半導(dǎo)體硅片行業(yè)發(fā)展趨勢分析

1、 半導(dǎo)體硅片行業(yè)發(fā)展趨勢分析 市場認為國內(nèi)硅晶圓會過度投資，我們認為國內(nèi)硅晶圓產(chǎn)業(yè)起點低、起步晚，且長 晶技術(shù)是決定硅片參數(shù)的核心環(huán)節(jié)，主要體現(xiàn)在爐內(nèi)溫度的熱場和控制晶體生長形狀的 磁場設(shè)計能力。硅拋光晶圓的主要技術(shù)指標包括直徑、晶體工藝、摻雜劑、晶向、電阻 率、厚度等，其他質(zhì)量指標包括缺陷密度、氧含量、碳含量、翹曲度等，其中大部分參 數(shù)由長晶技術(shù)決定。下游芯片制程的技術(shù)節(jié)點越先進，對應(yīng)的硅片上述指標控制越嚴格， 不同的技術(shù)節(jié)點對應(yīng)的指標控制參數(shù)會有相差。因此，硅晶圓產(chǎn)業(yè)技術(shù)難度決定了產(chǎn)業(yè) 鏈公司從研發(fā)到具有市場競爭力，仍然是漫長的過程，只有技術(shù)積累和人才優(yōu)勢的廠商 可以實現(xiàn)率先量產(chǎn)，此外擴產(chǎn)

2、周期也受到半導(dǎo)體市場周期影響，因此只有少數(shù)公司可以 在國產(chǎn)化實現(xiàn)彎道超車。1.硅片，從沙石到電路的載體1.1 半導(dǎo)體材料縱觀半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)內(nèi)涵豐富，涵蓋材料至芯片。半導(dǎo)體是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣 體之間的材料。原本半導(dǎo)體是指半導(dǎo)體材料，現(xiàn)在也指材料上做成的集成電路，用在電腦、 手機、電視、數(shù)碼音樂播放器、數(shù)碼相機、手提游戲機等等，這些統(tǒng)稱為半導(dǎo)體電子器件。半導(dǎo)體與收音機的淵源。收音機經(jīng)歷了真空電子管、晶體管技術(shù)時代，晶體管收音機 是半導(dǎo)體晶體管的第一個商業(yè)化產(chǎn)品，因此民間將收音機稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體收音機在上 世紀 60 年代起風(fēng)靡全球，成為重要的“家電”產(chǎn)品；1965 年，半導(dǎo)體收音機的產(chǎn)

3、量超過 了電子管收音機的產(chǎn)量；1980 年左右是收音機市場發(fā)展的高峰時期。固態(tài)電子時代的開端，經(jīng)歷了從鍺到硅。半導(dǎo)體的研究起源于固體物理及電子科學(xué)的 研究，1938 年，蕭基的論文金屬與半導(dǎo)體界面整流首次將固體物理的基礎(chǔ)研究與半導(dǎo) 體組件性能連接起來，解釋了 1874 年科學(xué)家布勞恩在礦石里發(fā)現(xiàn)的固體整流現(xiàn)象。1947 年底，首個晶體管在貝爾實驗室誕生。因為鍺的處理相對容易，鍺晶的熔點低只有 900 多 攝氏度，而硅的熔點在 1420 度，因此固體物理的早期研究基于鍺晶做晶體管。但是，硅制 晶體管最大的優(yōu)點在于可以在 100 度的高溫環(huán)境下運用，而鍺晶體管到 70 度就沒有功能， 嚴重限制了應(yīng)

4、用范圍。直到 1954 年，提爾在德儀用直拉單晶法長晶，并制成了世界上第 一枚硅晶體管，才開啟了硅為主體的固態(tài)電子時代。硅作為半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢：1）硅在地球上儲量達到 26.8%，僅次于氧；2）硅的能隙 較大（1.13V），使其具有較高的操作溫度及較低的漏電流；3）硅片表面的 SiO2 層能耐高 溫，對硅片起保護作用。半導(dǎo)體硅片是生產(chǎn)集成電路、分立器件、傳感器等半導(dǎo)體產(chǎn)品的 關(guān)鍵材料。目前 90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品使用硅基材料制造，除硅、鍺等單元素半導(dǎo)體外，通過結(jié) 合元素周期表第四族兩邊的元素（如 IIIV 族），改變晶體的原子結(jié)構(gòu)，形成 GaAs、SiC、 GaN 等二元化合物半導(dǎo)體材料?；?/p>

5、物半導(dǎo)體的優(yōu)越性能主要體現(xiàn)在速度、感光性以及功 率三個方面：1）速率：GaAs 及 InP 之類的化合物半導(dǎo)體的運行速率可以比單晶硅高幾個 數(shù)量級。2）光譜：與單晶硅不同，化合物半導(dǎo)體可以生成、接受的頻譜范圍廣泛，從高頻 紫外光至長波長的紅外光。3）功率 SiC、GaN 類化合物導(dǎo)體可以高功率（高電壓、大電 流）運行，并且在功率轉(zhuǎn)換、高頻領(lǐng)域也十分有效。化合物半導(dǎo)體在寬禁帶、電子遷移率 上遠高于單晶硅，尤其適用于射頻、光電子、功率半導(dǎo)體。1.2 從礦石到芯片硅片（又稱晶圓，wafer）是光伏、半導(dǎo)體行業(yè)廣泛使用的基底材料。其中，適用于集 成電路行業(yè)的是半導(dǎo)體級的硅片半導(dǎo)體硅片對產(chǎn)品質(zhì)量及一致性

