Räniplaadid on pooljuhtmaterjalide nurgakivi. Neist valmistatakse esmalt monokristallide tõmbamise teel ränivardad ning seejärel lõigatakse ja valmistatakse. Kuna räni aatomite valentselektronide arv on 4 ja järgarv on mõõdukas, on ränil erilised füüsikalised ja keemilised omadused ning seda saab kasutada keemia-, fotogalvaani-, kiibi- ja muudes valdkondades. Eriti kiipide vallas on räni pooljuhtomadused need, mis teevad sellest kiipide nurgakivi. Fotogalvaanika valdkonnas saab seda kasutada päikeseenergia tootmiseks. Pealegi moodustab räni 25,8% maakoorest. Seda on suhteliselt mugav kaevandada ja sellel on tugev taaskasutatavus, seega on hind madal, mis suurendab veelgi räni kasutusala.
1. Räni – kiibimaterjalide nurgakivi Ränimaterjalid jagunevad ühikelementide erineva paigutuse järgi monokristalliliseks räniks ja polükristalliliseks räniks. Suurim erinevus monokristallilise räni ja polükristallilise räni vahel seisneb selles, et monokristallilise räni ühikurakkude paigutus on korrapärane, samas kui polükristalliline räni on korrapäratu. Tootmismeetodite osas valmistatakse polükristallilist räni üldiselt ränimaterjali otse tiiglisse sulatamiseks ja seejärel jahutamiseks. Monokristalliline räni moodustatakse kristallpulgaks, tõmmates monokristalli (Czochralski meetod). Füüsikaliste omaduste poolest on kahe ränitüübi omadused üsna erinevad. Monokristallilisel ränil on tugev elektrijuhtivus ja kõrge fotoelektrilise muundamise efektiivsus. Monokristallilise räni fotoelektrilise muundamise efektiivsus on üldiselt umbes 17–25%, polükristallilise räni efektiivsus aga alla 15%.
▲ Pooljuht-räniplaadid ja fotogalvaanilised räniplaadid
▲ Ühekristalliline räniüksuse raku struktuur
Fotogalvaanilised räniplaadid:Fotoelektrilise efekti ja monokristallilise räni ilmsete eeliste tõttu kasutavad inimesed räniplaate, et viia lõpule päikeseenergia muundamine elektrienergiaks. Fotogalvaanilises väljas kasutatakse tavaliselt ümarate nurkadega ruudukujulisi monokristallilisi ränielemente. Kasutatakse ka odavamaid polükristallilisi räniplaate, kuid konversiooni efektiivsus on madalam.
▲ Monokristallilise ränielemendi esi- ja tagakülg
▲ Polükristalliline ränielement ees ja taga
Kuna fotogalvaanilistel räniplaatidel on madalad nõuded sellistele parameetritele nagu puhtus ja kõverus, on tootmisprotsess suhteliselt lihtne. Võttes näiteks monokristallilised ränielemendid, on esimene samm lõikamine ja ümardamine. Kõigepealt lõigake monokristalliline ränivarras ruudukujulisteks varrasteks vastavalt suurusenõuetele ja seejärel ümardage nelinurksete varraste neli nurka. Teine etapp on peitsimine, mille eesmärgiks on peamiselt monokristalliliste ruudukujuliste varraste pinnalisandite eemaldamine. Kolmas samm on viilutamine. Esmalt kleepige puhastatud kandilised vardad töölauale. Seejärel asetage töölaud viilutajale ja lõigake see vastavalt määratud protsessi parameetritele. Lõpuks puhastage monokristallilised räniplaadid ja jälgige pinna siledust, takistust ja muid parameetreid.
Pooljuht räniplaadid:Pooljuhtränivahvlite nõuded on kõrgemad kui fotogalvaanilistel räniplaatidel. Esiteks on kõik pooljuhtide tööstuses kasutatavad räniplaadid monokristallilised ränid, et tagada räniplaadi igas asendis samad elektrilised omadused. Fotogalvaanilised monokristallilised räniplaadid on kuju ja suuruse poolest ruudukujulised, peamiselt küljepikkustega 125 mm, 150 mm ja 156 mm. Pooljuhtide jaoks kasutatavad monokristallilised räniplaadid on ümmargused, läbimõõduga 150 mm (6-tollised vahvlid), 200 mm (8-tollised vahvlid) ja 300 mm (12-tollised vahvlid). Puhtuse osas on fotogalvaanika jaoks kasutatavate monokristalliliste räniplaatide puhtusenõue vahemikus 4N-6N (99,99%-99,9999%), kuid pooljuhtide jaoks kasutatavate monokristalliliste räniplaatide puhtusenõue on umbes. 9N (99,9999999%)-11N (99,999999999%) ja minimaalne puhtusnõue on 1000 korda kõrgem kui fotogalvaanilises energias kasutatavatel monokristallilistel räniplaatidel. Välimuse poolest on pooljuhtide jaoks kasutatavate räniplaatide pinnatasasus, siledus ja puhtus kõrgem kui fotogalvaanilistes räniplaatidel. Puhtus on suurim erinevus fotogalvaanilistes monokristallilistes räniplaatides ja pooljuhtides kasutatavate monokristallilistes räniplaatides.
▲ Pooljuhtide räniplaatide tootmisprotsess
Moore'i seaduse väljatöötamine on räniplaatide väljatöötamine. Kuna pooljuhträniplaadid on ümmargused, nimetatakse pooljuhtränivahvleid ka "ränivahvliteks" või "vahvliteks". Vahvlid on kiibi valmistamise "substraat" ja kõik kiibid toodetakse sellel "substraadil". Pooljuhträniplaatide arenguloos on kaks peamist suunda: suurus ja struktuur.
Suuruse poolest läheb räniplaatide arendustee aina suuremaks: integraallülituse arendamise algfaasis kasutati 0.75-tollisi vahvleid. Vahvli pindala ja kiipide arvu suurendamine ühel vahvlil võib kulusid vähendada. Umbes 1965. aastal, kui kehtestati Moore'i seadus, algas nii integraallülituste tehnoloogia kui ka räniplaadid kiire arengu perioodi. Räniplaadid on läbinud 4-tollised, 6-tollised, 8-tollised ja 12-tollised sõlmed. Kuna Intel ja IBM arendasid 2001. aastal ühiselt välja 12-tolliste vahvlite tootmise, on praegu levinud ränivahvel 12-tollised vahvlid, mis moodustavad umbes 70%, kuid 18-tolliste (450 mm) vahvlite osakaal on päevakorda võetud.
▲ Erineva suurusega vahvlite parameetrid
▲ Ränivahvli suuruse arendamine
Struktuuri poolest muutub räniplaatide arendussuund aina keerulisemaks: integraallülituse arendamise algfaasis oli loogikakiip vaid üht tüüpi, kuid rakendusstsenaariumite, loogikakiipide, toiteseadmete arvu suurenemisega. , üksteise järel on ilmunud analoogkiibid, segatud analoog- ja digitaalkiibid, flash/DRAM-mälukiibid, raadiosageduslikud kiibid jne, mistõttu räniplaadid on erineva struktuurse kujuga. Nüüd on peamiselt kolme tüüpi:
PW (Poola vahvel):poleeritud vahvel. Pärast monokristallide tõmbamist otse lõigatud räniplaadid ei ole täiuslikud sileduse või kõveruse poolest, seega tuleb need esmalt poleerida. See meetod on ka kõige primitiivsem viis räniplaatide töötlemiseks.
