Les plaquettes de silicium constituent la pierre angulaire des matériaux semi-conducteurs. Ils sont d'abord transformés en tiges de silicium en tirant des monocristaux, puis découpés et fabriqués. Étant donné que le nombre d'électrons de valence des atomes de silicium est de 4 et que le nombre ordinal est modéré, le silicium possède des propriétés physiques et chimiques particulières et peut être utilisé dans les domaines chimique, photovoltaïque, des puces et autres. Dans le domaine des puces en particulier, ce sont les propriétés semi-conductrices du silicium qui en font la pierre angulaire des puces. Dans le domaine du photovoltaïque, il peut être utilisé pour la production d’énergie solaire. De plus, le silicium représente 25,8 % de la croûte terrestre. Il est relativement pratique à exploiter et présente une forte recyclabilité, son prix est donc bas, ce qui améliore encore la gamme d'applications du silicium.
1. Le silicium - la pierre angulaire des matériaux de puce Les matériaux de silicium sont divisés en silicium monocristallin et silicium polycristallin selon la disposition différente des cellules unitaires. La plus grande différence entre le silicium monocristallin et le silicium polycristallin réside dans le fait que la disposition des cellules unitaires du silicium monocristallin est ordonnée, tandis que le silicium polycristallin est désordonné. En termes de méthodes de fabrication, le silicium polycristallin est généralement fabriqué en versant directement du silicium dans un creuset pour le faire fondre puis en le refroidissant. Le silicium monocristallin est transformé en une tige de cristal en tirant un monocristal (méthode Czochralski). En termes de propriétés physiques, les caractéristiques des deux types de silicium sont assez différentes. Le silicium monocristallin a une forte conductivité électrique et une efficacité de conversion photoélectrique élevée. Le rendement de conversion photoélectrique du silicium monocristallin est généralement d'environ 17 % à 25 %, tandis que le rendement du silicium polycristallin est inférieur à 15 %.
▲ Plaquettes de silicium semi-conducteur et plaquettes de silicium photovoltaïques
▲ Structure cellulaire unitaire en silicium monocristallin
Plaquettes de silicium photovoltaïques :En raison de l'effet photoélectrique et des avantages évidents du silicium monocristallin, les gens utilisent des plaquettes de silicium pour compléter la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique. Dans le domaine photovoltaïque, on utilise généralement des cellules carrées en silicium monocristallin aux coins arrondis. Des tranches de silicium polycristallin moins chères sont également utilisées, mais le rendement de conversion est inférieur.
▲ Avant et arrière de la cellule en silicium monocristallin
▲ Cellule en silicium polycristallin avant et arrière
Étant donné que les plaquettes de silicium photovoltaïques ont de faibles exigences en matière de paramètres tels que la pureté et le gauchissement, le processus de fabrication est relativement simple. En prenant comme exemple les cellules en silicium monocristallin, la première étape consiste à couper et arrondir. Commencez par couper la tige de silicium monocristallin en tiges carrées selon les exigences de taille, puis arrondissez les quatre coins des tiges carrées. La deuxième étape est le décapage, qui consiste principalement à éliminer les impuretés de surface des tiges carrées monocristallines. La troisième étape consiste à trancher. Tout d’abord, collez les tiges carrées nettoyées sur la planche de travail. Placez ensuite la planche de travail sur la trancheuse et coupez-la selon les paramètres de processus définis. Enfin, nettoyez les tranches de silicium monocristallin et surveillez la douceur de la surface, la résistivité et d'autres paramètres.
Plaquettes de silicium semi-conducteur :Les plaquettes de silicium semi-conducteur ont des exigences plus élevées que les plaquettes de silicium photovoltaïques. Premièrement, toutes les tranches de silicium utilisées dans l’industrie des semi-conducteurs sont en silicium monocristallin, afin de garantir les mêmes propriétés électriques à chaque position de la tranche de silicium. En termes de forme et de taille, les plaquettes de silicium monocristallin photovoltaïque sont carrées, principalement avec des longueurs de côté de 125 mm, 150 mm et 156 mm. Les plaquettes de silicium monocristallin utilisées pour les semi-conducteurs sont rondes, avec des diamètres de 150 mm (plaquettes de 6- pouces), 200 mm (plaquettes de 8- pouces) et 300 mm (plaquettes de 12- pouces). En termes de pureté, l'exigence de pureté pour les plaquettes de silicium monocristallin utilisées pour le photovoltaïque se situe entre 4N-6N (99,99 %-99,9999 %), mais l'exigence de pureté pour les plaquettes de silicium monocristallin utilisées pour les semi-conducteurs est d'environ 9N (99,9999999 %)-11N (99,999999999 %), et l'exigence de pureté minimale est 1 000 fois supérieure à celle des plaquettes de silicium monocristallin utilisées pour le photovoltaïque. En termes d'apparence, la planéité de la surface, la douceur et la propreté des plaquettes de silicium utilisées pour les semi-conducteurs sont supérieures à celles des plaquettes de silicium utilisées pour le photovoltaïque. La pureté constitue la plus grande différence entre les plaquettes de silicium monocristallin utilisées pour le photovoltaïque et les plaquettes de silicium monocristallin utilisées pour les semi-conducteurs.
▲ Processus de fabrication de plaquettes de silicium semi-conductrices
Le développement de la loi de Moore est le développement de tranches de silicium. Étant donné que les tranches de silicium semi-conducteur sont rondes, les tranches de silicium semi-conducteur sont également appelées « tranches de silicium » ou « tranches ». Les plaquettes sont le « substrat » pour la fabrication des puces, et toutes les puces sont fabriquées sur ce « substrat ». Dans l’histoire du développement des plaquettes de silicium semi-conductrices, il existe deux directions principales : la taille et la structure.
En termes de taille, le chemin de développement des tranches de silicium est de plus en plus grand : au début du développement des circuits intégrés, des tranches de 0,75- pouces étaient utilisées. L'augmentation de la surface de la tranche et du nombre de puces sur une seule tranche peut réduire les coûts. Vers 1965, avec l'introduction de la loi de Moore, la technologie des circuits intégrés et les plaquettes de silicium ont marqué le début d'une période de développement rapide. Les plaquettes de silicium sont passées par des nœuds de 4-pouces, 6-pouces, 8-pouces et 12-pouces. Depuis qu'Intel et IBM ont développé conjointement la fabrication de puces sur tranches de 12- pouces en 2001, les tranches de silicium les plus répandues actuellement sont des tranches de 12- pouces, représentant environ 70 %, mais les tranches de 18- pouces (450 mm) ont été mis à l'ordre du jour.
▲Paramètres de différentes tailles de plaquettes
▲Le développement de la taille des plaquettes de silicium
En termes de structure, l'orientation du développement des plaquettes de silicium devient de plus en plus complexe : au début du développement des circuits intégrés, il n'existait qu'un seul type de puce logique, mais avec le nombre croissant de scénarios d'application, de puces logiques, de dispositifs d'alimentation , des puces analogiques, des puces mixtes analogiques et numériques, des puces de stockage flash/DRAM, des puces radiofréquence, etc. sont apparues les unes après les autres, donnant aux plaquettes de silicium des formes structurelles différentes. Or, il en existe principalement trois types :
PW (gaufrette polonaise) :plaquette polie. Les plaquettes de silicium directement coupées après avoir tiré les monocristaux ne sont pas parfaites en termes de douceur ou de déformation, elles doivent donc d'abord être polies. Cette méthode est également la manière la plus primitive de traiter des tranches de silicium.