6、要求極高，其純度須達99.9999999%以上，而最先進的工藝甚至需要做到 99.999999999%（11 個 9）。光伏級 單晶硅片僅需 6 個 9 即可滿足應(yīng)用需求，所以半導(dǎo)體生產(chǎn)所用硅片的制備難度遠大于光伏 級硅片。從礦石到多晶硅片。硅晶圓/硅片為目前制作集成電路的基底材料，其原始材料硅是第 二豐富的元素，構(gòu)成地殼總質(zhì)量的 26.4%，僅次于第一位的氧 49.4%。地殼表面取之不盡、 用之不竭的二氧化硅礦石，放入一個溫度約為 2000電弧熔爐中，在高溫下，碳和沙石中 的二氧化硅進行化學(xué)反應(yīng)，得到純度約為 98%的冶金級硅，這對微電子器件來說不夠純， 因為半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性對雜質(zhì)的濃度

7、非常敏感，因此需對冶金級硅進行進一步提純。 將粉碎的冶金級硅與氣態(tài)的氯化氫進行氯化反應(yīng)，生成液態(tài)的硅烷，然后通過蒸餾和化學(xué) 還原工藝，得到了純度高達 9 個 9 以上的電子級多晶硅。多晶硅內(nèi)部不同的區(qū)域晶向不同， 在區(qū)域之間會產(chǎn)生晶界，仍容易滯留雜質(zhì)。硅晶圓廠商將多晶硅加工成硅片。硅晶圓制造廠將此多晶硅加熱融解，放入一根硅晶 體籽晶，與熔融液接觸并將其緩慢地拉出成形，拉出與籽晶同樣晶向的單晶硅棒。因硅晶 棒是由一根晶棒在熔融態(tài)的硅原料中逐漸生長而成，此過程稱為長晶。硅晶棒再經(jīng)過切片、磨片、倒角、熱處理、拋光、清洗等加工制程，即可成為集成電路產(chǎn)業(yè)重要原料硅晶圓（硅 片），硅片表面的平坦度要求在微

8、米及亞微米級。每塊空白硅晶圓經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)和電子制程后，可布設(shè)多層精細的電子電路，在晶圓 廠內(nèi)制造芯片電路后，再經(jīng)切割、測試、封裝等程序，即成為一顆顆 IC。半導(dǎo)體制造流程 系包括 IC 設(shè)計、IC 晶圓制造、IC 封裝、IC 測試等階段。隨著整體半導(dǎo)體的垂直分工整合 的趨勢演進，依制造流程可區(qū)分為上游 IC 設(shè)計公司與硅晶圓制造公司，由 IC 設(shè)計公司依 客戶的需求設(shè)計出電路圖，硅晶圓制造公司則以多晶硅為原料制造出硅晶圓；中游 IC 晶圓 制造廠則根據(jù)設(shè)計好的電路圖，在晶圓上以光罩印上電路基本圖樣，再以氧化、擴散、CVD、 蝕刻、離子植入等方法，在晶圓上制作電路及電路上的組件；完成后再送往下

9、游之 IC 封裝、 測試廠，將加工完成的晶圓，經(jīng)切割過后的晶，以塑料、陶瓷或金屬包覆，保護晶以 免受污染且易于裝配，并達成芯片與電子系統(tǒng)的電性連接與散熱效果，最后進行 IC 功能、 電性與散熱等測試。半導(dǎo)體硅片占半導(dǎo)體制造材料市場規(guī)模比重約 37%，位于半導(dǎo)體制造三大核心材料之 首。半導(dǎo)體材料材料按應(yīng)用領(lǐng)域分為晶圓制造材料和封裝材料。晶圓制造端材料包括硅晶 圓、光刻膠、光掩膜版、特種氣體、CMP 拋光材料、濕電子化學(xué)品、濺射靶材等組成，后 端封裝材料包括導(dǎo)線架和基板、陶瓷封裝、封裝樹脂、焊線和黏合劑等。其中，硅晶圓、 特種氣體、掩膜版的市場規(guī)模占比較大，且以美日企業(yè)為主導(dǎo)。受半導(dǎo)體市場規(guī)模下降

10、影響，2019 年全球半導(dǎo)體材料市場規(guī)模為 521 億美元，同比下 降 1.1%。據(jù) Semi 數(shù)據(jù)，2018 年全球半導(dǎo)體硅材料市場規(guī)模 121 億美元，同比增長 32%； 2019 年全球半導(dǎo)體硅片市場增長率為-3%。2.硅晶圓的三種重要分類2.1 按制程分類2.1.1 拋光晶圓硅晶圓材料按照制程設(shè)計和產(chǎn)品差異，主要分為拋光片(polished wafer)、退火片 (annealed wafer)及外延片(磊晶晶圓，epitaxial wafer)三種，其他特殊工藝包括 SOI 等。 拋光片約占硅片應(yīng)用的 70%，廣泛用于數(shù)字與模擬集成電路及存儲器、功率器件等芯片， 其余約 30%硅片以

