半导体巨头并购提速,大硅片寡头垄断加剧,国产替代亟需突围

半导体巨头并购提速,大硅片寡头垄断加剧,国产替代亟需突围,第1张

硅片是生产芯片、分立器件、传感器等半导体产品的关键材料,目前90%以上的半导体产品均使用硅基材料制造,硅片占半导体材料市场规模比重约为37%,位居半导体三大核心材料之首,因此,半导体硅片被誉为半导体行业的“粮食”,虽然全球市场总规模不大,但至关重要。

近20年以来,半导体硅片长期被日本信越、日本胜高(SUMCO)、环球晶圆、德国Siltronic、韩国SK Siltron等少数寡头企业垄断。2019年,行业前五大企业合计销售额占全球半导体硅片行业销售额比重高达92%,我国90%以上的硅片需求依赖进口,基本不在国内生产,目前,硅片垄断局面还在加剧。

11月30日,德国硅片制造商Siltronic AG表示,正与环球晶圆开展深入谈判,后者拟以37.5亿欧元(约合45亿美元)将其收购,双方预期在12月第二周,取得Siltronic监事会及环球晶圆董事会核准后,进行BCA签署。

环球晶董事长徐秀兰指出,双方都认为结合后的事业体会有很好的成效,将更能互补地有效投资,进而扩充产能。

并购前,德国Siltronic为全球第四大硅晶圆厂,市占率约为7%,环球晶则为全球第三大厂,市占率达18%,收购完成后,环球晶在全球硅晶圆市场占有率有望一举跃升至25%,逼近日本胜高的28%,同时意味着全球晶圆市场将呈现日本信越、胜高、环球晶圆、SK Siltron四强争霸的格局,进一步垄断市场。

根据IC Insights的报告,今年仅ADI收购Maxim、英伟达收购ARM、SK海力士收购英特尔存储业务、AMD收购赛灵思四起收购案的交易额就高达1050亿美元,外加Marvell100亿美元收购Inphi、环球晶45亿美元收购德国Siltronic,2020年半导体并购金额已经创下 历史 新高。

去年,韩国SK Siltron为防止日本出口限制,收购杜邦碳化硅晶圆事业部,在区域全球化抬头的当下,各巨头抱团取暖,通过并购来加强各自的优势,以应对快速变化和复杂的局面。

以半导体设备巨头应用材料为例,在2018年之前的几十年内,应用材料长期稳坐全球半导体设备第一供应商的位置,凭借的就是全面且强大的产品线,特别是在具有高技术含量的半导体制造前道设备,该公司具有相当深厚的技术功底。

但从 历史 来看,应用材料正是通过一系列的并购,来加强自己实力的,虽然从1967年-1996年的30年间,应用材料只有一次核心业务相关的并购,但在1997年-2007年十年间,先后发起了14起并购案,不断完善自己的产品构成。

截至目前,应用材料的产品线涵盖了半导体制造的数十种设备,包括原子沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、离子注入机、刻蚀机、化学抛光及晶圆检测设备等,预计2020年,应用材料半导体设备的市场份额将从去年的15.9%提高至18.8%。

查阅了近几年的国内半导体海外并购案例,主要有五起:

2013年紫光集团17.8亿美元收购展讯,2014年9.07亿美元收购锐迪科,后合并成为紫光展锐;2015年合肥瑞成18亿美元收购高性能射频功率放大器厂商AMPLEON;2016年中信资本、北京清芯华创投资与金石投资19亿美元收购CMOS传感器厂商豪威 科技 ;

2016年长电 科技 以7.8亿美元收购新加坡封测厂金科星朋;2017年建广资产27.5亿美元收购恩智浦标准件业务,今年6月安世半导体正式注入闻泰 科技 。

其他的海外收购基本都在5亿美元以下,特别是国产替代加速的最近三年,鲜有海外并购的大案例,想着国内半导体厂不差钱,但为何还是买不来?

实际上,国内企业海外并购,特别是半导体海外并购还真不是钱多就能解决的问题,早在1996年,西方42国就签署了集团性限制出口控制机制——《瓦森纳协定》,简单来说,就是成员国内技术转让或出口无需上报,但向非成员国转让需要上报,以此达到技术转让监管和控制的目的。

并且这份协定很与时俱进,以大硅片为例,2019年底修订的《瓦森纳协定》,就新增了一条关于12英寸大硅片技术的出口管制内容,直指中国集成电路14纳米制程工艺,以及上游适用于14纳米工艺的大硅片。

封锁的还不止拉高纯度单晶硅锭的设备和材料,更是从切割抛光好的硅片具体参数上进行了限制,专门针对适用于14纳米制程工艺的各种硅片。所以说,小到具体产品参数都能安排的明明白白,更别说直接并购先进企业,基本没有可能。

如果说美国单方面打压华为是凭借自身实力,那么通过《瓦森纳协定》限制技术出口,就相当于是在全球拉圈子,限制圈内技术出口,圈外想用,就只能用廉价劳动换取圈内输出的高附加值成品,《瓦森纳协定》相当于“金钟罩”。所以并购不来的公司,只有自己造。

实际上,光伏用硅片已经被国内的厂家玩出白菜价,半导体用的硅片之所以被国外垄断,难度在于单晶硅的纯度和内部缺陷的控制,我们做的不好。

在纯度上,光伏用的硅片6个9就够了,但半导体硅片需要11个9,也就是99.999999999%,问题就在这个纯度上面,拉出来的单晶硅锭纯度不够,内部缺陷、应力、翘曲度也跟国外有差距,做出来的芯片良品率就比较低。

