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半导体行业深度报告:半导体硅片行业全攻略 硅片的市场前景及硅产品的制造过程

作者:超级管理员    来源:本站    发布时间:2023-07-25 14:53:34    浏览量:178

市场认为国内硅晶圆会过度投资,我们认为国内硅晶圆产业起点低、起步晚,且长 晶技术是决定硅片参数的核心环节,主要体现在炉内温度的热场和控制晶体形状的 磁场设计能力。硅抛光晶圆的主要技术指标包括直径、晶体工艺、掺杂剂、晶向、电阻 率、厚度等,其他质量指标包括缺陷密度、氧含量、碳含量、翘曲度等,其中大部分参 数由长晶技术决定。下游芯片制程的技术节点越先进,对应的硅片上述指标控制越严格, 不同的技术节点对应的指标控制参数会有相差。因此,硅晶圆产业技术难度决定了产业 链公司从研发到具有市场竞争力,仍然是漫长的过程,只有技术积累和人才优势的厂商 可以实现率先量产,此外扩产周期也受到半导体市场周期影响,因此只有少数公司可以 在国产化实现弯道超车。


1.硅片,从沙石到电路的载体

1.1 半导体材料纵观

半导体产业内涵丰富,涵盖材料至芯片。半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘 体之间的材料。原本半导体是指半导体材料,现在也指材料上做成的集成电路,用在电脑、 手机、电视、数码音乐播放器、数码相机、手提游戏机等等,这些统称为半导体电子器件。

半导体与收音机的渊源。收音机经历了真空电子管、晶体管技术时代,晶体管收音机 是半导体晶体管的**个商业化产品,因此民间将收音机称为半导体。半导体收音机在上 世纪 60 年代起风靡全球,成为重要的“家电”产品;1965 年,半导体收音机的产量超过 了电子管收音机的产量;1980 年左右是收音机市场发展的高峰时期。

固态电子时代的开端,经历了从到硅。半导体的研究起源于固体物理及电子科学的 研究,1938 年,萧基的论文《金属与半导体界面整流》首次将固体物理的基础研究与半导 体组件性能连接起来,解释了 1874 年科学家布劳恩在矿石里发现的固体整流现象。1947 年底,首个晶体管在贝尔实验室诞生。因为锗的处理相对容易,锗晶的熔点低只有 900 多 摄氏度,而硅的熔点在 1420 度,因此固体物理的早期研究基于锗晶做晶体管。但是,硅制 晶体管**的优点在于可以在 100 度的高温环境下运用,而锗晶体管到 70 度就没有功能, 严重限制了应用范围。直到 1954 年,提尔在德仪用直拉单晶法长晶,并制成了世界上第 一枚硅晶体管,才开启了硅为主体的固态电子时代。

硅作为半导体材料的优势:1)硅在地球上储量达到 26.8%,仅次于氧;2)硅的能隙 较大(1.13V),使其具有较高的操作温度及较低的漏电流;3)硅片表面的 SiO2 层能耐高 温,对硅片起保护作用。半导体硅片是生产集成电路、分立器件、传感器等半导体产品的 关键材料。

目前 90%以上的半导体产品使用硅基材料制造,除硅、锗等单元素半导体外,通过结 合元素周期表第四两边的元素(如 III–V 族),改变晶体的原子结构,形成 GaAs、SiC、 GaN 等二元化合物半导体材料。化合物半导体的优越性能主要体现在速度、感光性以及功 率三个方面:1)速率:GaAs 及 InP 之类的化合物半导体的运行速率可以比单晶硅高几个 数量级。2)光谱:与单晶硅不同,化合物半导体可以生成、接受的频谱范围广泛,从高频 紫外光至长波长的红外光。3)功率 SiC、GaN 类化合物导体可以高功率(高电压、大电 流)运行,并且在功率转换、高频领域也十分有效。化合物半导体在宽禁带、电子迁移率 上远高于单晶硅,尤其适用于射频、光电子、功率半导体。

1.2 从矿石到芯片

硅片(又称晶圆,wafer)是光伏、半导体行业广泛使用的基底材料。其中,适用于集 成电路行业的是半导体级的硅片半导体硅片对产品质量及一致性要求极高,其纯度须达99.9999999%以上,而最先进的工艺甚至需要做到 99.999999999%(11 个 9)。光伏级 单晶硅片仅需 6 个 9 即可满足应用需求,所以半导体生产所用硅片的制备难度远大于光伏 级硅片。