AW (plaquette de recuit) :Plaquette recuite. Avec le développement continu de la technologie des procédés et la réduction continue de la taille des caractéristiques des transistors, les défauts des tranches polies sont progressivement révélés, tels que les défauts de réseau locaux à la surface des tranches de silicium et la teneur élevée en oxygène à la surface des tranches de silicium. Afin de résoudre ces problèmes, une technologie de recuit de tranche a été développée. Après polissage, la plaquette de silicium est placée dans un tube de four rempli de gaz inerte (généralement de l'argon) pour un recuit à haute température. Cela peut non seulement réparer les défauts de réseau à la surface de la plaquette de silicium, mais également réduire la teneur en oxygène de la surface.
EW (plaquette d'épitaxie) :plaquette de silicium épitaxiale. Avec l'augmentation des scénarios d'application des circuits intégrés, les plaquettes de silicium standard fabriquées par les usines de plaquettes de silicium ne peuvent plus répondre aux exigences de certains produits en termes de propriétés électriques. Dans le même temps, les défauts de réseau réduits par le recuit thermique ne peuvent pas répondre aux exigences de largeur de ligne de plus en plus réduite. Cela a conduit à l’émergence de plaquettes de silicium épitaxiales. La couche épitaxiale habituelle est un film mince de silicium. Une couche de film mince de silicium est développée sur la base de la plaquette de silicium d'origine en utilisant la technologie de dépôt de film mince. Étant donné que le substrat de silicium existe sous la forme d'un cristal germe dans l'épitaxie de silicium, la croissance de la couche épitaxiale reproduira la structure cristalline de la tranche de silicium. Puisque la tranche de silicium du substrat est un monocristal, la couche épitaxiale est également un monocristal. Cependant, comme elle n'est pas polie, les défauts de réseau sur la surface de la plaquette de silicium après croissance peuvent être réduits à un niveau très faible.
Les indicateurs techniques d'épitaxie comprennent principalement l'épaisseur de la couche épitaxiale et son uniformité, l'uniformité de la résistivité, le contrôle du métal du corps, le contrôle des particules, les défauts d'empilement, les dislocations et autres contrôles des défauts. À ce stade, les gens ont atteint une qualité élevée de tranche de silicium épitaxiale en optimisant la température de réaction d’épitaxie, le débit de gaz d’épitaxie et les gradients de température au centre et aux bords. En raison des différents produits et de la nécessité de mises à niveau technologiques, le processus d'épitaxie a été continuellement optimisé pour obtenir une qualité élevée de tranche de silicium épitaxiale.
De plus, la technologie actuelle peut générer des couches épitaxiales avec des éléments dopants en résistivité et des concentrations de dopage différentes de celles de la plaquette de silicium d'origine, ce qui facilite le contrôle des propriétés électriques de la plaquette de silicium développée. Par exemple, une couche épitaxiale de silicium de type N peut être générée sur une tranche de silicium de type P, formant ainsi une jonction PN dopée à faible concentration, qui peut optimiser la tension de claquage et réduire l'effet de verrouillage lors de la fabrication ultérieure de la puce. L'épaisseur de la couche épitaxiale varie généralement en fonction du scénario d'utilisation. Généralement, l'épaisseur de la puce logique est d'environ 0,5 microns à 5 microns, et l'épaisseur du dispositif d'alimentation est d'environ 50 microns à 100 microns car il doit résister à une haute tension.
▲ Processus de croissance de tranches de silicium épitaxiales
▲Dopage différent des plaquettes épitaxiales
SW (plaquette SOI) :SOI signifie Silicon-On-Insulator. Les plaquettes de silicium SOI sont souvent utilisées dans les puces frontales RF en raison de leurs avantages tels qu'une petite capacité parasite, un petit effet de canal court, une densité d'héritage élevée, une vitesse élevée, une faible consommation d'énergie et un bruit de substrat particulièrement faible.
▲ Structure MOS en silicium ordinaire
▲ Structure MOS de plaquette de silicium SOI
Il existe quatre méthodes principales pour fabriquer des tranches de silicium SOI :Technologie SIMOX, technologie Bonding, technologie Sim-bond et technologie Smart-CutTM ; le principe des plaquettes de silicium SOI est relativement simple, et l'objectif principal est d'ajouter une couche isolante (généralement principalement du dioxyde de silicium SiO2) au milieu du substrat.
▲Quatre technologies pour la fabrication de plaquettes SOI
Du point de vue des paramètres de performances, la technologie Smart-CutTM constitue la performance la plus excellente de la technologie actuelle de fabrication de plaquettes de silicium SOI. Les performances de la technologie Simbond ne sont pas très différentes de celles de la technologie Smart-Cut, mais en termes d'épaisseur du silicium supérieur, la plaquette de silicium SOI produite par la technologie Smart-Cut est plus fine, et du point de vue du coût de production, Smart -La technologie Cut permet de réutiliser des plaquettes de silicium. Pour la production de masse future, la technologie Smart-Cut présente davantage d'avantages en termes de coûts, de sorte que l'industrie reconnaît désormais généralement la technologie Smart-Cut comme l'orientation future du développement des tranches de silicium SOI.
▲ Comparaison des performances de différentes technologies de fabrication de plaquettes SOI
Technologie SIMOX : SIMOX signifie Séparation par Oxygène Implanté. Des atomes d'oxygène sont injectés dans la tranche, puis recuits à haute température pour réagir avec les atomes de silicium environnants pour former une couche de dioxyde de silicium. La difficulté de cette technologie est de contrôler la profondeur et l’épaisseur d’implantation des ions oxygène. Il a des exigences élevées en matière de technologie d’implantation ionique.
Technologie de collage : La technologie de collage est également appelée technologie de collage. Les tranches de silicium SOI fabriquées par collage sont également appelées Bonded SOI, ou BSOI en abrégé. La technologie de liaison nécessite deux tranches de silicium ordinaires, dont l’une est recouverte d’une couche d’oxyde (SiO2), puis liée à une autre source de silicium. La connexion est la couche d'oxyde. Enfin, il est meulé et poli jusqu'à la profondeur souhaitée de la couche enterrée (SiO2). La technologie de liaison étant plus simple que la technologie d’implantation ionique, la plupart des tranches de silicium SOI sont actuellement fabriquées à l’aide de la technologie de liaison.
▲Silicium sur isolant
▲ Méthode de liaison de tranche pour former du silicium sur l'isolant
Technologie Sim-Bond :technologie de liaison par injection d'oxygène. La technologie Sim-bond est une combinaison de SIMOX et de la technologie bond. L'avantage est que l'épaisseur de la couche d'oxyde enterrée peut être contrôlée avec une grande précision. La première étape consiste à injecter des ions oxygène dans une plaquette de silicium, puis à recuire à haute température pour former une couche d'oxyde, puis à former une couche d'oxyde de SiO2 à la surface de la plaquette de silicium. La deuxième étape consiste à coller la plaquette de silicium sur une autre plaquette. Recuisez ensuite à haute température pour former une interface de liaison parfaite. La troisième étape est le processus d'éclaircissage. L'amincissement est effectué à l'aide de la technologie CMP, mais contrairement à la technologie Bond, Sim-Bond possède une couche auto-arrêt qui s'arrête automatiquement lors du broyage jusqu'à la couche SiO2. Ensuite la couche de SiO2 est retirée par gravure. La dernière étape est le polissage.