11、退火晶圓、外延晶圓等形式出貨。從硅棒到硅片。高純度電子級多晶硅經(jīng)由長晶(crystal pulling)、切片(slicing)、磨邊 (beveling)、磨面(lapping)、蝕刻(etching)、拋光(polishing)、清洗(cleaning)等步驟， 而生成一符合電性、表面物性、雜質(zhì)標準等規(guī)格的拋光晶圓，退火、外延、SOI 等特殊工 藝制程晶圓基于拋光晶圓加工而成。長晶環(huán)節(jié)的摻雜劑決定硅片的導(dǎo)電類型。半導(dǎo)體中有兩種載流子，即價帶中的空穴和 導(dǎo)帶中的電子，以電子導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體稱之為 N 型半導(dǎo)體，以空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體稱 為 P 型半導(dǎo)體。在長晶環(huán)節(jié)中，超純多晶硅在石英坩堝中熔

12、化，摻雜族元素(磷、砷、銻 等)，當雜質(zhì)原子以替位方式取代晶格中的鍺、硅原子時，可提供除滿足共價鍵配位以外的個多余電子，這就增加了半導(dǎo)體中電子濃度，稱為 N 型半導(dǎo)體；若摻入 III 族硼元素則出 現(xiàn)空穴，形成 P 型半導(dǎo)體。以加入元素的比例不同分為輕摻雜、中摻雜和重摻雜。重摻雜的半導(dǎo)體中，摻雜物與 半導(dǎo)體原子濃度比約千分之一；輕摻雜/低摻雜的濃度比可能會到十億分之一。半導(dǎo)體的電 阻率（10-3cm 109cm），利用摻雜技術(shù)可以決定硅單晶棒的種類以及相對應(yīng)的 電阻，重摻雜產(chǎn)品的電阻率通常小于 1cm。拋光片（PW，polished wafer）是單面或雙面被拋光成具有原子級平坦度的硅芯片，

13、約占硅片應(yīng)用的 70%。單晶硅晶棒生產(chǎn)出來后，從晶棒的圓柱狀單晶硅切割成薄片而成， 屬于高純度的硅元素的晶圓片。拋光目的是進一步去除加工表面殘留的損傷層，拋光片可 直接用于制作器件，也可作為外延的襯底材料。2.1.2 退火晶圓退火晶圓（退火片，Annealed wafer）是將已拋光晶圓置于擴散爐中，利用高純度 氫氣退火片是將拋光片置于退火爐/擴散爐中，在氫氣或氬氣氛中于 11001200C 高溫下 對硅晶圓片實施退火處理，經(jīng)數(shù)小時之后可將晶圓片表層部的氧氣向外加以擴散，可使表 層之氧濃度大幅降低，同時可消除拉晶過程中所形成的微小 COP(Crystal Originated Particle

14、)缺陷。并且藉由高溫?zé)崽幚磉^程當中所形成的 BMD(Bulk Micro Defect)來吸附晶 圓表面快速擴散的金屬雜質(zhì)，以提升半導(dǎo)體 IC 制程良率及產(chǎn)品品質(zhì)。使用 Annealed wafer 制品之主要目的是消除晶圓表面及表層部的組件制作區(qū)域上的 缺陷，并且具有很強的重金屬污染捕獲能力。一般 CMOS 組件制作及 DRAM 制造廠商對 于晶圓片表層之缺陷要求相當?shù)膰栏?，故使用具有低缺陷密?COP、表 OSF)的退火晶圓 可以有較高的氧化層崩潰電壓(gate oxide breakdown voltage 或 GOI)，以增加產(chǎn)品良率。 此外，從拋光片加工成退火片工藝相對簡單，因此退火

15、片的單價低于外延晶圓單價，可以 部分替代薄膜外延片的需求2.1.3 外延晶圓外延片（磊晶晶圓，epitaxial wafer)是指在拋光晶圓表面外延生長出一層不同電阻率 的單晶薄膜。通過氣相外延沉積的方法在襯底上進行長晶，與最下面的襯底結(jié)晶面整齊排 列進行生長，新生長的單晶層稱為外延層，長了外延片的襯底稱為外延片。作為襯底的單 晶硅片根據(jù)尺寸不同，厚度位于 500-800 微米，常用的外延層厚度為 2-20 微米。為什么需要外延工藝？外延生長技術(shù)發(fā)展于 20 世紀 50 年代末 60 年代初，為了制造 高頻大功率器件，需要減小集電極串聯(lián)電阻。隨著半導(dǎo)體器件性能的要求不斷提高，對單 晶硅片的要求

