Die Suche nach dünneren Wafern und Drähten steigert die Anwendung von Wolfram-Diamantdrähten

Das Schneiden ist einer der Kernprozesse der Waferherstellung. Aufgrund der herausragenden Leistung bei der Kostenreduzierung wird die Herstellung größerer und dünnerer Wafer zu einem gängigen Ziel im Wafersektor. Die Preise für Polysilizium sind in den letzten zwei Jahren weiterhin hoch, was die Entwicklung dünnerer Wafer beschleunigt. Im Jahr 2017 zeigte ein umfassender Ersatz von Mörteldrähten durch Diamantdrähte einen klaren Weg für die Weiterentwicklung und Kostensenkung der Waferschneidetechnologie auf.

Da die installierte PV-Kapazität in den letzten zwei Jahren sprunghaft angestiegen ist, stiegen die Preise für Polysilizium aufgrund des knappen Angebots im Jahr 2021 monatlich und liegen seit mehr als einem Jahr bei über 200 RMB/kg. InfoLink geht davon aus, dass die Polysiliciumpreise in diesem Jahr bis zum vierten Quartal hoch bleiben, wenn die Knappheit nachlässt. Die Preise werden bis zum dritten Quartal nächsten Jahres über 200 RMB/kg bleiben, wenn die meisten Produktionserweiterungsprojekte eine beträchtliche Produktion bringen.

Steigende Preise für Polysilizium erhöhen die Produktionskosten für Wafer. Um die Kosten unter Kontrolle zu bringen, beschleunigen Waferhersteller den Prozess der Waferverdünnung. Von 2018 bis 2020 verbrachten die Hersteller drei Jahre damit, die Dicke um 5 μm zu reduzieren. Seit 2021 wurde die Waferdicke jedoch um 15 μm verringert und könnte sich noch weiter verringern.

Angesichts der hohen Preise für Polysilizium ist es für Waferhersteller die direkteste und effektivste Möglichkeit, die Produktionskosten durch eine Reduzierung des Polysiliziumverbrauchs zu senken. Eine Möglichkeit hierfür ist die Herstellung dünnerer Wafer und die Verwendung dünnerer Diamantdrähte eine andere.

Im ersten Halbjahr 2021 lag der Durchmesser von Diamantdrähten überwiegend bei 42–47 μm. Der Wert liegt jetzt bei 36–40 μm. Einige Hersteller verwenden sogar 32 μm dicke Wolfram-Diamantdrähte als Kerndrähte, um den Polysiliziumverbrauch weiter zu reduzieren.

InfoLink geht davon aus, dass im Jahr 2022 weltweit mindestens 239 GW an installierter PV-Kapazität hinzukommen. Die Installation treibt die Nachfrage nach Wafern in die Höhe. Da es sich bei Diamantdraht um eine primäre Wafer-Stückliste handelt, wird die Nachfrage offensichtlich steigen. Darüber hinaus verringert sich die Menge an Schleifpartikeln pro Einheit, wenn der Diamantdraht dünner wird. Laut der Website von Qingdao Gaoce Technology beträgt die Schneidleistung eines 43 μm galvanisierten Diamantdrahts 180 ± 30 Körnung/mm und sinkt bei einem 37 μm galvanisierten Diamantdraht auf lediglich 140 ± 30 Körnung/mm. Der Rückgang der Schnittgeschwindigkeit führte zu einem erheblichen Anstieg des Drahtverbrauchs pro Stück.

Der Drahtverbrauch liegt bei 3,5–4 m/Stück für 182-mm-Wafer und 4,8–5,3 mm/Stück für 210-mm-Wafer. Die beiden Werte bedeuten einen Kabelverbrauch von 0,46 bis 0,53 m. Auf dieser Grundlage werden im Jahr 2022 schätzungsweise 500.000 km Kabel/GW verbraucht. Es wird erwartet, dass die Zahl jedes Jahr um 50.000 km/GW steigt, da die Kabel dünner werden.

Steigende installierte PV-Kapazität und die Entwicklung dünnerer Drähte tragen dazu bei, dass die Nachfrage nach Diamantdrähten im Jahr 2022 stärker steigt als im Jahr 2021. In diesem Jahr könnte die Nachfrage nach Diamantdrähten 150 Millionen km erreichen und bis 2030 250 Millionen km überschreiten.