AW (anneal Wafer):Lõõmutatud vahvel. Protsessitehnoloogia pideva arengu ja transistori tunnuste suuruste pideva vähendamisega tulevad järk-järgult esile poleeritud vahvlite puudused, nagu lokaalsed võre defektid räniplaatide pinnal ja kõrge hapnikusisaldus räniplaatide pinnal. Nende probleemide lahendamiseks on välja töötatud anniilimisvahvlitehnoloogia. Pärast poleerimist asetatakse ränivahv kõrgel temperatuuril lõõmutamiseks inertgaasiga (tavaliselt argooniga) täidetud ahjutorusse. See ei saa mitte ainult parandada võre defekte räniplaadi pinnal, vaid ka vähendada pinna hapnikusisaldust.
EW (Epitaxy Wafer):epitaksiaalne räniplaat. Integraallülituste kasutusstsenaariumide suurenemise tõttu ei suuda räniplaatide tehastes toodetud standardsed räniplaadid enam vastata mõne toote elektriliste omaduste nõuetele. Samal ajal ei suuda termilise lõõmutamise abil vähendatud võre defektid täita järjest väiksemaid joonelaiuse nõudeid. See on viinud epitaksiaalsete räniplaatide tekkeni. Tavaline epitaksiaalne kiht on räni õhuke kile. Algse ränivahvli baasil kasvatatakse õhukese kile sadestamise tehnoloogiat kasutades räni õhukese kile kiht. Kuna ränisubstraat eksisteerib räni epitaksis idukristallina, siis epitaksiaalse kihi kasv kordab räniplaadi kristallstruktuuri. Kuna substraadi räniplaat on monokristall, on ka epitaksiaalne kiht monokristall. Kuid kuna see pole poleeritud, saab pärast kasvatamist ränivahvli pinnal tekkinud võre defekte vähendada väga madalale tasemele.
Epitaksia tehnilised näitajad hõlmavad peamiselt epitaksiaalset kihi paksust ja selle ühtlust, takistuse ühtlust, korpuse metalli kontrolli, osakeste kontrolli, virnastamisvigu, nihkeid ja muid defektide kontrolli. Selles etapis on inimesed saavutanud kõrge epitaksiaalse räniplaadi kvaliteedi, optimeerides epitaksi reaktsiooni temperatuuri, epitaksigaasi voolukiirust ning kesk- ja servatemperatuuri gradiente. Erinevate toodete ja tehnoloogiliste uuenduste vajaduse tõttu on epitaksiaalset protsessi pidevalt optimeeritud, et saavutada kõrge epitaksiaalse räniplaadi kvaliteet.
Lisaks saab praegune tehnoloogia genereerida epitaksiaalseid kihte, mille eritakistuslikud dopingelemendid ja dopingu kontsentratsioonid erinevad algse räniplaadi omast, mis muudab kasvatatud räniplaadi elektriliste omaduste kontrollimise lihtsamaks. Näiteks saab P-tüüpi räniplaadile tekitada N-tüüpi räni epitaksiaalse kihi kihi, moodustades nii madala kontsentratsiooniga legeeritud PN-siirde, mis võib optimeerida läbilöögipinget ja vähendada riiviefekti järgneval kiibi valmistamisel. Epitaksiaalse kihi paksus varieerub üldiselt vastavalt kasutusstsenaariumile. Üldiselt on loogikakiibi paksus umbes 0,5 mikronit kuni 5 mikronit ja toiteseadme paksus on umbes 50 mikronit kuni 100 mikronit, kuna see peab taluma kõrget pinget.
▲ Epitaksiaalne räniplaadi kasvuprotsess
▲ Epitaksiaalsete vahvlite erinev doping
SW (SOI vahvel):SOI tähistab Silicon-On-Isolator. SOI räniplaate kasutatakse sageli RF-kiipides nende eeliste tõttu, nagu väike parasiitmahtuvus, väike lühikese kanali efekt, suur pärimistihedus, suur kiirus, madal energiatarve ja eriti madal substraadi müra.
▲ Tavaline räni MOS struktuur
▲ SOI ränivahvli MOS struktuur
SOI räniplaatide valmistamiseks on neli peamist meetodit:SIMOX tehnoloogia, liimimistehnoloogia, Sim-bond tehnoloogia ja Smart-CutTM tehnoloogia; SOI räniplaatide põhimõte on suhteliselt lihtne ja põhieesmärk on lisada isolatsioonikiht (tavaliselt peamiselt ränidioksiid SiO2) substraadi keskele.
▲ Neli tehnoloogiat SOI-plaatide valmistamiseks
Toimivusparameetrite vaatenurgast on Smart-CutTM tehnoloogia praeguse SOI räniplaadi valmistamise tehnoloogia kõige suurepärasem jõudlus. Simbond tehnoloogia jõudlus ei erine kuigi palju Smart-Cut tehnoloogia omast, kuid pealisräni paksuse poolest on Smart-Cut tehnoloogial toodetud SOI räniplaat õhem ning tootmiskulu seisukohalt on Smart. - Lõikamistehnoloogia võib räniplaate taaskasutada. Tuleviku masstootmise jaoks on Smart-Cuti tehnoloogial rohkem kulueeliseid, nii et tööstus tunnistab nüüd üldiselt Smart-Cuti tehnoloogiat SOI räniplaatide tulevase arengusuunana.
▲ Erinevate SOI vahvlite valmistamise tehnoloogiate jõudluse võrdlus
SIMOX-tehnoloogia: SIMOX tähendab eraldamist implanteeritud hapnikuga. Hapnikuaatomid süstitakse vahvlisse ja seejärel lõõmutatakse kõrgel temperatuuril, et reageerida ümbritsevate räniaatomitega, moodustades ränidioksiidi kihi. Selle tehnoloogia raskus seisneb hapnikuioonide siirdamise sügavuse ja paksuse kontrollimises. Sellel on kõrged nõuded ioonide implanteerimise tehnoloogiale.
Liimimistehnoloogia: Liimimistehnoloogiat nimetatakse ka liimimistehnoloogiaks. Liimimise teel valmistatud SOI räniplaate nimetatakse ka Bonded SOI-ks või lühemalt BSOI-ks. Liimimistehnoloogia jaoks on vaja kahte tavalist räniplaati, millest ühte kasvatatakse oksiidikihiga (SiO2) ja seejärel ühendatakse teise räniallikaga. Ühendus on oksiidikiht. Lõpuks lihvitakse ja poleeritakse maetud kihi soovitud sügavusele (SiO2). Kuna sidumistehnoloogia on lihtsam kui ioonide implanteerimise tehnoloogia, valmistatakse enamik SOI räniplaate praegu sidumistehnoloogiat kasutades.
▲ Räni-isolaator
▲ Vahvlite sidumise meetod isolaatorile räni moodustamiseks
Sim-bond tehnoloogia:hapniku sissepritse sidumise tehnoloogia. Sim-bond tehnoloogia on SIMOXi ja sidetehnoloogia kombinatsioon. Eeliseks on see, et maetud oksiidikihi paksust saab suure täpsusega reguleerida. Esimene samm on hapnikuioonide süstimine ränivahvlisse, seejärel lõõmutamine kõrgel temperatuuril, et moodustada oksiidikiht, ja seejärel moodustada räniplaadi pinnale SiO2 oksiidikiht. Teine samm on ränivahvli sidumine teise vahvliga. Seejärel lõõmutage kõrgel temperatuuril, et moodustada täiuslik liides. Kolmas samm on harvendusprotsess. Lahjendamisel kasutatakse CMP tehnoloogiat, kuid erinevalt sidetehnoloogiast on sim-bondil isepeatuv kiht, mis peatub automaatselt SiO2 kihini jahvatamisel. Seejärel eemaldatakse söövitamise teel SiO2 kiht. Viimane samm on poleerimine.