16、越來越高，控制硅單晶片的原生缺陷變得越來越難，因此硅外延片越來越多 地被采用。外延片具有拋光片所不具有的某些電學(xué)特性，并消除了許多在晶體生長和其后 的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。外延用于生長元素、半導(dǎo)體化合物和合金薄結(jié)晶 層，可以較好地控制膜的純度、膜的完整性以及摻雜級別。外延片分類方式較多，可以按反應(yīng)室、外延溫度、材料異同、外延厚度、摻雜濃度、 導(dǎo)電類型、外延生長方式等分類，以下介紹兩種主要的分類方法：按照襯底與外延層材料，可分為同質(zhì)外延與異質(zhì)外延。當外延膜在同一種材料上生長 時，稱為同質(zhì)外延，如硅基外延硅；在不同材料上生長外延則稱為異質(zhì)外延，如硅基氮化 鎵（GaN on Si）。按

17、照原子輸入方式，主要分為氣相外延（VPE）、液相外延（LPE）、固相外延（SPE）。 氣相外延方式常用來生長 Si 外延材料、GaAs 外延材料等；液相外延主要用于生長制造光 電器件所需的化合物外延功能薄層材料；其中，化學(xué)氣相沉積(CVD)生長方法應(yīng)用最為廣泛， 滿足晶體的完整性、器件結(jié)構(gòu)的多樣化，裝置可控簡便，批量生產(chǎn)、純度的保證、均勻性 要求。在化合物半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用，分子束外延（MBE）、金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD） 也成為重要的外延生長方式。MBE 廣泛地用于獲得超薄層異質(zhì)結(jié)外延功能材料，優(yōu)點是材 料的質(zhì)量非常好，但是生長速度比較慢。MOCVD 采用液相狀態(tài)的金屬有機化合物同汽態(tài)

18、 的氫化物作為沉積源原材料，以熱分解反應(yīng)方式沉積形成外延層，MOCVD 方法可以獲得 -V 族、-族化合物晶層及它們的多元超薄單晶層。外延片主要技術(shù)指標包括產(chǎn)品直徑、外延厚度、外延電阻率、外延層厚度均勻性、電 阻均勻性、表面缺陷等。外延硅晶圓廣泛使用在二極管、IGBT 功率器件、低功耗數(shù)字與模 擬集成電路及移動計算通訊芯片等，為了滿足不同的要求，襯底及外延層的技術(shù)參數(shù)通常 根據(jù)客戶要求及下游產(chǎn)品定制。2.1.4 SOI，硅的異質(zhì)外延SOI（絕緣體上硅，Silicon-On-Insulator）屬于硅的異質(zhì)外延，原理是在硅晶體管 之間加入絕緣層。SOI 硅片是差異化、功能性集成電路襯底材料，其全

19、介質(zhì)隔離特征能夠 實現(xiàn)全新的、不同于拋光片和外延片的器件設(shè)計。SOI 可使硅之間的寄生電容減少一半， 由于 SOI 硅片具有寄生電容小、短溝道效應(yīng)小、繼承密度高、速度快、功耗低等優(yōu)點。SOI 硅片的原理比較簡單，核心目標就是在襯底中間加入一層絕緣層，一般為二氧化 硅 SiO2 層。SOI 硅片的制造方法主要有四種：SIMOX 技術(shù)、Bonding 技術(shù)、Sim-bond 技術(shù)和 Smart-Cut 技術(shù)。SIMOX 即注氧隔離技術(shù)，通過氧離子注入和退火兩個關(guān)鍵步驟在普通半導(dǎo)體硅片內(nèi)部 嵌入氧化物隔離層，從而制備 SOI 硅片。SIMOX 適合于制作薄膜全耗盡超大規(guī)模集成電路。Bonding 即

20、鍵合技術(shù)，是通過將兩片普通半導(dǎo)體硅片氧化、鍵合以及退火加固后，通 過研磨與拋光將其中一個半導(dǎo)體硅片減薄到所要求的厚度來制備 SOI 硅片的方法。Sim-bond 即注氧鍵合技術(shù)，通過在硅材料上注入離子并結(jié)合高溫退火，形成分布均 勻的離子注入層作為化學(xué)腐蝕阻擋層，實現(xiàn)對最終器件層的厚度及其均勻性的良好控制。 Sim-bond 技術(shù)制備的 SOI 硅片具有優(yōu)越的頂層硅均勻性，同時也能得到厚的絕緣埋層， 因此廣泛應(yīng)用于汽車電子、硅光子等領(lǐng)域。Smart Cut 即智能剝離技術(shù)，是世界領(lǐng)先的 SOI 制備技術(shù)，通過氫離子注入實現(xiàn)硅層 的可控轉(zhuǎn)移。氫注入不會導(dǎo)致硅片晶格的損傷，大幅度提升了頂層硅晶體質(zhì)量