Derzeit verwenden die meisten Diamantdrähte Drähte aus Kohlenstoffstahl als Kerndrähte. Die Drähte aus kohlenstoffreichem Stahl und solche Anwendungen stammen aus entwickelten Ländern wie den USA und Japan. Die wettbewerbsfähigsten Diamantdrahtlieferanten kommen aus Japan und den USA, wie Asahi, Nakamura und DMT, die weltweit führende Diamantdrahthersteller sind.

Ab 2017 erobern chinesische Hersteller mit dem Aufstieg chinesischer Diamantdrahtlieferanten und dem schnellen Fortschritt der Importsubstitution eine fast 100-prozentige Dominanz über den Diamantdrahtmarkt zurück. Derzeit herrscht in der Diamantdraht-Lieferkette „eine Supermacht, viele Großmächte“. Metro hat sich in vielen aufeinanderfolgenden Jahren einen Marktanteil von mehr als 50 % gesichert, während Gaoce, Planetec, Yuanshi und Jiangsu Resource Fusion Diamond Technology jeweils einen monatlichen Vorrat von mindestens einer Million km verzeichnen.

Quelle: zusammengestellte öffentliche Daten und industrielle Untersuchung von InfoLink

Theoretisch verfügte die Diamantdraht-Produktionskapazität bis Ende 2021 über 158 Millionen Kilometer und deckte damit den Jahresbedarf von 2022. Mit der Expansion der Hersteller könnte die theoretische Produktionskapazität bis Ende dieses Jahres auf über 300 Millionen Kilometer ansteigen.

Auf börsennotierte Unternehmen entfallen im Jahr 2021 67.000.000 km Diamantdrahtlieferungen, während Yuanshi und Resource Fusion angeblich 25.000.000 km beisteuerten. Wie in der Tabelle oben gezeigt, haben alle Hersteller ein Angebot von 92.000.000 km angehäuft, was dem Bedarf von 90.000.000 km im Jahr 2021 entspricht.

Dimond-Drähte bestehen meist aus 92c- und 100c-Drähten. Galvanisierte Diamantdrähte mit 35 μm und 36 μm müssen eine Bruchkraft von mindestens 5,3 N bzw. 5,8 N aufweisen. Um eine ausreichende Zugkraft und Restspannungsschwankung zu gewährleisten, beträgt die Stärke eines Standarddrahtes aus Kohlenstoffstahl etwa 35 μm. Derzeit liegt die Stärke der zum Schneiden von Wafern verwendeten Stahldrähte sehr nahe bei 35 µm, lässt sich aber kaum noch weiter verdünnen.

Wolframdrähte mit höherer Bruchkraft erhalten immer mehr Aufmerksamkeit. Zu den Vorteilen von Wolframdrähten gehören:

Ultradünne Diamant-Laubsäge aus hochfestem Legierungswolframdraht und Verfahren zu deren Herstellung

Das derzeit begrenzte Angebot an PV-Wolframdrähten treibt die Preise für Wolframkernleitungen in die Höhe, die vier- bis fünfmal teurer sind als normale Leitungen. Dadurch sind Wolfram-Diamantdrähte zwei- bis dreimal expansiver als herkömmliche Drähte. Wolfram-Diamantdraht ist teurer, aber seine geringere Stärke trägt dazu bei, den Schnittfugenverlust wirksam zu reduzieren. Angesichts der hohen Preise für Polysilizium sind Wolframdrähte mit größerer Bruchkraft immer noch die bessere Wahl, obwohl aufgrund der geringeren Stärke die Wahrscheinlichkeit von Drahtbrüchen höher ist. Wolframdiamantdraht reduziert außerdem den Drahtverlust um 10 %.

Der Drahtverbrauch kann weiter reduziert werden, indem die Menge jeder Drahtrolle auf mindestens 100 km pro Rolle erhöht wird. Eine Kostenschätzung für das Schneiden von G12-Wafern ergab, dass bei einem Preis von 300 RMB/kg für Polysilizium und einem Preis von 90 RMB/km für Wolfram-Diamantdrähte immer noch ein Kostenvorteil von 0,04 RMB/Stück besteht. Angesichts der aktuellen Preise für Diamantdrähte sind die Schnittkosten für die Verwendung von Wolfram-Diamantdrähten und normalen Diamantdrähten bei Polysiliziumpreisen, die bei etwa 240 RMB/kg liegen, ziemlich gleich.

