シリコンウェーハ産業の秘密を深く明らかに：巨大な可能性が半導体材料の王者となる

シリコンウェーハは半導体材料の要であり、まず単結晶を引き抜いてシリコン棒にし、その後切断して作られます。シリコン原子の価電子の数は4で序数が中程度であるため、シリコンは特殊な物理的および化学的性質を持ち、化学、太陽光発電、チップなどの分野で使用できます。特にチップの分野では、シリコンの半導体特性がチップの基礎となっています。太陽光発電の分野では、太陽光発電に使用できます。また、シリコンは地球の地殻の25.8％を占めています。採掘が比較的便利で、リサイクル性が強いため、価格が安く、シリコンの応用範囲がさらに広がります。

1. シリコン - チップ材料の基礎 シリコン材料は、単位セルの配置の違いにより、単結晶シリコンと多結晶シリコンに分けられます。単結晶シリコンと多結晶シリコンの最大の違いは、単結晶シリコンの単位セルの配置が整然としているのに対し、多結晶シリコンは無秩序であることです。製造方法の面では、多結晶シリコンは一般的にシリコン材料をるつぼに直接注ぎ、溶かしてから冷却して作られます。単結晶シリコンは、単結晶を引き上げて結晶棒状に形成されます（チョクラルスキー法）。物理的性質の面では、2種類のシリコンの特性はかなり異なります。単結晶シリコンは電気伝導性が強く、光電変換効率が高いです。単結晶シリコンの光電変換効率は通常17％〜25％程度ですが、多結晶シリコンの効率は15％未満です。

▲半導体用シリコンウエハーと太陽光発電用シリコンウエハー

▲単結晶シリコンの単位セル構造

太陽光発電用シリコンウエハー：光電効果と単結晶シリコンの明らかな利点により、人々はシリコンウェーハを使用して太陽エネルギーを電気エネルギーに変換します。太陽光発電の分野では、角が丸い正方形の単結晶シリコンセルが一般的に使用されています。より安価な多結晶シリコンウェーハも使用されていますが、変換効率は低くなります。

▲単結晶シリコンセルの表と裏

▲多結晶シリコンセルの表と裏

太陽光発電用シリコンウェーハは、純度や反りなどのパラメータに対する要求が低いため、製造プロセスは比較的簡単です。単結晶シリコンセルを例にとると、最初のステップは切断と丸めです。まず、単結晶シリコン棒をサイズ要件に従って角棒に切断し、次に角棒の4つの角を丸めます。2番目のステップは酸洗いで、主に単結晶角棒の表面の不純物を取り除きます。3番目のステップはスライスです。まず、洗浄した角棒を作業板に貼り付けます。次に、作業板をスライサーに置き、設定されたプロセスパラメータに従って切断します。最後に、単結晶シリコンウェーハを洗浄し、表面の滑らかさ、抵抗率などのパラメータを監視します。

半導体シリコンウエハー：半導体シリコンウェーハは、太陽光発電用シリコンウェーハよりも要求が高い。まず、半導体業界で使用されるシリコンウェーハはすべて単結晶シリコンであり、シリコンウェーハの各位置の電気的特性が同じであることを保証する。形状とサイズに関して、太陽光発電用単結晶シリコンウェーハは正方形で、主に辺の長さが125mm、150mm、156mmである。半導体に使用される単結晶シリコンウェーハは円形で、直径は150mm（6-インチウェーハ）、200mm（8-インチウェーハ）、300mm（12-インチウェーハ）である。 純度の面では、太陽光発電用単結晶シリコンウェーハの純度要件は4N-6N（99.99%-99.9999%）の間ですが、半導体用単結晶シリコンウェーハの純度要件は9N（99.9999999%）-11N（99.99999999%）程度であり、最小純度要件は太陽光発電用単結晶シリコンウェーハの1000倍です。外観の面では、半導体用シリコンウェーハの表面平坦性、平滑性、清浄度は、太陽光発電用シリコンウェーハよりも高くなっています。純度は、太陽光発電用単結晶シリコンウェーハと半導体用単結晶シリコンウェーハの最大の違いです。

▲半導体シリコンウエハ製造工程

ムーアの法則の発展はシリコンウェーハの発展です。半導体シリコンウェーハは円形であるため、「シリコンウェーハ」または「ウェーハ」とも呼ばれます。ウェーハはチップ製造の「基板」であり、すべてのチップはこの「基板」上で製造されます。半導体シリコンウェーハの開発の歴史には、サイズと構造の2つの主な方向があります。

サイズの面では、シリコンウェーハの開発経路はますます大きくなっています。集積回路開発の初期段階では、0.75-インチのウェーハが使用されていました。ウェーハ面積を増やし、1枚のウェーハ上のチップの数を増やすと、コストを削減できます。 1965年頃、ムーアの法則が導入され、集積回路技術とシリコンウェーハはともに急速な発展期を迎えました。シリコンウェーハは、4-インチ、6-インチ、8-インチ、12-インチのノードを経てきました。 2001年にIntelとIBMが12-インチウェーハチップ製造を共同開発して以来、現在の主流のシリコンウェーハは12-インチウェーハで、約70%を占めていますが、18-インチ（450mm）ウェーハも議題に上がっています。

▲異なるウェーハサイズのパラメータ

▲シリコンウエハサイズの発展

構造面では、シリコンウェーハの開発方向はますます複雑になっています。集積回路開発の初期段階では、ロジックチップは1種類しかありませんでしたが、アプリケーションシナリオの増加に伴い、ロジックチップ、パワーデバイス、アナログチップ、アナログとデジタルの混合チップ、フラッシュ/ DRAMストレージチップ、無線周波数チップなどが次々と登場し、シリコンウェーハの構造形式が異なります。現在、主に3つのタイプがあります。

PW（ポーランドウェーハ）：研磨ウェーハ。単結晶を引き上げた後に直接切断されたシリコンウェーハは、滑らかさや反りが完璧ではないため、最初に研磨する必要があります。この方法は、シリコンウェーハを加工する最も原始的な方法でもあります。