21、，達到與體 硅晶體質(zhì)量相同的水準。此外，剝離的硅片襯底經(jīng)過拋光加工后重復(fù)使用，大幅度降低了 生產(chǎn)成本；頂層硅厚度可以通過氫離子的注入能量來調(diào)節(jié)，可以滿足頂層硅厚度 1.5m 以 下各類 SOI 硅片領(lǐng)域的應(yīng)用。因此廣泛應(yīng)用于汽車電子、硅光子、射頻前端芯片等領(lǐng)域。SOI 產(chǎn)品主要應(yīng)用包括數(shù)字 SOI、RF-SOI、功率 SOI、FD SOI、光學(xué) SOI，近年應(yīng) 用從數(shù)字向射頻、功率等領(lǐng)域拓展。數(shù)字 SOI 用于處理器芯片和連接 SoC；RF SOI 應(yīng)用于 射頻應(yīng)用，目前已經(jīng)成為智能手機的開關(guān)和天線調(diào)諧器的最佳解決方案；POWER SOI 用 于智能功率轉(zhuǎn)換電路，主要應(yīng)用于汽車、工業(yè)、家電消費

22、類等高可靠性高性能場景；FD SOI 具有減少硅幾何尺寸同時簡化制造工藝的優(yōu)點，主要應(yīng)用在智能手機、物聯(lián)網(wǎng)、5G、汽車 等對于高可靠性、高集成度、低功耗、低成本的應(yīng)用領(lǐng)域；光學(xué) SOI 應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、云 計算等光通信領(lǐng)域。2.2 按應(yīng)用場景分為正片、陪片和刻蝕電極從硅片在晶圓廠的應(yīng)用場景角度來看，硅片可以分為正片（Prime Wafer）和陪片。 陪片又按功能分為測試片（Test Wafer）、擋片（Dummy Wafer）和控片（Monitor Wafer），測試片與控片的用途也有所重疊。測試片主要用于實驗及檢查等用途，也用于制造設(shè)備投入使用初期以提高設(shè)備穩(wěn)定性； 擋片用于新產(chǎn)線調(diào)試以及晶

23、圓生產(chǎn)控制中對正片的保護；控片多用于正式生產(chǎn)前對新工藝 測試、監(jiān)控良率，同時為監(jiān)控正式生產(chǎn)過程中的工藝精度及良率，需要在晶圓正片生產(chǎn)過 程中插入控片增加監(jiān)控頻率。擋片和控片一般是由晶棒兩側(cè)品質(zhì)較差段切割出來。另外，部分擋控片可重復(fù)使用。 由于擋控片作為輔助生產(chǎn)使用且用量巨大，晶圓廠通常會回收用過的擋片，經(jīng)研磨拋光， 重復(fù)使用數(shù)次；而控片則需具體情況具體對待，用在某些特殊制程的控片無法回收使用， 可以回收重復(fù)利用的擋控片又被稱為可再生硅片。刻蝕用硅材料，13-19 英寸大硅片的細分市場。除作為直接生產(chǎn)材料，半導(dǎo)體硅材料 還可用于刻蝕設(shè)備的電極。集成電路刻蝕用單晶硅材料，經(jīng)硅電極制造商機械加工為硅

24、電 極，用于芯片制造刻蝕機中的反應(yīng)腔中，是晶圓制造刻蝕環(huán)節(jié)所必需的核心耗材。刻蝕用 硅電極半導(dǎo)體，直徑大于正片，目前主流晶體尺寸覆蓋 13-19 英寸以適用不同型號刻蝕設(shè) 備，全球范圍內(nèi)已實現(xiàn)商用的最大尺寸可達 19 英寸。刻蝕用硅材料全球市場規(guī)模約 15 億 元，屬于半導(dǎo)體級單晶硅材細分市場。2.3 12 寸晶圓出貨面積占比逾六成跟隨摩爾定律演進，集成電路制造所用的主流晶圓直徑從 4 英寸、6 英寸、8 英寸到 12 英寸。直徑越大的圓片，所能刻制的集成電路越多，芯片的單位成本越低，因此晶圓持 續(xù)向大尺寸發(fā)展。尺寸演變節(jié)奏上，1980 年代以 4 英寸硅片為主流，1990 年代是 6 英寸

25、占主流，2000 年代 8 英寸占主流，2002 年英特爾與 IBM 首先建成 12 英寸生產(chǎn)線，到 2005 年 12 英寸硅片的市場份額已占 20%，2008 年升至 30%，2008 年以來 12 寸成為晶圓主 要尺寸，2017 年繼續(xù)上升至 66.01%。據(jù) SEMI 統(tǒng)計，2019 年，全球 12 英寸半導(dǎo)體硅片 出貨面積占全部半導(dǎo)體硅片出貨面積的 67.22%。為什么 450mm 晶圓投產(chǎn)節(jié)奏一再低于預(yù)期？晶圓尺寸歷史上約 10 年升級一次，從 2011 年起，業(yè)界即預(yù)測在摩爾定律的驅(qū)動下，18 英寸晶圓將于 2017 年投產(chǎn)，隨著 18 寸 硅片的生產(chǎn)技術(shù)逐漸成熟，原本預(yù)計 12