Technologie de coupe intelligente :technologie de peeling intelligente. La technologie Smart-cut est une extension de la technologie de collage. La première étape consiste à oxyder une plaquette et à générer une épaisseur fixe de SiO2 à la surface de la plaquette. La deuxième étape consiste à utiliser la technologie d’implantation ionique pour injecter des ions hydrogène dans une profondeur fixe de la plaquette. La troisième étape consiste à lier une autre plaquette à la plaquette oxydée. La quatrième étape consiste à utiliser une technologie de recuit thermique à basse température pour former des bulles avec des ions hydrogène, ce qui provoque le décollement d'une partie de la plaquette de silicium. Ensuite, la technologie de recuit thermique à haute température est utilisée pour augmenter la force de liaison. La cinquième étape consiste à aplatir la surface du silicium. Cette technologie est reconnue internationalement comme la direction du développement de la technologie SOI. L’épaisseur de la couche d’oxyde enterrée est entièrement déterminée par la profondeur d’implantation des ions hydrogène, qui est plus précise. De plus, la plaquette pelée peut être réutilisée, ce qui réduit considérablement le coût.
▲ Méthode SIM-bond pour former du silicium sur isolant
▲Méthode de découpe intelligente pour former du silicium sur isolant
2. Technologie de fabrication à haute barrière 1. Technologie de fabrication
La matière première des plaquettes de silicium est le quartz, communément appelé sable, qui peut être extrait directement dans la nature. Le processus de fabrication des plaquettes peut être complété en plusieurs étapes : principalement désoxydation et purification, raffinage du polysilicium, lingots de silicium monocristallin (tiges de silicium), laminage, découpe des plaquettes, polissage des plaquettes, recuit, tests, emballage et autres étapes.
▲ Processus de fabrication de plaquettes semi-conductrices CZ (Czochralski)
▲ Schéma monocristallin CZ Farad
Désoxydation et purification :La première étape de la fabrication d’une plaquette de silicium consiste à désoxyder et purifier le minerai de quartz. Les principaux procédés comprennent le tri, la séparation magnétique, la flottation, le dégazage à haute température, etc. Les principales impuretés de fer et d'aluminium présentes dans le minerai sont éliminées.
Raffinage du polysilicium :Après avoir obtenu du SiO2 relativement pur, du silicium monocristallin est généré par des réactions chimiques. La réaction principale est SiO2+C→Si+CO. Une fois la réaction terminée, le CO s’évapore directement, il ne reste donc que des cristaux de silicium. A l'heure actuelle, le silicium est du silicium polycristallin, et c'est du silicium brut, contenant beaucoup d'impuretés. Afin de filtrer les impuretés en excès, le silicium brut obtenu doit être décapé. Les acides couramment utilisés sont l'acide chlorhydrique (HCl), l'acide sulfurique (H2SO4), etc. La teneur en silicium après trempage dans l'acide est généralement supérieure à 99,7 %. Pendant le processus de décapage, le fer, l'aluminium et d'autres éléments sont également dissous dans l'acide et filtrés. Cependant, le silicium réagit également avec l'acide pour générer du SiHCl3 (trichlorosilane) ou du SiCl4 (tétrachlorure de silicium). Cependant, les deux substances sont à l’état gazeux, donc après le décapage, les impuretés d’origine telles que le fer et l’aluminium ont été dissoutes dans l’acide, mais le silicium est devenu gazeux. Enfin, le SiHCl3 ou SiCl4 gazeux de haute pureté est réduit avec de l'hydrogène pour obtenir du silicium polycristallin de haute pureté.
La méthode CZ produit du silicium monocristallin :les plaquettes de silicium sont principalement utilisées dans les puces logiques et mémoire, avec une part de marché d'environ 95 % ; la méthode CZ est issue du dessin par Czochralski de minces filaments à partir de métal en fusion en 1918, c'est pourquoi elle est également appelée méthode CZ. Il s’agit aujourd’hui de la technologie dominante pour la culture du silicium monocristallin. Le processus principal consiste à mettre du silicium polycristallin dans un creuset, à le chauffer pour le faire fondre, puis à serrer un germe de silicium monocristallin et à le suspendre au-dessus du creuset. Lorsque vous le tirez verticalement, une extrémité est insérée dans la fonte jusqu'à ce qu'elle fonde, puis elle est lentement tournée et tirée vers le haut. De cette façon, l’interface entre le liquide et le solide va progressivement se condenser pour former un monocristal. Étant donné que l’ensemble du processus peut être considéré comme un processus de réplication du germe cristallin, le cristal de silicium généré est du silicium monocristallin. De plus, le dopage de la tranche est également effectué lors du processus d'extraction du monocristal, généralement en dopage en phase liquide et en phase gazeuse. Le dopage en phase liquide fait référence à l'ajout d'éléments de type P ou de type N dans le creuset. Pendant le processus d’extraction des monocristaux, ces éléments peuvent être directement tirés dans la tige de silicium.
▲ Méthode monocristalline CZ Faraday
▲ Tige de silicium après avoir tiré le monocristal
Diamètre de roulement :Puisqu'il est difficile de contrôler le diamètre de la tige de silicium monocristallin pendant le processus de traction du monocristal, afin d'obtenir une tige de silicium de diamètre standard, tel que 6 pouces, 8 pouces, 12 pouces, etc. Après avoir tiré le monocristal, le diamètre du lingot de silicium sera roulé. La surface de la tige de silicium après laminage est lisse et l'erreur de taille est plus petite.
Chanfreinage de coupe :Après obtention du lingot de silicium, la plaquette est découpée. Le lingot de silicium est placé sur une machine de découpe fixe et découpé selon le programme de découpe défini. Étant donné que l'épaisseur de la plaquette de silicium est faible, le bord de la plaquette de silicium découpée est très tranchant. Le but du chanfreinage est de former un bord lisse. La plaquette de silicium chanfreinée a une contrainte centrale plus faible, ce qui la rend plus solide et difficile à briser lors de la future fabrication de puces.
Polissage:L'objectif principal du polissage est de rendre la surface de la plaquette plus lisse, plate et sans dommage, et d'assurer la cohérence de l'épaisseur de chaque plaquette.
Emballage d'essai :Après avoir obtenu la plaquette de silicium polie, les propriétés électriques de la plaquette de silicium doivent être testées, telles que la résistivité et d'autres paramètres. La plupart des usines de plaquettes de silicium disposent de services de plaquettes épitaxiales. Si des tranches épitaxiales sont nécessaires, une croissance des tranches épitaxiales sera réalisée. Si la tranche épitaxiale n'est pas nécessaire, elle sera emballée et expédiée vers d'autres usines de tranches épitaxiales ou usines de tranches.
Méthode de fusion de zone (FZ) :Les plaquettes de silicium fabriquées selon cette méthode sont principalement utilisées dans certaines puces de puissance, avec une part de marché d'environ 4 % ; les plaquettes de silicium fabriquées par FZ (méthode de fusion de zone) sont principalement utilisées comme dispositifs d'alimentation. Et la taille des plaquettes de silicium est principalement de 8 pouces et 6 pouces. Actuellement, environ 15 % des tranches de silicium sont fabriquées par fusion de zone. Par rapport aux tranches de silicium fabriquées par la méthode CZ, la plus grande caractéristique de la méthode FZ est qu'elle a une résistivité relativement élevée, une pureté plus élevée et peut résister à une haute tension, mais il est difficile de fabriquer des tranches de grande taille et les propriétés mécaniques sont médiocres. il est donc souvent utilisé pour les tranches de silicium des dispositifs d'alimentation et est rarement utilisé dans les circuits intégrés.
Il y a trois étapes dans la fabrication de tiges de silicium monocristallin par méthode de fusion de zone :
1. Chauffez le silicium polycristallin, mettez-le en contact avec le cristal germe et tournez vers le bas pour tirer le monocristal. Dans une chambre de four sous vide ou dans un environnement de gaz inerte, utilisez un champ électrique pour chauffer la tige de silicium polycristallin jusqu'à ce que le silicium polycristallin dans la zone chauffée fonde pour former une zone fondue.
