半导体行业系列报告之四：半导体硅片摩尔定律演进，半导体硅材料历久弥新

硅晶圆是需求量最大的半导体材料，2021 年市场规模 126 亿美元。半导体硅片也称硅晶圆，是全球 90%以上半导体器件的基石性材料。半导体硅片企业负责将半导体级多晶硅材料制造成半导体硅片，其中拉单晶是最核心的工艺。半导体硅片的市场规模随半导体行业的景气度波动，具有明显的周期性。 根据 SEMI 的数据，2021 年全球半导体硅片销售额约 126 亿美元(YoY 12.5%)，出货面积约 142 亿英寸(YoY 14.2%)，2011-2021 年的 CAGR 分别为 2.4%、4.6%。 行业壁垒高企，借力收购兼并，产业 CR2 达 50%。半导体硅片产业起始于美国，随着 IC 产业重心转移，日本厂商后来居上，韩国和中国台湾企业也在全球占有一席之地。经过多次收购，2020 年日本信越和 SUMCO 市占率分别为28%、22%，中国台湾环球晶圆市占率 15%，德国世创电子市占率 11%，韩国SK Siltron 市占率 11%。半导体硅片制造流程复杂、前期投资额大，具有显著的技术壁垒、认证壁垒、资金壁垒、人才壁垒，先发优势和规模效应突出。 小尺寸半导体硅片需求稳定，8 英寸需求旺盛，12 英寸紧缺有望到 2026 年。 基于成本考虑，分立器件继续沿用小尺寸，集成电路逐步向大尺寸迁移。根据 Omdia 的数据，从出货面积来看，2021 年 12 英寸占比 70.9%，8 英寸占比22.6%，小尺寸占比 6.5%；预计 2021 至 2025 年小尺寸需求保持稳定，8 英寸和 12 英寸需求增加。由于半导体硅片厂商 12 英寸产线的扩产进度落后于需求增加，SUMCO 预计 12 英寸硅片供不应求有望延续至 2026 年；环球晶圆也表示订单能见度到 2024 年，预计 2022 年产线继续满载且价格将提高。 本土半导体硅片产业供需两旺，国内大厂加速崛起。根据 SEMI 的预计，2020-2024 年全球将新增 25 座 8 英寸晶圆厂和 60 座 12 英寸晶圆厂，其中中国大陆分别新增 14 和 15 座，是新增量最多的地区。在国际关系紧张的情况下，高端 12 英寸硅片技术被限制出口，而我国 12 英寸硅片国产率低于 10%，为保证供应链安全，自中美贸易摩擦以来本土晶圆厂积极导入国产硅片，AIoT 时代的新增需求叠加国产率提高为国内半导体硅片企业带来成长机会。 投资建议：关注大尺寸量产企业及细分市场占主导地位的企业。结合 SUMCO和环球晶圆的历史走势，半导体硅片企业的估值、业绩均与行业景气度强相关，考虑到国内半导体产业在国产替代背景下处于中长期景气上行周期，率先量产 12 英寸产品的硅片企业具有先发优势，未来也有望主导并购整合，代表企业有沪硅产业、立昂微、中环股份、超硅半导体（未上市）等。另一方面，小尺寸硅片企业由于前期投资额较小且已实现规模化销售，盈利能力突出，代表企业有中晶科技、麦斯克（未上市）、有研硅（未上市）等。 风险提示：1、需求不及预期；2、国产化进程不及预期；3、竞争加剧等。 硅晶圆是重要的半导体材料，规模超百亿美元 硅晶圆是需求量最大的半导体材料 半导体材料是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料，是半导体工业的基础。半导体材料的研究始于 19 世纪，至今已发展至第四代半导体材料，各个代际半导体材料之间互相补充。 第一代半导体：以硅（Si）、锗（Ge）等为代表，是由单一元素构成的元素半导体材料。硅半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个信息产业的飞跃。 第二代半导体：以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等为代表，也包括三元化合物半导体，如 GaAsAl、GaAsP，还包括一些固溶体半导体、非静态半导体等。随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会信息化的发展，第二代半导体材料显示出其优越性，砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。 