26、 英寸未來也將朝著 18 英寸過渡，但 18 英寸晶圓 未如期而至。大尺寸晶片對材料、技術(shù)、設(shè)備投資的要求也越高，高額的投資成本是主因。 SEMI 曾預(yù)測每個 450mm 晶圓廠將耗資 100 億美元，但單位面積芯片成本只下降 8%。目 前，市場預(yù)期 18 英寸晶圓預(yù)計于最早也將于 2022 年后才得以推進，并且三大 IC 制造巨 頭將投資轉(zhuǎn)向 EUV，18 英寸的前途更加不明朗。8 英寸與 12 英寸晶圓適應(yīng)產(chǎn)品領(lǐng)域略有差異，12 英寸為成長主力。8 英寸主要用于 成熟制程及特種制程，在應(yīng)用端，對 8 英寸晶圓代工的強勁需求主要來源于功率器件、電 源管理 IC、影像傳感器、指紋識別芯片和顯示

27、驅(qū)動 IC 等；12 英寸主要適用于 28nm 以下 的先進制程，主要成長動力來自于存儲和邏輯芯片。SUMCO 預(yù)計 2018-2022 年，12 寸 硅片需求量 CAGR 達 4.1%。8 英寸晶圓在成熟制程及特殊制程具有優(yōu)勢，需求占比預(yù)計將維持 20%以上。8 英寸 產(chǎn)線因折舊完畢具有成本優(yōu)勢，同時在模擬電路、高功率等晶圓生產(chǎn)具有優(yōu)勢。據(jù) SEMI 最新報告，2019 年底有 15 個新 Fab 廠開工建設(shè)，總投資金額達 380 億美元，其中約有一 半用于 8 英寸晶圓尺寸。IC Insights 預(yù)計未來 2 年，8 寸晶圓產(chǎn)能預(yù)計維持 23%左右市占 率。新興需求迭起，8 寸晶圓廠出現(xiàn)

28、階段性產(chǎn)能緊張。8 寸硅片目前主要用于指紋識別芯片、 電源管理芯片、功率器件、微控制器等半導(dǎo)體產(chǎn)品的生產(chǎn)。2016 年以來，隨著存儲計算、 邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)等新應(yīng)用的興起帶動了 NOR Flash、指紋識別芯片、電源芯片等產(chǎn)品對 8 寸晶圓的需求，汽車電子興起帶動功率器件需求，市場隨之出現(xiàn)供應(yīng)緊張狀態(tài)。2017Q2 起，8 寸硅片的需求開始超過產(chǎn)能，8 寸硅片的供給開始趨緊。3.硅晶圓的技術(shù)與投資壁壘3.1 硅晶圓生長工藝及技術(shù)壁壘將多晶硅拉制成單晶硅主要有直拉法和區(qū)熔法兩種工藝。1947 年，俄國人切克勞爾斯 基發(fā)明了拉制金屬單晶的直拉 CZ 法工藝。1951 年，美國人蒂爾和利特把 CZ

29、法移植到硅 單晶生長工藝上來，拉出了100mm 的單晶。1952 年，美國人普凡采用高頻感應(yīng)加熱發(fā) 明了硅單晶生長的無坩堝懸浮區(qū)域熔煉 FZ法。此后，CZ法和FZ法的工藝與設(shè)備不斷發(fā)展， 使之成為現(xiàn)代硅單晶生產(chǎn)的主要技術(shù)。大部分半導(dǎo)體硅片使用直拉法生產(chǎn)。硅區(qū)熔單晶硅(FZ-Si)主要用于制作電力電子器件 (SR、SCR、GTO 等)、射線探測器、高壓大功率晶體管等；直拉單晶硅(CZ-Si)主要用于制 作集成電路、晶體管、傳感器及硅光電池等。目前，90以上的單晶硅采用直拉法生產(chǎn)。直拉法生產(chǎn)過程： 半導(dǎo)體用單晶硅片純度在 9N （ 99.9999999% ） -11N(99.999999999%)

30、左右，純度要求最低是光伏單晶硅片的 1000 倍以上，原材料使用 的多晶硅純度通常為 8-9 個 9。首先將多晶硅和摻雜劑放入單晶爐內(nèi)的石英坩堝中，將溫 度升高至 1420以上，得到熔融狀態(tài)的多晶硅。其中，通過調(diào)控放入摻雜劑的種類（B、P、 As、Sb）及含量，可以得到不同導(dǎo)電類型及電阻率的硅片。待多晶硅溶液溫度穩(wěn)定之后， 將籽晶緩慢下降放入硅熔體中（籽晶在硅融體中也會被熔化），然后將籽晶以一定速度向 上提升進行引晶過程。隨后通過縮頸操作，將引晶過程中產(chǎn)生的位錯消除。當縮頸至足夠 長度后，通過調(diào)整拉速和溫度使單晶硅直徑變大至目標值，然后保持等徑生長至目標長度。 最后為了防止位錯反延，對單晶錠進