2. Contactez la zone fondue avec des germes de cristal et faites-la fondre.
3. En déplaçant la position de chauffage du champ électrique, la zone fondue sur le polysilicium se déplace vers le haut en continu, tandis que le cristal germe tourne lentement et s'étire vers le bas, formant progressivement une tige de silicium monocristallin. Étant donné que la méthode de fusion de zone n'utilise pas de creuset, de nombreuses sources de pollution sont évitées et le monocristal tiré par la méthode de fusion de zone présente les caractéristiques d'une grande pureté.
▲ Structure spatiale monocristalline FZ Farad
▲Schéma schématique du tirage du monocristal FZ
2. Coût de fabrication
Les plaquettes de silicium semi-conducteur ont des exigences plus élevées en matière de pureté et de propriétés électriques que les plaquettes de silicium à nouvelle énergie, de sorte que davantage d'étapes de purification et d'approvisionnement en matières premières sont nécessaires dans le processus de fabrication, ce qui se traduit par une gamme plus diversifiée de matières premières de fabrication. Par conséquent, la proportion du coût du matériau en silicium est relativement réduite, mais la proportion des dépenses de fabrication sera relativement augmentée.
Pour les plaquettes de silicium semi-conducteurs, le coût des matières premières est le principal coût, représentant environ 47 % du coût principal de l'entreprise. Le deuxième concerne les dépenses de fabrication, qui représentent environ 38,6 %. Semblable à l'industrie de fabrication de semi-conducteurs, l'industrie des plaquettes de silicium est une industrie à forte intensité de capital avec une forte demande d'investissement en immobilisations, ce qui générera des dépenses de fabrication élevées en raison de la dépréciation des immobilisations telles que les machines et équipements. Enfin, les coûts directs de main-d'œuvre représentent environ 14,4 %.
Parmi les coûts des matières premières de la fabrication des plaquettes de silicium, le polysilicium est la principale matière première, représentant environ 30,7 %. Le deuxième est celui des matériaux d'emballage, qui représentent environ 17,0 %. Étant donné que les plaquettes de silicium semi-conducteur ont des exigences élevées en matière de propreté et de vide, en particulier pour les plaquettes de silicium, qui s'oxydent facilement, les exigences en matière d'emballage sont beaucoup plus élevées que celles des plaquettes de silicium à nouvelle énergie. Par conséquent, dans la structure des coûts, les matériaux d’emballage représentent une proportion élevée. Les creusets en quartz représentent environ 8,7 % du coût des matières premières. Le creuset en quartz utilisé dans la fabrication de plaquettes de silicium semi-conductrices est également un creuset jetable, mais les propriétés physiques et thermiques du creuset sont plus exigeantes. Le liquide de polissage, la meule et le tampon de polissage représentent 13,8 % du total et sont principalement utilisés dans le processus de polissage des plaquettes de silicium.
▲ Structure des coûts d'exploitation de l'industrie du silicium en 2018
▲ Composition des matières premières de l'industrie du silicium en 2018
Les coûts de l'eau et de l'électricité représentent environ 15 % du coût de fabrication : Dans le coût de fabrication, les coûts totaux de l'eau et de l'électricité représentent environ 15 % du coût total de fabrication, dont les coûts de l'électricité représentent environ 11,4 % et les coûts de l'eau représentent environ 3,4%. En termes de montants correspondants, selon les données financières 2018 du Silicon Industry Group, le coût total des coûts d'électricité et d'eau est équivalent au coût des matériaux d'emballage, représentant environ la moitié du matériau en polysilicium. Le coût de l'électricité est légèrement supérieur à celui des creusets en quartz d'environ 20 %.
▲Proportion des coûts de fabrication de l'industrie du silicium en 2018
▲ Composition partielle des coûts du Silicon Industry Group en 2018 (Unité : 10,000 yuans)
3,Quatre obstacles à la fabrication de plaquettes de silicium
Les barrières aux plaquettes de silicium sont relativement élevées, en particulier pour les plaquettes de silicium semi-conductrices. Il existe quatre obstacles principaux : les obstacles techniques, les obstacles à la certification, les obstacles liés à l'équipement et les obstacles financiers.
▲ Les principaux obstacles à l'industrie de fabrication de plaquettes de silicium
Barrières techniques :Les indicateurs techniques des plaquettes de silicium sont relativement importants. En plus de la taille courante, de l'épaisseur de polissage, etc., il existe également la déformation, la résistivité, la courbure, etc. des plaquettes de silicium. En ce qui concerne les plaquettes de silicium grand public de 300 mm, en raison des exigences élevées d'uniformité des processus avancés pour les plaquettes de silicium, par rapport aux plaquettes de 200 mm, des paramètres tels que la planéité, le gauchissement, la courbure et les résidus métalliques de surface sont ajoutés pour surveiller les exigences de qualité des plaquettes de silicium de 300 mm. . En termes de pureté, les tranches de silicium de processus avancé doivent avoir une teneur d'environ 9N (99,9999999 %)-11N (99,999999999 %), ce qui constitue le principal obstacle technique pour les fournisseurs de tranches de silicium.
Les plaquettes de silicium sont des produits hautement personnalisés ; la pureté est le paramètre le plus fondamental des plaquettes de silicium et également la principale barrière technique. De plus, les plaquettes de silicium ne sont pas des produits universels et ne peuvent pas être copiées. Les spécifications des grandes tranches de silicium dans diverses fonderies de tranches sont complètement différentes, et les différentes utilisations des différents produits terminaux conduiront également à des exigences complètement différentes pour les tranches de silicium. Cela oblige les fabricants de plaquettes de silicium à concevoir et à fabriquer différentes plaquettes de silicium en fonction des différents produits du client final, ce qui augmente encore la difficulté d'approvisionnement en plaquettes de silicium.
▲Prévisions de bénéfices des secteurs d'activité de l'entreprise
Obstacles à la certification :Les fabricants de puces ont des exigences strictes quant à la qualité de diverses matières premières et sont très prudents dans la sélection des fournisseurs. Il existe de grandes barrières pour accéder à la liste des fournisseurs des fabricants de puces. Habituellement, les fabricants de puces demandent aux fournisseurs de plaquettes de silicium de fournir des plaquettes de silicium pour la production d'essai, et la plupart d'entre elles sont utilisées pour des plaquettes de test, et non pour des plaquettes de production de masse. Après avoir réussi les tests, de petits lots de tranches de production en série seront produits à titre d'essai. Après avoir passé la certification interne, le fabricant de puces enverra les produits aux clients en aval. Après avoir obtenu sa certification client, le fournisseur de plaquettes de silicium sera finalement certifié et le contrat d'achat sera signé. Il faut beaucoup de temps pour que les produits des fabricants de plaquettes de silicium semi-conductrices entrent dans la chaîne d'approvisionnement des fabricants de puces. Le cycle de certification pour les nouveaux fournisseurs prend au moins 12-18 mois.