Nutika lõikamise tehnoloogia:nutikas koorimistehnoloogia. Smart-cut tehnoloogia on liimimistehnoloogia laiendus. Esimene samm on vahvli oksüdeerimine ja fikseeritud paksusega SiO2 tekitamine vahvli pinnale. Teine samm on ioonide siirdamise tehnoloogia kasutamine vesinikioonide süstimiseks vahvli kindlale sügavusele. Kolmas samm on teise vahvli sidumine oksüdeeritud vahvliga. Neljas samm on madala temperatuuriga termilise lõõmutamise tehnoloogia kasutamine vesinikioonidega mullide moodustamiseks, mis põhjustab ränivahvli osa koorumist. Seejärel kasutatakse sidetugevuse suurendamiseks kõrgtemperatuurset termilist lõõmutamise tehnoloogiat. Viies samm on silikoonpinna tasandamine. See tehnoloogia on rahvusvaheliselt tunnustatud SOI tehnoloogia arengusuunana. Maetud oksiidikihi paksuse määrab täielikult vesinikioonide implantatsiooni sügavus, mis on täpsem. Lisaks saab kooritud vahvlit uuesti kasutada, mis vähendab oluliselt kulusid.
▲ SIM-side meetod isolaatori räni moodustamiseks
▲ Nutikas lõikamismeetod isolaatori räni moodustamiseks
2. Kõrge barjääriga tootmistehnoloogia 1. Tootmistehnoloogia
Ränivahvlite tooraineks on kvarts, mis on üldtuntud kui liiv, mida saab kaevandada otse looduses. Vahvlite tootmisprotsessi saab lõpule viia mitmes etapis: peamiselt deoksüdeerimine ja puhastamine, polüräni rafineerimine, monokristalli räni valuplokid (ränivardad), valtsimine, vahvlite lõikamine, vahvlite poleerimine, lõõmutamine, testimine, pakendamine ja muud etapid.
▲CZ (Czochralski) pooljuhtplaatide tootmisprotsess
▲ CZ Faradi monokristallide skeem
Deoksüdatsioon ja puhastamine:Ränivahvlite valmistamise esimene samm on kvartsimaagi deoksüdeerimine ja puhastamine. Peamised protsessid hõlmavad sorteerimist, magneteraldamist, floteerimist, kõrgtemperatuurilist degaseerimist jne. Maagist eemaldatakse peamised raua- ja alumiiniumilisandid.
Polüräni rafineerimine:Pärast suhteliselt puhta SiO2 saamist tekib keemiliste reaktsioonide kaudu monokristalliline räni. Peamine reaktsioon on SiO2+C→Si+CO. Pärast reaktsiooni lõppemist aurustub CO otse, nii et järele jäävad ainult ränikristallid. Praegu on räni polükristalliline räni ja see on toorräni, mis sisaldab palju lisandeid. Liigsete lisandite väljafiltreerimiseks tuleb saadud toorräni marineerida. Tavaliselt kasutatavad happed on vesinikkloriidhape (HCl), väävelhape (H2SO4) jne. Ränisisaldus pärast happes leotamist on üldiselt üle 99,7%. Happes lahustatakse ja filtreeritakse välja ka raud, alumiinium ja muud elemendid. Kuid räni reageerib ka happega, tekitades SiHCl3 (triklorosilaan) või SiCl4 (ränitetrakloriid). Mõlemad ained on aga gaasilises olekus, nii et pärast peitsimist on algsed lisandid nagu raud ja alumiinium happes lahustunud, räni on aga muutunud gaasiliseks. Lõpuks redutseeritakse kõrge puhtusastmega gaasiline SiHCl3 või SiCl4 vesinikuga, et saada kõrge puhtusastmega polükristalliline räni.
CZ-meetodil saadakse monokristalliline räni:räniplaate kasutatakse peamiselt loogika- ja mälukiipides, nende turuosa on umbes 95%; CZ-meetod sai alguse Czochralski poolt 1918. aastal sulametallist õhukeste filamentide tõmbamisest, mistõttu seda nimetatakse ka CZ-meetodiks. See on tänapäeval monokristallilise räni kasvatamise tavatehnoloogia. Peamine protsess on polükristallilise räni panemine tiiglisse, kuumutamine selle sulatamiseks ja seejärel monokristallilise räni seemnekristalli kinnitamine ja riputamine tiigli kohale. Vertikaalselt tõmmates sisestatakse üks ots sulatisse, kuni see sulab, seejärel pööratakse seda aeglaselt ja tõmmatakse üles. Sel viisil kondenseerub vedeliku ja tahke aine vaheline liides järk-järgult, moodustades üksikkristalli. Kuna kogu protsessi võib pidada algkristalli paljundamise protsessiks, on loodud ränikristall monokristalliline räni. Lisaks viiakse vahvli doping läbi ka monokristalli tõmbamise protsessis, tavaliselt vedelfaasis ja gaasifaasis. Vedelfaasi doping viitab P- või N-tüüpi elementide lisamisele tiiglisse. Üksikkristallide tõmbamise käigus saab neid elemente otse ränivarda sisse tõmmata.
▲ CZ Faraday monokristalli meetod
▲ Ränivarras pärast monokristalli tõmbamist
Rulli läbimõõt:Kuna monokristalli ränivarda läbimõõtu on monokristalli tõmbamise ajal raske kontrollida, et saada standardse läbimõõduga, näiteks 6 tolli, 8 tolli, 12 tolli jne, ränivarda. monokristall, rullitakse räni valuploki läbimõõt. Ränivarda pind pärast rullimist on sile ja suuruseviga väiksem.
Lõikamise faasimine:Pärast räni valuploki saamist vahvel lõigatakse. Räni valuplokk asetatakse fikseeritud lõikepingile ja lõigatakse vastavalt seatud lõikeprogrammile. Kuna ränivahvli paksus on väike, on lõigatud ränivahvli serv väga terav. Faaseerimise eesmärk on moodustada sile serv. Faasitud ränivahvlil on väiksem keskpinge, mis muudab selle tugevamaks ja seda pole edaspidisel kiibi valmistamisel kerge murda.
Poleerimine:Poleerimise põhieesmärk on muuta vahvli pind siledamaks, tasasemaks ja kahjustustevabaks ning tagada iga vahvli paksuse konsistents.
Testpakend:Pärast poleeritud räniplaadi saamist tuleb katsetada räniplaadi elektrilisi omadusi, näiteks eritakistust ja muid parameetreid. Enamikul räniplaatide tehastest on epitaksiaalplaatide teenused. Kui on vaja epitaksiaalseid vahvleid, viiakse läbi epitaksiaalvahvlite kasvatamine. Kui epitaksiaalset vahvlit pole vaja, pakitakse see ja saadetakse teistesse epitaksiaalsete vahvlite tehastesse või vahvlitehastesse.
Tsooni sulatusmeetod (FZ):Sellel meetodil valmistatud räniplaate kasutatakse peamiselt mõnes elektrikiibis, mille turuosa on umbes 4%; Toiteseadmetena kasutatakse peamiselt FZ (tsoonisulatusmeetodil) valmistatud räniplaate. Ja ränivahvlite suurus on peamiselt 8 tolli ja 6 tolli. Praegu on umbes 15% räniplaatidest valmistatud tsoonisulatusmeetodil. Võrreldes CZ-meetodil valmistatud ränivahvlitega, on FZ-meetodi suurim omadus see, et sellel on suhteliselt kõrge eritakistus, kõrgem puhtusaste ja see talub kõrget pinget, kuid suurte plaatide valmistamine on keeruline ja mehaanilised omadused on halvad. seetõttu kasutatakse seda sageli toiteseadmete räniplaatide jaoks ja seda kasutatakse harva integraallülitustes.