从矿石到多晶硅片。硅晶圆/硅片为目前制作集成电路的基底材料,其原始材料硅是第丰富的元素,构成地壳总质量的 26.4%,仅次于**位的氧 49.4%。地壳表面取之不尽、 用之不竭的二氧化硅矿石,放入一个温度约为 2000℃电弧熔炉中,在高温下,碳和沙石中 的二氧化硅进行化学反应,得到纯度约为 98%的冶金级硅,这对微电子器件来说不够纯, 因为半导体材料的电学特性对杂质的浓度非常敏感,因此需对冶金级硅进行进一步提纯。 将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢进行氯化反应,生成液态的硅烷,然后通过蒸馏和化学 还原工艺,得到了纯度高达 9 个 9 以上的电子级多晶硅。多晶硅内部不同的区域不同, 在区域之间会产生晶界,仍容易滞留杂质。

硅晶圆厂商将多晶硅加工成硅片。硅晶圆制造厂将此多晶硅加热融解,放入一根硅晶 体籽晶,与熔融液接触并将其缓慢地拉出成形,拉出与籽晶同样晶向的单晶硅棒。因硅晶 棒是由一根晶棒在熔融态的硅原料中逐渐生长而成,此过程称为长晶。硅晶棒再经过切片、磨片、倒角、热处理、抛光、清洗等加工制程,即可成为集成电路产业重要原料硅晶圆(硅 片),硅片表面的平坦度要求在微米及亚微米级。

每块空白硅晶圆经过复杂的化学和电子制程后,可布设多层精细的电子电路,在晶圆 厂内制造芯片电路后,再经切割、测试、封装等程序,即成为一颗颗 IC。半导体制造流程包括 IC 设计、IC 晶圆制造、IC 封装、IC 测试等阶段。随着整体半导体的垂直分工整合 的趋势演进,依制造流程可区分为上游 IC 设计公司与硅晶圆制造公司,由 IC 设计公司客户的需求设计出电路图,硅晶圆制造公司则以多晶硅为原料制造出硅晶圆;中游 IC 晶圆 制造厂则根据设计好的电路图,在晶圆上以光罩印上电路基本图样,再以氧化、扩散、CVD、 蚀刻、离子植入等方法,在晶圆上制作电路及电路上的组件;完成后再送往下游之 IC 封装、 测试厂,将加工完成的晶圆,经切割过后的晶,以塑料、陶瓷或金属包覆,保护晶以 免受污染且易于装配,并达成芯片与电子系统的电性连接与散热效果,最后进行 IC 功能、 电性与散热等测试。

半导体硅片占半导体制造材料市场规模比重约 37%,位于半导体制造三大核心材料之 首。半导体材料材料按应用领域分为晶圆制造材料和封装材料。晶圆制造端材料包括硅晶 圆、光刻胶、光掩膜版、特种气体、CMP 抛光材料、湿电子化学品、溅射靶材等组成,后 端封装材料包括导线架和基板、陶瓷封装、封装树脂、焊线和黏合剂等。其中,硅晶圆、 特种气体、掩膜版的市场规模占比较大,且以美日企业为主导。

受半导体市场规模下降影响,2019 年全球半导体材料市场规模为 521 亿美元,同比下 降 1.1%。据 Semi 数据,2018 年全球半导体硅材料市场规模 121 亿美元,同比增长 32%; 2019 年全球半导体硅片市场增长率为-3%。

2.硅晶圆的三种重要分类

2.1 按制程分类

2.1.1 抛光晶圆

硅晶圆材料按照制程设计和产品差异,主要分为抛光片(polished wafer)、退火片 (annealed wafer)及外延片(磊晶晶圆,epitaxial wafer)三种,其他特殊工艺包括 SOI 等。 抛光片约占硅片应用的 70%,广泛用于数字与模拟集成电路及存储器、功率器件等芯片, 其余约 30%硅片以退火晶圆、外延晶圆等形式出货。


从硅棒到硅片。高纯度电子级多晶硅经由长晶(crystal pulling)、切片(slicing)、磨边 (beveling)、磨面(lapping)、蚀刻(etching)、抛光(polishing)、清洗(cleaning)等步骤, 而生成一符合电性、表面物性、杂质标准等规格的抛光晶圆,退火、外延、SOI 等特殊工 艺制程晶圆基于抛光晶圆加工而成。

