一文讀懂半導(dǎo)體大硅片

硅片概況

常見的半導(dǎo)體材料包括硅（Si）、鍺（Ge）等元素半導(dǎo)體及砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）等化合物半導(dǎo)體。相較于鍺，硅的熔點(diǎn)為 1415℃，高于鍺的熔點(diǎn) 937℃，較高的熔點(diǎn)使硅可以廣泛應(yīng)用于高溫加工工藝中；硅的禁帶寬度大于鍺，更適合制作高壓器件。相較于砷化鎵，硅安全無毒、對(duì)環(huán)境無害，而砷元素為有毒物質(zhì)；并且鍺、砷化鎵均沒有天然的氧化物，在晶圓制造時(shí)還需要在表面沉積多層絕緣體，這會(huì)導(dǎo)致下游晶圓制造的生產(chǎn)步驟增加從而使生產(chǎn)成本提高。

硅基半導(dǎo)體材料是目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料，90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是用硅基材料制作的。硅在地殼中占比約 27%，是除了氧元素之外第二豐富的元素，硅元素以二氧化硅和硅酸鹽的形式大量存在于沙子、巖石、礦物中，儲(chǔ)量豐富并且易于取得。通常將 95-99%純度的硅稱為工業(yè)硅。沙子、礦石中的二氧化硅經(jīng)過純化，可制成純度 98%以上的硅；高純度硅經(jīng)過進(jìn)一步提純變?yōu)榧兌冗_(dá) 99.9999999%至99.999999999%（9-11 個(gè) 9）的超純多晶硅；超純多晶硅在石英坩堝中熔化，并摻入硼（P）、磷（B）等元素改變其導(dǎo)電能力，放入籽晶確定晶向，經(jīng)過單晶生長，制成具有特定電性功能的單晶硅錠。熔體的溫度、提拉速度和籽晶/石英坩堝的旋轉(zhuǎn)速度決定了單晶硅錠的尺寸和晶體質(zhì)量，而熔體中的硼（P）、磷（B）等雜質(zhì)元素的濃度決定了單晶硅錠的電特性。

單晶硅錠經(jīng)過切片、研磨、蝕刻、拋光、外延（如有）、鍵合（如有）、清洗等工藝步驟，制造成為半導(dǎo)體硅片。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，半導(dǎo)體硅片需要盡可能地減少晶體缺陷，保持極高的平整度與表面潔凈度，以保證集成電路或半導(dǎo)體器件的可靠性。

在半導(dǎo)體硅片上可布設(shè)晶體管及多層互聯(lián)線，使之成為具有特定功能的集成電路或半導(dǎo)體器件產(chǎn)品，下游主要包括手機(jī)與平板電腦、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、人工智能、工業(yè)電子、軍事太空等領(lǐng)域。

半導(dǎo)體硅片分類

根據(jù)尺寸分類，半導(dǎo)體硅片的尺寸（以直徑計(jì)算）主要有 50mm（2 英寸）、75mm（3 英寸）、100mm（4 英寸）、150mm（6 英寸）、200mm（8 英寸）與 300mm（12英寸）等規(guī)格。

1965 年，戈登摩爾提出摩爾定律：集成電路上所集成的晶體管數(shù)量，每隔 18 個(gè)月就提升一倍，相應(yīng)的集成電路性能增強(qiáng)一倍，成本隨之下降一半。對(duì)于芯片制造企業(yè)而言，這意味著需要不斷提升單片硅片可生產(chǎn)的芯片數(shù)量、降低單片硅片的制造成本以便與摩爾定律同步。

半導(dǎo)體硅片的直徑越大，在單片硅片上可制造的芯片數(shù)量就越多，單位芯片的成本隨之降低。在摩爾定律的影響下，半導(dǎo)體硅片正在不斷向大尺寸的方向發(fā)展。硅片的尺寸越大，相對(duì)而言硅片邊緣的損失會(huì)越小，有利于進(jìn)一步降低芯片的成本。例如，在同樣的工藝條件下，300mm 半導(dǎo)體硅片的可使用面積超過 200mm 硅片的兩倍以上，可使用率（衡量單位晶圓可生產(chǎn)的芯片數(shù)量的指標(biāo)）是 200mm 硅片的 2.5 倍左右。