Ühekristallilise räni varraste valmistamiseks tsoonisulatusmeetodil on kolm etappi:
1. Kuumutage polükristallilist räni, puutuge kokku algkristalliga ja pöörake monokristalli tõmbamiseks allapoole. Vaakumi või inertgaasi keskkonnas olevas ahjukambris kasutage polükristallilise räni varda kuumutamiseks elektrivälja, kuni kuumutatud piirkonnas olev polükristalliline räni sulab, moodustades sulatsooni.
2. Kontakteeruge sulatsooniga seemnekristalliga ja sulatage see.
3. Liigutades elektrivälja kuumutusasendit, liigub polüräni sulav tsoon pidevalt ülespoole, samal ajal kui algkristall pöörleb aeglaselt ja venib allapoole, moodustades järk-järgult monokristallilise räni varda. Kuna tsoonisulatusmeetodil ei kasutata tiiglit, välditakse paljusid saasteallikaid ja tsoonisulatusmeetodil tõmmatud monokristallidel on kõrge puhtusastmega omadused.
▲FZ Farad monokristallide ruumi struktuur
▲ FZ monokristalli tõmbamise skemaatiline diagramm
2. Tootmiskulud
Pooljuht-ränivahvlitel on kõrgemad nõuded puhtuse ja elektriliste omaduste suhtes kui uutel energiaallikatel räniplaatidel, mistõttu on tootmisprotsessis vaja rohkem puhastamisetappe ja tooraine tarnimist, mille tulemuseks on mitmekesisem tootmistooraine valik. Seetõttu on ränimaterjali maksumuse osakaal suhteliselt vähenenud, kuid tootmiskulude osakaal on suhteliselt suurem.
Pooljuht-räniplaatide puhul on peamine kulu tooraine maksumus, mis moodustab umbes 47% põhitegevuse kuludest. Teine on tootmiskulud, mis moodustavad umbes 38,6%. Sarnaselt pooljuhtide tootmisega on ka räniplaaditööstus kapitalimahukas tööstusharu, kus on suur nõudlus põhivarainvesteeringute järele, mis toob kaasa suuri tootmiskulusid põhivarade (nt masinad ja seadmed) amortiseerumise tõttu. Lõpuks moodustavad otsesed tööjõukulud umbes 14,4%.
Räniplaatide valmistamise toorainekulude hulgas on polüräni peamine tooraine, moodustades umbes 30,7%. Teine on pakkematerjalid, mis moodustavad umbes 17,0%. Kuna pooljuht-ränivahvlitel on kõrged nõuded puhtuse ja vaakumi suhtes, eriti räniplaatidele, mis on kergesti oksüdeeruvad, on nõuded pakendamisele palju kõrgemad kui uue energiaga ränivahvlitele. Seetõttu moodustavad pakkematerjalid kulustruktuuris suure osa. Kvartstiiglid moodustavad umbes 8,7% tooraine maksumusest. Pooljuht-ränivahvlite valmistamisel kasutatav kvartstiigel on samuti ühekordne tiigel, kuid tiigli füüsikalised ja termilised omadused on nõudlikumad. Poleerimisvedelik, lihvketas ja poleerimispadi moodustavad kokku 13,8% ja neid kasutatakse peamiselt ränivahvlite poleerimisprotsessis.
▲Ränitööstuse tegevuskulude struktuur 2018. aastal
▲Ränitööstuse tooraine koostis 2018. aastal
Vee- ja elektrikulud moodustavad ligikaudu 15% tootmiskuludest: Tootmismaksumuses moodustavad vee ja elektri kogukulud ligikaudu 15% kogu tootmiskuludest, millest elektrikulud moodustavad ligikaudu 11,4% ja veekulud umbes 3,4%. Vastavate summade poolest on Silicon Industry Groupi 2018. aasta finantsandmete järgi elektri- ja veekulu kogukulu võrdväärne pakkematerjalide maksumusega, moodustades polüräni materjalist ligikaudu poole. Elektrikulu on veidi kõrgem kui kvartstiiglitel umbes 20%.
▲Ränitööstuse tootmiskulude osakaal 2018. aastal
▲ Silicon Industry Groupi osaline kulukoostis 2018. aastal (ühik: 10,000 jüaani)
3, neli takistust räniplaatide tootmisel
Räniplaatide tõkked on suhteliselt kõrged, eriti pooljuhträniplaatide puhul. Peamist takistust on neli: tehnilised tõkked, sertifitseerimistõkked, varustustõkked ja kapitalitõkked.
▲ Räniplaatide tootmise tööstuse peamised takistused
Tehnilised takistused:Räniplaatide tehnilised näitajad on suhteliselt suured. Lisaks tavalisele suurusele, poleerimispaksusele jne on räniplaatidel ka koolutamine, takistus, kõverus jne. Seoses tavaliste 300 mm räniplaatidega lisatakse 300 mm ränivahvlite kvaliteedinõuete jälgimiseks 200 mm vahvlitega võrreldes kõrgete ühtlusnõuete tõttu ränivahvlitele selliseid parameetreid nagu lamedus, kõverus, kumerus ja pinna metallijäägid. . Puhtuse osas peavad täiustatud protsessiga räniplaadid olema umbes 9N (99,9999999%)-11N (99,999999999%), mis on räniplaatide tarnijate jaoks peamine tehniline takistus.
Räniplaadid on väga kohandatud tooted; puhtus on räniplaatide kõige põhilisem parameeter ja ühtlasi ka peamine tehniline barjäär. Lisaks ei ole räniplaadid universaalsed tooted ja neid ei saa kopeerida. Suurte ränivahvlite spetsifikatsioonid erinevates vahvlivalukodades on täiesti erinevad ning erinevate lõpptoodete erinev kasutusviis toob kaasa ka täiesti erinevad nõuded räniplaatidele. See nõuab räniplaatide tootjatelt erinevate räniplaatide kavandamist ja valmistamist vastavalt erinevatele lõpptarbijatoodetele, mis raskendab veelgi räniplaatide tarnimist.
▲Ettevõtte ärisegmentide kasumiprognoos
Sertifitseerimise tõkked:Laastutootjatel on erinevate toorainete kvaliteedile ranged nõuded ja nad on tarnijate valikul väga ettevaatlikud. Kiibitootjate tarnijate nimekirja sisenemisel on kõrged takistused. Tavaliselt nõuavad kiibitootjad, et räniplaatide tarnijad pakuksid proovitootmiseks mõningaid ränivahvleid ja enamikku neist kasutatakse testplaatide, mitte vahvlite masstootmise vahvlite jaoks. Pärast testvahvlite läbimist hakatakse proovitootma väikepartiisid masstoodanguga vahvleid. Pärast sisemise sertifikaadi läbimist saadab kiibitootja tooted alljärgnevatele klientidele. Pärast kliendi sertifikaadi saamist sertifitseeritakse räniplaatide tarnija lõplikult ja allkirjastatakse ostuleping. Pooljuhträniplaadifirmade toodete jõudmine kiibitootjate tarneahelasse võtab kaua aega. Uute tarnijate sertifitseerimistsükkel kestab vähemalt 12-18 kuud.