第三代半导体：以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带半导体材料。具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐射能力等优异性能，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件，在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域有广阔的应用前景。 第四代半导体：以氧化镓（GaO）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）为代表的超宽禁带半导体材料，禁带宽度超过 4eV；以及以锑化物（GaSb、InSb）为代表的超窄禁带半导体材料。超宽禁带材料凭借其比第三代半导体材料更宽的禁带，在高频功率器件领域有更突出的特性优势；超窄禁带材料由于易激发、迁移率高，主要用于探测器、激光器等器件的应用中。 图 1：半导体材料分类 图2：各代半导体材料在功率器件中的应用 硅材料制造全球绝大部分的半导体产品，也是占比最大的半导体制造材料。在1950 年代初期，锗是主要的半导体材料。但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到 1960 年代逐渐被硅材料取代。由于硅器件的漏电流要低得多，且二氧化硅是一种高质量的绝缘体，很容易作为硅器件的一部分进行整合，至今半导体器件和集成电路仍然主要用硅材料制成，硅产品构成了全球绝大部分半导体产品。 根据 SEMI 的数据，在硅晶圆制造过程中，半导体硅片（硅晶圆）也是占比最大的原材料，2018 年约 38%。 图3：硅晶圆是晶圆制造过程中占比最大的材料（2018 年） 半导体硅片根据不同参数的分类 半导体硅晶圆（Semiconductor Silicon Wafer）是制造硅半导体产品的基础，可根据不同参数进行分类。 图4：半导体硅片分类 根据尺寸（直径）不同，半导体硅片可分为 2 英寸（50mm）、3 英寸（75mm）、4英寸（100mm）、5 英寸（125mm）、6 英寸（150mm）、8 英寸（200mm）、12 英寸（300mm），在摩尔定律影响下，半导体硅片正在不断向大尺寸的方向发展，目前8 英寸和 12 英寸是主流产品，合计出货面积占比超过 90%。 图5：全球各尺寸半导体硅片出货面积占比（2020 年） 根据掺杂程度不同，半导体硅片可分为轻掺和重掺。重掺硅片的掺杂元素掺入量大，电阻率低,一般用于功率器件等产品；轻掺硅片掺杂浓度低，一般用于集成电路领域，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。 根据工艺，半导体硅片可分为研磨片、抛光片及基于抛光片制造的特殊硅片外延片、SOI 等。研磨片可用于制造分立器件；轻掺抛光片可用于制造大规模集成电路或作为外延片的衬底材料，重掺抛光片一般用作外延片的衬底材料。相比研磨片，抛光片具有更优的表面平整度和洁净度。 在抛光片的基础上，可以制造出退火片、外延片、SOI 硅片和结隔离硅片等。退火片在氢气或氩气环境下对抛光片进行高温热处理，以去除晶圆表面附近的氧气，可以提高表面晶体的完整性。外延片是在抛光片表面形成一层气相生长的单晶硅，可满足需要晶体完整性或不同电阻率的多层结构的需求 。 SOI 硅片（Silicon-On-Insulator）是在两个抛光片之间插入高电绝缘氧化膜层，可以实现器件的高集成度、低功耗、高速和高可靠性，在活性层表面也可以形成砷或砷的扩散层。结隔离硅片是根据客户的设计，利用曝光、离子注入和热扩散技术在晶圆表面预形成 IC 嵌入层，然后再在上面生长一层外延层。 图 6：退火片 图7：外延片 图 8：结隔离硅片 图9：SOI 硅片 根据应用场景不同，半导体硅片可分为正片、假（陪）片。正片（Prime Wafer）用于半导体产品的制造，假片（Dummy Wafer）用来暖机、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。