目前，全球市場主流的產(chǎn)品是 300mm 和 200mm 直徑的半導(dǎo)體硅片。終端應(yīng)用領(lǐng)域來看，300mm 主要應(yīng)用在智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)、云計(jì)算、人工智能、 SSD（固態(tài)存儲(chǔ)硬盤）等較為高端領(lǐng)域，目前出貨面積占比 60%以上。200mm 硅片主要應(yīng)用在移動(dòng)通信、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)電子等領(lǐng)域，目前出貨面積 20%以上。

根據(jù)制造工藝分類，半導(dǎo)體硅片主要可以分為拋光片、外延片與以 SOI 硅片為代表的高端硅基材料。單晶硅錠經(jīng)過切割、研磨和拋光處理后得到拋光片。拋光片經(jīng)過外延生長形成外延片，拋光片經(jīng)過氧化、鍵合或離子注入等工藝處理后形成 SOI 硅片。

硅片制作流程（略）

半導(dǎo)體硅片的生產(chǎn)流程包括拉晶—>滾磨—>線切割—>倒角—>研磨—>腐蝕—>熱處理—>邊緣拋光—>正面拋光—>清洗—>檢測—>外延等步驟。其中拉晶、研磨和拋光是保證半導(dǎo)體硅片質(zhì)量的關(guān)鍵。

單晶生長技術(shù)的重點(diǎn)在于保證拉制出的硅錠保持極高純度水平（純度至少為99.999999999%）的同時(shí)，有效控制晶體缺陷的密度。當(dāng)前制備單晶硅技術(shù)主要分為懸浮區(qū)熔法（FZ 法）和直拉法（CZ 法）兩種。

下游應(yīng)用帶動(dòng)硅片市場不斷增長

硅片終端應(yīng)用逐漸多元化

目前手機(jī)、計(jì)算機(jī)等仍是半導(dǎo)體行業(yè)終端最大的應(yīng)用市場。2018 年全球手機(jī)和基站、計(jì)算機(jī)用芯片銷售額分別為 487 億美元、280 億美元，在半導(dǎo)體終端市場的占比分別為 36%、21%。

據(jù) Gartner 預(yù)計(jì)，2017-2022 年增速最快的半導(dǎo)體終端應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)電子和汽車電子，將成為未來幾年全球半導(dǎo)體行業(yè)增長最重要的驅(qū)動(dòng)力。其中，工業(yè)電子年復(fù)合增長率預(yù)計(jì)可達(dá) 12%。隨著工業(yè)從規(guī)?；呦蜃詣?dòng)化、智能化，工業(yè)與信息化的深度融合、智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)將帶動(dòng)工業(yè)電子需求的增長。汽車電子 2017-2022 年預(yù)計(jì)復(fù)合增長率為 11%。汽車電子的增長主要源于傳統(tǒng)車輛電子功能的擴(kuò)展、自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷成熟以及電動(dòng)汽車行業(yè)的快速成長。車輛的 ABS（防抱死）系統(tǒng)、車載雷達(dá)、車載圖像傳感系統(tǒng)、電子車身穩(wěn)定程序、電控懸掛、電動(dòng)手剎、壓力傳感器、加速度計(jì)、陀螺儀與流量傳感器等，均需要使用半導(dǎo)體產(chǎn)品，汽車智慧化的趨勢極大地拉動(dòng)了汽車電子產(chǎn)品的增長。隨著電動(dòng)汽車的普及與車輛電壓、電池容量標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，電源管理器與分離式功率器件的需求量也將隨之上升。通常情況下，汽車電子芯片使用200mm 及以下拋光片與 SOI 硅片。汽車電子市場規(guī)模的擴(kuò)大將拉動(dòng) 200mm 及以下拋光片與 SOI 硅片的需求。