Lisaks sertifitseerimise tõkked alates testvahvlitest kuni masstootmise vahvliteni: praegu jääb Hiinas enamus 12-tollistest vahvlitest testplaatide tarnimiseks, kuid testplaatide sertifitseerimisprotseduurid erinevad täielikult nendest. masstootmise vahvlid ja masstootmise ränivahvlite sertifitseerimisstandardid on rangemad. Kuna katseränivahvlid ei tooda kiipe, peavad need olema sertifitseeritud ainult vahvlivalukoja enda poolt ja need peavad olema sertifitseeritud ainult praeguses tootmiskohas. Kuid masstoodanguna toodetud räniplaatide puhul peavad need olema sertifitseeritud terminal Fablessi klientide poolt ja neid tuleb jälgida kogu tootmisprotsessi kõikides etappides, enne kui neid saab partiidena tarnida. Üldiselt, et säilitada räniplaadi tarnimise ja kiibi saagise stabiilsust. Kui vahvlitootja ja räniplaatide tarnija on tarnesuhte loonud, ei saa nad lihtsalt tarnijaid vahetada ning mõlemad pooled loovad tagasisidemehhanismi, et rahuldada isikupärastatud vajadusi ning räniplaatide tarnijate ja klientide vaheline kleepuvus kasvab jätkuvalt. Kui tarnijate hulka lisandub uus räniplaatide tootja, peab ta pakkuma tihedamat koostöösuhet ja kõrgemat räniplaatide kvaliteeti kui algne tarnija. Seetõttu on räniplaaditööstuses räniplaatide tarnijate ja vahvlite tootjate vaheline kleepuvus suhteliselt suur ning uutel tarnijatel on raske kleepuvust murda.
Varustustõkked:Räniplaatide valmistamise põhiseade on monokristall-ahi, mida võib kirjeldada kui "fotolitograafiamasinat" räniplaatides. Rahvusvaheliste peamiste räniplaatide tootjate monokristallahjud toodavad kõik ise. Näiteks Shin-Etsu ja SUMCO monokristallahjud projekteerib ja toodab ettevõte iseseisvalt või projekteerib ja toodab valdusettevõtete kaudu ning teised räniplaatide tootjad ei saa neid osta. Teistel suurematel räniplaatide tootjatel on oma sõltumatud monokristallahjude tarnijad ja nad sõlmivad rangeid konfidentsiaalsuslepinguid, mis muudab väliste räniplaatide tootjate ostmise võimatuks või nad saavad osta ainult tavalisi monokristallahjusid, kuid ei saa tarnida kõrge täpsusega monokristallahjusid. . Seetõttu on seadmete tõkked ka põhjuseks, miks kodumaised tootjad ei saa siseneda ülemaailmsete räniplaatide peamiste tarnijate hulka.
Kapitalitõkked:Räni pooljuhtplaatide tootmisprotsess on keeruline, nõudes täiustatud ja kallite tootmisseadmete ostmist, samuti nõuab pidevat muutmist ja silumist vastavalt klientide erinevatele vajadustele. Tänu kõrgetele püsikuludele, nagu seadmete amortisatsioon, mõjutavad järgnõudluse muutused räniplaadifirmade tootmisvõimsuse rakendusastet ja seeläbi räniplaate tootvate ettevõtete kasumit rohkem. Eelkõige on äsja räniplaatide tööstusesse sisenenud ettevõtted olnud peaaegu kahjumis, enne kui nad on jõudnud suuremahuliste saadetisteni, ja neil on kõrged nõuded kapitalibarjääridele. Lisaks peavad ränivahvlite vahvlite pika sertifitseerimistsükli tõttu räniplaatide tootjad sellel perioodil jätkama investeeringuid, mis nõuavad samuti palju rahalisi vahendeid.
3. Jääb endiselt pooljuhtmaterjalide kuningaks Praegu domineerivad pooljuhtplaatide turul ränimaterjalid. Ränimaterjalid moodustavad umbes 95% kogu pooljuhtide turust. Muud materjalid on peamiselt liitpooljuhtmaterjalid, peamiselt teise põlvkonna pooljuhtmaterjalist GaAs vahvlid ja kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalidest SiC ja GaN vahvlid. Nende hulgas on räniplaadid peamiselt loogikakiibid, mälukiibid jne ning need on enimkasutatavad pooljuhtvahvlimaterjalid. GaAs-plaadid on peamiselt RF-kiibid ja peamised rakendusstsenaariumid on madalpinge ja kõrgsagedus; kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalid on peamiselt suure võimsusega ja kõrge sagedusega kiibid ning peamised rakendusstsenaariumid on kõrgsageduslikud ja suure võimsusega.
▲ Vahvlimaterjali suhe
▲ Erinevatest materjalidest vahvlite kasutusala
Liitpooljuhid ja ränimaterjalid ei ole konkurentsis, vaid täiendavad üksteist; pooljuhtmaterjalide (eriti vahvlite, substraatide ja epitaksiaalsete vahvlimaterjalide) arendusseadused hõlmavad kolme teed, nimelt suurust, kiirust ja võimsust, ning need kolm teed vastavad esimese, teise ja kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalidele.
▲ Esimese/teise/kolmanda põlvkonna materjalide jõudluse võrdlus
Esimese põlvkonna pooljuhtmaterjalid:Suuremõõtmeline tee: esimese põlvkonna pooljuhtmaterjalid viitavad ränimaterjalidele. Ränimaterjalid on kõige varem välja töötatud vahvlimaterjalid, samuti on need materjalid, millel on praeguses etapis kõige küpsem tehnoloogia, madalaim hind ja kõige terviklikum tööstusahel. Samal ajal, kui räniplaatide suurus suureneb, väheneb ühe kiibi maksumus. Peamised kasutusvaldkonnad on loogikakiibid ning madalpinge ja väikese võimsusega väljad. Ränivahvlite suurus ulatub 2-tollisest, 4-tollisest, 6-tollisest, 8-tollisest kuni tänapäevase tava 12-tollise vahvlitehnoloogiani. Tüüpiliste ränivahvlitootjate hulka kuuluvad Jaapani Shin-Etsu Chemical, Sumco jne. Praegu kasutavad peamised rahvusvahelised vahvlitootjad peamise tootmismaterjalina ränimaterjale.
▲ Erinevate vahvlisuuruste võrdlus
Teise põlvkonna pooljuhtmaterjalid:kiirtee. Kuna kiip peab vastu pidama kõrgsageduslikule ümberlülitamisele RF-ahelas, leiutati teise põlvkonna pooljuhtvahv. Peamine rakendusvaldkond on raadiosagedusahel ja tüüpiline terminaliväli on mobiilterminalide, näiteks mobiiltelefonide, RF-kiip. Teise põlvkonna pooljuhte esindavad peamiselt GaAs (galliumarseniid) ja InP (indiumfosfiid), mille hulgas GaAs on tänapäeval laialt levinud mobiilsideterminali RF-kiibi materjal. Tüüpilised valukojad on Taiwan Win Semiconductors, Macronix, Skyworks, Qorvo jne, mis on raadiosagedusliku kiibi IDM ettevõtted. Praegune põhivool on 4-tollised ja 6-tollised vahvlid.
Kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalid:suure võimsusega marsruut: peaaegu samas alguspunktis, kus on kõige rohkem võimalusi. Kolmas viis on võimsuse suurendamine, mis soodustab selle laialdast kasutamist suure võimsusega ahelate valdkonnas. Peamised materjalid on SiC ja GaN. Peamised terminalid on tööstus-, auto- ja muud valdkonnad. Toiteliinil töötati välja IGBT-kiibid ränimaterjalidel, samas kui SiC (ränikarbiid) ja GaN (galliumnitriid) materjalidel on suurem jõudlus kui IGBT-l. Praegu on SiC vahvlid peamiselt 4-tollised ja 6-tollised ning GaN materjalid on peamiselt 6-tollised ja 8-tollised. Maailma suuremate valukodade hulka kuuluvad Cree ja Wolfspeed Ameerika Ühendriikides ning X-Fab Saksamaal. Kuid selles valdkonnas on ka rahvusvaheliste gigantide areng suhteliselt aeglane. Kodumaised ettevõtted nagu Sanan Optoelectronics, kuigi tehnoloogia tasemes on veel teatav lõhe, on kogu tööstuse algstaadiumis ning tõenäoliselt murravad välismaise monopoli ja hõivavad koha rahvusvahelisel elektrivalukodade kaardil.
