2023年中国シリコンウェーハ産業調査レポート

中国のシリコンウェーハ産業市場の概要

基本概念と分類

シリコンウェーハの定義
シリコンウェーハとは、薄く平らで丸いシリコンマトリックス材料を指し、集積回路を作るための重要な材料です。フォトリソグラフィー、イオン注入などの方法により、集積回路やさまざまな半導体デバイスを作ることができます。シリコンは地殻の約27％を占めています。埋蔵量が豊富で安価なため、世界で最も広く使用され、最大の量の半導体基礎材料となっています。現在、半導体製品の90％以上はシリコンベースの材料で作られています。シリコンウェーハは、直径が6インチ、8インチ、12インチなどのシリコン製のシート状の物体です。

シリコンウェーハの分類

シリコンウェーハは半導体材料の一種で、電子、コンピュータ、通信、自動車、航空宇宙などの分野で広く使用されています。シリコンウェーハは、シリコンウェーハの純度に応じて半導体シリコンウェーハと太陽光発電シリコンウェーハに分類されます。プロセスに応じて研磨ウェーハ、アニールウェーハ、エピタキシャルウェーハ、SOIウェーハに分類されます。サイズに応じて、12インチ\ 300mm、8インチ\ 200mm、6インチ\ 150mmに分類されます。その中で、200mmと300mmのシリコンウェーハは、より広い範囲で使用されています。

シリコンウェーハの分類

異なる純度指標を持つシリコンウェーハの比較

シリコンウェーハの主な応用分野は、純度の分類によって半導体シリコンウェーハと太陽光発電シリコンウェーハに分類されます。太陽光発電分野では、単結晶シリコンと多結晶シリコンの両方が使用され、純度の要件は約99.9999％（4-6N）です。主に太陽電池の製造に使用され、太陽光発電所、屋上分散型太陽光発電などの分野で広く使用されています。半導体分野では、単結晶シリコンのみが使用されています。プロセスの縮小に伴い、純度は99.999999999％（11N）以上に達することが求められています。主にチップの製造に使用され、通信、民生用電子機器、自動車、産業などの分野で広く使用されています。

シリコンウェーハの純度分類指標では、異なる純度レベルに従って分類され、通常、ppm（つまり、百万分の一）を使用して純度を測定します。シリコンウェーハは、異なる純度に応じて、結晶シリコン、半導体シリコン、電子シリコン、工業用シリコン、生産用シリコン、一般シリコンなどに使用されます。

世界のシリコンウェーハ産業の発展の歴史

シリコンウエハーは全体的に大型化に向かっている

世界のシリコンウェーハの発展は1960年代にまで遡ります。技術の継続的な進歩に伴い、シリコンウェーハの応用範囲は継続的に拡大してきました。太陽光発電用シリコンウェーハと半導体用シリコンウェーハは、どちらもシリコン単結晶インゴットから切り出された薄いスライスですが、その応用分野は異なります。太陽光発電用シリコンウェーハは主にソーラーパネルの製造に使用され、半導体用シリコンウェーハは集積回路、トランジスタ、その他の電子部品の製造に使用されます。半導体分野では、シリコンウェーハは半導体産業の発展にとって重要な基礎材料です。シリコンウェーハの開発プロセスでは、技術レベルの継続的な向上に伴い、シリコンウェーハのサイズが大きくなるほど、半導体の生産効率と応用効率が高まります。シリコンウェーハ業界の全体的な傾向は、初期の1-インチと2-インチから、現在の市場の主流である6-インチ、8-インチ、12-インチへと、サイズが大きくなっています。太陽光発電分野では、クリーンエネルギーの推進に伴い、太陽光発電産業が力強い発展傾向を示しており、多くの太陽光発電メーカーが生産能力を拡大しています。世界の太陽光発電設備容量は急速な成長傾向を示しており、世界の太陽光発電用シリコンウェーハの発展も促進しています。シリコンウェーハのサイズは用途とともに増加しています。