长晶环节的掺杂剂决定硅片的导电类型。半导体中有两种载流子,即价带中的空穴和 导带中的电子,以电子导电为主的半导体称之为 N 型半导体,以空穴导电为主的半导体称 为 P 型半导体。在长晶环节中,超纯多晶硅在石英坩中熔化,掺杂Ⅴ族元素(磷、砷、锑 等),当杂质原子以替位方式取代晶格中的锗、硅原子时,可提供除满足共价键配位以外的个多余电子,这就增加了半导体中电子浓度,称为 N 型半导体;若掺入 III 族硼元素则出 现空穴,形成 P 型半导体。

以加入元素的比例不同分为轻掺杂、中掺杂和重掺杂。重掺杂的半导体中,掺杂物与 半导体原子浓度比约千分之一;轻掺杂/低掺杂的浓度比可能会到十亿分之一。半导体的电 阻率(10-3·cm <ρ<109·cm),利用掺杂技术可以决定硅单晶棒的种类以及相对应的 电阻,重掺杂产品的电阻率通常小于 1·cm。

抛光片(PW,polished wafer)是单面或双面被抛光成具有原子级平坦度的硅芯片, 约占硅片应用的 70%。单晶硅晶棒生产出来后,从晶棒的圆柱状单晶硅切割成薄片而成, 属于高纯度的硅元素的晶圆片。抛光目的是进一步去除加工表面残留的损伤层,抛光片可 直接用于制作器件,也可作为外延的衬底材料。

2.1.2 退火晶圆

退火晶圆(退火片,Annealed wafer)是将已抛光晶圆置于扩散炉中,利用高纯度 氢气退火片是将抛光片置于退火炉/扩散炉中,在氢气或氩气氛中于 1100~1200°C 高温下 对硅晶圆片实施退火处理,经数小时之后可将晶圆片表层部的氧气向外加以扩散,可使表 层之氧浓度大幅降低,同时可消除拉晶过程中所形成的微小 COP(Crystal Originated Particle)缺陷。并且藉由高温热处理过程当中所形成的 BMD(Bulk Micro Defect)来吸附晶 圆表面快速扩散的金属杂质,以提升半导体 IC 制程良率及产品品质。

使用 Annealed wafer 制品之主要目的是消除晶圆表面及表层部的组件制作区域上的 缺陷,并且具有很强的重金属污染捕获能力。一般 CMOS 组件制作及 DRAM 制造厂商对 于晶圆片表层之缺陷要求相当的严格,故使用具有低缺陷密度(COP、表 OSF)的退火晶圆 可以有较高的氧化层崩溃电压(gate oxide breakdown voltage 或 GOI),以增加产品良率。 此外,从抛光片加工成退火片工艺相对简单,因此退火片的单价低于外延晶圆单价,可以 部分替代薄膜外延片的需求

2.1.3 外延晶圆

外延片(磊晶晶圆,epitaxial wafer)是指在抛光晶圆表面外延生长出一层不同电阻率 的单晶薄膜。通过气相外延沉积的方法在衬底上进行长晶,与最下面的衬底结晶面整齐排 列进行生长,新生长的单晶层称为外延层,长了外延片的衬底称为外延片。作为衬底的单 晶硅片根据尺寸不同,厚度位于 500-800 微米,常用的外延层厚度为 2-20 微米。

为什么需要外延工艺?外延生长技术发展于 20 世纪 50 年代末 60 年代初,为了制造 高频大功率器件,需要减小集电极串联电阻。随着半导体器件性能的要求不断提高,对单 晶硅片的要求越来越高,控制硅单晶片的原生缺陷变得越来越难,因此硅外延片越来越多 地被采用。外延片具有抛光片所不具有的某些电学特性,并消除了许多在晶体生长和其后 的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。外延用于生长元素、半导体化合物和合金薄结晶 层,可以较好地控制膜的纯度、膜的完整性以及掺杂级别。

外延片分类方式较多,可以按反应室、外延温度、材料异同、外延厚度、掺杂浓度、 导电类型、外延生长方式等分类,以下介绍两种主要的分类方法:

按照衬底与外延层材料,可分为同质外延与异质外延。当外延膜在同一种材料上生长 时,称为同质外延,如硅基外延硅;在不同材料上生长外延则称为异质外延,如硅基氮化 镓(GaN on Si)。

