一文读懂半导体大硅片-电子发烧友网

硅片概况

常见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）等元素半导体及砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等化合物半导体。相较于锗，硅的熔点为 1415℃，高于锗的熔点 937℃，较高的熔点使硅可以广泛应用于高温加工工艺中；硅的禁带宽度大于锗，更适合制作高压器件。相较于砷化镓，硅安全无毒、对环境无害，而砷元素为有毒物质；并且锗、砷化镓均没有天然的氧化物，在晶圆制造时还需要在表面沉积多层绝缘体，这会导致下游晶圆制造的生产步骤增加从而使生产成本提高。

硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料，90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的。硅在地壳中占比约 27%，是除了氧元素之外第二丰富的元素，硅元素以二氧化硅和硅酸盐的形式大量存在于沙子、岩石、矿物中，储量丰富并且易于取得。通常将 95-99%纯度的硅称为工业硅。沙子、矿石中的二氧化硅经过纯化，可制成纯度 98%以上的硅；高纯度硅经过进一步提纯变为纯度达 99.9999999%至99.999999999%（9-11 个 9）的超纯多晶硅；超纯多晶硅在石英坩埚中熔化，并掺入硼（P）、磷（B）等元素改变其导电能力，放入籽晶确定晶向，经过单晶生长，制成具有特定电性功能的单晶硅锭。熔体的温度、提拉速度和籽晶/石英坩埚的旋转速度决定了单晶硅锭的尺寸和晶体质量，而熔体中的硼（P）、磷（B）等杂质元素的浓度决定了单晶硅锭的电特性。

单晶硅锭经过切片、研磨、蚀刻、抛光、外延（如有）、键合（如有）、清洗等工艺步骤，制造成为半导体硅片。在生产环节中，半导体硅片需要尽可能地减少晶体缺陷，保持极高的平整度与表面洁净度，以保证集成电路或半导体器件的可靠性。

在半导体硅片上可布设晶体管及多层互联线，使之成为具有特定功能的集成电路或半导体器件产品，下游主要包括手机与平板电脑、物联网、汽车电子、人工智能、工业电子、军事太空等领域。

半导体硅片分类

根据尺寸分类，半导体硅片的尺寸（以直径计算）主要有 50mm（2 英寸）、75mm（3 英寸）、100mm（4 英寸）、150mm（6 英寸）、200mm（8 英寸）与 300mm（12英寸）等规格。

1965 年，戈登摩尔提出摩尔定律：集成电路上所集成的晶体管数量，每隔 18 个月就提升一倍，相应的集成电路性能增强一倍，成本随之下降一半。对于芯片制造企业而言，这意味着需要不断提升单片硅片可生产的芯片数量、降低单片硅片的制造成本以便与摩尔定律同步。

半导体硅片的直径越大，在单片硅片上可制造的芯片数量就越多，单位芯片的成本随之降低。在摩尔定律的影响下，半导体硅片正在不断向大尺寸的方向发展。硅片的尺寸越大，相对而言硅片边缘的损失会越小，有利于进一步降低芯片的成本。例如，在同样的工艺条件下，300mm 半导体硅片的可使用面积超过 200mm 硅片的两倍以上，可使用率（衡量单位晶圆可生产的芯片数量的指标）是 200mm 硅片的 2.5 倍左右。

目前，全球市场主流的产品是 300mm 和 200mm 直径的半导体硅片。终端应用领域来看，300mm 主要应用在智能手机、计算机、云计算、人工智能、 SSD（固态存储硬盘）等较为高端领域，目前出货面积占比 60%以上。200mm 硅片主要应用在移动通信、汽车电子、物联网、工业电子等领域，目前出货面积 20%以上。

根据制造工艺分类，半导体硅片主要可以分为抛光片、外延片与以 SOI 硅片为代表的高端硅基材料。单晶硅锭经过切割、研磨和抛光处理后得到抛光片。抛光片经过外延生长形成外延片，抛光片经过氧化、键合或离子注入等工艺处理后形成 SOI 硅片。