中国シリコンウエハー産業の発展の歴史

自主研究開発を強化し、現地のシリコンウェーハの成長を革新する

中国のシリコンウェーハの発展は当初輸入に頼っており、国内のシリコンウェーハ産業の発展は緩やかでした。外国のシリコンウェーハ生産設備の購入とシリコンウェーハの研究開発の強化に伴い、中国では多くのシリコンウェーハ生産会社が出現し、現地化のスピードが加速しました。わが国のシリコンウェーハ産業が急速な発展期に入ったとき、中国政府はシリコンウェーハ産業の発展を支援するために適切な政策を導入しました。わが国の太陽光発電シリコンウェーハの開発は2012年に始まりました。100-156 mmは業界で人気があり、標準が異なっていましたが、2013年に国内5社の統一シリコンウェーハサイズ標準は156.75 mmでした。2019年から現在まで、国内の大手企業は下流産業の発展に適応するためにさまざまなサイズの太陽光発電シリコンウェーハを発売しています。中国の半導体シリコンウェーハの発展は国際的なペースに追いついています。国内企業の半導体シリコンウエハーの生産規格は50mmから300mmへと発展し、シリコンウエハー製品の品質と競争力は継続的に向上しています。

中国のシリコンウェーハ産業分類の紹介

（一）半導体シリコンウェーハ：パラメータと応用シナリオ

半導体シリコンウェーハとは、シリコン単結晶インゴットから切り出された薄いスライスを指し、半導体業界で広く使用されている基板材料です。現在、集積回路チップの90％以上が基板材料としてシリコンを使用しています。シリコンウェーハのサイズの分類によると、仕様は一般的に直径によって区別され、通常は6インチ、8インチ、12インチなどです。1965年に2-インチシリコンウェーハが初めて量産されてから、2000年に12-インチシリコンウェーハが量産されるまで、半導体シリコンウェーハは大型化の方向に発展し続け、大型シリコンウェーハが業界の主流になりました。

シリコンウェーハの応用シーンの分類によると、シリコンウェーハは主にポジティブウェーハとテストウェーハに分けられます。ポジティブウェーハはウェーハ製造に直接使用され、テストウェーハは製造装置の初期段階での実験や状態確認に使用され、安定性が向上します。

（一）半導体シリコンウエハ：シリコンウエハサイズ

シリコンウェーハの仕様と用途

シリコンウェーハは、電子産業において最も重要な原材料の一つであり、主に集積回路、コンデンサ、ダイオードなどの部品の製造に使用されています。集積回路は、トランジスタ、コンデンサ、抵抗器などの多数の基本部品で構成された小さな回路であり、コンピュータ、通信機器、娯楽機器などのさまざまな電子機器に使用できます。半導体シリコンウェーハは、集積回路を製造するための中核材料の一つです。

半導体シリコンウエハのサイズは、直径によって規格が分かれており、2インチ（50.8mm）、4インチ（100mm）、6インチ（150mm）、8インチ（200mm）、12インチ（300mm）に分けられます。半導体製品によってシリコンウエハのサイズやプロセスが異なります。

大型シリコンウエハーの利点

単一のシリコン ウェハ上に製造されるチップの数が増加します。ウェーハが大きいほど、エッジの無駄が少なくなり、シリコンウェーハの利用率が向上し、コストが削減されます。 300mmシリコンウェーハを例にとると、同じプロセスで利用可能な面積は200mmシリコンウェーハの2倍になり、チップ数で最大2.5倍の生産性の利点が得られます。

シリコンウェーハの全体的な利用率が向上します。円形シリコン ウェーハの上に長方形のシリコン ウェーハを製造すると、シリコン ウェーハの端の一部の領域が使用できなくなりますが、シリコン ウェーハのサイズが大きくなると、使用されない端の損失率が減ります。