未來的爆發(fā)式增長將會(huì)出現(xiàn)在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、新能源汽車、區(qū)塊鏈等新興終端應(yīng)用。半導(dǎo)體硅片行業(yè)除了受宏觀經(jīng)濟(jì)影響，亦受到具體終端市場的影響。例如 2010 年，全球宏觀經(jīng)濟(jì)增速僅 4%，但由于 iPhone4 和 iPad 的推出，大幅拉動(dòng)了半導(dǎo)體行業(yè)的需求，2010 年全球半導(dǎo)體行業(yè)收入增長達(dá) 32%。2017 年開始，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、新能源汽車、區(qū)塊鏈等新興終端應(yīng)用的出現(xiàn)，半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入了多種新型需求同時(shí)爆發(fā)的新一輪上行周期。半導(dǎo)體硅片可應(yīng)用于多個(gè)潛在新興終端市場，如汽車電子功率器件、5G 通信設(shè)備中的射頻芯片等，有望爆發(fā)式增長。

芯片產(chǎn)能投放拉動(dòng)硅片需求

芯片制造產(chǎn)能情況是判斷半導(dǎo)體硅片需求量最直接的指標(biāo)。2017 至 2020 年，全球芯片制造產(chǎn)能（折合成 200mm）預(yù)計(jì)將從 1985 萬片/月增長至 2407 萬片/月，年均復(fù)合增長率 6.64%；中國芯片制造產(chǎn)能從 276 萬片/月增長至 460 萬片/月，年均復(fù)合增長率 18.50%。近年來，隨著中芯國際、華力微電子、長江存儲(chǔ)、華虹宏力等中國大陸芯片制造企業(yè)的持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)，中國大陸芯片制造產(chǎn)能增速高于全球芯片產(chǎn)能增速。隨著芯片制造產(chǎn)能的增長，對(duì)于半導(dǎo)體硅片的需求仍將持續(xù)增長

大硅片市場規(guī)模持續(xù)發(fā)展

全球半導(dǎo)體市場規(guī)模近年來增速平穩(wěn)，2012-2018 年復(fù)合增速 8.23%。其中，中國大陸集成電路銷售規(guī)模從 2158 億元迅速增長到 2018 年的 6531 億元，復(fù)合增速為20.27%，遠(yuǎn)超全球其他地區(qū)，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)加速向大陸轉(zhuǎn)移。集成電路一般分為設(shè)計(jì)、制造和封測三個(gè)子行業(yè)，在制造和封測行業(yè)中，均需要大量的半導(dǎo)體新材料支持。2018 年全球半導(dǎo)體材料市場產(chǎn)值為 519.4 億美元，同比增長 10.68%。其中晶圓制造材料和封裝材料分別為 322 億美元和 197.4 億美元，同比+15.83%和+3.30%。

2018年，在市場產(chǎn)值為 322 億美金的半導(dǎo)體制造材料中，大硅片、特種氣體、光掩模、CMP材料、光刻膠、光刻膠配套、濕化學(xué)品、靶材分別占比 33%、14%、13%、7%、6%、7%、4%、3%。分地區(qū)來看，目前大陸半導(dǎo)體材料市場規(guī)模 83 億美元，全球占比 16%，僅次于中國臺(tái)灣和韓國，為全球第三大半導(dǎo)體材料區(qū)域。

隨著半導(dǎo)體市場不斷放量以及工藝制程不斷復(fù)雜，全球半導(dǎo)體硅片材料市場不斷增長，硅片材料在半導(dǎo)體制造材料中占比 33%，為占比最大的材料。2019 年全球硅片材料市場規(guī)模達(dá)到 112 億美元，雖然相對(duì) 2018 年略有下滑，但整體仍維持在較高水平。出貨面積來看，2019 年半導(dǎo)體硅片出貨面積 11810 百萬平方英寸，較 2018 年有所下滑，主要是由于存儲(chǔ)器市場疲軟和庫存正常化所致。

硅片價(jià)格呈現(xiàn)出一定的周期性。2011-2016 年受行業(yè)低迷影響，硅片價(jià)格一路下行。2016 年之后，全球半導(dǎo)體硅片銷售單價(jià)從 0.67 美元/英寸上升至 0.95 美元/英寸。需求側(cè)來看，隨著終端應(yīng)用如 5G、AI、新能源汽車的快速發(fā)展，對(duì)芯片的大量需求使晶圓廠更有動(dòng)力去大規(guī)模擴(kuò)建工廠和生產(chǎn)線，進(jìn)而拉動(dòng)對(duì)上游硅片尤其是大硅片的需求。供給端方面，新增產(chǎn)能尚需時(shí)間落地，所以中短期供需不平衡的局面仍將持續(xù)，硅片價(jià)格有望繼續(xù)走高。