硅片制作流程（略）

半导体硅片的生产流程包括拉晶—>滚磨—>线切割—>倒角—>研磨—>腐蚀—>热处理—>边缘抛光—>正面抛光—>清洗—>检测—>外延等步骤。其中拉晶、研磨和抛光是保证半导体硅片质量的关键。

单晶生长技术的重点在于保证拉制出的硅锭保持极高纯度水平（纯度至少为99.999999999%）的同时，有效控制晶体缺陷的密度。当前制备单晶硅技术主要分为悬浮区熔法（FZ 法）和直拉法（CZ 法）两种。

下游应用带动硅片市场不断增长

硅片终端应用逐渐多元化

目前手机、计算机等仍是半导体行业终端最大的应用市场。2018 年全球手机和基站、计算机用芯片销售额分别为 487 亿美元、280 亿美元，在半导体终端市场的占比分别为 36%、21%。

据 Gartner 预计，2017-2022 年增速最快的半导体终端应用领域是工业电子和汽车电子，将成为未来几年全球半导体行业增长最重要的驱动力。其中，工业电子年复合增长率预计可达 12%。随着工业从规模化走向自动化、智能化，工业与信息化的深度融合、智能制造转型升级将带动工业电子需求的增长。汽车电子 2017-2022 年预计复合增长率为 11%。汽车电子的增长主要源于传统车辆电子功能的扩展、自动驾驶技术的不断成熟以及电动汽车行业的快速成长。车辆的 ABS（防抱死）系统、车载雷达、车载图像传感系统、电子车身稳定程序、电控悬挂、电动手刹、压力传感器、加速度计、陀螺仪与流量传感器等，均需要使用半导体产品，汽车智慧化的趋势极大地拉动了汽车电子产品的增长。随着电动汽车的普及与车辆电压、电池容量标准的不断提高，电源管理器与分离式功率器件的需求量也将随之上升。通常情况下，汽车电子芯片使用200mm 及以下抛光片与 SOI 硅片。汽车电子市场规模的扩大将拉动 200mm 及以下抛光片与 SOI 硅片的需求。

未来的爆发式增长将会出现在大数据、云计算、人工智能、新能源汽车、区块链等新兴终端应用。半导体硅片行业除了受宏观经济影响，亦受到具体终端市场的影响。例如 2010 年，全球宏观经济增速仅 4%，但由于 iPhone4 和 iPad 的推出，大幅拉动了半导体行业的需求，2010 年全球半导体行业收入增长达 32%。2017 年开始，大数据、云计算、人工智能、新能源汽车、区块链等新兴终端应用的出现，半导体行业进入了多种新型需求同时爆发的新一轮上行周期。半导体硅片可应用于多个潜在新兴终端市场，如汽车电子功率器件、5G 通信设备中的射频芯片等，有望爆发式增长。

芯片产能投放拉动硅片需求

芯片制造产能情况是判断半导体硅片需求量最直接的指标。2017 至 2020 年，全球芯片制造产能（折合成 200mm）预计将从 1985 万片/月增长至 2407 万片/月，年均复合增长率 6.64%；中国芯片制造产能从 276 万片/月增长至 460 万片/月，年均复合增长率 18.50%。近年来，随着中芯国际、华力微电子、长江存储、华虹宏力等中国大陆芯片制造企业的持续扩产，中国大陆芯片制造产能增速高于全球芯片产能增速。随着芯片制造产能的增长，对于半导体硅片的需求仍将持续增长

大硅片市场规模持续发展

全球半导体市场规模近年来增速平稳，2012-2018 年复合增速 8.23%。其中，中国大陆集成电路销售规模从 2158 亿元迅速增长到 2018 年的 6531 亿元，复合增速为20.27%，远超全球其他地区，全球半导体产业加速向大陆转移。集成电路一般分为设计、制造和封测三个子行业，在制造和封测行业中，均需要大量的半导体新材料支持。2018 年全球半导体材料市场产值为 519.4 亿美元，同比增长 10.68%。其中晶圆制造材料和封装材料分别为 322 亿美元和 197.4 亿美元，同比+15.83%和+3.30%。

