余硅片加热到摄氏 1,000 度以上进行退火通过化学机械抛光C
18、MP工艺将正面研磨到制作需要的厚度,制作完成SOI硅片SOI硅片价格高于一般硅片4至5倍;制作方法需使用两片硅片,导入多道工艺。SOI硅片工艺一般采用智慧切割法(Smart Cut)制作:SOI 硅片的制作概念类似制作三明治,将一个抛光片和外延片互相粘结,在硅片中间形成氧化层。SOI硅片主要应用为5G射频前端(RF-SOI)占比为60%;Power-SOI和PD-SOI各占20%。根据Soitec产业高峰论坛信息:SOI硅片具备绝缘性和信号完整的优势,特别适合LTE和5G应用;依照目前SOI晶圆市占情形,通讯射频前端RF-SOI应用占整体SOI晶圆销售额约60%、高功率Power-SOI元件和
19、其余各占20%。作为特殊硅基材料,SOI硅片生产工艺更复杂、成本更高和应用领域更专业,全球范围内仅有Soitec、信越化学、环球晶圆、SUMCO和硅产业集团等少数企业有能力生产。43.74.34.415.47.176.81-7.5%16.2%2.6%22.4%32.8%-5.0%-10%-5%0%5%10%15%20%25%30%35%0123456782013201420152016201720182019销售额YOY单位:亿美元122021 LeadL400-072-5588来源:SEMI,头豹研究院全球半导体硅片销售额,2013-2019年中国半导体硅材料行业综述市场规模 全球半导体设备
20、行业复苏,受益于下游晶圆巨大需求、服务器云计算和5G基础建设的发展,带动相关芯片的需求,半导体硅材料市场规模增速将稳定提升中国半导体硅片销售额,2012-2018年单位:亿美元单位:亿美元中国半导体硅片市场占全球份额不到10%,但中国半导体大硅片市场实现突破性增长,2018年同比增速近50%,受益于中国半导体制造强势崛起,叠加产业链自主可控,为材料设备提供发展机会。2018年中国硅片市场规模为9亿美元,同比增长近50%;芯片将维持快速扩产,产能增速高于全球,受益于中国大陆芯片加速扩产和芯片国产化推动下,国内大硅片市场规模将同步增长。根据SEMI数据,2019年全球硅片市场规模为112亿美元,由
21、于全球经济放缓2019年全球半导体硅片市场规模些微下降,但大硅片出货量依然维持增长,硅晶圆尺寸量创2018年历史新高同比增长6;2020年,尽管受到新冠疫情带来巨大冲击,但受益于下游晶圆巨大需求、服务器云计算和5G基础建设的发展,带动相关芯片需求,半导体硅材料行业复苏得以支撑将重新回稳。5444569012345678910201220132014201520162017201875 76 72 72 87 114 112 0204060801001202013201420152016201720182019132021 LeadL400-072-5588来源:沪硅产业招股说明书、头豹研究院中
22、国半导体硅材料行业综述竞争格局 全球半导体硅片市场呈现日本企业为主导局面,中国半导体硅片企业技术较为薄弱,市场份额较小,中国硅产业集团为规模最大领先企业全球半导体硅片行业市场份额,2018年单位:百分比全球半导体硅片(含SOI硅片)行业销售额合计达120亿美元。半导体硅片行业呈现以日本半导体硅片企业为主导地位,其中日本信越化学占比28.5%,日本SUMCO占比25.15%,德国Siltronic占比14.22%,中国台湾环球晶圆占比14.04%,韩国SKSiltron占比10.16%。TOP5企业合计占全球半导体硅片行业销售额比重达92.07%。中国主要半导体硅片生产商28.50%25.15%
23、14.22%14.04%10.16%3.99%2.63%2.20%信越化学SUMCOSiltronic环球晶圆SK SiltronSOITEC合晶科技硅产业集团公司硅产业是中国大陆规模最大的半导体硅片企业之一,亦是中国大陆率先实现300mm半导体硅片规模化销售的企业,并且在特殊硅基材料 SOI 硅片领域具有较强的竞争力中环股份主要产品包括高效光伏电站、太阳能电池片、太阳能单晶硅棒/片、半导体硅锭、76.2-200mm抛光片、TVS保护二极管GPP芯片。2019 年募集资金建造月产15万片300mm抛光片生产线立昂微电主营业务为半导体硅片以及半导体分立器件芯片的研发、生产和销售,产品包括150-
24、200mm半导体硅片、肖特基二极管芯片、MOSFET芯片上海/重庆超硅半导体公司主营业务包括为硅片制造、蓝宝石制造和人工单晶生长等,具备抛光片、外延片产品生产技术有研半导体材料公司主要从事硅材料的研究、开发、生产,主要产品包括集成电路用、功率集成电路125-200mm硅单晶及硅片 150mm 及以下区熔硅单晶及硅片、集成电路工艺设备用超大直径硅单晶及硅部件等南京国盛电子公司主营产品包括100-200mm各类外延片普兴电子科技公司主要从事高性能半导体材料的外延研发和生产,其主要产品为150-200mm硅基外延片、氮化镓外延片和碳化硅单晶及外延片142021 LeadL400-072-5588产业
25、链0102030504152021 LeadL400-072-5588行业产业链下游晶圆代工下游晶圆代工上游多晶硅材料上游多晶硅材料中游半导体硅片中游半导体硅片来源:头豹研究院半导体硅材料行业产业链分析全景图 随着半导体市场晶圆代工持续扩产,对于晶圆制造中不可缺失的基础材料将会有着非常大的需求拉动,其中制造材料半导体硅片占比最大中国厂商FoundryIDM主要生厂商Foundry:不从事IC设计,只接受IC设计公司委托制造的公司。由于属于重资产且竞争激烈,目前集中度很高。主要成本集中在设备与材料。2019年,台积电占全球IC晶圆制造市场份额达55%。2021年全球半导体市场规模的预计至4,88
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