按照原子输入方式,主要分为气相外延(VPE)、液相外延(LPE)、固相外延(SPE)。外延方式常用来生长 Si 外延材料、GaAs 外延材料等;液相外延主要用于生长制造光 电器件所需的化合物外延功能薄层材料;其中,化学气相沉积(CVD)生长方法应用最为广泛, 满足晶体的完整性、器件结构的多样化,装置可控简便,批量生产、纯度的保证、均匀性 要求。在化合物半导体的广泛应用,分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD) 也成为重要的外延生长方式。MBE 广泛地用于获得超薄层异质结外延功能材料,优点是材 料的质量非常好,但是生长速度比较慢。MOCVD 采用液相状态的金属有机化合物同汽态 的氢化物作为沉积源原材料,以热分解反应方式沉积形成外延层,MOCVD 方法可以获得 Ⅲ-V 族、Ⅱ-Ⅵ族化合物晶层及它们的多元超薄单晶层。

外延片主要技术指标包括产品直径、外延厚度、外延电阻率、外延层厚度均匀性、电 阻均匀性、表面缺陷等。外延硅晶圆广泛使用在二极管、IGBT 功率器件、低功耗数字与模 拟集成电路及移动计算通讯芯片等,为了满足不同的要求,衬底及外延层的技术参数通常 根据客户要求及下游产品定制。

2.1.4 SOI,硅的异质外延

SOI(绝缘体上硅,Silicon-On-Insulator)属于硅的异质外延,原理是在硅晶体管 之间加入绝缘层。SOI 硅片是差异化、功能性集成电路衬底材料,其全介质隔离特征能够 实现全新的、不同于抛光片和外延片的器件设计。SOI 可使硅之间的寄生电容减少一半, 由于 SOI 硅片具有寄生电容小、短沟道效应小、继承密度高、速度快、功耗低等优点。

SOI 硅片的原理比较简单,核心目标就是在衬底中间加入一层绝缘层,一般为二氧化 硅 SiO2 层。SOI 硅片的制造方法主要有四种:SIMOX 技术、Bonding 技术、Sim-bond 技术和 Smart-Cut 技术。

SIMOX 即注氧隔离技术,通过氧离子注入和退火两个关键步骤在普通半导体硅片内部 嵌入氧化物隔离层,从而制备 SOI 硅片。SIMOX 适合于制作薄膜全耗尽超大规模集成电路。

Bonding 即键合技术,是通过将两片普通半导体硅片氧化、键合以及退火加固后,通 过研磨与抛光将其中一个半导体硅片减薄到所要求的厚度来制备 SOI 硅片的方法。

Sim-bond 即注氧键合技术,通过在硅材料上注入离子并结合高温退火,形成分布均 匀的离子注入层作为化学腐蚀阻挡层,实现对最终器件层的厚度及其均匀性的良好控制。 Sim-bond 技术制备的 SOI 硅片具有优越的顶层硅均匀性,同时也能得到厚的绝缘埋层, 因此广泛应用于汽车电子、硅光子等领域。

Smart Cut 即智能剥离技术,是世界领先的 SOI 制备技术,通过氢离子注入实现硅层 的可控转移。氢注入不会导致硅片晶格的损伤,大幅度提升了顶层硅晶体质量,达到与体 硅晶体质量相同的水准。此外,剥离的硅片衬底经过抛光加工后重复使用,大幅度降低了 生产成本;顶层硅厚度可以通过氢离子的注入能量来调节,可以满足顶层硅厚度 1.5μm 以 下各类 SOI 硅片领域的应用。因此广泛应用于汽车电子、硅光子、射频前端芯片等领域。


SOI 产品主要应用包括数字 SOI、RF-SOI、功率 SOI、FD SOI、光学 SOI,近年应从数字向射频、功率等领域拓展。数字 SOI 用于处理器芯片和连接 SoC;RF SOI 应用于 射频应用,目前已经成为智能手机的开关和天线调谐器的**解决方案;POWER SOI 用 于智能功率转换电路,主要应用于汽车、工业、家电消费类等高可靠性高性能场景;FD SOI 具有减少硅几何尺寸同时简化制造工艺的优点,主要应用在智能手机、物联网、5G、汽车 等对于高可靠性、高集成度、低功耗、低成本的应用领域;光学 SOI 应用于数据中心、云 计算等光通信领域。

2.2 按应用场景分为正片、陪片和刻蚀电极

从硅片在晶圆厂的应用场景角度来看,硅片可以分为正片(Prime Wafer)和陪片。 陪片又按功能分为测试片(Test Wafer)、挡片(Dummy Wafer)和控片(Monitor Wafer),测试片与控片的用途也有所重叠。

测试片主要用于实验及检查等用途,也用于制造设备投入使用初期以提高设备稳定性; 挡片用于新产线调试以及晶圆生产控制中对正片的保护;控片多用于正式生产前对新工艺 测试、监控良率,同时为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。

