来源：雪球App，作者： 无执道客，（https://xueqiu.com/3427650009/251250755）

（一）半导体硅片基本情况介绍

1.硅片的概念及用途硅片是制作晶体管和集成电路的原料，通过对硅片进行光刻、离子注入等手段，可以制成各种半导体器件，用硅片制成的芯片有着惊人的运算能力。自动化和计算机等科学技术的发展不断推动着半导体的发展，使硅片这种高科技产品的造价已降到十分低廉的程度。由于半导体单晶硅为圆形，因此又称硅晶圆。

（1）硅片原材料介绍

硅片的原材料是石英，也就是通常说的沙子，可以直接在自然界开采。硅有晶态和无定形两种同素异形体。常用的晶态硅又分为单晶硅和多晶硅，它们均具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质。硅元素以二氧化硅和硅盐酸的形式大量存在于沙子、岩石、矿物质中，将沙子、矿石中的二氧化硅经过高温纯化后可得到纯度为98%以上的冶金级硅，将粉碎的冶金级硅与气态氯化氢进行化学反应，生成液态的硅烷，再通过蒸馏和化学还原工艺，最终得到纯度达99.9999999%（9个9）以上的电子级多晶硅，硅晶圆厂商再将电子级多晶硅加工成硅片。

单晶硅和多晶硅的区别是，当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅，多晶硅可作拉制单晶硅的原料。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。因此，单晶硅是目前制造高质量硅片的核心原材料。

图表：硅材料

（2）硅片主要应用领域

硅片是半导体和光伏领域上游重要材料，光伏硅片和半导体硅片的主要区别在于纯净度要求不同。光伏级硅片纯度要达到“6-8个9”，即99.999999%；而半导体级硅片纯度要达到“9-11个9”，即99.99999999999%。光伏级硅片和半导体级硅片的主要差异集中在纯净度上，半导体级别硅片可以理解为要求更高的光伏硅片。

图表：半导体硅片（左）与光伏硅片（右）及主要区别

其中，半导体硅片制造技术较难、下游应用广泛、市场价值较高，为硅片主要应用领域。硅片是半导体产业链的起点，贯通了整个芯片制造的前道和后道工艺，没有硅片半导体行业将如无源之水。硅片的产量和质量直接制约整个半导体产业，及更下游的通信、汽车、计算机等众多行业的发展，是制造芯片的关键材料。半导体级硅材料的应用领域为集成电路、分立器件、传感器。集成电路：可细分为逻辑芯片、存储芯片、微处理器、模拟芯片等应用领域。分立器件：可细分为二极管、三极管、晶闸管、功率器件等应用领域，其中集成电路市场占比最高，占整个半导体领域市场的80％以上。

图表：硅片材料应用领

资料来源：WSTS

（3）半导体材料工艺发展历程

半导体材料是指在常温下导电能力介于绝缘体和导体之间的材料，具有热敏特性、光电特性、导电特性、掺杂特性、整流特性等优良的物理化学属性。

其发展历程可大致分为三代，第一代半导体材料以硅基半导体为首，工艺技术成熟，成本稳定，自然界原始储备丰富，在分立器件、集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、航空、新能源、硅光伏产业得到广泛应用。随着科技发展，硅材料遇到物理极限，无法满足现代高规格电子产品对高温、高功率、高压、高频率以及抗辐射等恶劣条件的新要求，因此，具备对应优势的化合物材料开始导入半导体应用。

第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表，主要具有高电子迁移率，高光电转换效率的特点，用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，广泛应用于卫星通讯、移动通讯、发光二极管、太阳能电池和GPS导航系统等领域。

第三代半导体材料主要包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、硒化锌（ZnSe）等，因其禁带宽度较大，又被称为宽禁带半导体材料，具有宽禁带度，高击穿电场、高热导率、高电子饱和速度，耐辐射的特点，广泛应用于高电压、高功率、高频等领域，如半导体照明、电力电子器件、激光器、探测器、无线通信等。