AW（アニールウェーハ）：アニールウェーハ。プロセス技術の継続的な発展とトランジスタのフィーチャーサイズの継続的な縮小により、シリコンウェーハ表面の局所的な格子欠陥やシリコンウェーハ表面の高酸素含有量など、研磨ウェーハの欠点が徐々に明らかになってきました。これらの問題を解決するために、アニールウェーハ技術が開発されました。研磨後、シリコンウェーハを不活性ガス（通常はアルゴン）で満たされた炉管に入れて高温アニールします。これにより、シリコンウェーハ表面の格子欠陥を修復できるだけでなく、表面の酸素含有量も減らすことができます。

EW（エピタキシーウェーハ）：エピタキシャルシリコンウェーハ。集積回路の応用シナリオが増加するにつれて、シリコンウェーハ工場で製造される標準シリコンウェーハは、電気的特性に関して一部の製品の要件を満たすことができなくなりました。同時に、熱アニールによって低減された格子欠陥は、ますます小さくなる線幅の要件を満たすことができません。これにより、エピタキシャルシリコンウェーハの出現につながりました。通常のエピタキシャル層はシリコン薄膜です。薄膜堆積技術を使用して、元のシリコンウェーハに基づいてシリコン薄膜の層を成長させます。シリコンエピタキシーではシリコン基板が種結晶として存在するため、エピタキシャル層の成長はシリコンウェーハの結晶構造を複製します。基板シリコンウェーハは単結晶であるため、エピタキシャル層も単結晶です。ただし、研磨されていないため、成長後のシリコンウェーハ表面の格子欠陥を非常に低いレベルにまで低減できます。

エピタキシー技術指標には、主にエピタキシャル層の厚さとその均一性、抵抗率の均一性、ボディメタルの制御、粒子の制御、積層欠陥、転位などの欠陥の制御が含まれます。この段階では、エピタキシー反応温度、エピタキシーガス流量、中心と端の温度勾配を最適化することで、高品質のエピタキシャルシリコンウェーハが実現されています。製品の違いと技術の向上の必要性により、エピタキシャルプロセスは継続的に最適化され、高品質のエピタキシャルシリコンウェーハが実現されています。

さらに、現在の技術では、元のシリコンウェーハとは異なる抵抗率ドーピング元素とドーピング濃度を持つエピタキシャル層を生成できるため、成長したシリコンウェーハの電気的特性を制御しやすくなります。たとえば、P型シリコンウェーハ上にN型シリコンエピタキシャル層の層を生成すると、低濃度ドープPN接合が形成され、ブレークダウン電圧を最適化し、後続のチップ製造におけるラッチ効果を低減できます。エピタキシャル層の厚さは、一般的に使用シナリオによって異なります。一般的に、ロジックチップの厚さは約0.5ミクロンから5ミクロンで、パワーデバイスの厚さは高電圧に耐える必要があるため約50ミクロンから100ミクロンです。

▲エピタキシャルシリコンウェーハの成長プロセス

▲エピタキシャルウェーハの異なるドーピング

SW（SOIウェーハ）：SOI は Silicon-On-Insulator の略です。SOI シリコン ウェーハは、寄生容量が小さい、短チャネル効果が小さい、継承密度が高い、高速、消費電力が低い、特に基板ノイズが低いなどの利点があるため、RF フロントエンド チップでよく使用されます。

▲一般的なシリコンMOS構造

▲SOIシリコンウエハーMOS構造

SOI シリコン ウェーハを製造する主な方法は 4 つあります。SIMOX 技術、ボンディング技術、Sim-bond 技術、Smart-CutTM 技術。SOI シリコン ウェーハの原理は比較的単純で、主な目的は基板の中央に絶縁層 (通常は主に二酸化シリコン SiO2) を追加することです。

▲SOIウェーハを製造する4つの技術

性能パラメータの観点から見ると、Smart-CutTM技術は現在のSOIシリコンウェーハ製造技術の中で最も優れた性能を備えています。Simbond技術の性能はSmart-Cut技術とそれほど変わりませんが、トップシリコンの厚さで見ると、Smart-Cut技術で製造されたSOIシリコンウェーハの方が薄く、生産コストの観点から見ると、Smart-Cut技術はシリコンウェーハを再利用できます。将来の量産に向けて、Smart-Cut技術はコスト面でより有利であるため、業界では現在、Smart-Cut技術がSOIシリコンウェーハの将来の発展方向であると一般的に認識されています。

▲各種SOIウェーハ製造技術の性能比較

SIMOX 技術: SIMOX は Separation by Implanted Oxygen (注入酸素による分離) の略です。酸素原子をウェーハに注入し、高温でアニールして周囲のシリコン原子と反応させ、二酸化シリコンの層を形成します。この技術の難しさは、酸素イオン注入の深さと厚さを制御することです。イオン注入技術に対する要求は高いです。

ボンディング技術：ボンディング技術はボンディング技術とも呼ばれます。ボンディングによって作られたSOIシリコンウェーハは、ボンドSOI、または略してBSOIとも呼ばれます。ボンディング技術には、2枚の通常のシリコンウェーハが必要です。そのうちの1枚は酸化物層（SiO2）で成長し、次に別のシリコンソースと結合します。接続は酸化物層です。最後に、埋め込み層（SiO2）の所望の深さまで研磨されます。ボンディング技術はイオン注入技術よりも簡単なので、現在、ほとんどのSOIシリコンウェーハはボンディング技術を使用して作られています。

▲シリコン・オン・インシュレータ

▲シリコンオンインシュレータを形成するウェーハ接合法

SIMボンドテクノロジー:酸素注入接合技術。SIM-BOND技術はSIMOXとボンド技術を組み合わせたもので、埋め込み酸化膜の厚さを高精度に制御できるという利点があります。最初のステップは、シリコンウェーハに酸素イオンを注入し、高温でアニールして酸化膜を形成し、シリコンウェーハの表面にSiO2酸化膜を形成することです。2番目のステップは、シリコンウェーハを別のウェーハに接合することです。次に、高温でアニールして完全な接合界面を形成します。3番目のステップは薄化プロセスです。薄化はCMP技術を使用して実行されますが、ボンド技術とは異なり、SIM-BONDにはセルフストップ層があり、SiO2層まで研削すると自動的に停止します。次に、SiO2層をエッチングで除去します。最後のステップは研磨です。