En outre, les barrières de certification entre les plaquettes de test et les plaquettes de production de masse : à l'heure actuelle, la plupart des plaquettes de 12- pouces en Chine restent dans la fourniture de plaquettes de test, mais les procédures de certification des plaquettes de test sont complètement différentes de celles des plaquettes de test. plaquettes de production de masse, et les normes de certification pour les plaquettes de silicium produites en série sont plus strictes. Étant donné que les plaquettes de silicium de test ne fabriquent pas de puces, elles doivent uniquement être certifiées par la fonderie de plaquettes elle-même, et elles doivent uniquement être certifiées sur le site de fabrication actuel. Cependant, pour les tranches de silicium produites en série, elles doivent être certifiées par les clients sans usine et surveillées à toutes les étapes de l'ensemble du processus de fabrication avant de pouvoir être fournies par lots. D'une manière générale, afin de maintenir la stabilité de l'approvisionnement en plaquettes de silicium et du rendement des puces. Une fois qu'un fabricant de plaquettes et un fournisseur de plaquettes de silicium auront établi une relation d'approvisionnement, ils ne changeront pas facilement de fournisseur, et les deux parties établiront un mécanisme de retour d'information pour répondre aux besoins personnalisés, et la cohésion entre les fournisseurs de plaquettes de silicium et les clients continuera d'augmenter. Si un nouveau fabricant de plaquettes de silicium rejoint les rangs des fournisseurs, il doit offrir une relation de coopération plus étroite et une qualité de plaquettes de silicium supérieure à celle du fournisseur d'origine. Par conséquent, dans l'industrie des plaquettes de silicium, l'adhérence entre les fournisseurs de plaquettes de silicium et les fabricants de plaquettes est relativement importante, et il est difficile pour les nouveaux fournisseurs de briser cette adhérence.
Barrières d'équipement :L'équipement de base pour la fabrication des tranches de silicium est le four monocristallin, qui peut être décrit comme la « machine de photolithographie » des tranches de silicium. Les fours monocristallins des grands fabricants internationaux de plaquettes de silicium sont tous fabriqués par eux-mêmes. Par exemple, les fours monocristallins de Shin-Etsu et SUMCO sont conçus et fabriqués indépendamment par l'entreprise ou conçus et fabriqués par l'intermédiaire de filiales holding, et d'autres fabricants de plaquettes de silicium ne peuvent pas les acheter. D'autres grands fabricants de plaquettes de silicium ont leurs propres fournisseurs indépendants de fours monocristallins et signent des accords de confidentialité stricts, ce qui rend impossible l'achat par les fabricants externes de plaquettes de silicium, ou ils ne peuvent acheter que des fours monocristallins ordinaires, mais ne peuvent pas fournir de fours monocristallins de haute spécification. . Par conséquent, les barrières liées aux équipements sont également la raison pour laquelle les fabricants nationaux ne peuvent pas accéder aux principaux fournisseurs mondiaux de plaquettes de silicium.
Barrières financières :Le processus de fabrication des plaquettes de silicium semi-conducteurs est complexe, nécessitant l'achat d'équipements de production avancés et coûteux, et nécessite également une modification et un débogage continus en fonction des différents besoins des clients. En raison des coûts fixes élevés tels que la dépréciation des équipements, les changements dans la demande en aval ont un impact plus important sur l'utilisation des capacités des entreprises de fabrication de plaquettes de silicium, et donc sur les bénéfices des entreprises de fabrication de plaquettes de silicium. En particulier, les entreprises qui viennent d'entrer dans l'industrie des plaquettes de silicium se retrouvent presque dans un état de perte avant d'avoir atteint l'échelle de livraison et ont des exigences élevées en matière de barrières financières. De plus, en raison du long cycle de certification des usines de fabrication de plaquettes de silicium, les fabricants de plaquettes de silicium doivent continuer à investir pendant cette période, ce qui nécessite également beaucoup de fonds.
3. Sera toujours le roi des matériaux semi-conducteurs À l'heure actuelle, le marché des plaquettes semi-conductrices est dominé par les matériaux en silicium. Les matériaux en silicium représentent environ 95 % de l’ensemble du marché des semi-conducteurs. Les autres matériaux sont principalement des matériaux semi-conducteurs composés, principalement des tranches de matériaux semi-conducteurs de deuxième génération GaAs et des tranches de matériaux semi-conducteurs de troisième génération SiC et GaN. Parmi elles, les plaquettes de silicium sont principalement des puces logiques, des puces de mémoire, etc., et sont les matériaux de plaquettes semi-conductrices les plus largement utilisés. Les plaquettes GaAs sont principalement des puces RF, et les principaux scénarios d'application sont la basse tension et la haute fréquence ; Les matériaux semi-conducteurs de troisième génération sont principalement des puces haute puissance et haute fréquence, et les principaux scénarios d'application sont haute fréquence et haute puissance.
▲Rapport de matériau de plaquette
▲ Champ d'application des plaquettes de différents matériaux
Les semi-conducteurs composés et les matériaux à base de silicium ne sont pas dans une relation de concurrence, mais dans une relation de complémentarité ; les lois de développement des matériaux semi-conducteurs (en particulier des tranches, des substrats et des matériaux de tranche épitaxiale) comprennent trois voies, à savoir la taille, la vitesse et la puissance, et les trois voies correspondent aux matériaux semi-conducteurs de première, deuxième et troisième génération.
▲ Comparaison des performances des matériaux de première/deuxième/troisième génération
Matériaux semi-conducteurs de première génération :Voie de grande taille : Les matériaux semi-conducteurs de première génération font référence aux matériaux en silicium. Les matériaux en silicium sont les premiers matériaux de tranche développés, et sont également les matériaux dotés de la technologie la plus mature, du coût le plus bas et de la chaîne industrielle la plus complète à ce stade. Dans le même temps, à mesure que la taille des tranches de silicium augmente, le coût d’une seule puce diminue. Les principaux domaines d'application sont les puces logiques et les champs basse tension et faible consommation. La taille des plaquettes de silicium varie de 2 pouces, 4 pouces, 6 pouces, 8 pouces, jusqu'à la technologie actuelle des plaquettes de 12- pouces. Les entreprises typiques de fabrication de plaquettes de silicium comprennent les sociétés japonaises Shin-Etsu Chemical, Sumco, etc. À l'heure actuelle, les principales usines internationales de fabrication de plaquettes utilisent des matériaux à base de silicium comme principal matériau de production.
▲Comparaison de différentes tailles de plaquettes
Matériaux semi-conducteurs de deuxième génération :itinéraire à grande vitesse. Étant donné que la puce doit être capable de résister à la commutation haute fréquence dans le circuit RF, la plaquette semi-conductrice de deuxième génération a été inventée. Le principal domaine d'application est le circuit RF, et le domaine terminal typique est la puce RF des terminaux mobiles tels que les téléphones mobiles. Le semi-conducteur de deuxième génération est principalement représenté par GaAs (arséniure de gallium) et InP (phosphure d'indium), parmi lesquels GaAs est le matériau de puce RF pour terminaux mobiles couramment utilisé aujourd'hui. Les sociétés de fonderie typiques incluent Taiwan Win Semiconductors, Macronix, Skyworks, Qorvo, etc., qui sont des sociétés IDM de puces RF. Le courant dominant actuel est constitué de tranches de 4- pouces et de 6- pouces.
Matériaux semi-conducteurs de troisième génération :itinéraire à forte puissance : presque au même point de départ, avec le plus de possibilités. La troisième voie consiste à augmenter la puissance, ce qui favorisera son application généralisée dans le domaine des circuits de forte puissance. Les principaux matériaux sont le SiC et le GaN. Les principaux terminaux sont les domaines industriels, automobiles et autres. La voie de l'énergie a développé des puces IGBT sur des matériaux en silicium, tandis que les matériaux SiC (carbure de silicium) et GaN (nitrure de gallium) ont des performances supérieures à celles de l'IGBT. À l'heure actuelle, les plaquettes SiC mesurent principalement 4-pouces et 6-pouces, et les matériaux GaN mesurent principalement 6-pouces et 8-pouces. Les principales fonderies mondiales comprennent Cree et Wolfspeed aux États-Unis et X-Fab en Allemagne. Cependant, dans ce domaine, le développement des géants internationaux est également relativement lent. Les entreprises nationales telles que Sanan Optoelectronics, bien qu'il existe encore un certain écart en termes de niveau technologique, en sont au stade initial de l'ensemble de l'industrie et sont très susceptibles de briser le monopole étranger et d'occuper une place sur la carte internationale des fonderies d'énergie.