設備能力向上：薄膜堆積→フォトリソグラフィー→エッチング→洗浄などの基本的なプロセスフローとその他の基本的な開発条件が変わらないという条件で、チップの平均生産時間が短縮され、設備の稼働率が向上し、会社の生産能力が拡大します。

（I）半導体シリコンウェーハ：SOIシリコンウェーハ
（II）太陽光発電用シリコンウエハー：構造とパラメータ
（II）太陽光発電用シリコンウエハ：指標と製造プロセス
（II）太陽光発電用シリコンウエハ：シリコンウエハ技術のコスト削減への道

中国シリコンウエハー産業の中核技術

単結晶成長技術

単結晶シリコン成長技術：半導体材料を得るために使用される結晶成長法です。その中でも、単結晶シリコンは立方晶系とダイヤモンド構造に属し、優れた性能を持つ半導体材料です。単結晶シリコン成長技術には、チョクラルスキー単結晶法、磁場チョクラルスキー法、連続結晶引き上げ法などがあります。

• チョクラルスキー法の原理:このプロセスは、ポリシリコンを石英るつぼに入れ、加熱してゆっくりと溶かし、加熱プロセス中に種結晶軸を通して単結晶に冷却して単結晶シリコンを作るというものです。具体的な手順は、ロード、真空引き、保護ガスの充填、加熱、溶融、種付けなどです。

•磁場チョクラルスキー法：チョクラルスキー法をベースとし、るつぼ内の融液に強い磁場をかけて融液の熱対流を抑制し、低酸素濃度のチョクラルスキー法シリコン単結晶を育成する。

•連続結晶引き上げ法：特殊な垂直単結晶炉を使用して、材料を追加せずに結晶棒を引き上げると同時に溶融します。るつぼ内のポリシリコン液面は安定したままで、より安定した熱場環境を提供できます。結晶成長プロセス中に原材料を継続的に追加することで、結晶成長プロセスをより均一かつ安定させます。

シリコンウエハー切断技術

シリコンウェーハ切断の原理：シリコン棒の上面は切断装置に固定されており、シリコン棒はゆっくりと下方に移動し、高速ダイヤモンドワイヤによって研磨されて切断効果が得られます。シリコンウェーハ切断の機能は、移動する切断ワイヤ切断ネットを介してシリコンブロックをシリコンウェーハに切断することです。現在、シリコンウェーハ切断技術は、切断効率が高く、コストが低く、材料損失が少ないという利点があります。シリコンウェーハ切断技術は多くの分野で大きな意義を持ち、切断技術は長い間シリコンウェーハ業界の研究でホットな話題でした。

シリコンウェーハの内円とは、シリコンウェーハの表面にある円形の領域、つまりシリコンウェーハのエッジを指します。シリコンウェーハの内円の機能は、ウェーハのエッジが破損するのを防ぎ、熱応力の集中を防ぎ、シリコンウェーハのエッジの亀裂を減らして、外部応力の作用でシリコンウェーハまたはバッテリーセルが破損しないようにすることです。シリコンウェーハの面取りは、シリコンウェーハのエッジの壊れたエッジ、コーナー、亀裂を研削して、シリコンウェーハのエッジに滑らかな半径の円周を得ることです。このステップは通常、研削の前または後に行われます。面取りの主な機能は、ウェーハのエッジの破損を防ぐ、熱応力の集中を防ぐ、外部応力の作用でシリコンウェーハのエッジに亀裂が生じてシリコンウェーハまたはバッテリーセルが破損するリスクを減らすという3つです。