挡片和控片一般是由晶棒两侧品质较差段切割出来。另外,部分挡控片可重复使用。 由于挡控片作为辅助生产使用且用量巨大,晶圆厂通常会回收用过的挡片,经研磨抛光, 重复使用数次;而控片则需具体情况具体对待,用在某些特殊制程的控片无法回收使用, 可以回收重复利用的挡控片又被称为可再生硅片。

蚀用硅材料,13-19 英寸大硅片的细分市场。除作为直接生产材料,半导体硅材料 还可用于刻蚀设备的电极。集成电路刻蚀用单晶硅材料,经硅电极制造商机械加工为硅电 极,用于芯片制造刻蚀机中的反应腔中,是晶圆制造刻蚀环节所必需的核心耗材。刻蚀用 硅电极半导体,直径大于正片,目前主流晶体尺寸覆盖 13-19 英寸以适用不同型号刻蚀设 备,全球范围内已实现商用的**尺寸可达 19 英寸。蚀用硅材料全球市场规模约 15 亿 元,属于半导体级单晶硅材细分市场。

2.3 12 寸晶圆出货面积占比逾六成

跟随摩尔定律演进,集成电路制造所用的主流晶圆直径从 4 英寸、6 英寸、8 英寸到 12 英寸。直径越大的圆片,所能刻制的集成电路越多,芯片的单位成本越低,因此晶圆持 续向大尺寸发展。尺寸演变节奏上,1980 年代以 4 英寸硅片为主流,1990 年代是 6 英寸 占主流,2000 年代 8 英寸占主流,2002 年英特尔与 IBM 首先建成 12 英寸生产线,到 2005 年 12 英寸硅片的市场份额已占 20%,2008 年升至 30%,2008 年以来 12 寸成为晶圆主 要尺寸,2017 年继续上升至 66.01%。据 SEMI 统计,2019 年,全球 12 英寸半导体硅片 出货面积占全部半导体硅片出货面积的 67.22%。

为什么 450mm 晶圆投产节奏一再低于预期?晶圆尺寸历史上约 10 年升级一次,从 2011 年起,业界即预测在摩尔定律的驱动下,18 英寸晶圆将于 2017 年投产,随着 18 寸 硅片的生产技术逐渐成熟,原本预计 12 英寸未来也将朝着 18 英寸过渡,但 18 英寸晶圆 未如期而至。大尺寸晶片对材料、技术、设备投资的要求也越高,高额的投资成本是主因。 SEMI 曾预测每个 450mm 晶圆厂将耗资 100 亿美元,但单位面积芯片成本只下降 8%。目 前,市场预期 18 英寸晶圆预计于最早也将于 2022 年后才得以推进,并且三大 IC 制造巨 头将投资转向 EUV,18 英寸的前途更加不明朗。

8 英寸与 12 英寸晶圆适应产品领域略有差异,12 英寸为成长主力。8 英寸主要用于 成熟制程及特种制程,在应用端,对 8 英寸晶圆代工的强劲需求主要来源于功率器件、电 源管理 IC、影像传感器、指纹识别芯片和显示驱动 IC 等;12 英寸主要适用于 28nm 以下 的先进制程,主要成长动力来自于存储和逻辑芯片。SUMCO 预计 2018-2022 年,12 寸 硅片需求量 CAGR 达 4.1%。

8 英寸晶圆在成熟制程及特殊制程具有优势,需求占比预计将维持 20%以上。8 英寸 产线因折旧完毕具有成本优势,同时在模拟电路、高功率等晶圆生产具有优势。据 SEMI 最新报告,2019 年底有 15 个新 Fab 厂开工建设,总投资金额达 380 亿美元,其中约有一 半用于 8 英寸晶圆尺寸。IC Insights 预计未来 2 年,8 寸晶圆产能预计维持 23%左右市占 率。

新兴需求迭起,8 寸晶圆厂出现阶段性产能紧张。8 寸硅片目前主要用于指纹识别芯片、 电源管理芯片、功率器件、微控制器等半导体产品的生产。2016 年以来,随着存储计算、 边缘计算、物联网等新应用的兴起带动了 NOR Flash、指纹识别芯片、电源芯片等产品对 8 寸晶圆的需求,汽车电子兴起带动功率器件需求,市场随之出现供应紧张状态。2017Q2 起,8 寸硅片的需求开始超过产能,8 寸硅片的供给开始趋紧。