スマートカットテクノロジー:スマートピーリング技術。スマートカット技術はボンディング技術の延長です。最初のステップは、ウェーハを酸化し、ウェーハの表面に一定の厚さのSiO2を生成することです。2番目のステップは、イオン注入技術を使用して、ウェーハの一定の深さに水素イオンを注入することです。3番目のステップは、酸化されたウェーハに別のウェーハを接着することです。4番目のステップは、低温熱アニール技術を使用して水素イオンで泡を形成し、シリコンウェーハの一部を剥離することです。次に、高温熱アニール技術を使用して接着強度を高めます。5番目のステップは、シリコン表面を平坦化することです。この技術は、SOI技術の発展方向として国際的に認められています。埋め込み酸化層の厚さは、水素イオン注入の深さによって完全に決定され、より正確です。さらに、剥離したウェーハは再利用できるため、コストが大幅に削減されます。

▲シリコン・オン・インシュレータを形成するSIMボンド法

▲シリコン・オン・インシュレータを形成するスマートカット法

2. 高バリア製造技術 1. 製造技術

シリコンウェーハの原料は、一般的に砂として知られている石英で、自然界で直接採掘できます。ウェーハの製造プロセスは、主に脱酸と精製、ポリシリコンの精製、単結晶シリコンインゴット（シリコンロッド）、圧延、ウェーハ切断、ウェーハ研磨、アニール、テスト、パッケージングなどのいくつかのステップで完了します。

▲CZ（チョクラルスキー）半導体ウェハ製造プロセス

▲CZファラド単結晶の概略図

脱酸素と精製：シリコンウェーハ製造の最初のステップは、石英鉱石の脱酸素と精製です。主なプロセスには、選別、磁気分離、浮選、高温脱ガスなどがあります。鉱石中の主な鉄とアルミニウムの不純物が除去されます。

ポリシリコンの精製：比較的純粋なSiO2を得た後、化学反応によって単結晶シリコンを生成します。主な反応はSiO2+C→Si+COです。反応が完了すると、COは直接蒸発するため、シリコン結晶だけが残ります。このとき、シリコンは多結晶シリコンであり、多くの不純物を含む粗シリコンです。余分な不純物を濾過するために、得られた粗シリコンを酸洗いする必要があります。一般的に使用される酸は、塩酸（HCl）、硫酸（H2SO4）などです。酸に浸した後のシリコン含有量は、通常99.7％以上です。酸洗いの過程で、鉄、アルミニウムなどの元素も酸に溶解して濾過されますが、シリコンも酸と反応してSiHCl3（トリクロロシラン）またはSiCl4（四塩化シリコン）を生成します。ただし、両方の物質は気体状態であるため、酸洗い後、鉄やアルミニウムなどの元の不純物は酸に溶解していますが、シリコンは気体になっています。 最後に、高純度のガス状 SiHCl3 または SiCl4 を水素で還元して、高純度の多結晶シリコンを得ます。

CZ 法では単結晶シリコンが生成されます。シリコンウェーハは主にロジックおよびメモリチップに使用され、市場シェアは約95％です。CZ法は、1918年にチョクラルスキーが溶融金属から細いフィラメントを引き抜いたことに由来するため、CZ法とも呼ばれています。これは、今日の単結晶シリコンを成長させる主流の技術です。主なプロセスは、多結晶シリコンをるつぼに入れ、加熱して溶かし、単結晶シリコンの種結晶をクランプしてるつぼの上に吊り下げます。垂直に引き上げる場合は、一方の端を溶融物に挿入して溶融させ、ゆっくりと回転させて引き上げます。このようにして、液体と固体の界面が徐々に凝縮して単結晶を形成します。プロセス全体は種結晶を複製するプロセスと見なすことができるため、生成されたシリコン結晶は単結晶シリコンです。また、ウェーハのドーピングも単結晶を引き上げる過程で行われ、通常は液相ドーピングと気相ドーピングです。 液相ドーピングとは、るつぼに P 型または N 型の元素を追加することです。単結晶を引き上げるプロセス中に、これらの元素をシリコン棒に直接引き込むことができます。

▲CZファラデー単結晶法

▲単結晶引き上げ後のシリコン棒

直径圧延:単結晶を引き上げる過程で単結晶シリコン棒の直径を制御することは難しいため、6インチ、8インチ、12インチなどの標準直径のシリコン棒を得るために、単結晶を引き上げた後にシリコンインゴットの直径を圧延します。圧延後のシリコン棒の表面は滑らかで、サイズ誤差は小さくなります。

切削面取り：シリコンインゴットを得た後、ウェーハを切断します。シリコンインゴットは固定された切断機に置かれ、設定された切断プログラムに従って切断されます。シリコンウェーハの厚さが薄いため、切断されたシリコンウェーハのエッジは非常に鋭利です。面取りの目的は、滑らかなエッジを形成することです。面取りされたシリコンウェーハは中心応力が低く、より強固になり、将来のチップ製造で破損しにくくなります。

研磨:研磨の主な目的は、ウェーハの表面をより滑らかで平らにし、損傷のない状態にし、各ウェーハの厚さの一貫性を確保することです。

テストパッケージ:研磨されたシリコン ウェーハを入手した後、抵抗率やその他のパラメータなど、シリコン ウェーハの電気的特性をテストする必要があります。ほとんどのシリコン ウェーハ工場にはエピタキシャル ウェーハ サービスがあります。エピタキシャル ウェーハが必要な場合は、エピタキシャル ウェーハの成長が行われます。エピタキシャル ウェーハが不要な場合は、梱包されて他のエピタキシャル ウェーハ工場またはウェーハ工場に出荷されます。