Les matériaux composés nécessitent des substrats en silicium :Bien qu'il existe actuellement un grand nombre de puces sur tranches SiC et GaN, telles que les chargeurs GaN commercialisés par Xiaomi, OPPO et Realme, le modèle 3 publié par Tesla utilise SiC MOSFET au lieu de l'IGBT. Cependant, pour les tranches, la plupart des puces à semi-conducteurs composées grand public utilisent actuellement des tranches de silicium comme substrats, puis fabriquent des tranches épitaxiales composées, puis fabriquent des puces sur des tranches épitaxiales.
Le coût des plaquettes semi-conductrices composées est relativement élevé :À l'heure actuelle, en raison du caractère incomplet de la chaîne industrielle des semi-conducteurs composés, la capacité de production de semi-conducteurs composés est faible et le prix des plaquettes de semi-conducteurs composés est relativement élevé. Cela conduit à une faible acceptation par les utilisateurs finaux, et la solution dominante pour l'électronique grand public reste « substrat de silicium + plaquette épitaxiale composée ». Dans le domaine automobile, l’IGBT à base de silicium reste la solution dominante. Les puces IGBT à base de silicium ont de faibles coûts et une large gamme de tensions optionnelles. Le prix des dispositifs SiC MOSFET est 6 à 10 fois supérieur à celui des IGBT à base de silicium. En comparant les paramètres de performances du SiC-MOSFET et du Si-IGBT sous les paramètres techniques 650 V/20 A d'Infineon, le SiC-MOSFET est toujours supérieur au Si-IGBT en termes de paramètres de performances, mais en termes de prix, le SiC-MOSFET est 7 fois supérieur à celui du Si-IGBT. Si-IGBT. De plus, à mesure que la résistance à l'état passant des dispositifs SiC diminue, le prix du SiC-MOSFET augmente de façon exponentielle. Par exemple, lorsque la résistance à l'état passant est de 45 milliohms, le SiC-MOSFET ne coûte que 57,6 $, lorsque la résistance à l'état passant est de 11 milliohms, le prix est de 159,11 $, et lorsque la résistance à l'état passant est égale à 6 milliohms, le prix a atteint 310,98 $.
▲ Comparaison Infineon SiC-MOSFET et Si-IGBT
▲ Prix Infineon SiC-MOSFET et relation entre la résistance
4. Les efforts nationaux ont créé un énorme potentiel de marché.
1. Le marché des plaquettes de silicium entre dans un cycle de croissance.
La proportion de matériaux de fabrication de semi-conducteurs augmente d’année en année. Les matériaux semi-conducteurs peuvent être divisés en matériaux d'emballage et matériaux de fabrication (y compris les plaquettes de silicium et divers produits chimiques, etc.). À long terme, les matériaux de fabrication de semi-conducteurs et les matériaux d’emballage suivent la même tendance. Cependant, depuis 2011, avec le développement continu de procédés avancés, la consommation de matériaux de fabrication de semi-conducteurs a progressivement augmenté et l'écart entre les matériaux de fabrication et les matériaux d'emballage s'est progressivement creusé. En 2018, les ventes de matériaux de fabrication s'élevaient à 32,2 milliards de dollars américains et les ventes de matériaux d'emballage à 19,7 milliards de dollars américains, et les matériaux de fabrication représentaient environ 1,6 fois ceux des matériaux d'emballage. Parmi les matériaux semi-conducteurs, les matériaux de fabrication représentent environ 62 % et les matériaux d'emballage 38 %.
▲Proportion de la consommation de matériaux semi-conducteurs en 2018
▲Ratio du coût des matériaux de fabrication des semi-conducteurs
Les plaquettes de silicium sont les principaux consommables dans la fabrication de semi-conducteurs ; parmi les matériaux de fabrication, les plaquettes de silicium, en tant que matières premières des semi-conducteurs, représentent la plus grande proportion, atteignant 37 %. Depuis 2017, avec la défaite de Lee Sedol face à « AlphaGo », les nouvelles technologies vedettes, dirigées par l'intelligence artificielle, sont les principales technologies qui stimulent le développement des semi-conducteurs mondiaux. En particulier, en 2018, la demande mondiale de mémoire a explosé, couplée à l’émergence de la technologie blockchain, et la demande de plaquettes de silicium a atteint un niveau record. L’augmentation des expéditions mondiales de semi-conducteurs a également entraîné une augmentation rapide des expéditions de plaquettes de silicium. En termes d'expéditions, en 2018, la zone mondiale d'expédition de plaquettes de silicium a dépassé pour la première fois les 10 milliards de pouces carrés, atteignant 12,7 milliards de pouces carrés. En 2019, en raison des frictions commerciales au premier semestre, la zone d'expédition a diminué à 11,8 milliards de pouces carrés. En termes de chiffre d'affaires, les ventes mondiales sur le marché s'élevaient à 11,4 milliards de dollars en 2018 et à 11,2 milliards de dollars en 2019.
▲2009-2019 Zone d'expédition mondiale de plaquettes de silicium
▲2009-2019 Ventes mondiales de plaquettes de silicium
Du point de vue de la segmentation des tranches, en raison du coût élevé des matériaux semi-conducteurs de deuxième et troisième génération et du fait que la plupart des semi-conducteurs composés sont basés sur des tranches de silicium, les tranches de silicium représentent 95 % des substrats de tranches mondiaux. Du point de vue des tailles de tranches spécifiques, les tranches de 12- pouces constituent le principal type de tranches de silicium mondiales. En 2018, les tranches de 12- pouces représentaient 64 % des expéditions mondiales de tranches de silicium, et les tranches de 8- pouces représentaient 26 %.
▲Ratio d'expédition des plaquettes de silicium par taille
Du point de vue des applications de terminaux, la consommation mondiale de tranches de 12- pouces est principalement constituée de puces de mémoire, la mémoire Nand Flash et DRAM représentant environ 75 % au total, dont Nand Flash consomme environ 33 % des tranches, et Nand Flash détient 35 % du marché en aval sur le marché des smartphones. On peut constater que l’augmentation des expéditions et de la capacité des smartphones est le principal facteur à l’origine de l’expédition de tranches de 12- pouces. Parmi les tranches de 12- pouces, les puces logiques représentent environ 25 %, la DRAM environ 22,2 % et d'autres puces telles que la CIS représentent environ 20 %.
2. Le marché chinois des plaquettes de silicium semi-conducteurs dispose d'un espace immense
Le marché chinois des matériaux semi-conducteurs connaît une croissance constante. En 2018, les ventes mondiales de matériaux semi-conducteurs ont atteint 51,94 milliards de dollars, soit une augmentation de 10,7 % sur un an. Parmi eux, les ventes de la Chine s'élevaient à 8,44 milliards de dollars. Contrairement au marché mondial, les ventes de matériaux semi-conducteurs en Chine ont augmenté depuis 2010 et ont augmenté à un taux de plus de 10 % pendant trois années consécutives de 2016 à 2018. Le marché mondial des matériaux semi-conducteurs est fortement affecté par des facteurs cycliques, en particulier à Taiwan. , la Chine et la Corée du Sud, où les fluctuations sont importantes. Les marchés nord-américains et européens sont quasiment dans un état de croissance nulle. Les matériaux semi-conducteurs japonais connaissent depuis longtemps une croissance négative. À l’échelle mondiale, seul le marché des matériaux semi-conducteurs en Chine continentale se trouve dans une fenêtre de croissance à long terme. Le marché chinois des matériaux semi-conducteurs contraste fortement avec le marché mondial.