化合物材料一般采用硅作衬底（碳化硅除外，碳化硅一般也用作衬底材料），硅和化合物材料属于共存共生，将硅基衬底生长的化合物外延片，应用于光电子、射频、功率等具备高频、高压、高功率特性器件。三代半导体材料之间并非替代关系而是在部分运用领域存在相似特性，在运用领域根据产品具体的特性要求，选择的半导体材料也不尽相同，其综合性能及性价比各有所长。

图表：半导体材料发展趋势

资料来源：新材料

（4）硅片作为半导体材料基石地位不可撼动

第二代GaAs、InP等半导体化合材料的原料稀缺，需通过合成形成，价格相对较高，并且对环境危害性较大，使得其难以被更广泛应用，局限性较大，逐渐被第三代半导体材料取代。然而，氮化镓（GaN）单晶价格高昂，2英寸GaN单晶售价高达2万多元，是同面积硅材料的数十倍；因此，在第三代半导体材料相关的商业方案中，通常采用硅基氮化镓外延片（在硅衬底上外延生长氮化镓），可以大幅降低GaN的采用成本，满足主流市场的应用需求。

图表：氮化镓异质外延片

资料来源：电子设计技术

硅的主要优势有以下几个方面。一是硅的储量丰富、成本低、具经济规模。硅是地壳中含量最丰富的元素之一，占地壳元素含量的27.7%，占地球全部元素含量的15.1%，获取材料容易。二是提炼单晶硅技术成熟。硅片的制作技术从1970年的2英寸晶圆进步至2000年的12英寸晶圆，2010年行业甚至做出18英寸的硅片，但是因不具经济效益而未大规模采用，却也显示硅片的制作技术相当成熟。三是二氧化硅薄膜生成容易、提高元件可靠性。硅材料可以通过加热的方式生成二氧化硅层，可以有效保护硅的表面并作为绝缘体防止半导体的漏电现象，提高半导体元件的稳定性和可靠性。

图表：硅基材料优势

资料来源：半导体行业观察

目前即使在5G/IoT/AI等技术导入下，硅衬底的化合物材料也能满足射频芯片、功率器件对高频、高压、高功率的的需求，而且更具有经济效益；在目前的电子产品应用中，仅有军工、安防、航天等少部分需要超高规格的应用领域，才需采用化合物单晶材料。因此，硅材料在未来十年的技术革新下，将维持主流半导体材料的地位，朝向硅自主材料和硅衬底化合物两条路经发展，硅片作为半导体材料基石地位不可撼动。

2.半导体分类（1）硅片按尺寸分类

根据硅片尺寸分类，一般以直径区分规格，通常有6英寸（150nm）、8英寸（200nm）、12英寸（300nm）等。从1965年首次生产2英寸硅片到2000年12英寸硅片实现量产，半导体硅片向大尺寸方向不断发展。半导体的生产成本和效率与硅片尺寸直接相关，硅片直径的提升可降低单位芯片的平均生产成本，在相同工艺的条件下，12英寸硅片可使用率8英寸硅片的2.25倍,进而提供更高的规模经济效益。但大尺寸硅片由于纯度较高，技术研发与规模化生产难度高，需要对生产工艺改进并且对设备性能进行提升，同样会给生产商带来更高的成本投入。

上世纪80年代4英寸硅片是主流，90年代主流为6英寸硅片，2000年代主流为8寸硅片。当前全球硅片市场最主流的产品是8英寸硅片和12英寸硅片。2020年，8英寸与12英寸硅片占硅片总体市场份额分别为23.94%和69.15%，占比合计超过90%。

图表：半导体硅片向大尺寸方向不断发展，工艺难度不断提升

资料来源：半导体行业观察

从应用层面来讲，12英寸硅片通常用于90nm以下半导体制程：需求来源于逻辑芯片（CPU、GPU）、存储芯片、FPGA与ASIC等高端领域。8英寸硅片通常用于90nm以上半导体制程，需求来源于功率器件、电源管理器、MEMS、显示驱动与指纹识别芯片领域。硅片尺寸朝向12英寸演进为主流趋势,但8英寸硅片依然具有应用优势：硅片尺寸越大，可制造芯片数量就越多，使得单位芯片成本下降，因此全球先进制程皆采用12英寸硅片；但是，8英寸需求量也同时增长；在部分功率器件和传感器领域，8英寸硅片的经济效益较高，且技术革新使部分6英寸硅片升级采用8英寸硅片。