中国のシリコンウエハー産業の生産プロセス

シリコンウエハーの製造工程

シリコンウェーハの製造工程は複雑で、多くの工程を伴います。主な製造工程には、単結晶成長、スライス、研磨、エピタキシャル成長などの工程があります。単結晶成長は、デバイス製造の要件を満たす半導体材料を得るためのもので、精製された多結晶材料を単結晶に成長させる必要があります。研磨は、研磨液中の化学溶液の腐食と研磨液中の機械的研削の除去により、シリコンウェーハ表面のミクロンレベルおよびナノレベルの材料を除去することです。エピタキシャル成長は、単結晶基板上に基板と同じ結晶方位を持つ単結晶層を成長させ、元の結晶から外側にセクションを延長することです。エピタキシャル成長した新しい単結晶層は、導電型、抵抗率などの点で基板と異なる場合があります。また、異なる厚さや要件の多層単結晶を成長させることで、デバイス設計の柔軟性とデバイスの性能を向上させることもできます。

シリコンウェーハ製造支援プロセス装置

シリコンウェーハの製造工程には、単結晶の成長、丸めと切断、スライス、面取りと研削、研磨、洗浄とテストが含まれ、それぞれ単結晶シリコンの成長炉、圧延と切断機、スライサー、面取り機、CMP研磨機、洗浄とテスト装置に相当します。これらの中で最も重要なのは切断と研磨です。切断はシリコンインゴットからシリコンウェーハを切り出すことであり、研磨は後続の製造工程のためにシリコンウェーハの表面を加工することです。

シリコンウェーハ単結晶成長：チョクラルスキー法とゾーン溶融法

シリコンウェーハの単結晶成長の主なプロセスは、チョクラルスキー法とゾーン溶融法です。 チョクラルスキー法 精製された原料をるつぼに入れ、るつぼを適切な熱場内に置きます。 加熱プロセス中、原料はるつぼ内で徐々に溶けます。 その後、事前に配置した種結晶を一定の速度で引っ張り、回転させ、条件を満たす単結晶を成長させます。 ゾーン溶融法とは、液体と固体の平衡の原理に基づいて、溶融凝固プロセスを使用して不純物を除去する方法を指します。 ゾーン溶融は、元素または化合物から不純物を除去して精製の目的を達成できます。 チョクラルスキー法で製造された単結晶シリコンは、酸素含有量が高く、機械的強度が高く、サイズが大きく、主に低電力集積回路の製造に使用されますが、ゾーン溶融法で製造された単結晶シリコンは、純度が高く、電気特性が均一で、主に高出力デバイスの製造に使用されます。

中国のシリコンウエハー産業チェーン

上流と下流が連携して発展し、市場の需要は拡大し続けている

半導体デバイスは、集積回路、光電子デバイス、センサーなどの分野を含むシリコンウェーハの主な応用分野の1つです。半導体デバイスにおけるシリコンウェーハの重要な役割は特に重要であるため、シリコンウェーハに対する品質と性能の要件は非常に高くなっています。シリコンウェーハ産業チェーンの上流には、主にシリコンウェーハ原材料とシリコンウェーハ設備が含まれます。シリコンウェーハの中流には、主にシリコンウェーハプロセスフローとシリコンウェーハの分類が含まれます。シリコンウェーハの製造には、単結晶の成長、丸めと切り詰め、スライス、研磨などのリンクを含む高精度の設備と技術の使用が必要です。シリコンウェーハの下流には、主に通信技術、民生用電子機器、自動車、クラウドコンピューティングなどの応用産業が含まれます。シリコンウェーハの上流と下流は連携して発展し、下流の顧客のニーズを共同で満たします。また、シリコンウェーハは太陽電池パネル、LED照明などの分野でも広く使用されており、これらの分野の市場需要も高まっています。市場の需要を満たすために、シリコンウェーハ企業はシリコンウェーハの品質と性能を継続的に向上させるとともに、技術研究開発と革新を強化してシリコンウェーハ産業の発展を促進する必要があります。