2018年，在市场产值为 322 亿美金的半导体制造材料中，大硅片、特种气体、光掩模、CMP材料、光刻胶、光刻胶配套、湿化学品、靶材分别占比 33%、14%、13%、7%、6%、7%、4%、3%。分地区来看，目前大陆半导体材料市场规模 83 亿美元，全球占比 16%，仅次于中国台湾和韩国，为全球第三大半导体材料区域。

随着半导体市场不断放量以及工艺制程不断复杂，全球半导体硅片材料市场不断增长，硅片材料在半导体制造材料中占比 33%，为占比最大的材料。2019 年全球硅片材料市场规模达到 112 亿美元，虽然相对 2018 年略有下滑，但整体仍维持在较高水平。出货面积来看，2019 年半导体硅片出货面积 11810 百万平方英寸，较 2018 年有所下滑，主要是由于存储器市场疲软和库存正常化所致。

硅片价格呈现出一定的周期性。2011-2016 年受行业低迷影响，硅片价格一路下行。2016 年之后，全球半导体硅片销售单价从 0.67 美元/英寸上升至 0.95 美元/英寸。需求侧来看，随着终端应用如 5G、AI、新能源汽车的快速发展，对芯片的大量需求使晶圆厂更有动力去大规模扩建工厂和生产线，进而拉动对上游硅片尤其是大硅片的需求。供给端方面，新增产能尚需时间落地，所以中短期供需不平衡的局面仍将持续，硅片价格有望继续走高。

国内硅片市场规模持续增长。受益于全球半导体行业转移，国内硅片市场规模持续增长，2018 年国内硅片市场规模超过 9 亿美元。

十二英寸硅片为主流方向

目前，12 英寸硅片在下游产业中广泛应用，产品大多使用于制造消费电子芯片。其中，NAND（包括 3D NAND 和 2D NAND）占据最大的下游应用，占比达 33%。逻辑芯片和 DRAM 芯片分别占比 25%和 22%。CIS 等其他应用占据了剩余的 20%的市场份额。其中，受益于 5G 的持续发展，2020-2023 年，智能手机对十二英寸硅片的复合需求增速有望达到 7.8%。

全球 DRAM 下游主要包括移动终端（40%）、服务器（22%）和个人电脑（19%）等业务。在5G换机潮以及数据处理等行业的快速发展下，全球DRAM需求有望持续快速增长。据 SUMCO，全球 DRAM 2019-2023 年需求复合增速有望达到 19.2%。

目前全球 DRAM 主要供应厂商包括三星（45%），海力士（29%），美光（21%）等，全球主流 DRAM 工艺目前为 2znm、1xnm 和 1ynm，未来 1znm 和 1anm 有望逐步放量。

全球 NAND 下游主要包括手机（48%）、SSD（43%）等业务。在 5G 换机潮、云数据处理以及移动电源等行业的快速发展下，全球 NAND 需求有望持续快速增长。据 SUMCO，全球 NAND 2019-2023 年需求复合增速有望达到 39.4%。

目前全球 NAND 主要供应厂商包括三星（33%），铠侠（19%），西数（15%），美光（11%），海力士（11%）和因特尔（10%）等。目前，3D NAND 已经成为 NAND 主流工艺。

2016 年至 2018 年，受益于手机、计算机、云计算服务器用 CPU、 GPU 出货量的增加，逻辑芯片市场规模从 914.98 亿美元上升至 1,093.03 亿美元，年均复合增长率9.30%。据 Gartner，2016 至 2022 年，全球芯片制造产能中，预计 20nm 及以下制程占比 12%，32/28nm 至 90nm 占比 41%，0.13μm 及以上的微米级制程占比 47%。目前，90nm及以下的制程主要使用 300mm 半导体硅片，90nm 以上的制程主要使用 200mm 或更小尺寸的硅片。