Liitmaterjalid nõuavad ränisubstraate:Kuigi praegu on olemas suur hulk SiC- ja GaN-vahvelkiipe, nagu näiteks Xiaomi, OPPO ja Realme välja antud GaN-laadijad, ning Tesla välja antud mudel3 kasutab IGBT asemel SiC MOSFET-i. Kuid vahvlite jaoks kasutab enamik tarbijale mõeldud liitpooljuhtkiipe praegu substraatidena räniplaate ja seejärel kombineeritud epitaksiaalseid kiipe ja seejärel epitaksiaalplaatidele kiipe.
Liitpooljuhtplaatide maksumus on suhteliselt kõrge:Praegu on liitpooljuhtide tööstuse ahela ebatäielikkuse tõttu liitpooljuhtide tootmisvõimsus madal ja liitpooljuhtplaatide hind suhteliselt kõrge. See viib lõppkasutajate madala aktsepteerimiseni ja olmeelektroonika põhilahendus on endiselt "räni substraat + liitepitaksiaalplaat". Autotööstuses on ränipõhine IGBT endiselt peamine lahendus. Ränipõhistel IGBT-kiipidel on madalad kulud ja lai valik valikulisi pingeid. SiC MOSFET-seadmete hind on 6–10 korda kõrgem kui ränipõhistel IGBT-del. Võrreldes SiC-MOSFETi ja Si-IGBT jõudlusparameetreid Infineoni 650V/20A tehniliste parameetrite all, on SiC-MOSFET jõudlusnäitajate poolest endiselt parem kui Si-IGBT, kuid hinna poolest on SiC-MOSFET 7 korda suurem kui Si-IGBT. Veelgi enam, kuna SiC-seadmete sisselülitustakistus väheneb, tõuseb SiC-MOSFET-i hind eksponentsiaalselt. Näiteks kui sisselülitatud takistus on 45 millioomi, on SiC-MOSFET ainult 57,6 dollarit, kui sisselülitatud takistus on 11 millioomi, on hind 159,11 dollarit ja kui sisselülitatud takistus on 6 millioomi, on hind jõudnud 310,98 dollarit.
▲ Infineon SiC-MOSFET vs. Si-IGBT võrdlus
▲ Infineon SiC-MOSFET hinna ja takistuse suhe
4, siseriiklikud jõupingutused on loonud tohutu turupotentsiaali.
1. Räniplaatide turg on sisenemas kasvutsüklisse.
Pooljuhtide valmistamise materjalide osakaal on aasta-aastalt kasvanud. Pooljuhtmaterjalid võib jagada pakkematerjalideks ja tootmismaterjalideks (sh räniplaadid ja erinevad kemikaalid jne). Pikas perspektiivis on pooljuhtide valmistamise materjalid ja pakkematerjalid samas trendis. Alates 2011. aastast on aga täiustatud protsesside pideva arenguga pooljuhtide tootmismaterjalide tarbimine järk-järgult kasvanud ning tootmismaterjalide ja pakkematerjalide vaheline lõhe on järk-järgult suurenenud. 2018. aastal oli tootmismaterjalide müük 32,2 miljardit USA dollarit ja pakkematerjalide müük 19,7 miljardit USA dollarit ning tootmismaterjalide müük ligikaudu 1,6 korda suurem kui pakendimaterjalide müük. Pooljuhtmaterjalidest moodustavad tootmismaterjalid ligikaudu 62% ja pakkematerjalid 38%.
▲Pooljuhtmaterjalide tarbimise osakaal 2018. aastal
▲ Pooljuhtide tootmise materjali kulusuhe
Räniplaadid on pooljuhtide tootmise suurimad tarbekaubad; tootmismaterjalidest moodustavad suurima osakaalu pooljuhtide toorainena räniplaadid, ulatudes 37%-ni. Alates 2017. aastast, kui "AlphaGo" alistas Lee Sedol, on uued tehisintellekti juhitud staartehnoloogiad olnud peamised tehnoloogiad, mis ajendavad globaalsete pooljuhtide arengut. Eelkõige kasvas 2018. aastal ülemaailmne nõudlus mälu järele koos plokiahela tehnoloogia puhkemisega ning nõudlus räniplaatide järele saavutas rekordilise taseme. Globaalsete pooljuhtide tarnete kasv on kaasa toonud ka räniplaatide tarnete kiire kasvu. Saadetiste osas ületas 2018. aastal ülemaailmse räniplaatide saadetise pindala esmakordselt 10 miljardit ruuttolli, ulatudes 12,7 miljardi ruuttollini. 2019. aastal vähenes saadetiste pindala esimese poolaasta kaubandushõõrdumiste tõttu 11,8 miljardi ruuttollini. Turukäivet silmas pidades oli maailmaturu müük 2018. aastal 11,4 miljardit USA dollarit ja 2019. aastal 11,2 miljardit USA dollarit.
▲2009-2019 Ülemaailmne räniplaatide saatmispiirkond
▲2009-2019 Ülemaailmne räniplaatide müük
Vahvlite segmenteerimise vaatenurgast tulenevalt teise ja kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalide kõrgest maksumusest ning asjaolust, et enamik liitpooljuhte põhinevad räniplaatidel, moodustavad räniplaadid 95% ülemaailmsetest vahvlialustest. Konkreetsete vahvlisuuruste vaatenurgast on 12-tollised vahvlid globaalsete räniplaatide peamine tüüp. 2018. aastal moodustasid 12-tollised vahvlid ülemaailmsetest räniplaatide tarnetest 64% ja 8-tollised vahvlid 26%.
▲ Räniplaatide saatmise suhe suuruse järgi
Terminalirakenduste vaatenurgast on 12-tolliste vahvlite globaalne tarbimine peamiselt mälukiibid, Nand Flash ja DRAM mälu moodustavad kokku umbes 75%, millest Nand Flash tarbib umbes 33% vahvlitest ja Nand flash omab 35% nutitelefonide turu järelturust. On näha, et nutitelefonide tarnimise ja mahu suurenemine on peamine tegur, mis ajendab 12-tolliste vahvlite tarnimist. 12-tolliste vahvlite hulgas moodustavad loogikakiibid umbes 25%, DRAM umbes 22,2% ja muud kiibid, nagu CIS, umbes 20%.
2. Hiina pooljuhtide räniplaatide turul on tohutult ruumi
Hiina pooljuhtmaterjalide turg on pidevalt kasvanud. 2018. aastal ulatus ülemaailmne pooljuhtmaterjalide müük 51,94 miljardi USA dollarini, mis on 10,7% rohkem kui aasta varem. Nende hulgas oli Hiina müük 8,44 miljardit USA dollarit. Erinevalt globaalsest turust on Hiina pooljuhtmaterjalide müük kasvanud alates 2010. aastast ja kasvanud kolmel järjestikusel aastal aastatel 2016–2018 enam kui 10%. Globaalset pooljuhtmaterjalide turgu mõjutavad suuresti tsüklilised tegurid, eriti Taiwanis. , Hiina ja Lõuna-Korea, kus kõikumised on suured. Põhja-Ameerika ja Euroopa turud on peaaegu nullkasvuseisundis. Jaapani pooljuhtmaterjalid on pikka aega olnud negatiivse kasvu seisundis. Globaalselt on pikaajalises kasvuaknas vaid Mandri-Hiina pooljuhtmaterjalide turg. Hiina pooljuhtmaterjalide turg on teravas kontrastis maailmaturuga.