3.硅晶圆的技术与投资壁垒

3.1 硅晶圆工艺及技术壁垒

将多晶硅拉制成单晶硅主要有直拉法和区熔法两种工艺。1947 年,俄国人切克劳尔斯 基发明了拉制金属单晶的直拉 CZ 法工艺。1951 年,美国人蒂尔和利特把 CZ 法移植到硅 单晶生长工艺上来,拉出了Ф100mm 的单晶。1952 年,美国人采用高频感应加热发 明了硅单晶生长的埚悬浮区域熔炼 FZ法。此后,CZ法和FZ法的工艺与设备不断发展, 使之成为现代硅单晶生产的主要技术。

大部分半导体硅片使用直拉法生产。硅区熔单晶硅(FZ-Si)主要用于制作电力电子器件 (SR、SCR、GTO 等)、射线探测器、高压大功率晶体管等;直拉单晶硅(CZ-Si)主要用于制 作集成电路、晶体管、传感器及硅光电池等。目前,90%以上的单晶硅采用直拉法生产。

直拉法生产过程:半导体用单晶硅片纯度在 9N ( 99.9999999% ) -11N(99.999999999%)左右,纯度要求最低是光伏单晶硅片的 1000 倍以上,原材料使用 的多晶硅纯度通常为 8-9 个 9。首先将多晶硅和掺杂剂放入单晶炉内的石英坩埚中,将温 度升高至 1420℃以上,得到熔融状态的多晶硅。其中,通过调控放入掺杂剂的种类(B、P、 As、Sb)及含量,可以得到不同导电类型及电阻率的硅片。待多晶硅溶液温度稳定之后, 将籽晶缓慢下降放入硅熔体中(籽晶在硅融体中也会被熔化),然后将籽晶以一定速度向 上提升进行过程。随后通过缩颈操作,将引晶过程中产生的位错消除。当缩颈至足够 长度后,通过调整拉速和温度使单晶硅直径变大致目标值,然后保持等径生长至目标长度。 最后为了防止位错反延,对单晶锭进行收尾操作,得到单晶锭成品,待温度冷却后取出。

长晶技术主要体现在炉内温度的热场和控制晶体生长形状的磁场设计能力。单晶炉由 炉体、热场、磁场、控制装置等部件组成,硅料经过提炼提纯成为高纯度的多晶硅后,在 单晶炉中长成单晶硅棒,集成电路刻蚀用单晶硅材料在生产中需要对热场进行合理的设计, 精确控制原材料和掺杂剂配比,持续动态控制晶体的固液共存界面形状、晶体成长速度、 旋转速率、腔体温度场分布及气流气压等诸多生产参数并实现上述生产参数之间的动态匹 配,技术难度较高,且随着产品尺寸增加,对应的生产难度也成倍增长。

单晶硅生长技术决定了硅片的主要质量参数。当高纯度多晶硅在石英埚内熔化后, 由于硅元素与其他元素的结晶效率存在差异,部分杂质元素进入硅单晶体的难度较大,部 分杂质元素将随着时间的推移逐渐沉积到多晶硅熔液底部并形成残留物,生长成单晶硅材 料产品的纯度高于原材料多晶硅的纯度。由于长晶过程中使用石英坩埚和加热元件,仍然 会形成碳和氧杂质。硅抛光晶圆的主要技术指标包括直径、晶体工艺、掺杂剂、晶向、电 阻率、厚度等,其他质量指标包括缺陷密度、氧含量、碳含量、翘曲度等,其中大部分参 数由长晶技术决定。

下游芯片制程的技术节点越先进,对应的硅片上述指标控制越严格,不同的技术节点 对应的指标控制参数会有相差。产业链下游的半导体芯片制造通常采用不同工艺制程完成, 不同的芯片制程工艺技术节点,对应于半导体硅片不同的纯度、晶体原生缺陷和杂质控制 水平、硅片表面和边缘平整度、翘曲度、厚度均匀性等指标要求。伴随半导体厂商晶圆制 程朝细微化前进,对上游硅晶圆表面的洁净度要求更为严苛,因此硅晶圆制程中拉晶工程 技术(例:氧浓度及微缺陷多寡)的提升及制程上的支持就愈显得重要。

晶碇经成型工艺加工成片。切片,将单晶晶棒通过切片设备切成合适厚度的硅片;边 缘倒角是使晶圆边缘圆滑的机械工艺,将硅片边缘修正成圆弧状,改善硅片的机械强度, 减少应力集中造成的硅片缺陷;磨片是磨料研磨工艺,它的主要目的是去除切片工程残留 的表面损伤,同时改善硅片的总平坦度、翘曲度;化腐,硅片经过切片和磨片后,其表面 因加工应力会形成一层损伤层,腐蚀则是利用混酸蚀刻硅片去除表面损伤层,使整片硅片 维持高质量的单晶特性;抛光,抛光制程使用抛光浆与抛光布,搭配适当的温度,压力与 旋转速度,可消除前制程所留下的机械伤害层,改善硅片表面粗糙度,并且得到表面平坦 度极佳的硅片,避免客户曝光制程中遭遇的聚焦问题。

