您当前所在位置: 首页 > 视点动态 > 产业洞见 > 硅片外延生长市场初研
硅片外延生长市场初研
 Aeternam Stella            2020-07-15 13:56:00
2020年初,全球第六大、中国最大的半导体硅外延片一体化制造商上海合晶递交了A股科创板招股书,硅外延片首次在资本市场引起关注。虽然硅外延技术在半导体制造领域是最常见、普遍的材料表面加工工艺之一,通过该技术加工的硅外延片被广泛应用于功率器件、模拟芯片、逻辑芯片等的生产制造中;但过往市场对半导体的注意力更多停留在芯片设计、生产制造等环节,对上游材料的关注度不足,特别对外延生长这样较为细分的市场了解更少。本文借着上海合晶申报IPO的机会,将对外延生长的技术、市场概况、发展机会等做一个初步的研究。


 

一.外延生长是硅片表面加工工艺的一种

 

半导体硅片是集成电路、分立器件等半导体产品的关键性、基础性原材料,目前90%以上的半导体产品使用硅基材料制造。硅片按照表面加工工艺的不同,可以被分为抛光片、外延片、退火片、SOI硅片四大类,其中抛光片和外延片的用量最大。由于外延片掺杂工艺灵活,厚度、电阻率等器件参数便于调节,具有诸多优质特性,可以显著改善器件反向耐用性、截止频率等性能,被大规模应用于对稳定性、缺陷密度、高电压及电流耐受性等要求更高的高级半导体器件中,主要包括MOSFET、IGBT、晶体管等功率器件,滤波器、功放等射频器件,CIS、PMIC等,其终端应用包括汽车、高端装备制造、能源管理、通信、消费电子等。

 


资料来源:公开资料、创璟资本整理

 

随着半导体制造的制程工艺进步,外延片被广泛应用,占比越来越高,到了28nm以上制程就必须全部使用外延技术。可以说,未来绝大部分的硅片将以外延片的形式存在,外延生长设备在半导体硅片的生产线中愈发重要。此外,在硅片的高阶制程工艺中,如锗硅等材料;还有除硅外第二代半导体(砷化镓等)、第三代半导体(碳化硅、氮化镓等)等材料在制成晶圆前,也广泛使用外延技术。

 


资料来源:沪硅产业招股书、创璟资本整理

 

资料来源:Yole、创璟资本整理

 

外延生长是一种硅片的表面处理工艺,指在切片研磨后的衬底上,通过化学反应或其他手段叠加一层单晶薄膜(可为硅或其他材料),该薄膜层即为外延层。该技术发展于上世纪60年代,发展至今主要有气相外延、液相外延、分子束外延三种技术路径,其中液相外延、分子束外延由于成本过高,基本只在实验室中使用,工业界中最主要的外延技术是气相外延技术。

气相外延,原理是利用一些中介气体,如四氯化硅(SiCl4)、四氢化硅(SiH4)、三氯氢硅(SiHCL3)等,在反应环境中生成硅原子,并使硅原子沉积在单晶硅衬底上。以四氯化硅氢还原反应为例,通过四氯化硅气体在1200℃的高温下与氢气反应(化学方程式为:SiCl4 + 2H2 = Si+ 4HCl),生成Si硅原子固体与反应副产物HCl气体,其中硅原子沉降落在衬底上形成外延层。

 

图片来源:公开资料、创璟资本整理

 

外延生长并不仅仅局限于单晶硅,如果是为生成其他材质的外延层,则所使用的反应气体、反应条件皆有所不同。除了上述最普及的在硅片衬底上生长硅原子外延层以外,在碳化硅(SiC)衬底上生长碳化硅外延层、在氮化镓(GaN)衬底上生长氮化镓外延层等方法也已经投入量产大规模应用。除了这些衬底、外延层相同的同质外延外,例如碳化硅上生长氮化镓、硅上生长氮化镓等各类异质外延方法也十分常见。随着第三代半导体材料的发展,碳化硅、氮化镓等外延的重要性将日益提高。


 

二.经外延生长处理的硅片有更好的性能表现

 

外延技术最早被发明是为了解决高频大功率器件既要减少电阻,又要求材料能耐高压和大电流(电阻高)的矛盾。通过外延,能够在低阻的衬底上生长一层高阻外延层,使在外延层上制作的器件能够同时得到高集电极电压和低集电极电阻。 

经过多年的发展,外延技术除了最初设计的目的外,还拥有如下显著优势:

(1)表面完美

外延层能够提升晶圆表面的材料纯度和均匀度。通过外延处理的硅片,相比于机械抛光的抛光片,其表面平整度高、洁净度高、微缺陷少、表面杂质少,因此电阻率更加均匀,对于表面颗粒、层错、位错等缺陷也更容易控制。外延不仅仅提高了产品的性能,也能保证产品的稳定性和可靠性。

(2)结构分层

如前所说的解决低电阻和高压的矛盾外,外延能够在原有衬底上叠加一层电阻率、掺杂元素、掺杂浓度与衬底不同的外延层,是HBT(异质结双极晶体管)、MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)等当前最流行的半导体晶体管制造工艺中的必要工序。同时,由于外延提供了不同的结构分层(不同层电阻不同),因此外延也是解决CMOS工艺最常见的闩锁效应、短沟道效应问题的最主要方法之一(除了外延外,也常用SOI片来解决CMOS的缺陷)。

(3)逆掺杂

掺杂是指半导体制造过程中,在纯净无杂质材料(本征半导体)中特意引入杂质,从而改变材料的电气属性的工艺。掺杂按照掺入元素的多寡可以分为重掺杂、轻掺杂、中掺杂等。正常情况下,重掺杂必然是在轻掺杂之上,但通过外延工艺,可以实现掺杂结构层的互换或多种掺杂相互结合,提高了器件设计的灵活性和性能。

 


图片来源:公开资料、创璟资本整理

 

总体而言,外延生长处理的意义最终都是在解决原有材料限制、提高器件的效率上。根据美国应用材料公司数据,原材料及加工技术的革新在半导体器件性能提升上起到90%的作用,外延生长就是近十多年来最关键的加工技术之一,能够明显提升晶体管的运行表现(经外延处理后,器件的电子迁移率明显提高)。对比无外延技术的加入,外延技术对晶体管提升的性能表现相当于半代制程的升级。

 

数据来源:应用材料《Applied Centura RP Epi System for nMOS and pMOS Transistors》(图中橙色部分为外延技术带来的性能提高部分,制程越先进,外延带来的优势越明显),创璟资本整理

 

数据来源:应用材料《Applied Centura RP Epi System for nMOS and pMOS Transistors》,创璟资本整理


 

三.外延片应用广泛

 

从宽泛的工艺制程、材料角度而言,只要进入28纳米以上的先进制程领域,外延技术就是必不可少的加工过程,例如最新的FinFET工艺也是建立在外延基础上;除此之外,第二代和第三代半导体材料如砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等都广泛需要外延技术作为支撑。

从细分市场的角度出发,功率器件是对外延技术应用最为广泛的市场;此外包括部分射频前端器件(主要为滤波器、功率放大器等)、CMOS图像传感器(CIS)、电源管理芯片(PMIC)等对于外延技术的需求也很强。

 

数据来源:Yole《Epitaxy Growth Equipment for More Than Moore Devices Technology and Market Trends 2020》(此处未将光电子所用的MOCVD技术与半导体产业所用外延技术作区分,两类技术有较大差异),创璟资本整理


         具体的应用情况如下:

① 功率器件

功率器件指实现电能处理与转换的电路基本元件,属于半导体分立器件中的一类,主要以功率MOSFET、IGBT、功率二极管、功率三极管、晶闸管、电容、电阻等为主,也有部分是通过对上述分立器件集成化形成的功率IC。功率器件的用途非常广泛,其实电子装置电能、电路控制的核心,凡是有电流电压及相位转换的电路系统中,都会用到功率器件。主要应用方向包括所有的电子制造业,以及近年增速较快的新能源汽车、充电桩、智能装备制造、物联网、光伏/风电等清洁能源、消费电子等。

 

资料来源:公开资料、中金公司、Gartner、创璟资本整理

 

从技术角度而言,由于功率器件要求耐高压和大电流,且需要减少集电极串联电阻,主流的功率器件基本都采用了外延技术。从外延材料和技术路径的选择上,当前功率器件晶圆主要使用“硅衬底+硅外延”的6寸、8寸(12寸片刚起步)。除此之外,也有 “碳化硅衬底+碳化硅外延”IGBT在新能源车上使用(如特斯拉)、“硅衬底+氮化镓外延”MOSFET在快充充电器上使用(如小米GaN充电器)等新应用,但相对来说,对于第三代半导体材料的应用还不算特别成熟(砷化镓等第二代材料在功率器件上应用较少,主要是污染和成本过高等问题,直接过度到第三代上),硅基晶片仍然是功率器件的最主流材料。