图表：不同尺寸硅片应用范围

资料来源：WIKI、半导体行业观察

12英寸硅片的下一站是18英寸（450mm）硅片，半导体硅片尺寸越大，对半导体硅片的生产技术、设备、材料、工艺的要求越高，但由于设备研发难度较高，工厂需要投资额较大，且18英寸硅片相比于12英寸硅片性能效率提升不明显，目前制造厂对于18寸的推动力不大，未来预期硅片市场以12英寸为主，

（2）硅片按应用场景分类

根据硅片应用场景分类，硅片主要可分为正片、陪片。陪片按功能又分为测试片、挡片和控片。正片可以在晶圆制造中直接使用；测试片是用来实验和检查制造设备运行初期的状态，以改善其稳定性；挡片是用于新产线的调试以及在晶圆生产过程中对正片的保护；控片是在正式生产前对新工艺测试和监控良率。

挡片和控片是由晶棒两侧品质较差部分切割来的，用于暖机、填充空缺、测试生产设备的工艺状态或某一工艺的质量状况。为了提高产品质量、监控正式生产过程中的工艺精度及良率，需要在晶圆正片生产过程中插入控片增加监控频率。65nm制程中每投10片正片需要加6片挡控片，28nm及以下制程中每投10片正片需要加15-20片挡控片。由于挡控片作为辅助生产材料耗费量巨大，晶圆厂将其经过抛光研磨等工序后再利用。挡片的重复使用次数有上限，一旦超过门限值就只能用作光伏级硅片使用。控片情况较为特殊，用在某些特殊制程工艺中的控片直接报废，不可重复利用。可重复回收利用的挡控片又称可再生硅片。

图表：硅片按应用场景划分图示

资料来源：芯思想

（3）硅片按掺杂程度分类

晶格无缺陷的半导体晶体在绝对零度下为绝缘体，其导电性能严重依赖温度，掺杂能让半导体材料发挥出真正的价值。掺杂是指为控制半导体的性质，人为掺入杂质的工艺过程，在四价的半导体内加入导电的元素，比如在硅中加入硼、磷、砷和锑等掺杂剂来降低电阻，提高导电性，加入的愈多，半导体材料的导电性越强。当掺杂剂非常多的时候，它的电阻率自然就小于0.01，达到这个范围，那就是重掺。轻掺的掺杂剂非常少，让电阻率变大在0.01-0.001，这样为轻掺。因此，半导体硅片又可分为轻掺硅片和重掺硅片。

图表：12寸硅片轻/重掺市场占比及预测

重掺一般应用在IGBT，还有一些功率器件MOSFET、IGBT、显示驱动芯片；轻掺一般应用在消费集成电路领域，比如CPU、GPU、CIS图像传感器芯片，还有一些其他的MCU、模拟芯片等，技术难度和产品质量要求更高。由于集成电路在全球半导体市场中占比超过80%，全球对轻掺硅片需求更大，抛光片中都是轻掺，重掺一般都是外延片。未来重掺占比会有少量上升，可能会上升五个点左右，轻掺会到75%，重掺会到25%。因为新能源汽车的发展非常快，新能源汽车的快速发展会导致功率芯片需求量大增，会导致重掺硅片变大，下游轻掺为主流。

（4）硅片按制造工艺分类

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。硅片中最基础和常见的种类为抛光片应用占比70%；抛光片可按客户需求进行二次加工为退火片、外延片、结隔离片、SOI硅片。

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。抛光片指硅棒制作完成后被切割成厚度小于1mm的切片，切片经过磨研磨和化学腐蚀后成为化腐片，硅片表面的平整性变差，需通过抛光去除表面缺陷，提高芯片的良品率。抛光的方式主要以化学机械抛光为主，先使晶片表面和抛光料发生反应，生成一层化合物薄膜，然后通过机械摩擦将这层薄膜擦去，进一步减小硅片的表面粗糙度以满足芯片制造工艺对硅片平整度和表面颗粒度的要求。

