半導(dǎo)體硅片現(xiàn)狀，以上靠進(jìn)口|半導(dǎo)體行業(yè)觀察

時(shí)間：2022-12-08

近些年來，硅晶圓片占半導(dǎo)體材料市場(chǎng)的比重基本保持穩(wěn)定，比重為 34%左右。 2015 年**半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)規(guī)模約為 80 億美元，是占比較大的 IC 制造材料。日本的 Shin－Etsu 和 Sumco 的銷售占比**過 50％，中國(guó)閩臺(tái)的環(huán)球晶圓在 2016 年先后并購(gòu)了 Topsil 和 SunEdisonSemi，成為了***三大半導(dǎo)體硅片供應(yīng)商，目前**大硅片廠的銷售份額達(dá)到 92％，半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)一直被成員。

由于 2016 年全年** DRAM 和 3D NAND Flash 出貨量增加以及硅片**大廠產(chǎn)能有限，再加上大陸投資的大尺寸硅片項(xiàng)目未能實(shí)現(xiàn)出貨，導(dǎo)致**半導(dǎo)體硅片供應(yīng)吃緊， **上前幾大硅片供應(yīng)商的產(chǎn)能利用率均達(dá)到 100％。三大半導(dǎo)體硅片廠均宣布將調(diào)漲 2017 年 Q1 的 12 英寸硅片價(jià)格 10～20％。

而據(jù)IC Insights 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，**營(yíng)運(yùn)中的 12 寸(300mm)晶圓廠數(shù)量持續(xù)成長(zhǎng)，在 2016 年可達(dá)到 100 座，到 2020 年底，預(yù)期**應(yīng)用于 IC 生產(chǎn)的 12 寸晶圓廠總數(shù)達(dá)到 117 座，若 18 寸(450mm)晶圓邁入量產(chǎn)， 12 寸晶圓廠的高峰數(shù)量可達(dá)到 125 座左右。由于 12 英寸（ 300mm）的硅片主要是用來生產(chǎn)邏輯芯片和記憶芯片，并且DRAM 與 NAND 閃存等未來五年年均復(fù)合增長(zhǎng)率（ CAGR）可達(dá)7.3%，產(chǎn)值將從去年的 773 億美元擴(kuò)增至 1,099 億美元，增長(zhǎng)率達(dá)到 42.2%，因此，**對(duì)于 300mm 大硅片的需求將持續(xù)擴(kuò)張。預(yù)計(jì)未來幾年硅片的缺貨將是常態(tài)。

國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)經(jīng)過 30 多年的大力發(fā)展，目前已形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，以及集成電路設(shè)計(jì)、芯片制造、封裝三業(yè)及支撐配套業(yè)共同發(fā)展的較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈格局。目前我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展快速，對(duì)上游原材料需求維持這一個(gè)較高的水平，近幾年對(duì)硅片及硅基材料的需求基本在 130 億元左右的水平，但 12 英寸硅片完全依賴進(jìn)口，因此將來存在著較大的進(jìn)口替代的可能性。

什么是半導(dǎo)體硅片

硅片又稱硅晶圓片，是制作集成電路的重要材料，通過對(duì)硅片進(jìn)行光刻、離子注入等手段，可以制成集成電路和各種半導(dǎo)體器件。硅片是以硅為材料制造的片狀物體，直徑有 6 英寸、 8 英寸、 12 英寸等規(guī)格。單晶硅是硅的單晶體，是一種比較活潑的非金屬元素，具有基本完整的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。不同的方向具有不同的性質(zhì)，是一種良好的半導(dǎo)材料。純度要求達(dá)到 99.9999%，甚至達(dá)到 99.9999999%，雜質(zhì)的含量降到 10-9的水平。采用西門子法可以制備高純多晶硅，然后以多晶硅為原料，采用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長(zhǎng) 出棒狀單晶硅。單晶硅圓片按其直徑主要分為 6 英寸、 8 英寸、 12 英寸及 18 英寸等。

硅（ Si）是目前較重要的半導(dǎo)體材料，** 95%以上的半導(dǎo)體芯片和器件是用硅片作為基底功能材料而生產(chǎn)出來的。在可預(yù)見的未來，還沒有其它材料（如石墨烯等）可以替代硅的地位。在半導(dǎo)體制造業(yè)中廣泛使用各種不同尺寸與規(guī)格的硅片，通常包括 4 英寸、 5 英寸、 6 英寸、 8 英寸及 12 英寸，它們的基本規(guī)格如下表所示：