▲Ventes mondiales de matériaux semi-conducteurs et taux de croissance (en milliards de dollars américains)
▲Ventes annuelles de matériaux semi-conducteurs par pays et région (Unité : milliards de dollars américains)
Les matériaux semi-conducteurs mondiaux se déplacent progressivement vers le marché chinois continental. D'après la part des ventes de divers pays et régions, les trois principaux pays ou régions représentaient 55 % en 2018, et l'effet de concentration régionale est évident. Parmi eux, Taiwan, Chine représente environ 23 % de la capacité mondiale de production de plaquettes, ce qui en fait la région dotée de la plus grande capacité de production au monde. Ses ventes de matériaux semi-conducteurs s'élèvent à 11,4 milliards de dollars américains, soit 22 % du marché mondial, au premier rang, et elle est la plus grande région consommatrice de matériaux semi-conducteurs au monde depuis neuf années consécutives. La Corée du Sud représente environ 20 % de la capacité mondiale de production de plaquettes, avec des ventes de matériaux semi-conducteurs de 8,72 milliards de dollars, soit 17 %, se classant au deuxième rang. La Chine continentale représente environ 13 % de la capacité de production mondiale, avec des ventes de matériaux semi-conducteurs de 8,44 milliards de dollars américains, soit environ 16 % du volume mondial, se classant au troisième rang. Cependant, à long terme, la part de marché des matériaux semi-conducteurs en Chine continentale a augmenté d'année en année, passant de 7,5 % en 2007 à 16,2 % en 2018. Les matériaux semi-conducteurs mondiaux se déplacent progressivement vers le marché chinois continental.
▲ Part des ventes par pays et région en 2018
▲ Ventes et part de matériaux semi-conducteurs en Chine continentale (en milliards de dollars américains)
La capacité mondiale de production de plaquettes entraînera une croissance explosive. L'usine de fabrication de plaquettes de 12- pouces, qui représente la technologie la plus avancée dans les usines de fabrication de plaquettes d'aujourd'hui, a atteint son apogée en matière de construction entre 2017 et 2019, avec une moyenne de fabrication de plaquettes de 8 12- pouces ajoutée chaque année dans le monde. On estime que d’ici 2023, il y aura 138 12- usines de fabrication de plaquettes de pouces dans le monde. Selon les statistiques d'IC Insight, en raison de l'incertitude liée à la guerre commerciale sino-américaine au premier semestre 2019, les principales usines de fabrication de plaquettes du monde entier ont reporté leurs projets d'augmentation de capacité, mais ne les ont pas annulés. Avec la reprise du commerce sino-américain au second semestre 2019 et l'éclatement du marché 5G, la capacité mondiale de production de plaquettes en 2019 a continué d'augmenter de 7,2 millions de pièces. Cependant, avec l'arrivée de la vague de remplacement du marché 5G, la capacité mondiale de production de plaquettes marquera le début d'une période d'augmentation maximale de 2020 à 2022, avec une augmentation sur trois ans de 17,9 millions de pièces, 20,8 millions de pièces et 14,4 millions de pièces respectivement, et atteindra un niveau record en 2021. Ces capacités de plaquettes se situeront en Corée du Sud (Samsung, Hynix), à Taiwan (TSMC) et en Chine continentale (Yangtze River Storage, Changxin Storage, SMIC, Huahong Semiconductor, etc.). La Chine continentale représentera 50 % de l’augmentation de capacité.
▲Nombre de 12-usines de fabrication de plaquettes de pouces dans le monde, 2002-2023
▲ Augmentation de la capacité de production mondiale (unité : million de pièces/an, équivalent à une plaquette de 8-pouces)
La construction d’usines de fabrication de plaquettes en Chine continentale marquera le début d’une période de croissance rapide. Depuis 2016, la Chine continentale a commencé à investir activement dans la construction d’usines de fabrication de plaquettes, et une vague de construction d’usines a été déclenchée. Selon les prévisions de SEMI, 62 usines de fabrication de plaquettes seront construites et mises en production dans le monde entre 2017 et 2020, dont 26 en Chine, soit 42 % du total. Le nombre de constructions en 2018 était de 13, représentant 50 % de l'expansion. Le résultat de l’expansion entraînera inévitablement une augmentation des dépenses en capital et des dépenses d’équipement pour les usines de fabrication de plaquettes. Selon SEMI, d'ici 2020, la capacité installée des usines de fabrication de plaquettes en Chine continentale atteindra 4 millions de plaquettes équivalentes 8- pouces par mois, contre 2,3 millions en 2015, avec un taux de croissance annuel composé de 12 %, ce qui est beaucoup plus élevé que dans les autres régions. Dans le même temps, le National Big Fund a également investi massivement dans l’industrie de la fabrication de semi-conducteurs. Dans la première phase de l'investissement du Grand Fonds, l'industrie manufacturière représentait jusqu'à 67 %, bien plus que l'industrie du design et l'industrie de l'emballage et des tests.
▲2010-2020 Investissement chinois dans la fabrication de plaquettes de semi-conducteurs (Unité : 100 millions de dollars US)
▲Taux d'investissement de la première phase du Grand Fonds National
À la fin de 2019, il y avait encore des usines de fabrication de plaquettes de 9 8- pouces et des usines de fabrication de plaquettes de 10 12- pouces en construction ou en planification en Chine. De plus, étant donné que la plupart des usines de fabrication de plaquettes de 12- pouces en Chine sont actuellement en phase de production à l'essai ou en production en petits lots, elles se trouvent au bas de leur capacité de production. Après avoir obtenu la vérification du produit auprès des clients et la vérification du marché, la capacité de production entrera dans une phase de montée en puissance et il y aura une énorme demande de matières premières en amont.
▲Nouvelles usines de fabrication de plaquettes en Chine
La popularité de la 5G a conduit à une augmentation de la teneur en silicium des terminaux : depuis l'ère des smartphones en commençant par l'iPhone 3, jusqu'aux téléphones mobiles 4G représentés par l'iPhone 5, et enfin jusqu'à l'ère actuelle des téléphones mobiles 5G. La teneur en silicium des téléphones mobiles continue d'augmenter. Selon l'analyse du coût des matériaux des téléphones mobiles réalisée par des organisations de démantèlement telles que Tech Insights et iFixit, la valeur unitaire des principales puces des téléphones mobiles, telles que les processeurs de téléphone mobile (AP), les puces de traitement de bande de base (BP), la mémoire (Nand Flash , DRAM), modules de caméra (CIS), puces de radiofréquence (RF), puces de gestion de l'alimentation (PMIC), puces Bluetooth/wifi, etc., ont montré une augmentation progressive et la proportion de la valeur totale de l'unité a augmenté année par année. Bien qu'au stade de l'iPhone X, la proportion de puces ait diminué en raison des changements d'écran, avec une optimisation continue ultérieure, la proportion des coûts des puces a également augmenté d'année en année. À l'ère de l'iPhone 11 pro max, l'apogée des téléphones mobiles 4G, la proportion de puces principales a atteint 55 % et la valeur d'une seule unité est d'environ 272 dollars américains. Dans l'évolution de l'iPhone 3 à l'iPhone 11 Pro Max, l'appareil photo du téléphone portable est passé d'une seule prise à 3 prises, la mémoire du corps est passée de 8 Go à 512 Go, la proportion de silicium par unité est passée de 37 % à 55 %. , et la valeur par unité est passée de 68 $ US à 272 $ US.