中国のシリコンウエハー産業のビジネスモデル

シリコン材料洗浄・切削液リサイクルモデル

シリコン材料洗浄液は、シリコンウェーハの表面を洗浄するために使用される液体であり、後続の処理のために表面の不純物や酸化物を除去することができます。シリコン材料切削液は、シリコンウェーハを切断するために使用される液体であり、シリコンウェーハを切断しやすくすることができます。シリコン材料洗浄サービスには、セルフクリーニングモード、サードパーティクリーニングモード（工場外の洗浄）、サードパーティクリーニングモード（工場内の洗浄）が含まれます。シリコン材料産業チェーンの規模が拡大し続けるにつれて、既存のクリーニングモードでは顧客の清浄度要件を満たすことができなくなりました。そのため、工場は対応するサービスを提供して、サービス品質を確保し、専門的な分業を深めています。切削液処理モードには、直接排出、セルフ処理、工場内でのサービス提供が含まれます。切削液処理モードは、廃液の排出と化学薬品の使用を減らし、切削液と洗浄剤の購入コストと汚水排出コストを節約し、顧客の生産コストを削減し、市場競争力を向上させるのに役立ちます。

シリコン材料洗浄サービス運用モデルの比較

切削液処理モード

シリコンウェーハ価格の変動は生産コストに影響する

シリコンウェーハは電子機器製造や太陽光発電などの分野で広く使用されているため、景気循環の浮き沈みが価格に影響を与え、シリコン材料価格の変動はシリコンウェーハの生産コストに直接影響します。PVInfoLinkのデータによると、世界のシリコンウェーハ価格動向では、単結晶シリコンウェーハ210mm、単結晶シリコンウェーハ182mm、単結晶シリコンウェーハ166mmの価格は市場の需要の影響を受け、一定の範囲内で変動しています。2021年6月から、シリコンウェーハ価格は上昇チャネルに入り、2022年8月に高値に達し、高い成長率を示しました。技術の継続的な進歩により、シリコンウェーハの生産プロセスはより効率的になり、コストは引き続き低下しています。また、2022年後半以降、世界の半導体業界の需給不一致による周期的な影響により、過去1年間で世界のシリコンウェーハ価格は変動し、下落しました。

世界のシリコンウェーハ産業の市場規模

シリコンウエハーの出荷は安定、市場規模は急成長

シリコンベースの半導体材料は現在、生産量が最も多く、用途が最も広い半導体材料です。科学技術の進歩に伴い、半導体の応用分野は拡大し続けています。モノのインターネット、人工知能、クラウドコンピューティングなどの新興分野が活況を呈しており、半導体シリコンウェーハ業界に新たな成長の機会をもたらしています。2018年以降、世界の半導体シリコンウェーハ出荷量は変動の中で上昇傾向を示しています。SEMIデータによると、半導体出荷量は2021年から新たな成長サイクルに入ります。新興応用分野と12-インチシリコンウェーハの人気の恩恵を受けて、世界のシリコンウェーハ出荷量は将来150億平方インチを超えると予想されています。SEMIデータによると、世界の半導体シリコンウェーハ市場規模は2018年から2020年まで基本的に110億米ドルで推移しました。2021年以降、端末機器の多様な発展に伴い、業界も急成長期に入りました。 2023年末までに、世界の半導体シリコンウエハー市場規模は140億米ドルを超えると予想されています。

中国のシリコンウエハー産業の市場規模

シリコンウェーハの生産は増加し続けており、下流市場は広大である

2018年以来、わが国のシリコンウェーハ生産は概ね毎年増加傾向を示しています。CPIAデータによると、わが国のシリコンウェーハ生産は2021年からピーク期に入り、成長率が加速しています。大手企業の拡大、継続的な技術革新、下流需要の成長により、シリコンウェーハ生産は将来400GWを超えると予想されています。近年、わが国のシリコンウェーハ産業は急速に発展し、国内市場規模の成長率は世界平均成長率を上回っています。SEMIデータによると、わが国の半導体シリコンウェーハ市場規模は2021年から2022年にかけて100億元を超え、成長率は加速し続けており、将来的には150億元を超えると予想されており、市場成長の余地は大きい。