 

② 射频器件

在终端设备的无线通信当中,主要分为天线、射频前端模块、射频收发模块以及基带信号处理器等四部分,其中射频前端器件是无线连接的核心,是在天线和射频收发模块间实现信号发送和接收的基础零件。目前射频前端芯片主要应用于手机和通讯模块市场、WiFi路由器市场和通讯基站市场,核心器件主要有射频功率放大器(PA)、射频低噪声放大器(LNA)、射频开关、滤波器、双工器等。

在射频前端器件中,广泛应用到外延技术的主要是使用硅基同质外延的滤波器还有部分应用于蓝牙、WiFi的集成化CMOS芯片组;以及采用砷化镓、氮化镓等新一代半导体材料的相关器件。

滤波器是射频前端中用量最大的器件,且由于5G手机中对滤波器的使用量越来越大,滤波器的占比还将会更高。近10年来,滤波器的生产逐步采用了MEMS(微机电加工)工艺,使滤波器的集成度更高、使用损耗更小,在4G之后,基本上滤波器都是采用MEMS工艺加工出来的。

此外,近年来也不断有基于CMOS工艺的集成型射频IC出现。由于CMOS工艺存在“闩锁效应”等问题需要依靠外延技术来解决,因此对于外延的应用也非常普遍。但相对来说纯硅CMOS工艺在性能上有些不足,目前主要应用在规格要求较为宽松的蓝牙、WiFi领域。特别的,在功率放大器(PA)市场中,CMOS由于成本优势突出,大量低端的2G、3G功率放大器加工都以CMOS为主了。

 

数据来源:Yole、创璟资本整理

 

除了采用硅基MEMS工艺的滤波器、硅基CMOS工艺的射频IC、PA等产品外,由于射频市场对于性能的要求非常高,已经广泛应用了砷化镓GaAs材料,结合RF-SOI衬底的外延技术也成为不可或缺的一环。砷化镓组件在高频、高功率、高效率、低噪声指数方面的特性远超于硅组件,其电子迁移速率是硅的5.7倍。利用外延工艺能够在衬底上叠加不同材质的特点,使用砷化镓生产出来的高速电子迁移率晶体管(HEMT)、介面应变式高电子迁移电晶体(pHEMT)、异质介面双载子晶体管(HBT)等器件,特别适合未来5G市场的应用。因此,随着砷化镓等新材料在射频领域的应用,外延技术将越来越不可或缺。

 

③ CMOS工艺图像传感器(CIS)

CIS是一种传感器芯片,由模拟电路和数字电路集成,主要用于将光信号转换为电信号,在智能手机、消费电子、汽车、安防、智能工业等领域被广泛应用。

 

创璟资本整理

 

④ 电源管理芯片(PMIC)

电路系统中的芯片、元器件正常工作所需要的电压各不相同,PMIC负责电子设备所需的电能变换、分配、检测等管控功能,可将电池、电源提供的固定电压进行升压、降压、稳压、电压反向等处理。其主要包括AC-DC转换、DC-DC管理、柵驱动芯片、功率因数校正(PFC)芯片、脉宽调制(PWM)及脉冲频率调制(PFM)芯片、低压差线性稳压器(LDO)、充电管理新品、接口热插拔芯片等。PMIC作为管理电子设备电能供应的心脏,被广泛应用于通讯设备、消费电子、工业控制、汽车电子、医疗仪器等多个种类的应用当中。伴随着5G的推进、物联网的发展、新能源汽车的渗透率不断提高,PMIC获得了快速增长的机会。

 

图片来源:公开网络、创璟资本整理


 

四.下游应用崛起、产能投放及制程升级是拉动外延片需求的重要推力
 

1.下游应用蓬勃发展

随着5G通信、新能源汽车、物联网、智能手机、消费电子等各种终端应用的蓬勃发展,全球硅外延片市场规模持续增长。根据赛迪顾问统计,2015年至2019 年全球半导体硅外延片市场规模从36亿美元增长至45亿美元,年均复合增长率为5.2%。

 

数据来源:赛迪顾问、创璟资本整理

 

根据赛迪顾问统计,2015 年至2019 年中国大陆半导体硅外延片市场规模从10亿美元增长至13亿美元,年化复合增长率达5.9%。

 

数据来源:赛迪顾问、创璟资本整理

 