外延是指把抛光片作为衬底，沿着原来的结晶方向生长一层新单晶层，这层单晶硅为外延层，目的是为满足掺杂类型、电阻率、厚度和晶格结构都符合要求的特定器件。外延产品主要应用于4个方面，分别是：CMOS产品；不可恢复器件工艺，包括微处理器、逻辑芯片以及NANDFLASH和DRAM等存储器。

分立元件；使用非硅材料的特种产品，需要将化合物半导体材料导入外延层中，掺杂类型、电阻率、厚度和晶格结构都符合特定器件要求的新硅单晶层；退火片是指将将抛光片置于氢或氩气氛中，按照一定的程序进行升温、降温过程，得到退火片。其目的是消除氧对硅片电阻率影响，提高芯片良率。主要应用领域包括，一般CMOS元件制造及DRAM制造厂商。

绝缘体上硅片SOI硅片即绝缘体上硅，是常见的硅基材料之一，其核心特征是在顶层硅和支撑衬底之间引入了一层氧化物绝缘埋层。SOI硅片的优势在于可以通过绝缘埋层实现全介质隔离，这将大幅减少硅片的寄生电容以及漏电现象，并消除了闩锁效应。绝缘片主要应用于超大规模集成电路；高速/低功耗/低电压电路；高温电路；抗辐射电路；智能传感器等。结隔离片指将抛光片按照客户的设计，采用光刻，离子注入和热扩散技术在晶片表面形成集成电路的嵌入层。然后在该层的顶部上形成外延层。结隔离片主要应用于客户客制化设计要求的产品。

图表：硅片按制作工艺划分图示

资料来源：SUMCO

图表其他高规格加工硅片

资料来源：SUMCO、华西证券研究所

3.半导体硅片加工工艺半导体硅片制造流程复杂，主要分为脱氧提纯、提炼多晶硅、单晶硅棒制备、滚磨、切片、研磨、抛光、清洗、测试、包装等。

图表：硅片制造流程

资料来源：SEMI、Google

硅元素以二氧化硅和硅盐酸的形式大量存在于沙子、岩石、矿物质中，将沙子、矿石中的二氧化硅经过高温纯化后可得到纯度为98%以上的冶金级硅。将粉碎的冶金级硅与气态氯化氢进行化学反应，生成液态的硅烷，再通过蒸馏和化学还原工艺，最终得到纯度达99.9999999%（9个9）以上的电子级多晶硅。硅晶圆厂商再将电子级多晶硅加工成硅片，主要包括拉单晶和硅片的切磨抛外延等工艺。单晶生长是抛光片生产中最核心的一环工序，决定了硅片的质量和纯度，决定了硅片的质量和纯度，半导体硅片的纯度须达11个9以上(99.999999999%)。其技术主要分为直拉法（CZ）和区熔法（FZ）。直拉法生产的单晶硅多用于生产低功率的集成电路元，区熔法制得的单晶硅主要用来生产高功率器件。

直拉法加工工艺：全球85%的硅片由直拉法制备，可用于制造8、12英寸半导体用（集成电路、分立器件）的抛光片、外延片、SOI等各种硅片。直拉法工艺制作流程：（1）将金属杂质浓度数高纯度化至ppb以下(1ppb=十亿分之一)的多晶硅与硼酸(b)和磷(p)一起放入石英坩埚中，在约1420℃下熔融；（2）使一个特定晶向的细单晶（称为籽晶或晶种）的端部接触熔体界面并略有融化；（3）将籽晶缓慢地垂直拉升，利用结晶前沿的过冷度使硅原子按顺序排列在固液界面的晶体上，分别拉出液体固化的单晶颈、单晶肩和单晶硅棒。

直拉法含氧量较高、机械强度大、硅片尺寸大，适用于一般集成电路应用。此外，随着晶棒尺寸变大，为了提高晶棒良率和品质，在CZ法中加入磁场强化为温度控制系统的MCZ法成为主流技术。