半导体技术密集度高,其制程技术与产品产出良率决定生产成本高低。而研发人才与 制程技术具有密切关系,但研发专业人才培养及延揽不易。我国半导体硅片产业起步较晚, 国内关键技术人才非常稀缺。加上产品需经过客户认证后方能取得订单,客户认证周期长, 一个新供应商的认证周期至少需要 9-18 个月,造成新竞争者有较高之进入门坎。

3.2 硅晶圆厂商资金壁垒高

除了技术壁垒高、人才壁垒高,半导体硅片行业具有资金壁垒高的特点,行业准入门 槛较高。2018 年前,300mm 半导体硅片仅由前五大硅晶圆供应商提供,国内拥有 300mm 半导体硅片供应能力的企业较少。

半导体产业是资本与技术高度密集的工业,由于生产机台昂贵且产品技术变化快速, 需要投入之资本支出越发庞大。硅晶圆与晶圆厂类似,均为重资产行业,硅晶圆大厂 SUMCO、Siltronic、环球晶圆的固定资产周转率通常小于 2,2016 年最低点小于 1。

参考国内硅晶圆代表企业沪硅产业近几年的成本结构:直接材料占比 40-50%,直接 人工占比 10-15%,制造费用占比 40-50%。

硅晶圆生产原材料主要包括电子级多晶硅、石英坩埚、石墨坩埚、切割线、抛光液等。参考沪硅产业 2018 年直接材料构成,多晶硅占比 31%,衬底片(用于外延及 SOI 晶圆生 产)占比 21%,石英埚占比 9%,其他材料合计占比 22%。

4.硅晶圆十年周期复盘

硅晶圆制造业产业于整个半导体产业架构中材料供应角色,随着半导体产业的蓬勃发 展,对硅晶圆材料之需求亦急速增加。半导体行业呈周期性波动和螺旋式上升的趋势,半 导体硅片行业的市场波动基本同步于整个半导体行业的波动周期。

2009-2019 年间,硅晶圆市场规模高增时段为 2010 年、2014 年、2016-2018 年; 显著下降期为 2011-2013 年

2009-2010 年,金融危机的半导体市场与硅片市场快速复苏。2008 年,受金融危机 影响,半导体硅片市场自 2008 年 9 月起大幅下滑,直到 2009Q1 触底反弹,随后缓慢复 苏。2009-2010 年间,经济刺激政策促进全球经济复苏,半导体市场持续增长。

2011-2013 年,日元连续大幅贬值,硅片市场与半导体市场规模趋势背离。2011-2013 年间,受益于智能手机与平板电脑普及,半导体市场规模温和上涨,但美元对日元汇率分 别上涨 12.8%、21.4%、13.7%,且从整体供应厂商结构来看,日厂占整体硅晶圆比重五 成以上,致硅晶圆市场规模连续下滑。从下游看来,智能手机与平板市场持续增长,个人 电脑市场增长缓慢,其他消费电子产品需求熄火。微处理器、功率半导体产量下降,8 寸硅需求迅速下降。

2013-2015H1,中低端智能手机普及,半导体市场规模再次成长。受惠于智能手机与 平板计算机等手持装置需求提升,尤其是中低阶手机下半年出货量高于高阶机种,半导体 产业景气自 2013 年起逐渐复苏。2014 年在行动智能装置出货量持续呈现成长态势,特别 是中低阶市场的拉抬,且汽车电子需求也呈现稳定增长,以及对全球宏观经济情势改善的 预期之下,2014 年全球半导体销售额成长道亦有所增强。内存、处理器及通讯芯片等 IC 零组件持续供不应求,让各半导体厂的产能利用率居高不下,也间接使得半导体材料持续 成长,尤其半导体 12 吋硅晶圆需求更为显着;8 吋晶圆的需求中电源管理、指纹辨识、LCD 驱动和车用电子等,目前没有向上升级到 12 吋必要,也导致需求大增。在这样快速增长的 情况下,全球的大硅片依然显得供不应求。2013-2015Q2,硅片同比出货量均维持了高景 气度,全球 12 寸硅晶圆出货量从 2013Q1 约 3.6KK/M,增至 2015Q2 出货量 5.2KK/M, 增长约 40%。但硅晶圆厂 2013 年度开工率环比下降 1pct,且 DRAM、NAND 均大幅降 价,因此 2013-2015H1 半导体市场规模及硅晶圆市场规模仅发生微小变化。