ゾーン溶融法（FZ）：この方法で作られたシリコンウェーハは、主に一部のパワーチップに使用され、市場シェアは約4％です。 FZ（ゾーン溶融法）で作られたシリコンウェーハは、主にパワーデバイスとして使用されています。 そして、シリコンウェーハのサイズは主に8インチと6インチです。 現在、約15％のシリコンウェーハがゾーン溶融法で作られています。 CZ法で作られたシリコンウェーハと比較して、FZ法の最大の特徴は、抵抗率が比較的高く、純度が高く、高電圧に耐えられることですが、大サイズのウェーハを作るのが難しく、機械特性が悪いため、パワーデバイスシリコンウェーハによく使用され、集積回路にはあまり使用されていません。

ゾーン溶融法による単結晶シリコン棒の製造には、次の 3 つのステップがあります。

1. 多結晶シリコンを加熱し、種結晶と接触させて下向きに回転させ、単結晶を引き出します。真空または不活性ガス環境の炉室で、電界を使用して多結晶シリコン棒を加熱し、加熱された領域の多結晶シリコンが溶けて溶融領域を形成します。

2. 溶融部を種結晶に接触させて溶かします。

3. 電界加熱位置を移動することにより、ポリシリコン上の溶融ゾーンが連続的に上方に移動し、同時に種結晶がゆっくりと回転して下方に伸び、徐々に単結晶シリコン棒を形成します。ゾーン溶融法はるつぼを使用しないため、多くの汚染源が回避され、ゾーン溶融法で引き上げられた単結晶は高純度という特徴があります。

▲FZファラッド単結晶宇宙構造

▲FZ単結晶引き上げの模式図

2. 製造コスト

半導体シリコンウェーハは、新エネルギーシリコンウェーハに比べて純度と電気特性に対する要求が高く、製造工程ではより多くの精製ステップと原材料供給が必要となり、製造原材料の種類も多様化します。そのため、シリコン材料コストの割合は相対的に減少しますが、製造費用の割合は相対的に増加します。

半導体シリコンウェーハの場合、原材料費が主なコストであり、主な事業コストの約47％を占めています。2番目は製造費で、約38.6％を占めています。半導体製造業界と同様に、シリコンウェーハ業界は固定資産投資の需要が高い資本集約型産業であり、機械設備などの固定資産の減価償却により高い製造費が発生します。最後に、直接労務費が約14.4％を占めています。

シリコンウェーハ製造の原材料コストのうち、ポリシリコンが主な原材料で、約3.7％を占めています。2番目は包装材料で、約17.0％を占めています。半導体シリコンウェーハは清浄度と真空に対する要求が高く、特に酸化されやすいシリコンウェーハの場合、包装に対する要求は新エネルギーシリコンウェーハの要求よりもはるかに高くなっています。そのため、コスト構造では、包装材料が大きな割合を占めています。石英るつぼは原材料コストの約8.7％を占めています。半導体シリコンウェーハ製造に使用される石英るつぼも使い捨てるつぼですが、るつぼの物理的および熱的特性はより要求が厳しいです。研磨液、研削ホイール、研磨パッドは合計で13.8％を占め、主にシリコンウェーハ研磨プロセスで使用されます。

▲2018年のシリコン産業の運営コスト構造

▲2018年のシリコン産業の原材料構成

水と電気のコストは製造コストの約15％を占めています。製造コストのうち、水と電気の合計コストは製造コスト全体の約15％を占め、そのうち電気コストは約11.4％、水道コストは約3.4％を占めています。金額で見ると、シリコン産業グループの2018年の財務データによると、電気と水道の総コストは包装材料のコストに相当し、ポリシリコン材料の約半分を占めています。電気コストは石英るつぼよりも約20％高くなっています。

▲2018年のシリコン産業の製造コストの割合

▲ 2018年シリコン産業グループの部分コスト構成（単位：10,000元）

3、シリコンウェーハ製造における4つの障壁

シリコンウェーハ、特に半導体シリコンウェーハに対する障壁は比較的高く、主な障壁は、技術的障壁、認証障壁、設備障壁、資本障壁の 4 つです。

▲シリコンウェーハ製造業界の主な障壁

技術的な障壁:シリコンウェーハの技術指標は比較的大きく、一般的なサイズ、研磨厚さなどに加えて、シリコンウェーハの反り、抵抗率、曲率などもあります。主流の300mmシリコンウェーハに関しては、シリコンウェーハに対する先端プロセスの均一性要求が高いため、200mmウェーハと比較して、平坦度、反り、曲率、表面金属残留物などのパラメータが追加され、300mmシリコンウェーハの品質要求を監視しています。純度の面では、先端プロセスのシリコンウェーハは9N（99.9999999％）-11N（99.999999999％）前後であることが要求されており、これがシリコンウェーハサプライヤーにとっての主な技術障壁となっています。

シリコンウェーハは高度にカスタマイズされた製品であり、純度はシリコンウェーハの最も基本的なパラメータであり、主要な技術的障壁でもあります。また、シリコンウェーハは汎用製品ではなく、コピーできません。さまざまなウェーハファウンドリの大型シリコンウェーハの仕様は完全に異なり、さまざまな端末製品の用途が異なると、シリコンウェーハに対する要件も完全に異なります。これにより、シリコンウェーハメーカーは、さまざまな最終顧客製品に応じて異なるシリコンウェーハを設計および製造する必要があり、シリコンウェーハの供給の難易度がさらに高まります。

▲事業セグメント別の利益予想

認証の障壁:チップメーカーは、さまざまな原材料の品質に厳しい要求をしており、サプライヤーの選択には非常に慎重です。チップメーカーのサプライヤーリストに入るには高い障壁があります。通常、チップメーカーはシリコンウェーハサプライヤーに試作用のシリコンウェーハを提供するよう要求しますが、そのほとんどはテストウェーハ用であり、量産ウェーハ用ではありません。テストウェーハに合格すると、少量の量産ウェーハが試作されます。社内認証に合格すると、チップメーカーは製品を下流の顧客に送ります。顧客認証を取得した後、シリコンウェーハサプライヤーは最終的に認証され、購入契約が締結されます。半導体シリコンウェーハ会社の製品がチップメーカーのサプライチェーンに入るまでには長い時間がかかります。新しいサプライヤーの認証サイクルには少なくとも 12-18 か月かかります。