硅外延片的需求又取决于下游终端需求变化。在前文我们提到了外延技术主要应用在功率器件、射频器件等方向上。从下游应用发展的角度而言,这些细分市场都处于健康的增长期中,且未来还有较强的潜力,从而有望带动对硅外延的需求。

 

① 功率器件

全球及中国功率器件市场在近年持续保持增长,特别是得益于新能源汽车的崛起,推动了功率器件用量进一步提高。

 

数据来源:华润微招股书、创璟资本整理

 

功率器件未来最核心的增长机会在于下游新能源汽车应用的进一步增长。根据中商产业研究院的数据,传统汽车中功率半导体在汽车半导体中的用量占比约为21%,低于IC产品的用量23%;但在纯电动新能源汽车中,功率半导体的用量显著增加,在汽车半导体中的用量占比约达56%。同时,新能源汽车中的功率半导体价值量提升非常明显,根据英飞凌数据,新能源汽车(包括纯电、混动)中功率器件的价值量是传统燃油车的5倍以上。

 

数据来源:英飞凌、创璟资本整理

 

新能源汽车市场规模保持增长趋势,根据EVsales数据显示,2019年全球新能源乘用车销量达到221万辆,同比实现10%的增长,新能源车的渗透率也从2018年的2.1%增至2.5%。而根据中汽协数据,2019年我国新能源汽车产量达到124万辆,而销量达到121万辆,虽然同比2018年均有轻微下滑,但这是受大环境车市不振所影响,新能源车的渗透率还是进一步从4.5%增至4.7%。新能源汽车市场规模的增长有望持续带动功率器件市场的需求提升,从而间接拉动对硅基外延片的销量增加 。

 

数据来源:中汽协、创璟资本整理

 

除了新能源汽车外,光伏、风能等新能源发电行业需要大量使用逆变器,也是功率器件的重要应用方向;还有随着5G的商用化逐步推动,数据交换量暴增,需要增添大量基站、云服务器等需求,都离不开功率器件的参与。

 

② 射频前端(滤波器)

近年来,得益于智能移动终端(如手机、平板电脑等)需求的爆发,射频前端的市场也随之上升。并且,伴随着近来5G商业化的逐步临近,迎来新一波的移动终端更替潮, 5G下单个设备的射频前端芯片价值亦在继续上升,整体市场增长较快。

 

资料来源:QYR Electronics Research Center、创璟资本整理

 

数据来源:Skyworks、创璟资本整理

 

如前文介绍,射频前端器件中外延工艺应用的渗透率较高,特别是随着砷化镓等新材料在射频应用的崛起,如开关、LNA等结合SOI衬底的砷化镓外延生长的器件用量越来越大。除了砷化镓外,涉及到硅基外延的则主要是滤波器,以及部分利用CMOS工艺生产的低端PA、集成化射频IC产品。

滤波器是射频前端中市场规模仅次于PA的细分市场,并且随着5G的推进,单机设备对于滤波器的使用量快速增长,预计滤波器有望逐步超过PA,成为射频前端中用量最大的产品。从工艺角度出发,虽然滤波器现在出现多种技术路径,但总体脱不开MEMS加工体系,硅基外延还是其不可获取的一环。

 

数据来源:Mobility Experts2016、创璟资本整理

 

数据来源:Skyworks、创璟资本整理

 

③ CIS

根据Yole数据显示,2018年全球CIS市场规模达到155亿美元,同比增长11%,并将在未来继续保持稳定的增长。

 

数据来源:Yole、创璟资本整理

 

手机、汽车、安防是CIS的三大重要应用方向。

在手机方面,随着智能手机的升级,拍照成为手机的一大重要功能和卖点,手机厂商在新产品上不断堆摄像头数量,从最早的单摄到前后双摄,再到现在的前后三摄、四摄、五摄,对CIS的使用量越来越大。根据Yole的统计数据,2017年平均每部智能手机CIS传感器数量为2.2个,至2019年已经增长至2.5个;预计至2024年将达到3.4个。

 

数据来源:Yole、创璟资本整理

 

对于图像的获取和感知是汽车智能化、辅助驾驶或自动驾驶技术的基础,因此对于车上摄像头的使用量越来越大,摄像头将成为用量最大的汽车传感器。目前,高端汽车的各种辅助设备配备的摄像头一般在8-10个左右,用于辅助驾驶员泊车或触发紧急制动功能。根据Mcnex公司预测,如果摄像头能够在未来取代后视镜,则汽车上的摄像头将达到12个,且随着自动驾驶技术的进步,摄像头的数量将进一步提升。