直拉法和區(qū)熔法的比較

硅片尺寸越大，將來在制成的每塊晶圓上就能切割出更多的芯片，單位芯片的成本也就較低。在 1960 年時(shí)期就有了 0.75 英寸(約 20mm)左右的單晶硅片。在 1965 年左右 GordonMoore 提出摩爾定律時(shí)，還是以分立器件為主的晶體管，然后開始使用少量的 1.25 英寸小硅片，進(jìn)而集成電路用的 1.5 英寸硅片較是需求大增。

之后，經(jīng)過 2 英寸， 3 英寸，和4 英寸。接下來 5 英寸， 6 英寸， 8 英寸，然后進(jìn)入 12 英寸。業(yè)界較為公認(rèn)的說法， 1980年代是 4 英寸硅片占主流，1990 年代是 6 英寸占主流，2000 年代是 8 英寸占主流，到 2002年時(shí)英特爾與 IBM 首先建 12 英寸生產(chǎn)線，到 2005 年已占 20%，及 2008 年占 30%，而那時(shí) 8 英寸已下降至 54%及 6 英寸下降至 11%。預(yù)計(jì)在 2020 年左右， 18 英寸（ 450mm）的硅片將開始投入使用。

半導(dǎo)體硅片尺寸發(fā)展歷程

單晶硅片是制造半導(dǎo)體硅器件的原料，用于制作大功率整流器、大功率晶體管、二極管、開關(guān)器件等，其后續(xù)產(chǎn)品集成電路和半導(dǎo)體分立器件已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。單晶硅作為一種重要的半導(dǎo)體材料,在光電轉(zhuǎn)換、傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件中其應(yīng)用已十分普遍。以電驅(qū)動(dòng) 的發(fā)光光源，如放電燈、熒光燈或陰極射線發(fā)光屏、發(fā)光二極管等。從信息角度來看，可利用光**、放大、調(diào)制、加工處理、存儲(chǔ)、測(cè)量、顯示等技術(shù)和元件，構(gòu)成具有特定功能的光電子學(xué)系統(tǒng)。例如，利用光纖通信可以實(shí)現(xiàn)迅速和大容量信息傳送的目的。它使原來類似的技術(shù)水平得到大幅度的提高。

半導(dǎo)體單晶硅片的生產(chǎn)工藝流程

單晶硅片是單晶硅棒經(jīng)由一系列工藝切割而成的，制備單晶硅的方法有直拉法（ CZ 法）、區(qū)熔法（ FZ 法）和外延法，其中直拉法和區(qū)熔法用于制備單晶硅棒材。區(qū)熔硅單晶的較大需求來自于功率半導(dǎo)體器件。

單晶硅制備流程

直拉法簡(jiǎn)稱 CZ 法。 CZ 法的特點(diǎn)是在一個(gè)直筒型的熱系統(tǒng)匯總，用石墨電阻加熱，將裝在高純度石英坩堝中的多晶硅熔化，然后將籽晶插入熔體表面進(jìn)行熔接，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)籽晶，再反轉(zhuǎn)坩堝，籽晶緩慢向上提升，經(jīng)過引晶、放大、轉(zhuǎn)肩、等徑生長(zhǎng)、收尾等過程，得到單晶硅。

區(qū)熔法是利用多晶錠分區(qū)熔化和結(jié)晶半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)的一種方法，利用熱能在半導(dǎo)體棒料的一端產(chǎn)生一熔區(qū)，再熔接單晶籽晶。調(diào)節(jié)溫度使熔區(qū)緩慢地向棒的另一端移動(dòng)，通過整根棒料，生長(zhǎng)成一根單晶，晶向與籽晶的相同。區(qū)熔法又分為兩種：水平區(qū)熔法和立式懸浮區(qū)熔法。前者主要用于鍺、 GaAs 等材料的提純和單晶生長(zhǎng)。后者是在氣氛或真空的爐室中，利用高頻線圈在單晶籽晶和其上方懸掛的多晶硅棒的接觸處產(chǎn)生熔區(qū)，然后使熔區(qū)向上移動(dòng)進(jìn)行單晶生長(zhǎng)。由于硅熔體完全依靠其表面張力和高頻電磁力的支托，懸浮于多晶棒與單晶之間，故稱為懸浮區(qū)熔法。

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