また、テストウェーハから量産ウェーハへの認証障壁：現在、中国の12-インチウェーハのほとんどはテストウェーハの供給に留まっていますが、テストウェーハの認証手順は量産ウェーハの認証手順とはまったく異なり、量産シリコンウェーハの認証基準はより厳格です。テストシリコンウェーハはチップを製造しないため、ウェーハファウンドリ自体の認証のみが必要であり、現在の製造現場での認証のみが必要です。しかし、量産シリコンウェーハの場合は、エンドファブレス顧客による認証と、製造プロセス全体のすべてのステップでの監視を受けて初めて、バッチで供給できます。一般的に言えば、シリコンウェーハの供給とチップの歩留まりの安定性を維持するために、ウェーハメーカーとシリコンウェーハサプライヤーが供給関係を確立すると、サプライヤーを簡単に変更することはなく、両者は個別のニーズを満たすためのフィードバックメカニズムを確立し、シリコンウェーハサプライヤーと顧客の間の粘着性は高まり続けます。 新しいシリコンウェーハメーカーがサプライヤーに加わる場合、元のサプライヤーよりも緊密な協力関係とより高いシリコンウェーハ品質を提供する必要があります。そのため、シリコンウェーハ業界では、シリコンウェーハサプライヤーとウェーハメーカー間の粘着性が比較的大きく、新しいサプライヤーが粘着性を打破することは困難です。

機器の障壁:シリコンウェーハ製造の核心設備は単結晶炉であり、シリコンウェーハにおける「フォトリソグラフィー機」とも言える。国際主流シリコンウェーハメーカーの単結晶炉はすべて自社製造である。例えば、信越化学やSUMCOの単結晶炉は、同社が独自に設計・製造するか、持株会社を通じて設計・製造しており、他のシリコンウェーハメーカーは購入できない。他の大手シリコンウェーハメーカーは、独自の単結晶炉サプライヤーを持ち、厳格な秘密保持契約を結んでいるため、外部のシリコンウェーハメーカーが購入することは不可能であるか、一般的な単結晶炉しか購入できず、高規格の単結晶炉を供給することができない。そのため、設備の壁も国内メーカーが世界のシリコンウェーハの主流サプライヤーに参入できない理由となっている。

資本障壁:半導体シリコンウェーハの製造工程は複雑で、高度で高価な生産設備の購入が必要であり、顧客のさまざまなニーズに応じて継続的な改造やデバッグも必要です。設備の減価償却などの固定費が高いため、下流の需要の変化はシリコンウェーハ企業の生産能力利用率、ひいてはシリコンウェーハ製造企業の利益に大きな影響を与えます。特に、シリコンウェーハ業界に参入したばかりの企業は、出荷規模に達する前にほぼ赤字状態にあり、資本障壁に対する要求が高いです。また、シリコンウェーハのウェーハファブの認証サイクルが長いため、シリコンウェーハメーカーはこの期間中に投資を継続する必要があり、これにも多額の資金が必要です。

3. 依然として半導体材料の王者であり続ける 現在、半導体ウェーハ市場はシリコン材料が主流であり、シリコン材料は半導体市場全体の約95％を占めています。その他の材料は主に化合物半導体材料であり、主に第2世代半導体材料のGaAsウェーハと第三世代半導体材料のSiCおよびGaNウェーハです。その中で、シリコンウェーハは主にロジックチップ、メモリチップなどであり、最も広く使用されている半導体ウェーハ材料です。GaAsウェーハは主にRFチップであり、主なアプリケーションシナリオは低電圧と高周波です。第3世代半導体材料は主に高出力と高周波チップであり、主なアプリケーションシナリオは高周波と高出力です。

▲ウェーハ材料比率

▲各種材質のウェーハの適用範囲

化合物半導体とシリコン材料は競合関係ではなく、補完関係にあります。半導体材料（特にウェーハ、基板、エピタキシャルウェーハ材料）の発展法則には、サイズ、速度、電力の3つのルートがあり、3つのルートは第1世代、第2世代、第3世代の半導体材料に対応しています。

▲第1世代・第2世代・第3世代材料の性能比較

第一世代半導体材料：大型路線：第一世代の半導体材料はシリコン材料を指します。シリコン材料は最も早く開発されたウェーハ材料であり、この段階では技術が最も成熟し、コストが最も低く、産業チェーンが最も完備した材料でもあります。同時に、シリコンウェーハのサイズが大きくなるにつれて、単一チップのコストは低下します。主な応用分野は、ロジックチップと低電圧、低電力分野です。シリコンウェーハのサイズは、2インチ、4インチ、6インチ、8インチから、今日主流の12-インチウェーハ技術まであります。代表的なシリコンウェーハ企業には、日本の信越化学、SUMCOなどがあります。現在、主要な国際ウェーハ工場は、シリコン材料を主な生産材料として使用しています。

▲異なるウェーハサイズの比較

第2世代半導体材料：高速ルート。RF回路ではチップが高周波スイッチングに耐える必要があるため、第2世代半導体ウエハが発明されました。主な応用分野はRF回路であり、代表的な端末分野は携帯電話などのモバイル端末のRFチップです。第2世代半導体は主にGaAs（ガリウムヒ素）とInP（インジウムリン）に代表され、その中でGaAsは現在モバイル端末のRFチップ材料としてよく使用されています。代表的なファウンドリ企業には、台湾Win Semiconductors、Macronix、Skyworks、Qorvoなどがあり、これらはRFチップIDM企業です。現在の主流は4-インチと6-インチのウエハです。