所以为了良品率,晶圆厂都愿意愿意花高价买更高质量的硅片,而不愿意花低价买低质量的硅圆片,因为会导致最终芯片的良率,我国生产的硅圆片打不开国际市场就是凭证。

对于单晶硅的提纯和晶体缺陷控制,需要基于长期实践经验的积累和现场错误的总结,这是各个厂商的高度保密的技术,因为这方面的因素,国外硅片厂都没有在国内设厂。

目前,沪硅产业打破了我国12英寸(300mm)半导体硅片国产化率几乎为0的局面,推进了我国半导体关键材料生产技术自主可控的进程;中环股份现也已具备3-12英寸全尺寸半导体硅片产品的量产能力。

总的来说,当下全球市场主流的产品是12英寸,使用比例超过70%,主要应用在智能手机、计算机、人工智能、固态硬盘等高端芯片上。目前4-6英寸的硅片已可以满足国内需求,8英寸也日渐成熟,进入大规模国产替代阶段,但12英寸才刚刚进入初级阶段,还面临EPI、位错等诸多难题待解决,替代之路仍任重道远。

中打破了摩尔定律,在新的半导体研究领域取得了巨大的突破。利用一种新的超薄电极材料,实现了二维半导体电子与逻辑电路的自由控制。此外,南洋理工大学、北京大学、南京大学等高校的科研队伍,也在二维半导体的整合与成长上取得了突破性进展。

中国的本土企业也在努力地积累和研究相关的技术,这些技术将会在将来获益。首先,我们要说的是,摩尔定律是什么,为什么它会对半导体产生如此大的影响。戈登·摩尔,英特尔的共同创始人,提出了著名的摩尔定律:每18到24个月,集成电路上的元件数目就会翻一番,而其性能也会翻一番。这就意味着,在每一块硅片上,晶体管的体积会变得更小,也会变得更多。但是今天,一块指甲盖大小的晶体管可以容纳一百亿个,而硅晶体管也已经接近了它的物理极限。摩尔定律的继续,要求新的材料,新的装置。

目前,人们对二维半导体的前景非常看好,因为传统的硅片晶体是以三维块状半导体为基础,使得电子难以透过纳米尺寸的通道。然而,由于二维材料的存在,使得晶体管的体积变得更小,变成了一种更容易让电荷在其中自由流动的超薄晶体管。

由光敏材料及器件研究中心的黄博士、物理学院的李金龙教授带领的一个研究团队,成功地利用了一种新型的超薄电极材料(Cl-SnSe2),实现了二维半导体电子及逻辑电路的自由控制。

该研究成功地解决了费米能级钉扎问题,使得传统的二维半导体器件难以完成互补逻辑电路,只显示 N型或 P型器件的性能。利用这种新的电极材料,可以实现 N型、 P型的功能,从而形成一种高性能、低功耗、互补逻辑的逻辑电路。

黄教授预测,这种新型的二维电极材料将会是很薄的,具有很高的透明度和d性。所以,他们可以应用到下一代的可弯曲的、透明的半导体装置上。南洋理工大学,北京大学,清华大学和北京量子资讯 科技 研究院的研究者们,近期展示了一种将单晶体滴定在二维半导体上的方法,即高 K钙钛矿的一种氧化物。该技术将为新的晶体管和电子器件的发展提供新的可能。

报告中提及了一种叫做“一种钙钛矿”的单晶滴定锶,以前人们已经发现,用一种具有不同的原子结构的钙钛矿氧化物难以实现。但是,这个研究小组使用了一种聪明的方法,它能够超越这个极限,使材料的组合几乎是无限的。

研究者称,他们发明的晶体管可以用来制作互补的 MOS电路,同时也可以降低功率消耗。在将来,这些装置将会被大量生产,用以研发低功率的逻辑和微型晶片。前不久,王欣然教授和南京大学王金兰教授的研究小组共同宣布,世界上第一个大规模、均匀的二层二硫化钼,这是目前已知的最好的二维半导体材料之一,薄膜的外延生长。

东南大学教授马亮说:“我们的研究成果,不但打破了二硫化钼薄膜的层数可控生长技术瓶颈,开发出了性能最高的二硫化钼膜器件,并将其应用到其它二维材料的外延上,为以后的硅半导体器件的发展开辟了新的思路。”

在二硫化钼的研究中,二硫化钼的载流子迁移率和驱动电流都比单层二硫化钼高,在电子设备的应用中占有很大的优势。然而,采用常规方法制备的二硫化钼双层膜存在着层数均匀性差、膜不连续性等问题,研究小组提出了一种新型的基板诱导成核和“齐头并进”的新型生长机理。

值得一提的是,芯片制造商们,也在积极地进行着新的研究。英特尔与台积电将于2021年12月举行的 IEEE国际电子装置大会上,为解决二维半导体高阻、低电流问题提供了解决办法。在半导体与金属的接触处,存在着锋利的电阻尖,这是目前二维半导体面临的最大阻碍。

台积电与英特尔公司采用了半金属锑作为接触材料,以减少半导体与触头间的能量壁垒,以达到低阻性。从2019年起,台积电一直在寻求一种可以替代硅的二维材料。台积电在今年五月率先宣称,他们已经找到了半金属铋可以在很低的电阻下,成为二维半导体的粘结剂。但是铋的熔点太低,不能承受后续的晶片高温处理。

南京大学电子工程学院王欣然博士团队,着眼于中国国内市场的发展,在2021年九月,天马微电子(深天马)与天马公司的合作,为今后 Micro LED技术的发展开辟了一条崭新的技术路径。


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