2020 est la première année de production de masse de téléphones mobiles 5G. Selon l'analyse de démontage des téléphones mobiles Samsung S20 et Xiaomi 10 publiée, la valeur et la proportion des principales puces par unité ont encore augmenté par rapport aux téléphones mobiles 4G. Pour Samsung, les principales puces représentent 63,4 % du coût total des matériaux et la valeur par unité a atteint 335 $ US, soit 23 % de plus que celle de l'iPhone 11 Pro Max. Pour Xiaomi, la proportion de puces principales est encore plus élevée, atteignant 68,3 %, et la valeur par unité de puces principales a également atteint 300 $ US. Selon le démontage du Samsung S20 et du Xiaomi 10, on estime que les principales puces des premiers téléphones mobiles 5G représenteront environ 65 % à 70 %, et la valeur d'une seule machine sera d'environ USD {{18} }.
▲Répartition des coûts de nomenclature des smartphones grand public
▲ Rapport de coût des puces principales dans différents téléphones mobiles
La construction d’usines de fabrication de tranches augmente la demande de tranches de silicium : l’expansion de la capacité de fabrication de tranches entraînera inévitablement une augmentation de la demande de tranches de silicium. À l'heure actuelle, la Chine a investi massivement dans les usines de fabrication de plaquettes, formant une industrie de mémoire dominée par Yangtze Memory Technologies et Hefei Changxin, une industrie de puces logiques dominée par SMIC, une ligne de production de procédés spécialisés dominée par Huahong Semiconductor et Jetta Semiconductor, et une fonderie de dispositifs électriques. dominé par China Resources Microelectronics et Silan Microelectronics. À l'heure actuelle, le taux de croissance des ventes de plaquettes de silicium en Chine continentale en 2017/2018 est supérieur à 40 %. Et bénéficiant de la tendance aux investissements massifs et à la substitution nationale, les usines de fabrication de tranches en aval ont pleinement étendu leur capacité de production, entraînant une augmentation de la demande de tranches de silicium en amont. Selon les prévisions de SUMCO, en 2020, la demande de plaquettes de silicium de 8-pouces en Chine continentale sera d'environ 970 000 pièces, et les plaquettes de 12-pouces atteindront 1,05 million de pièces.
▲Ventes et taux de croissance de plaquettes de silicium en Chine continentale (Unité : milliards de dollars américains)
▲Évolution de la demande de plaquettes de silicium en Chine continentale (unité : 10 000 pièces/mois)
Cycle d'augmentation des prix + processus avancé favorise l'augmentation du « prix » : selon le calcul historique du prix des plaquettes de silicium, elle est actuellement au début d'un nouveau cycle d'augmentation des prix. Du 2009 à 2011, les smartphones sont rapidement devenus populaires, la teneur en silicium des téléphones mobiles a augmenté et le prix du silicium par unité de surface a continué d'augmenter, atteignant 1,09 $/pouce carré en 2011. Plus tard , avec l'augmentation des stocks de plaquettes de silicium et la baisse des ventes de smartphones, le prix des plaquettes de silicium par unité de surface a continué de baisser et a atteint son point le plus bas en 2016, à 0,67 $/pouce carré. En 2016, « AlphaGo » de Google a vaincu Lee Sedol, permettant à l’intelligence artificielle d’entrer sur la scène de l’histoire. La demande mondiale de plaquettes de silicium a augmenté, entrant dans un nouveau cycle de hausse des prix. Avec le lancement des téléphones mobiles 5G en 2019, le prix des tranches de silicium par unité de surface a atteint 0,94 $. Avec le lancement à grande échelle des téléphones mobiles 5G en 2020, qui stimule la demande mondiale de plaquettes de silicium, on s'attend à ce qu'il y ait 2-3 années d'augmentation des prix dans le futur.
Les processus avancés font monter les prix ; Les plaquettes de silicium semi-conducteur constituent le matériau de base pour la fabrication des puces, et toute fluctuation de la qualité aura un impact sérieux sur les puces. Avec le développement continu de procédés avancés, les exigences en impuretés pour les plaquettes de silicium semi-conductrices sont de plus en plus élevées. Des exigences plus élevées rendent le processus de fabrication des plaquettes de silicium de plus en plus difficile, de sorte que le prix devient de plus en plus élevé. Par exemple, pour la même tranche de silicium de 12- pouces, le prix des tranches de silicium de traitement de 7 nm est 4,5 fois supérieur au prix des tranches de silicium de 90 nm. À l'heure actuelle, les usines de fabrication de plaquettes en Chine continentale sont principalement construites avec des tranches de 12- pouces, et le prix des tranches de silicium est beaucoup plus élevé que celui des tranches de 8- pouces. Dans le même temps, les fonderies de puces logiques représentées par SMIC et Huahong Semiconductor ont progressivement transféré le processus du processus 28 nm au processus 16/14 nm, ce qui a augmenté le prix global des tranches de silicium.
Depuis l'ouverture de la première ligne de fabrication en 12-pouces dans le monde en 2000, la demande du marché a considérablement augmenté. En 2008, le volume d'expédition a dépassé pour la première fois 8- pouces de tranches de silicium, et en 2009, il a dépassé la somme de la zone d'expédition d'autres tailles de tranches de silicium. De 2016 à 2018, en raison du développement fulgurant des marchés émergents tels que l'IA, le cloud computing et la blockchain, le taux de croissance annuel composé des plaquettes de silicium de 12- pouces était de 8 %. À l’avenir, la part de marché des plaquettes de silicium de 12- pouces continuera d’augmenter. Selon les données de SUMCO, il y aura toujours un écart entre l'offre et la demande mondiales de plaquettes de silicium de 12- pouces au cours des 3-5 prochaines années, et l'écart deviendra de plus en plus grand à mesure que la prospérité du secteur des semi-conducteurs le cycle augmente. D’ici 2022, il y aura un écart de 1 000 000/mois. En tant que base émergente de fabrication de semi-conducteurs dans le monde, l'énorme déficit de plaquettes de silicium de la Chine favorisera la rapidité de localisation des plaquettes de silicium.
Selon les statistiques de SUMCO, le montant des ventes de plaquettes de silicium en Chine continentale en 2018 s'élevait à environ 930 millions de dollars américains, soit une augmentation de 45 % d'une année sur l'autre, ce qui en fait le marché des plaquettes de silicium à la croissance la plus rapide au monde. Bénéficier des plans d'expansion des grandes usines de fabrication de plaquettes telles que Yangtze Memory, SMIC et Changxin Storage en 2020-2022. On estime que d'ici fin 2022, la demande de plaquettes de silicium équivalentes à 12- pouces en Chine continentale atteindra 2,01 millions par mois, avec un espace de marché de 20 milliards de yuans.
Sibranch estime qu'en tant que bénéficiaire du troisième transfert de l'industrie des semi-conducteurs, la part des ventes de semi-conducteurs de la Chine sur le marché mondial continue d'augmenter. En outre, la Chine est le plus grand producteur, exportateur et consommateur mondial de produits électroniques grand public et a une forte demande de produits semi-conducteurs. Le niveau de localisation aura donc un impact important sur la sécurité industrielle. En tant que variété la plus importante et la plus fondamentale sur le marché des matériaux de fabrication de plaquettes, la Chine présente des lacunes dans le domaine des plaquettes de silicium, et cela est plus important dans les grandes plaquettes de silicium. Cependant, avec le soutien des politiques et des fonds nationaux, de nombreuses entreprises chinoises ont planifié des lignes de production et installé de grandes tranches de silicium semi-conducteur.