第3世代半導体材料：高出力ルート：ほぼ同じ出発点にあり、チャンスが最も多い。3番目のルートは出力を上げることで、高出力回路の分野での広範な応用を促進する。主な材料はSiCとGaNです。主な端子は産業、自動車などの分野です。電力ルートはシリコン材料上のIGBTチップを開発しましたが、SiC（シリコンカーバイド）とGaN（窒化ガリウム）材料はIGBTよりも性能が優れています。現在、SiCウェーハは主に4-インチと6-インチ、GaN材料は主に6-インチと8-インチです。世界の主要なファウンドリには、米国のCreeとWolfspeed、ドイツのX-Fabなどがあります。ただし、この分野では、国際的な大手企業の発展も比較的遅いです。三安光電などの国内企業は、技術レベルにはまだ一定のギャップがありますが、業界全体の初期段階にあり、外国の独占を打ち破り、国際的な電力ファウンドリマップで地位を占める可能性が最も高いです。

複合材料にはシリコン基板が必要です。現在、Xiaomi、OPPO、RealmeがリリースしたGaN充電器や、Teslaがリリースしたモデル3など、S​​iCとGaNのウエハーチップは多数ありますが、IGBTの代わりにSiC MOSFETを使用しています。ただし、ウエハーについては、現在、ほとんどの民生用化合物半導体チップは、シリコンウエハーを基板として使用し、次に化合物エピタキシャルウエハーを作り、さらにエピタキシャルウエハー上にチップを作っています。

化合物半導体ウェハのコストは比較的高いです。現在、化合物半導体産業チェーンの不完全性により、化合物半導体の生産能力は低く、化合物半導体ウェーハの価格は比較的高くなっています。そのため、エンドユーザーの受け入れ度が低く、民生用電子機器の主流ソリューションは依然として「シリコン基板+化合物エピタキシャルウェーハ」です。自動車分野では、シリコンベースのIGBTが依然として主流のソリューションです。シリコンベースのIGBTチップはコストが低く、オプションの電圧範囲が広いです。SiC MOSFETデバイスの価格は、シリコンベースのIGBTの6〜10倍です。インフィニオンの650V / 20A技術パラメータの下でSiC-MOSFETとSi-IGBTの性能パラメータを比較すると、性能パラメータの面ではSiC-MOSFETは依然としてSi-IGBTより優れていますが、価格の面ではSiC-MOSFETはSi-IGBTの7倍です。さらに、SiCデバイスのオン抵抗が低下するにつれて、SiC-MOSFETの価格は指数関数的に上昇します。 たとえば、オン抵抗が 45 ミリオームの場合、SiC-MOSFET の価格はわずか 57.6 ドルですが、オン抵抗が 11 ミリオームの場合は 159.11 ドル、オン抵抗が 6 ミリオームの場合は 310.98 ドルになります。

▲Infineon SiC-MOSFETとSi-IGBTの比較

▲インフィニオンSiC-MOSFETの価格とオン抵抗の関係

4、国内の努力により巨大な市場の可能性が生まれました。

1. シリコンウエハー市場は成長サイクルに入りつつあります。

半導体製造材料の割合は年々増加しています。半導体材料は、包装材料と製造材料（シリコンウェーハや各種化学薬品などを含む）に分けられます。長期的には、半導体製造材料と包装材料は同じ傾向にあります。しかし、2011年以降、高度なプロセスの継続的な開発に伴い、半導体製造材料の消費量は徐々に増加し、製造材料と包装材料のギャップは徐々に拡大しました。2018年の製造材料の売上高は322億ドル、包装材料の売上高は197億ドルで、製造材料は包装材料の約1.6倍でした。半導体材料のうち、製造材料は約62％、包装材料は38％を占めています。

▲2018年の半導体材料消費量の割合

▲半導体製造材料コスト比率

シリコンウェーハは半導体製造における最大の消耗品であり、製造材料のうち、半導体の原料であるシリコンウェーハは37％に達し、最も大きな割合を占めています。2017年、「アルファ碁」によるイ・セドルの敗北以来、人工知能を筆頭とする新星技術は、世界の半導体の発展を牽引する主な技術となっています。特に、2018年は、ブロックチェーン技術の勃興と相まって、メモリの世界的な需要が急増し、シリコンウェーハの需要は過去最高を記録しました。世界の半導体出荷量の増加も、シリコンウェーハ出荷量の急増を牽引しています。出荷量で見ると、2018年に世界のシリコンウェーハ出荷面積は初めて100億平方インチを超え、127億平方インチに達しました。2019年は、上半期の貿易摩擦の影響で、出荷面積は118億平方インチに減少しました。 市場売上高で見ると、2018年の世界市場売上高は114億米ドル、2019年には112億米ドルに達しました。

▲2009-2019 世界のシリコンウェーハ出荷エリア

▲2009-2019 世界のシリコンウェーハ販売

ウェーハの細分化の観点から見ると、第2世代および第3世代の半導体材料のコストが高く、ほとんどの化合物半導体がシリコンウェーハに基づいているという事実により、シリコンウェーハは世界のウェーハ基板の95％を占めています。具体的なウェーハサイズの観点から見ると、12-インチウェーハが世界のシリコンウェーハの主なタイプです。2018年には、12-インチウェーハが世界のシリコンウェーハ出荷の64％を占め、8-インチウェーハが26％を占めました。

▲シリコンウェーハサイズ別出荷比率

端末用途の観点から見ると、12-インチウェーハの世界消費量は主にメモリチップで、NANDフラッシュとDRAMメモリが合わせて約75％を占め、そのうちNANDフラッシュはウェーハの約33％を消費し、スマートフォン市場ではNANDフラッシュが下流市場の35％を占めています。スマートフォンの出荷台数と生産能力の増加が12-インチウェーハの出荷を牽引する主な要因であることがわかります。12-インチウェーハのうち、ロジックチップが約25％、DRAMが約22.2％、CISなどのその他のチップが約20％を占めています。