假片一般由晶棒两侧品质较差部分切割而来，由于用量巨大，在符合条件的情况下部分产品会回收再利用，回收重复利用的硅片称为可再生硅片（Reclaimed Wafer）。据观研网数据，65nm 制程的晶圆代工厂每 10 片正片需要加 6 片假片，28nm 及以下制程每 10 片正片则需要加 15-20片假片。 表1：半导体硅片的种类和比较 半导体硅片行业具有周期性，2021 年市场规模 126 亿美元 半导体硅片的市场规模随着全球半导体行业景气度波动，单位面积价格在 2016年触底后回升。根据 SEMI 数据，全球半导体硅片销售额由 2005 年的 79 亿美元增长到 2021 年的 126 亿美元，其中出货面积由 66.45 亿平方英寸增加到 141.65 亿英寸，单位面积价格先降后升，由 2005 年的 1.19 美元/英寸降至 2016 年的 0.67美元/英寸，之后回升至 2021 年的 0.89 美元/英寸。作为半导体产品最重要的主要原材料，全球半导体硅片的市场规模的波动方向基本与全球半导体销售额一致，且波动幅度更大，具有明显的周期性。 图 10：全球半导体硅片销售额 图11：全球半导体硅片出货面积及单价 半导体硅片制造工序繁多，行业壁垒较高 半导体硅片制造流程复杂，拉单晶是关键环节 半导体硅片的上游是半导体级多晶硅材料，下游是半导体产品。硅元素在自然界中以二氧化硅为主要存在形式，通过化学还原生成多晶硅材料，之后再进行提纯。 光伏用多晶硅材料纯度要求为 6~9 个“9”之间（99.9999%-99.9999999%），半导体用纯度要求 11 个“9”以上（99.999999999%)。制作完成的半导体硅片被晶圆厂用作衬底制造出各类半导体产品，并最终应用于手机、电脑等终端产品中。 图12：半导体硅片所处产业链位置 半导体硅片制造流程复杂，主要包括拉单晶和硅片的切磨抛外延等工艺。半导体硅片的生产流程复杂，涉及工序较多。研磨片工序包括拉单晶、截断、滚圆、切片、倒角、研磨等，抛光片是在研磨片的基础上经边缘抛光、表面抛光等工序制造而来；抛光片经外延工艺制造出硅外延片，经退火热处理制造出硅退火片，经特殊工艺制造出绝缘体上硅 SOI。硅片制造过程中需要经过多次清洗，在销售给客户之前还需要经过检验和包装。 图13：半导体硅片制造流程 步骤一：拉单晶。电子级高纯度多晶硅通过单晶生长工艺可拉制成单晶硅棒，常用方法有直拉法（Czochralsk，CZ 法）和区熔法（Float-Zone，FZ 法）两种。FZ法纯度高，氧含量低，电阻率较高，能耐高压，但工艺难度大，大尺寸硅片制备困难且成本高，因此主要以 8 英寸及以下尺寸为主，主要用于中高端功率器件。 CZ 法氧含量高，更容易生产出大尺寸单晶硅棒，工艺也已成熟，成本较低，因此目前半导体行业主要采用 CZ 法拉制单晶硅棒。拉单晶技术直接决定了位错、COP（crystal originated pit,晶体原生凹坑）、旋涡等晶体原生缺陷的密度及电阻率、电阻率梯度、氧、碳含量等晶体技术指标的好坏，是半导体硅片生产工序中最为核心的技术。 图 14：直拉法拉单晶 图15：区熔法拉单晶 直拉法加工工艺： 装料：将多晶硅和掺杂剂放入单晶炉内的石英坩埚内，掺杂剂的种类依所需生长的电阻率而定，主要有生长 P 型的硼和生长 N 型的磷、砷、锑等。 熔化：装料结束后，加热至硅熔化温度（1420℃）以上，将多晶硅和掺杂剂熔化，挥发一定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。 引晶：当温度稳定后，将籽晶与熔体接触，然后具有一定转速的籽晶按一定速度向上提升，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，称为“引晶”或“下种”。 缩颈：在引晶后略微降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于 20mm。 放肩：缩颈工艺完成后，通过逐渐降低提升速度及温度调整，使晶体直径逐渐变大到所需的直径为止。在放肩时可判别晶体是否是