图表：直拉法（CZ）工艺流程

资料来源：Siltronic

区熔法加工工艺：全球15%的硅片由区熔法制备，可用于制造8英寸分立器件用的区熔硅片，主要用于整流器、探测器件、IGBT等高功率器件。区熔法工艺制作流程：（1）在真空或惰性气体环境下的炉室中，利用高频线圈在电磁场中产热；（2）使籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触区熔化；（3）然后移动硅棒或线圈使熔区朝晶体生长方向不断移动，向下拉出单晶颈、单晶锥和单晶棒。

区熔法为制作大功率器件的主流技术，制备晶体时不使用坩埚避免了来自坩埚的污染，另外区熔法还有提纯作用，结晶的头部集中了杂质而尾部杂质量少，经过一次区熔后会只需要把杂质集中区截掉，就能够获得纯度很高的晶体。因此，区熔法可以用来制备纯度很高的晶体。FZ法生长出的硅晶棒纯度高、含氧量低、污染度低、电阻率高，使其主要被用在高功率元件的应用上，虽然FZ硅片的机械性质较CZ硅片差，因而限制其在集成电路IC制程上的应用，但其高纯度的特性，仍然维持在功率器件市场的重要角色。目前商业化的FZ法已经可以生产8英寸单晶棒，但是再往大尺寸发展将相当困难。

图表：区熔法（FZ）工艺流程

（1）硅片是贯穿芯片每道制程，成本占比最大的半导体材料

硅片是半导体制程中最关键的基础核心材料，成本占比最高为37%；其中，12英寸大硅片占比64%。芯片制造即是通过在硅片上反复循环光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积等前道工艺，改变硅的导电性和构建电晶体结构，最终形成半导体器件。

图表：硅片是唯一贯穿每道制程的半导体材料

资料来源：电子产业信息网

4.半导体硅片下游需求（1）半导体制造（集成电路、功率器件、传感器、光电子）

全球半导体规模持续扩张，5G、汽车、工业等下游应用拉动产业链需求上升。5G/IoT/AI等新技术驱动半导体行业发展，基础逻辑为半导体设备在新技术驱动下同步增长：新技术导入—>新一代半导体工艺—>新一代半导体设备需求。2000年以来全球半导体销售额整体呈向上趋势，2021年在全球芯片持续短缺的情况下,半导体公司产销旺盛，全球半导体销售额达5475.8亿美元，同比增长21.6%，创历史新高。中国作为全球最大的半导体市场，2021年的半导体销售额为1925亿美元，同比增长27.1%，高于全球平均增速。

图表：中国半导体销售额（亿美元）

资料来源：iFinD

（2）终端产品需求（5G通信、新能源汽车、人工智能）

8英寸晶圆应用成熟，主要用于生产电源管理芯片、功率器件、逻辑IC、MCU、CMOS图像传感芯片、指纹识别芯片、显示驱动IC等中低端半导体产品的生产。其终端应用领域主要为汽车、PC、平板、数码相机、智能手机、工业电子等。12英寸晶圆主要用于生产高算力的逻辑芯片（CPU、GPU、FGPA）、DRAM存储器、3DNAND存储器等高端领域，其终端应用领域主要为智能手机、PC、平板电脑、服务器、TV、游戏汽车、云计算、人工智能等。根据SUMCO预测，到2025年全球12英寸硅片需求达910万片/月，12英寸需求增长主要驱动力是逻辑芯片以及存储设备，需求占比最大的应用终端是智能手机，其次是数据中心、PC/平板电脑，而汽车对12英寸硅片的需求增长最快。

图表中国半导体设备市场情况

资料来源：Siltronic

国内晶圆厂商中芯、华虹等主要晶圆代工厂及士兰微、华润微、闻泰、长江存储等IDM厂商积极扩产，12英寸逻辑扩产主要集中于28nm及以上的成熟制程，预计到2023年形成产能106.5万片/月，相较2020年产能提升270%。3DNAND预计从2020年的5万片/月扩产至2023年的27.5万片/月。DRAM从2020年的4万片/月扩产至25万片/月。

图表：国内12英寸晶圆厂积极扩产

资料来源：Omida、各公司公告

5.半导体硅片制造设备图表：国内大硅片设备制造商

资料来源：芯思想、SEMI、各公司官网

$沪硅产业(SH688126)$ $TCL中环(SZ002129)$ $立昂微(SH605358)$