31、行收尾操作，得到單晶錠成品，待溫度冷卻后取出。長晶技術(shù)主要體現(xiàn)在爐內(nèi)溫度的熱場和控制晶體生長形狀的磁場設(shè)計能力。單晶爐由 爐體、熱場、磁場、控制裝置等部件組成，硅料經(jīng)過提煉提純成為高純度的多晶硅后，在 單晶爐中長成單晶硅棒，集成電路刻蝕用單晶硅材料在生產(chǎn)中需要對熱場進行合理的設(shè)計， 精確控制原材料和摻雜劑配比，持續(xù)動態(tài)控制晶體的固液共存界面形狀、晶體成長速度、 旋轉(zhuǎn)速率、腔體溫度場分布及氣流氣壓等諸多生產(chǎn)參數(shù)并實現(xiàn)上述生產(chǎn)參數(shù)之間的動態(tài)匹 配，技術(shù)難度較高，且隨著產(chǎn)品尺寸增加，對應(yīng)的生產(chǎn)難度也成倍增長。單晶硅生長技術(shù)決定了硅片的主要質(zhì)量參數(shù)。當高純度多晶硅在石英坩堝內(nèi)熔化后， 由于硅元素與其他

32、元素的結(jié)晶效率存在差異，部分雜質(zhì)元素進入硅單晶體的難度較大，部 分雜質(zhì)元素將隨著時間的推移逐漸沉積到多晶硅熔液底部并形成殘留物，生長成單晶硅材 料產(chǎn)品的純度高于原材料多晶硅的純度。由于長晶過程中使用石英坩堝和加熱元件，仍然 會形成碳和氧雜質(zhì)。硅拋光晶圓的主要技術(shù)指標包括直徑、晶體工藝、摻雜劑、晶向、電 阻率、厚度等，其他質(zhì)量指標包括缺陷密度、氧含量、碳含量、翹曲度等，其中大部分參 數(shù)由長晶技術(shù)決定。下游芯片制程的技術(shù)節(jié)點越先進，對應(yīng)的硅片上述指標控制越嚴格，不同的技術(shù)節(jié)點 對應(yīng)的指標控制參數(shù)會有相差。產(chǎn)業(yè)鏈下游的半導(dǎo)體芯片制造通常采用不同工藝制程完成， 不同的芯片制程工藝技術(shù)節(jié)點，對應(yīng)于半導(dǎo)體

33、硅片不同的純度、晶體原生缺陷和雜質(zhì)控制 水平、硅片表面和邊緣平整度、翹曲度、厚度均勻性等指標要求。伴隨半導(dǎo)體廠商晶圓制 程朝細微化前進，對上游硅晶圓表面的潔凈度要求更為嚴苛，因此硅晶圓制程中拉晶工程 技術(shù)(例：氧濃度及微缺陷多寡)的提升及制程上的支持就愈顯得重要。晶碇經(jīng)成型工藝加工成片。切片，將單晶晶棒通過切片設(shè)備切成合適厚度的硅片；邊 緣倒角是使晶圓邊緣圓滑的機械工藝，將硅片邊緣修正成圓弧狀，改善硅片的機械強度， 減少應(yīng)力集中造成的硅片缺陷；磨片是磨料研磨工藝，它的主要目的是去除切片工程殘留 的表面損傷，同時改善硅片的總平坦度、翹曲度；化腐，硅片經(jīng)過切片和磨片后，其表面 因加工應(yīng)力會形成一層

34、損傷層，腐蝕則是利用混酸蝕刻硅片去除表面損傷層，使整片硅片 維持高質(zhì)量的單晶特性；拋光，拋光制程使用拋光漿與拋光布，搭配適當?shù)臏囟?，壓力與 旋轉(zhuǎn)速度，可消除前制程所留下的機械傷害層，改善硅片表面粗糙度，并且得到表面平坦 度極佳的硅片，避免客戶曝光制程中遭遇的聚焦問題。半導(dǎo)體技術(shù)密集度高，其制程技術(shù)與產(chǎn)品產(chǎn)出良率決定生產(chǎn)成本高低。而研發(fā)人才與 制程技術(shù)具有密切關(guān)系，但研發(fā)專業(yè)人才培養(yǎng)及延攬不易。我國半導(dǎo)體硅片產(chǎn)業(yè)起步較晚， 國內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)人才非常稀缺。加上產(chǎn)品需經(jīng)過客戶認證后方能取得訂單，客戶認證周期長， 一個新供應(yīng)商的認證周期至少需要 9-18 個月，造成新競爭者有較高之進入門坎。3.2 硅晶圓

35、廠商資金壁壘高除了技術(shù)壁壘高、人才壁壘高，半導(dǎo)體硅片行業(yè)具有資金壁壘高的特點，行業(yè)準入門 檻較高。2018 年前，300mm 半導(dǎo)體硅片僅由前五大硅晶圓供應(yīng)商提供，國內(nèi)擁有 300mm 半導(dǎo)體硅片供應(yīng)能力的企業(yè)較少。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是資本與技術(shù)高度密集的工業(yè)，由于生產(chǎn)機臺昂貴且產(chǎn)品技術(shù)變化快速， 需要投入之資本支出越發(fā)龐大。硅晶圓與晶圓廠類似，均為重資產(chǎn)行業(yè)，硅晶圓大廠 SUMCO、Siltronic、環(huán)球晶圓的固定資產(chǎn)周轉(zhuǎn)率通常小于 2，2016 年最低點小于 1。參考國內(nèi)硅晶圓代表企業(yè)滬硅產(chǎn)業(yè)近幾年的成本結(jié)構(gòu)：直接材料占比 40-50%，直接 人工占比 10-15%，制造費用占比 40-50%。