▲ Ülemaailmne pooljuhtmaterjalide müük ja kasvutempo (miljardites USA dollarites)
▲ Pooljuhtmaterjalide aastane müük riikide ja piirkondade kaupa (ühik: miljard USA dollarit)
Ülemaailmsed pooljuhtmaterjalid nihkuvad järk-järgult Mandri-Hiina turule. Erinevate riikide ja piirkondade müügiosakaalust moodustasid esikolmiku riigid või piirkonnad 2018. aastal 55% ning regionaalse koondumise efekt on ilmne. Nende hulgas on Taiwanil, Hiinal, umbes 23% ülemaailmsest vahvlite tootmisvõimsusest, mis teeb sellest maailma suurima tootmisvõimsusega piirkonna. Selle pooljuhtmaterjalide müük on 11,4 miljardit USA dollarit, mis moodustab 22% kogu maailmast, olles esimesel kohal, ja see on üheksa aastat järjest olnud maailma suurim pooljuhtmaterjalide tarbimise piirkond. Lõuna-Korea moodustab umbes 20% ülemaailmsest vahvlite tootmisvõimsusest, pooljuhtmaterjalide müük on 8,72 miljardit USA dollarit, moodustades 17%, teisel kohal. Mandri-Hiina moodustab umbes 13% ülemaailmsest tootmisvõimsusest, pooljuhtmaterjalide müük on 8,44 miljardit USA dollarit, mis moodustab umbes 16% kogu maailmast, olles kolmandal kohal. Pikemas perspektiivis on aga pooljuhtmaterjalide turuosa Mandri-Hiinas aasta-aastalt kasvanud, 7,5%-lt 2007. aastal 16,2%-le 2018. aastal. Ülemaailmsed pooljuhtmaterjalid nihkuvad järk-järgult Mandri-Hiina turule.
▲ Müügiosakaal riigi ja piirkonna lõikes 2018. aastal
▲ Pooljuhtmaterjalide müük ja osakaal Mandri-Hiinas (miljardites USA dollarites)
Ülemaailmne vahvlitootmisvõimsus toob kaasa plahvatusliku kasvu. 12-tolline vahvlifab, mis esindab tänapäevaste vahvlite kõige arenenumat tehnoloogiat, oli aastatel 2017–2019 oma ehituse tipus, igal aastal lisandus maailmas keskmiselt 8 12-tolliseid vahvleid. Prognoositakse, et 2023. aastaks on maailmas 138 12-tolliseid vahvleid. IC Insighti statistika kohaselt lükkasid suuremad vahvlitehased üle maailma Hiina-USA kaubandussõja ebakindluse tõttu 2019. aasta esimesel poolel oma võimsuse suurendamise plaane edasi, kuid ei tühistanud neid. Hiina-USA kaubavahetuse taastumisega 2019. aasta teisel poolel ja 5G turu puhkemisega kasvas ülemaailmne vahvlitootmisvõimsus 2019. aastal siiski 7,2 miljoni tüki võrra. 5G turu asenduslaine saabudes toob globaalne vahvlitootmisvõimsus aga sisse kasvu kõrgperioodi aastatel 2020–2022, kolme aasta jooksul vastavalt 17,9 miljonit tükki, 20,8 miljonit tükki ja 14,4 miljonit tükki. püstitab 2021. aastal rekordi. Need vahvlivõimsused on Lõuna-Koreas (Samsung, Hynix), Taiwanis (TSMC) ja Mandri-Hiinas (Jangtse jõe ladustamine, Changxini salvestusruum, SMIC, Huahong Semiconductor jne). 50% tootmisvõimsuse kasvust moodustab Mandri-Hiina.
▲ 12-tolliste vahvlite arv kogu maailmas, 2002-2023
▲ Ülemaailmne tootmisvõimsuse kasv (ühik: miljon tükki aastas, 8-tolline ekvivalentne vahvel)
Vahvlifabide ehitamine Mandri-Hiinas toob sisse kiire kasvuperioodi. Alates 2016. aastast on Mandri-Hiina asunud aktiivselt investeerima vahvlifabide ehitusse ning tehaseehituse laine on käima lükatud. SEMI prognoosi kohaselt ehitatakse ja pannakse aastatel 2017-2020 maailmas tootmisse 62 vahvlifabi, millest 26 on Hiinas, mis moodustab 42% koguarvust. 2018. aastal ehitati 13, mis moodustas 50% laienemisest. Laienemise tulemusel suurenevad kindlasti vahvlifabide kapitali- ja seadmekulud. SEMI andmetel ulatub 2020. aastaks Mandri-Hiinas vahvlifabide installeeritud võimsus 4 miljoni 8-tollise ekvivalendini kuus, võrrelduna 2,3 miljoniga 2015. aastal ning aastane liite kasvumäär on 12%, mis on palju kõrgem kui teistes piirkondades. Samal ajal on National Big Fund teinud suuri investeeringuid ka pooljuhtide tootmisse. Suure fondi investeeringu esimeses etapis moodustas töötleva tööstuse osakaal koguni 67%, mis on tunduvalt suurem kui disainitööstus ning pakendi- ja testimistööstus.
▲2010-2020 Hiina pooljuhtplaatide fab-investeering (ühik: 100 miljonit USA dollarit)
▲Riikliku suurfondi esimese etapi investeeringute suhe
2019. aasta lõpu seisuga on Hiinas veel 9 8-tolliste vahvlite ja 10 12-tolliste vahvlifabide ehitamine või planeerimine. Lisaks, kuna enamik Hiina 12-tollistest vahvlitest on praegu proovitootmises või väikeses partiides, on need tootmisvõimsuse põhjas. Pärast toodete kontrolli saamist klientidelt ja turu kontrollimist siseneb tootmisvõimsus ülestõusufaasi ja nõudlus eelnevate toorainete järele on suur.
▲ Uued vahvlite kangad Hiinas
5G populaarsus on kaasa toonud terminalide ränisisalduse kasvu: alates nutitelefonide ajastust alates iPhone 3-st kuni 4G mobiiltelefonideni, mida esindab iPhone 5, ja lõpuks kuni praeguse 5G mobiiltelefonide ajastuni. Mobiiltelefonide ränisisaldus kasvab jätkuvalt. Mobiiltelefonide materjalikulude analüüsi kohaselt demonteerivate organisatsioonide, nagu tech insights ja iFixit, ühikuväärtus mobiiltelefonide peamiste kiipide, nagu mobiiltelefoni protsessorid (AP), põhiriba töötlemiskiibid (BP), mälu (Nand flash) ühikuväärtus. , DRAM), kaameramoodulite (CIS), raadiosageduskiipide (RF), toitehalduskiipide (PMIC), Bluetoothi/wifi kiipide jne arv on näidanud järkjärgulist tõusu ning osakaal seadme koguväärtusest on suurenenud. aastast aastasse. Kuigi iPhone X etapis kiipide osakaal ekraani muutuste tõttu vähenes, on hilisema pideva optimeerimisega aasta-aastalt kasvanud ka kiibikulude osakaal. IPhone 11 pro max ajastuks, 4G mobiiltelefonide tipuks, on peamiste kiipide osakaal jõudnud 55%ni ja ühe seadme väärtus on umbes 272 USA dollarit. IPhone 3-lt iPhone 11 Pro Maxile arenedes on mobiiltelefoni kaamera muutunud üksikkaadrilt 3-kaadriks, kehamälu on suurenenud 8 GB-lt 512 GB-ni, ränisisalduse osakaal ühiku kohta on kasvanud 37% -lt 55% -ni. , ja ühiku väärtus on kasvanud 68 USA dollarilt 272 dollarile.