2. 中国の半導体シリコンウエハー市場は巨大なスペースを持っている

中国の半導体材料市場は着実に成長しており、2018年の世界半導体材料売上高は519.4億ドルに達し、前年比10.7％増加しました。そのうち、中国の売上高は84.4億ドルでした。世界市場とは異なり、中国の半導体材料売上高は2010年から成長を続けており、2016年から2018年まで3年連続で10％以上の成長率を記録しています。世界の半導体材料市場は周期的な要因の影響を大きく受けており、特に台湾、中国、韓国では変動が大きく、北米と欧州の市場はほぼゼロ成長の状態にあります。日本の半導体材料は長い間マイナス成長の状態にあります。世界的に見ると、中国本土の半導体材料市場だけが長期的な成長の窓口にあります。中国の半導体材料市場は世界市場とは対照的です。

▲世界の半導体材料売上高と成長率（10億ドル）

▲半導体材料の国・地域別年間売上高（単位：10億米ドル）

世界の半導体材料は徐々に中国本土市場に移行しています。各国・地域の売上シェアから見ると、2018年の上位3カ国・地域で55％を占め、地域集中効果が顕著です。その中でも、台湾は世界のウェーハ生産能力の約23％を占め、世界で最も生産能力の高い地域となっています。その半導体材料売上高は114億ドルで、世界の22％を占めて第1位であり、9年連続で世界最大の半導体材料消費地域となっています。韓国は世界のウェーハ生産能力の約20％を占め、半導体材料売上高は87.2億ドルで、17％を占めて第2位です。中国本土は世界の生産能力の約13％を占め、半導体材料売上高は84.4億ドルで、世界の約16％を占めて第3位です。 しかし、長期的に見ると、中国本土における半導体材料の市場シェアは、2007年の7.5％から2018年には16.2％へと年々増加しており、世界の半導体材料は徐々に中国本土市場に移行しています。

▲ 2018年の国・地域別売上シェア

▲ 中国本土における半導体材料の売上高とシェア（10億ドル）

世界のウェハ生産能力は爆発的な成長を迎える。今日のウェハ工場の最先端技術を代表する12-インチウェハ工場は、2017年から2019年にかけて建設がピークを迎え、毎年平均8 12-インチウェハ工場が全世界で増設された。2023年までに、全世界で138 12-インチウェハ工場が増設されると予測されている。IC Insightの統計によると、2019年上半期の米中貿易戦争の不確実性により、世界中の主要なウェハ工場は生産能力増強計画を延期したが、中止はしなかった。2019年下半期の米中貿易の回復と5G市場の勃興により、2019年の世界のウェハ生産能力は依然として720万枚の増加を維持した。 しかし、5G市場の置き換えの波が到来し、世界のウェハ生産能力は2020年から2022年にかけて増加のピークを迎え、3年間でそれぞれ1,790万枚、2,080万枚、1,440万枚増加し、2021年には過去最高を記録するだろう。これらのウェハ生産能力は、韓国（サムスン、ハイニックス）、台湾（TSMC）、中国本土（長江ストレージ、長新ストレージ、SMIC、華宏セミコンダクターなど）にあり、中国本土が生産能力増加の50％を占める。

▲世界中の12-インチウエハー工場の数、2002-2023

▲ 世界生産能力増加（単位：百万枚/年、8-インチ換算ウエハ）

中国本土のウェハー工場建設は急成長期を迎える。2016年以来、中国本土はウェハー工場建設への投資を積極的に開始し、工場建設の波が巻き起こっている。SEMIの予測によると、2017年から2020年までに世界で62のウェハー工場が建設され、生産を開始する予定で、そのうち26は中国で、全体の42％を占める。2018年の建設数は13で、拡張の50％を占めた。拡張の結果、ウェハー工場の設備投資と設備投資は増加することになる。SEMIによると、2020年までに中国本土のウェハー工場の設置能力は、2015年の230万枚から400万インチ相当の月間ウェハーに達し、年間複合成長率は12％で、他の地域よりもはるかに高い。 同時に、国家ビッグファンドは半導体製造業界にも多額の投資を行っており、ビッグファンドの投資の第一段階では、製造業界が67％を占め、設計業界やパッケージング・テスト業界をはるかに上回っています。

▲2010-2020 中国の半導体ウェハー工場投資（単位：億米ドル）

▲国家ビッグファンド第1期の投資比率

2019年末現在、中国ではまだ9 8-インチウエハー工場と10 12-インチウエハー工場が建設中または計画中である。また、中国の12-インチウエハー工場のほとんどは現在試作または小ロット生産段階にあるため、生産能力は底辺にある。顧客からの製品検証と市場検証を得た後、生産能力は立ち上げ段階に入り、上流の原材料に対する需要は膨大になるだろう。

▲中国の新しいウエハー工場

5Gの普及により、端末のシリコン含有量が増加しています。iPhone 3に始まるスマートフォンの時代から、iPhone 5に代表される4G携帯電話、そして現在の5G携帯電話の時代まで、携帯電話のシリコン含有量は増加し続けています。テックインサイトやiFixitなどの携帯電話の解体組織による携帯電話の材料コスト分析によると、携帯電話プロセッサ（AP）、ベースバンド処理チップ（BP）、メモリ（NANDフラッシュ、DRAM）、カメラモジュール（CIS）、無線周波数チップ（RF）、電源管理チップ（PMIC）、Bluetooth / WiFiチップなど、携帯電話の主要チップの単価は徐々に上昇しており、単価全体に占める割合は年々増加しています。iPhone Xの段階では、画面の変更によりチップの割合が減少しましたが、その後の継続的な最適化により、チップコストの割合も年々増加しています。 4G携帯電話のピークであるiPhone 11 Pro Max時代までに、メインチップの割合は55％に達し、1台あたりの価値は約272ドルになりました。iPhone 3からiPhone 11 Pro Maxへの進化では、携帯電話のカメラはシングルショットから3ショットに変わり、本体メモリは8GBから512GBに増加し、1台あたりのシリコン含有量の割合は37％から55％に増加し、1台あたりの価値は68ドルから272ドルに増加しました。