36、硅晶圓生產(chǎn)原材料主要包括電子級多晶硅、石英坩堝、石墨坩堝、切割線、拋光液等。 參考滬硅產(chǎn)業(yè) 2018 年直接材料構(gòu)成，多晶硅占比 31%，襯底片（用于外延及 SOI 晶圓生 產(chǎn)）占比 21%，石英坩堝占比 9%，其他材料合計占比 22%。4硅晶圓十年周期復(fù)盤硅晶圓制造業(yè)產(chǎn)業(yè)于整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)架構(gòu)中材料供應(yīng)角色，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā) 展，對硅晶圓材料之需求亦急速增加。半導(dǎo)體行業(yè)呈周期性波動和螺旋式上升的趨勢，半 導(dǎo)體硅片行業(yè)的市場波動基本同步于整個半導(dǎo)體行業(yè)的波動周期。2009-2019 年間，硅晶圓市場規(guī)模高增時段為 2010 年、2014 年、2016-2018 年； 顯著下降期為 2011

37、-2013 年2009-2010 年，金融危機的半導(dǎo)體市場與硅片市場快速復(fù)蘇。2008 年，受金融危機 影響，半導(dǎo)體硅片市場自 2008 年 9 月起大幅下滑，直到 2009Q1 觸底反彈，隨后緩慢復(fù) 蘇。2009-2010 年間，經(jīng)濟刺激政策促進全球經(jīng)濟復(fù)蘇，半導(dǎo)體市場持續(xù)增長。2011-2013 年，日元連續(xù)大幅貶值，硅片市場與半導(dǎo)體市場規(guī)模趨勢背離。2011-2013 年間，受益于智能手機與平板電腦普及，半導(dǎo)體市場規(guī)模溫和上漲，但美元對日元匯率分 別上漲 12.8%、21.4%、13.7%，且從整體供應(yīng)廠商結(jié)構(gòu)來看，日廠占整體硅晶圓比重五 成以上，致硅晶圓市場規(guī)模連續(xù)下滑。從下游看來，智

38、能手機與平板市場持續(xù)增長，個人 電腦市場增長緩慢，其他消費電子產(chǎn)品需求熄火。微處理器、功率半導(dǎo)體產(chǎn)量下降，8 寸硅 片需求迅速下降。2013-2015H1，中低端智能手機普及，半導(dǎo)體市場規(guī)模再次成長。受惠于智能手機與 平板計算機等手持裝置需求提升，尤其是中低階手機下半年出貨量高于高階機種，半導(dǎo)體 產(chǎn)業(yè)景氣自 2013 年起逐漸復(fù)蘇。2014 年在行動智能裝置出貨量持續(xù)呈現(xiàn)成長態(tài)勢，特別 是中低階市場的拉抬，且汽車電子需求也呈現(xiàn)穩(wěn)定增長，以及對全球宏觀經(jīng)濟情勢改善的 預(yù)期之下，2014 年全球半導(dǎo)體銷售額成長道亦有所增強。內(nèi)存、處理器及通訊芯片等 IC 零組件持續(xù)供不應(yīng)求，讓各半導(dǎo)體廠的產(chǎn)能利用

39、率居高不下，也間接使得半導(dǎo)體材料持續(xù) 成長，尤其半導(dǎo)體 12 吋硅晶圓需求更為顯著；8 吋晶圓的需求中電源管理、指紋辨識、LCD 驅(qū)動和車用電子等，目前沒有向上升級到 12 吋必要，也導(dǎo)致需求大增。在這樣快速增長的 情況下，全球的大硅片依然顯得供不應(yīng)求。2013-2015Q2，硅片同比出貨量均維持了高景 氣度，全球 12 寸硅晶圓出貨量從 2013Q1 約 3.6KK/M，增至 2015Q2 出貨量 5.2KK/M， 增長約 40%。但硅晶圓廠 2013 年度開工率環(huán)比下降 1pct，且 DRAM、NAND 均大幅降 價，因此 2013-2015H1 半導(dǎo)體市場規(guī)模及硅晶圓市場規(guī)模僅發(fā)生微小變化。2015H2-2016H1，硅晶圓市場需求盤整期。NAND 價格于 2015 年觸底反彈，DRAM 價格直到 2016 年 5 月才有起色。2016 年，由于功率組件(MOSFET、Schottky)等產(chǎn)品需求強勁，中小尺寸產(chǎn)品全年皆維持近乎滿產(chǎn)能生產(chǎn)，但全球智能型手機及 PC 并未見明顯成 長，因此大尺寸(8&12)產(chǎn)品表現(xiàn)持平。2016H2-2018 年，半導(dǎo)體與硅晶圓市場再度成長，硅晶圓大廠盈利均顯著改善。 2016Q2 智能手機庫存調(diào)整結(jié)束，晶圓廠景氣復(fù)蘇；自 2016Q4 起，8”及 12”硅晶圓庫 存均快速下調(diào)