2020. aasta on esimene 5G mobiiltelefonide masstootmise aasta. Välja antud mobiiltelefonide Samsung S20 ja Xiaomi 10 lahtivõtmise analüüsi kohaselt on põhikiipide väärtus ja osakaal ühiku kohta võrreldes 4G mobiiltelefonidega veelgi kasvanud. Samsungi jaoks moodustavad peamised kiibid 63,4% kogu materjalikulust ja ühiku väärtus on jõudnud 335 USA dollarini, mis on 23% kõrgem kui iPhone 11 Pro Max. Xiaomi puhul on põhikiipide osakaal veelgi suurem, ulatudes 68,3%-ni, samuti on põhikiipide ühiku väärtus jõudnud 300 USA dollarini. Samsung S20 ja Xiaomi 10 lahtivõtmise andmetel moodustab esialgsete 5G mobiiltelefonide peamised kiibid hinnanguliselt umbes 65–70% ja ühe masina väärtus on umbes {{18} }.
▲ Tavaliste nutitelefonide BOM-i kulude jaotus
▲ Peamiste kiipide kulusuhe erinevates mobiiltelefonides
Vahvlifabide ehitamine suurendab nõudlust ränivahvlite järele: vahvlifabide võimsuse suurenemine toob paratamatult kaasa nõudluse kasvu räniplaatide järele. Praegu on Hiina kõvasti investeerinud vahvlitesse, moodustades mälutööstuse, kus domineerivad Yangtze Memory Technologies ja Hefei Changxin, loogikakiibitööstus, kus domineerivad SMIC, eriprotsesside tootmisliin, kus domineerivad Huahong Semiconductor ja Jetta Semiconductor, ning jõuseadmete valukoda. domineerivad China Resources Microelectronics ja Silan Microelectronics. Praegu on räniplaatide müügi kasvutempo Mandri-Hiinas aastatel 2017/2018 suurem kui 40%. Ja saades kasu suurte fondiinvesteeringute ja kodumaise asendamise trendist, on allavoolu vahvlitehased oma tootmisvõimsust täielikult laiendanud, suurendades nõudlust ülesvoolu räniplaatide järele. SUMCO prognoosi kohaselt on 2020. aastal nõudlus Mandri-Hiinas 8-tolliste ränivahvlite järele umbes 970,000 tükki ja 12-tolliste vahvlite järele 1,05 miljonit tükki.
▲ Mandri-Hiina räniplaatide müük ja kasvumäär (ühik: miljard USA dollarit)
▲ Muutused räniplaatide nõudluses Mandri-Hiinas (ühik: 10,000 tükki kuus)
Hinnatõusutsükkel + täiustatud protsess soodustab "hinnatõusu": Ajaloolise räniplaadi hinnaarvutuse kohaselt on see praegu uue hinnatõusutsükli vooru alguses. Ajavahemikul 2009–2011 muutusid nutitelefonid kiiresti populaarseks, mobiiltelefonide ränisisaldus suurenes ja räni hind pinnaühiku kohta tõusis jätkuvalt, jõudes 2011. aastal 1,09 dollarini ruuttolli kohta. Hiljem , räniplaatide laoseisu suurenemise ja nutitelefonide müügi vähenemisega jätkas räniplaatide hind pinnaühiku kohta langust ja jõudis madalaima punktini 2016. aastal – 0,67 dollarit ruuttolli kohta. 2016. aastal alistas Google'i "AlphaGo" Lee Sedoli, võimaldades tehisintellektil astuda ajaloo lavale. Ülemaailmne nõudlus räniplaatide järele kasvas, sisenedes uude hinnatõusutsüklisse. 5G mobiiltelefonide turuletulekuga 2019. aastal jõudis räniplaatide hind pinnaühiku kohta 0,94 dollarini. Kuna 2020. aastal lastakse laiaulatuslikult välja 5G mobiiltelefonid, mis suurendab ülemaailmset nõudlust räniplaatide järele, eeldatakse, et tulevikus on 2-3 aastat hinnatõusuruumi.
Täiustatud protsessid tõstavad hindu; pooljuht-räniplaadid on kiibi valmistamise alusmaterjal ja kõik kvaliteedikõikumised avaldavad kiipidele tõsist mõju. Täiustatud protsesside pideva arenguga muutuvad pooljuht-ränivahvlite lisandite nõuded aina kõrgemaks. Kõrgemad nõuded muudavad ränivahvlite tootmisprotsessi üha keerulisemaks, mistõttu hind tõuseb järjest kõrgemaks. Näiteks sama 12-tollise räniplaadi puhul on 7 nm protsessoriga ränivahvlite hind 4,5 korda kõrgem kui 90 nm ränivahvli hind. Praegu on Mandri-Hiinas valmistatud vahvliplaadid peamiselt 12-tolliste vahvlitega ja ränivahvlite hind on palju kõrgem kui 8-tolliste vahvlite hind. Samal ajal on SMICi ja Huahong Semiconductori esindatud loogikakiibi valukojad protsessi järk-järgult üle viinud 28nm-lt 16/14nm protsessile, mis on tõstnud räniplaatide üldist hinda.
Alates 12-tollise tootmisliini esmakordsest avamisest maailmas aastal 2000 on turunõudlus märkimisväärselt kasvanud. 2008. aastal ületas saadetiste maht esimest korda 8-tolliste räniplaatide piiri ning 2009. aastal ületas see muus suuruses ränivahvlite saadetise pindala summa. Aastatel 2016–2018 oli arenevate turgude (nt tehisintellekt, pilvandmetöötlus ja plokiahel) kiire arengu tõttu 12-tolliste räniplaatide aastane kasvumäär 8%. Tulevikus kasvab 12-tolliste räniplaatide turuosa jätkuvalt. SUMCO andmete kohaselt jääb 12-tolliste räniplaatide ülemaailmses pakkumises ja nõudluses järgmise 3-5 aasta jooksul endiselt lõhe ning see lõhe suureneb pooljuhtide jõukuse tõttu. tsükkel suureneb. Aastaks 2022 on vahe 1000 000 kuus. Maailmas areneva pooljuhtide tootmisbaasina soodustab Hiina tohutu räniplaatide vahe räniplaatide lokaliseerimise kiirust.
SUMCO statistika kohaselt oli räniplaatide müügimaht Mandri-Hiinas 2018. aastal ligikaudu 930 miljonit USA dollarit, mis on 45% rohkem kui aasta varem, mis teeb sellest kõige kiiremini kasvava räniplaatide turu maailmas. Kasu suurte vahvlitootjate, nagu Jangtse mälu, SMIC ja Changxini salvestusruum 2020-2022-s, laienemisplaanidest. Hinnanguliselt ulatub 2022. aasta lõpuks Mandri-Hiinas nõudlus samaväärsete 12-tolliste ränivahvlite järele 2,01 miljonini kuus ja turupind on 20 miljardit jüaani.
Sibranch usub, et pooljuhtide tööstuse kolmanda üleandmise saajana kasvab minu riigi pooljuhtide osakaal maailmaturul jätkuvalt. Lisaks on minu riik maailma suurim tarbeelektroonikatoodete tootja, eksportija ja tarbija ning seal on suur nõudlus pooljuhttoodete järele. Seetõttu on lokaliseerimise tasemel suur mõju tööstuslikule turvalisusele. Minu riigi kui vahvlitootmismaterjalide turu suurima ja põhiliseima sordina on räniplaatide valdkonnas puudujääke ja see on rohkem märgatav suurte räniplaatide puhul. Kuid riikliku poliitika ja fondide toel on paljud Hiina ettevõtted kavandanud tootmisliine ja pannud paika suured pooljuhträniplaadid.