國內(nèi)硅片市場規(guī)模持續(xù)增長。受益于全球半導(dǎo)體行業(yè)轉(zhuǎn)移，國內(nèi)硅片市場規(guī)模持續(xù)增長，2018 年國內(nèi)硅片市場規(guī)模超過 9 億美元。

十二英寸硅片為主流方向

目前，12 英寸硅片在下游產(chǎn)業(yè)中廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品大多使用于制造消費(fèi)電子芯片。其中，NAND（包括 3D NAND 和 2D NAND）占據(jù)最大的下游應(yīng)用，占比達(dá) 33%。邏輯芯片和 DRAM 芯片分別占比 25%和 22%。CIS 等其他應(yīng)用占據(jù)了剩余的 20%的市場份額。其中，受益于 5G 的持續(xù)發(fā)展，2020-2023 年，智能手機(jī)對(duì)十二英寸硅片的復(fù)合需求增速有望達(dá)到 7.8%。

全球 DRAM 下游主要包括移動(dòng)終端（40%）、服務(wù)器（22%）和個(gè)人電腦（19%）等業(yè)務(wù)。在5G換機(jī)潮以及數(shù)據(jù)處理等行業(yè)的快速發(fā)展下，全球DRAM需求有望持續(xù)快速增長。據(jù) SUMCO，全球 DRAM 2019-2023 年需求復(fù)合增速有望達(dá)到 19.2%。

目前全球 DRAM 主要供應(yīng)廠商包括三星（45%），海力士（29%），美光（21%）等，全球主流 DRAM 工藝目前為 2znm、1xnm 和 1ynm，未來 1znm 和 1anm 有望逐步放量。

全球 NAND 下游主要包括手機(jī)（48%）、SSD（43%）等業(yè)務(wù)。在 5G 換機(jī)潮、云數(shù)據(jù)處理以及移動(dòng)電源等行業(yè)的快速發(fā)展下，全球 NAND 需求有望持續(xù)快速增長。據(jù) SUMCO，全球 NAND 2019-2023 年需求復(fù)合增速有望達(dá)到 39.4%。

目前全球 NAND 主要供應(yīng)廠商包括三星（33%），鎧俠（19%），西數(shù)（15%），美光（11%），海力士（11%）和因特爾（10%）等。目前，3D NAND 已經(jīng)成為 NAND 主流工藝。

2016 年至 2018 年，受益于手機(jī)、計(jì)算機(jī)、云計(jì)算服務(wù)器用 CPU、 GPU 出貨量的增加，邏輯芯片市場規(guī)模從 914.98 億美元上升至 1,093.03 億美元，年均復(fù)合增長率9.30%。據(jù) Gartner，2016 至 2022 年，全球芯片制造產(chǎn)能中，預(yù)計(jì) 20nm 及以下制程占比 12%，32/28nm 至 90nm 占比 41%，0.13μm 及以上的微米級(jí)制程占比 47%。目前，90nm及以下的制程主要使用 300mm 半導(dǎo)體硅片，90nm 以上的制程主要使用 200mm 或更小尺寸的硅片。

12 寸硅片需求持續(xù)擴(kuò)大。在下游云計(jì)算、區(qū)塊鏈等新興市場的帶動(dòng)下，12 寸硅片持續(xù)快速增長。2018 年出貨面積占比達(dá)到 63%，硅片出貨量達(dá)到 470 萬片/月。據(jù) SUMCO，未來 3-5 年全球 12 寸硅片仍然存在缺口。

2018 年，全球 8 寸硅片出貨面積占比達(dá)到 26%，硅片出貨量達(dá)到 430 萬片/月。在汽車電子等需求的拉動(dòng)下，疊加 8 寸硅片基本無新增產(chǎn)能，8 寸硅片有望持續(xù)景氣。

審核編輯 ：李倩