2020年は5G携帯電話の量産元年です。発売されたSamsung S20とXiaomi 10携帯電話の分解分析によると、1台あたりのメインチップの価値と割合は4G携帯電話に比べてさらに増加し​​ています。Samsungの場合、メインチップは総材料費の63.4％を占め、1台あたりの価値は335米ドルに達し、iPhone 11 Pro Maxより23％高くなっています。Xiaomiの場合、メインチップの割合はさらに高く、68.3％に達し、メインチップの1台あたりの価値も300米ドルに達しています。Samsung S20とXiaomi 10の分解によると、初期の5G携帯電話のメインチップは約65％〜70％を占め、1台あたりの価値は約18米ドルになると推定されています。

▲主流スマートフォンのBOMコストの内訳

▲ 各種携帯電話のメインチップのコスト比

ウェーハ工場の建設はシリコンウェーハの需要を増加させる：ウェーハ工場の生産能力の拡大は必然的にシリコンウェーハの需要の増加につながる。現在、中国はウェーハ工場に多額の投資を行っており、揚子江記憶技術と合肥長鑫が主導するメモリ産業、SMICが主導するロジックチップ産業、華鴻半導体とジェッタセミコンダクターが主導する特殊プロセス生産ライン、華潤微電子と司藍微電子が主導するパワーデバイスファウンドリを形成している。現在、2017/2018年の中国本土におけるシリコンウェーハ販売の成長率は40％を超えている。また、大規模な資金投資と国内代替の傾向の恩恵を受けて、下流のウェーハ工場は生産能力を全面的に拡大し、上流のシリコンウェーハの需要増加を牽引している。 SUMCOの予測によると、2020年には中国本土での8-インチシリコンウェーハの需要は約9億7,000万枚、12-インチウェーハは105万枚に達する見込みです。

▲中国本土のシリコンウエハー売上高と成長率（単位：十億米ドル）

▲中国本土のシリコンウェーハ需要の推移（単位：10,000枚/月）

価格上昇サイクル+高度なプロセスが「価格」上昇を促進：過去のシリコンウェーハ価格計算によると、現在は新たな価格上昇サイクルの始まりにあります。2099年から2011年にかけて、スマートフォンが急速に普及し、携帯電話のシリコン含有量が増加し、単位面積あたりのシリコン価格は上昇し続け、2011年には1.09ドル/平方インチに達しました。その後、シリコンウェーハの在庫増加とスマートフォンの販売減少により、単位面積あたりのシリコンウェーハの価格は下落し続け、2016年には最低の0.67ドル/平方インチに達しました。2016年、Googleの「AlphaGo」がイ・セドルを破り、人工知能が歴史の舞台に登場しました。シリコンウェーハの世界的な需要が増加し、新たな価格上昇サイクルに入りました。2019年の5G携帯電話の発売により、単位面積あたりのシリコンウェーハの価格は0.94ドルに達しました。 2020年に5G携帯電話が大規模に発売され、シリコンウェーハの世界的な需要を牽引しているため、今後2-3年間の価格上昇余地があると予想されています。

先端プロセスは価格を押し上げます。半導体シリコンウェーハはチップ製造の基礎材料であり、品質の変動はチップに深刻な影響を及ぼします。先端プロセスの継続的な発展に伴い、半導体シリコンウェーハに対する不純物の要求はますます高くなっています。要求が高くなると、シリコンウェーハの製造プロセスがますます難しくなるため、価格はますます高くなります。たとえば、同じ12-インチシリコンウェーハの場合、7nmプロセスのシリコンウェーハの価格は、90nmシリコンウェーハの価格の4.5倍です。現在、中国本土のウェーハファブは主に12-インチウェーハで構築されており、シリコンウェーハの価格は8-インチウェーハの価格よりもはるかに高くなっています。同時に、SMICとHuahong Semiconductorに代表されるロジックチップファウンドリは、プロセスを28nmから16 / 14nmプロセスに徐々に移行しており、シリコンウェーハの全体的な価格が上昇しています。

2000年に世界で初めて12-インチ製造ラインが開設されて以来、市場の需要が大幅に増加しています。2008年には、出荷量が初めて8-インチシリコンウェーハを超え、2009年には他のサイズのシリコンウェーハの出荷面積の合計を超えました。2016年から2018年にかけて、AI、クラウドコンピューティング、ブロックチェーンなどの新興市場の急速な発展により、12-インチシリコンウェーハの複合年間成長率は8％でした。今後、12-インチシリコンウェーハの市場シェアは増加し続けます。SUMCOのデータによると、3-5年間で12-インチシリコンウェーハの世界の需給ギャップは依然として存在し、半導体サイクルの繁栄が増すにつれて、ギャップはますます大きくなります。2022年までに、1000K /月のギャップが発生します。 世界の新興半導体製造拠点として、中国の巨大なシリコンウエハーギャップは、シリコンウエハーの国産化のスピードを促進するだろう。

SUMCOの統計によると、2018年の中国本土のシリコンウェーハの販売額は約9億3000万米ドルで、前年比45％増となり、世界で最も急成長しているシリコンウェーハ市場となった。2020-2022のYangtze Memory、SMIC、Changxin Storageなどの大型ウェーハ工場の拡張計画の恩恵を受けている。2022年末までに、中国本土の12-インチ相当のシリコンウェーハの需要は月間201万枚に達し、市場規模は200億元に達すると推定されている。

シブランチ氏は、半導体産業の第3次移転の受け入れ国として、わが国の半導体の世界市場における販売シェアは引き続き上昇していると考えている。また、わが国は世界最大の消費者向け電子製品の生産国、輸出国、消費国であり、半導体製品の需要も大きいため、現地化のレベルは産業の安全に大きな影響を与える。わが国は、ウェハ製造材料市場における最大かつ最も基本的な品種として、シリコンウェハの分野では欠点があり、これは大型シリコンウェハでより顕著である。しかし、国家政策と資金の支援を受けて、多くの中国企業が生産ラインを計画し、大型半導体シリコンウェハを配置している。