2015H2-2016H1,硅晶圆市场需求盘整期。NAND 价格于 2015 年触底反弹,DRAM 价格直到 2016 年 5 月才有起色。2016 年,由于功率组件(MOSFET、Schottky)等产品需求强劲,中小尺寸产品全年皆维持近乎满产能生产,但全球智能型手机及 PC 并未见明显成 长,因此大尺寸(8"&12")产品表现持平。

2016H2-2018 年,半导体与硅晶圆市场再度成长,硅晶圆大厂盈利均显著改善。2016Q2 智能手机库存调整结束,晶圆厂景气复苏;自 2016Q4 起,8”及 12”硅晶圆库 存均快速下调,硅晶圆需求增长显著。2018 年初,主要硅片厂商纷纷将价格上调了 10~20%, SUMCO 将 12 英寸硅片价格上调了 20%,相比 2016 年底增幅达 60%。2016-2018 年在 此背景下,硅晶圆大厂营业利润率连续攀升。

半导体市场在 2019 年受到内存市场需求不振与平均售价(ASP)下滑等因素影响,加上 贸战争及地缘政治带来的不确定性,使得全球总体经济与半导体市场规模萎缩。从产品 角度,2019 年逻辑器件需求已稳定,存储仍在调库存。2019Q4 季度,8”及 12”硅晶圆 市场需求均见底,自 2020Q1 起 200mm/300mm 需求稳步回升。

2020 受疫情影响,硅晶圆需求存在不确定性。WSTS 原预期 2020 年全球半导体市场 将达 4,330 亿美元,较 2019 年成长 5.9%。但新型冠状病毒疫情持续扩散,全球半导体产 业销售规模预计受影响,即使有客户增加安全库存,达到 WSTS 成长预测值概率较小。

综上,硅晶圆市场周期性存在以下主要特点:1)12“硅晶圆需求景气主要由手机、PC、 Tablet 等消费电子产品创新周期驱动,8”硅晶圆需求由汽车电子、功率、指纹识别等产品 需求。2)由于下游电子产品对硅片需求不断增长,全球 12 英寸出货量呈现稳定上升趋势。 2013-2019,全球 12”硅晶圆月出货量从 4KK 提升到 6KK。3)硅晶圆行业价格受开工率、 客户库存以及终端产品价格等因素影响,由于重资产属性,硅晶圆代表企业盈利能力也受 波动影响。4)由于硅晶圆供应商约 65%集中于日本,而半导体产业相对分散于全球,因 此日元汇率也是造成硅晶圆与半导体市场周期背离的重要原因。

5.硅材料竞争格局分析

5.1 CR5 维持 90%市占率近 20 年

近 20 年,半导体硅片市场均由日、德、韩寡头企业垄断,前 5 大企业市占率达 94%。上世纪 90 年代末,日本、德国和韩国资本控制的 8 大硅片公司的销量占世界硅片销量的 90%以上。根据 SEMI 提供的 2002 年世界硅材料生产商的市场份额显示,Shin-Etsu、 SUMCO、Wacker、MEMC、Komatsu 等 5 家公司占市场总额的比重达到 89%,垄断地 位已经形成;硅片市场经过多次并购重组,集中度进一步提升。

Gartner 数据显示,2018 年全球半导体硅片销售额前 5 家企业为 Shin-Etsu[日(] 28%)、 SUMCO[日](25%)、Global Wafer[台](17%)、Siltronic[德](15%)、SK Siltron[韩] (9%),前两大厂商信越、SUMCO 占全球晶圆营业额近 50%以上,前五大厂份额达到 94%。2018 年全球五大硅晶圆供货商总销售额 109 亿美元,较 2017 年前五大供应商的销 售额 87 亿美元成长 25.29%。其他所有供货商纷争 6%的市场份额,竞争十分激烈。

中国 12 英寸硅片几乎全部依赖进口,8 英寸硅片也只有少数厂商可以供应。8 英寸硅 片及外延片的国内供应商有浙江金瑞泓、昆山中辰(台湾环球晶圆)、北京有研、河北普兴、 南京国盛、中电科 46 所以及上海等。

5.2 硅晶圆主要上市公司分析(略)

……

(报告观点属于原作者,仅供参考。作者:申万宏源,杨海燕)

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