 

图片来源:公开网络、创璟资本整理

 

而在安防、医疗影像等细分市场,也同样保持着较好的增长势头,但这些市场主要还是依靠CIS传感器技术进步拉动产品更新换代,相对于手机、汽车市场来说,体量相对较小,在此不再详谈。

 

④ PMIC电源管理芯片PMIC

根据市场调研机构赛迪顾问数据,2015 年至2019 年,全球PMIC 市场规模从1678 亿元增长至2541亿元,年均复合增长率达10.9%。预计新能源汽车、可穿戴设备等产品对高性能、高效率PMIC 的需求将迅速提升,从而推动了全球PMIC 市场规模的提升;2015 至2019 年,中国大陆PMIC 市场规模从787亿元增长至1151亿元,年均复合增长率达10.0%。随着我国各类新兴电子产品的不断涌现,电源供应问题也已经成为各类电子产品关注的重点,预计将拉动我国PMIC 市场规模高速增长。

 

数据来源:赛迪顾问、创璟资本整理

 

根据 YOLE 的数据,通信市场占据最主要的电源管理芯片市场,即将到来的 5G 大规模布局,将进一步提升通信领域电源管理芯片需求。同时,汽车电气化以及工业 4.0 升级,也将成为电源管理芯片的助推剂。

 

数据来源:Yole、创璟资本整理

 

前文已经阐述过5G的到来对手机射频前端应用的拉动。PMIC也与射频前端器件一样,随着手机模块及功能的复杂化,单部手机的PMIC数量呈现增长的趋势。例如手机摄像头从单摄发展到三摄、四摄,相应的PMIC也要增加到3-4个;又例如5G制式手机,以三星Galaxy S10 5G为例,其PMIC相比于同样规格但是4G的Galaxy S10+,PMIC从6颗增加到9颗。

 

图片来源:OFWeek、创璟资本整理

 

在5G基站射频方面,由于5G基站需要布置的更加密集,预估数量将达到4G基站的1.5倍;而且单设备需要更多的天线(更多的通道)、更多的射频组件以及更高频率的无线电,都有更多的PMIC需求。

除了5G推进在射频领域的拉动外,TWS耳机等消费电子市场、物联网市场、新能源汽车市场等等的新市场需求机会,在量、价上都有效的推动了PMIC的增长,进而间接拉动了对硅外延片的需求。

 

2.产能投放增加、制程升级拉动新需求

新兴的下游晶圆产能,拉动了对上游硅外延片的需求。纵观全球半导体产业的发展历程,经历了由美国向日本、向韩国和中国台湾地区及中国大陆的几轮产业转移。目前中国大陆正处于新一代智能手机、物联网、人工智能、5G通信等行业快速崛起的进程中,已成为全球最重要的半导体应用和消费市场之一,大量产能伴随着中国市场的崛起往中国大陆迁移。根据国际半导体协会(SEMI)的统计数据,2017年到2020年期间,全球将有62座新晶圆厂投产,其中将有26座新晶圆厂座落中国大陆,占比达42%。新晶圆厂从建立到生产的周期大概为2-3年,未来几年将是中国大陆半导体产业的快速发展期。

 

资料来源:盛美半导体、创璟资本整理

 

数据来源:SEMI、创璟资本整理

 

除了产能投放拉动的需求外,半导体制程的不断升级,使得硅外延片的重要性越来越高。根据IC Insight的数据显示,近3年来28nm(包括28nm)的产能正在不断提高,逐步成为主流。另外根据最大的晶圆代工厂台积电的数据,当前28nm以上先进制程已经成为主流。如前所说,28nm以上先进制程,必须使用到外延片。

 

数据来源:IC Insight、创璟资本整理

 

数据来源:台积电2019年年报、创璟资本整理


 

五.总结

 

伴随着半导体产业对制程升级的不断追求,外延生长技术的重要性愈发凸显。对于中国半导体产业来说,外延技术正面临着良好的发展机会。一方面是由于下游晶圆制造产能的大量投放,特别是中国大陆地区加快了对先进制程的追赶速度,对外延技术的需求越来越强;另一方面则是由于大量使用外延技术的功率、射频、CIS等细分领域应用面临着良好的发展机会,从而间接拉动上游产业发展。

 





 
Previous page:植发手术的发展及相关先进器械梳理
Next page:半导体设备系列1 —— 行业分析
其他动态
More Views & News