Gemäß der obigen Grafik ist der Wolfram-Diamantdraht umso vorteilhafter, je teurer Polysilizium ist. Wenn in Zukunft die Preise für normale Diamantdrähte und Polysilizium sinken, können Hersteller von Wolfram-Diamantdrähten die Preise senken und dünnere Drähte herstellen, um sich ihren Vorteil zu sichern.

Wenn man davon ausgeht, dass sowohl normale 36-μm-Diamantdrähte als auch 30-μm-Wolframdrähte zum Schneiden von G12-Wafern verwendet werden können, werden Wolfram-Diamantdrähte auch dann noch einen Kostenvorteil genießen, wenn die Preise auf 80 RMB/km gesunken sind und die Polysiliziumpreise über 80 RMB/km bleiben. kg. Darüber hinaus besteht größerer Spielraum für eine weitere Reduzierung der Dicke von Wolfram-Diamantdrähten, möglicherweise auf unter 30 μm.

Zu den wichtigsten Kerndrahtlieferanten gehören Matsushita, Xiamen Tungsten Co., Ltd und China Tungsten. Vorbehaltlich kleiner Produktionskapazitäten sind Resource Fusion Unternehmen, die Wolfram-Diamantdrähte in Massenproduktion herstellen können. Metron, Dialine und Yuanshi produzieren kleinere Mengen, während andere Hersteller sich auf das Geschäft vorbereiten. Später werden insgesamt 70 Milliarden Meter an Produktionskapazitätserweiterungen von Xiamen Tungsten Co., Ltd und China Tungsten in Betrieb genommen, was einen Bedarf von 120–140 GW für die Galvanisierung von Diamantdrähten bereitstellt.

Der größte Unterschied zwischen der Verwendung von Wolfram- und normalen Diamantdrähten als Kerndrähte besteht darin, dass auf der Oberfläche von Wolframdrähten eine dicke Oxidschicht und kolloidaler Graphit entsteht, der während der Produktion entsteht. Die beiden müssen vor der Verwendung eines Wolframdrahtes entfernt werden, um die Haftung der Nickel-Phosphor-Anordnung sicherzustellen. Der Abtrag nimmt jedoch mehr Zeit in Anspruch als die Herstellung von Diamantdrähten und die Abtragsrate ist relativ gering. Diese technischen Probleme erschweren den Übergang von normalen Diamantdrähten zu Wolframdrähten.

Die Herstellung großformatiger Wafer und dünnerer Diamantdrähte ist ein langfristiges Ziel der Waferherstellung, das durch die hohen Preise für Polysilizium beschleunigt wird. Da Kohlenstoffstahldraht hinsichtlich Leistung und Dickenreduzierung an seine Grenzen stößt, gilt Wolframdraht mit höherer Bruchkraft weithin als Material der nächsten Generation für Kerndrähte von Diamantdrähten.

Abhängig von der Lieferung von Kerndrähten ist das tatsächliche Produktionsvolumen von Wolfram-Diamantdrähten begrenzt. Später werden insgesamt 70 Milliarden Meter an Produktionskapazitätserweiterungen von Xiamen Tungsten Co., Ltd und China Tungsten in Betrieb genommen, was einen Bedarf von 120–140 GW für die Galvanisierung von Diamantdrähten bereitstellt. Der Einsatz von Wolfram-Diamantdrähten wird im Jahr 2023 zunehmen, da die Preise für Polysilizium relativ hoch bleiben.

Wolfram-Diamantdraht eignet sich besser zum Schneiden von Wafern, trägt aber kaum zur Senkung der Produktionskosten bei. Abhängig von der Versorgung mit PV-Wolframdrähten werden Kohlenstoffstahldrähte in den kommenden ein bis zwei Jahren das Hauptmaterial für Kerndrähte von Diamantdrähten bleiben.

Der Ersatz von herkömmlichem Kohlenstoffstahldraht durch Wolfram-Diamantdraht wird schneller vonstatten gehen, wenn die Hersteller dünnere, billigere Wolframdrähte produzieren, ihren Vorteil im Schneidesegment nutzen und die Produktionskapazität von Wolfram-Diamantdrähten und PV-Wolframkerndrähten erweitern können.