國產(chǎn)硅片的追夢(mèng)之路

瀏覽：167 作者：來源：時(shí)間：2024-08-20 分類：

除了需要大量的投資以外，大硅片還需要解決技術(shù)挑戰(zhàn)。

硅片是集成電路產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，是晶圓制造的核心材料。中國大陸8寸、12寸硅片自主供應(yīng)能力弱，高度依賴進(jìn)口，是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中的短板。近年來，在政策支持和產(chǎn)業(yè)界積極努力下，已經(jīng)涌現(xiàn)出部分優(yōu)質(zhì)企業(yè)，硅片產(chǎn)能將在未來幾年將逐步落地，完成硅片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的追夢(mèng)之路。

硅片是半導(dǎo)體核心基礎(chǔ)材料

硅片是芯片制造的基本材料，以硅為材料制造的片狀物體，一般是由純度很高的結(jié)晶硅制成的。與其他材料相比，結(jié)晶硅的分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，很少有自由電子產(chǎn)生，導(dǎo)電性極低。半導(dǎo)體器件則是通過對(duì)硅片進(jìn)行光刻、刻蝕、離子注入等手段，改變硅的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)而提高其導(dǎo)電性，最終獲得的一種具備較低導(dǎo)電能力的產(chǎn)品。硅片主要應(yīng)用領(lǐng)域在半導(dǎo)體和光伏兩大領(lǐng)域，其差異主要表現(xiàn)在類型、純度、表面性質(zhì)上：

1. 半導(dǎo)體硅片均為單晶硅，太陽能采用的硅片單晶和多晶均有；

2. 半導(dǎo)體硅片純度要求高，為99.9999999%（9N）以上，光伏相比則要求較低，99.99%-99.9999%（4N-6N）之間；

3. 半導(dǎo)體硅片表面的平整度、光滑度以及潔凈度要求比光伏片高，需要經(jīng)過后續(xù)的研磨倒角、拋光、清洗等環(huán)節(jié)。

半導(dǎo)體硅片的高規(guī)格要求使得其制造工藝復(fù)雜，四大核心步驟包括多晶硅提純與多晶硅料的鑄錠、單晶硅生長以及硅片切割成型。作為晶圓制造的原材料，硅片質(zhì)量直接決定了晶圓制造環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性。

硅片和硅基材料是晶圓制造環(huán)節(jié)占比最大的基礎(chǔ)核心材料。90%以上的半導(dǎo)體芯片是以硅片作為基礎(chǔ)材料制造的。2018年全球半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)為123億美元，占晶圓制造材料322億美元的比重為37%，位居第一。

半導(dǎo)體硅片種類多元，未來向大尺寸趨勢(shì)發(fā)展

硅片產(chǎn)品按照加工工序可分為拋光片、退火片、外延片、節(jié)隔離片和絕緣體上硅片五大類產(chǎn)品。其中，拋光片是應(yīng)用范圍最廣泛，用量最大、最基礎(chǔ)的產(chǎn)品，其他的硅片產(chǎn)品也都是在拋光片的基礎(chǔ)上二次加工產(chǎn)生的。

拋光片：直接從單晶硅柱上切割出厚度約1mm的原硅片，然后對(duì)其進(jìn)行拋光鏡面加工，就得到了表面平整潔凈的拋光片，通過對(duì)其進(jìn)一步的純化，減少重金屬雜質(zhì)。

退火片：是通過把拋光片置于充滿氬氣或氧氣的高溫環(huán)境退火得到的，這樣可大幅減少拋光片表面的氧氣含量，從而擁有更好的晶體完整性（crystal perfection），可滿足更高的半導(dǎo)體蝕刻需求。

外延片：是通過在拋光片表面采用應(yīng)用氣相生長技術(shù)（Vapor Phase Growth or Epitaxy），在拋光片表面外延生出單晶結(jié)構(gòu)層，這樣其表面將比經(jīng)切割而來的拋光片更加平滑，從而降低表面缺陷。

節(jié)隔離片：是通過在拋光片的基礎(chǔ)上，首先是通過光刻法、離子注入、熱擴(kuò)散技術(shù)等技術(shù)嵌入中間層，然后再通過氣相生長技術(shù)在硅片外面形成平滑的外延層，從而滿足特定的襯底電性能需求。

SOI片（絕緣體上硅片）：是三明治結(jié)構(gòu)，最下層是拋光片，中間層是掩埋氧化層（BOX），頂層是活性層也是拋光片；BOX的存在使得SOI片實(shí)現(xiàn)高電絕緣性，從而減小寄生電容和漏電，繼而可以實(shí)現(xiàn)器件的高集成度，低的功耗，高可靠性，頂層的活性層也可以采用摻雜金屬元素的硅片從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。

隨著提拉單晶技術(shù)的提高，硅片的尺寸隨著時(shí)間的發(fā)展逐步提升，從2寸（50mm），到4寸（100mm），5寸（125mm），6寸（150mm），8寸（200mm），到2000年的12寸（300mm）。12寸硅片的下一站是18寸（450mm）硅片，但由于設(shè)備研發(fā)難度較高，目前制造廠對(duì)于18寸的推動(dòng)力不大，主流工藝以12寸和8寸硅片為主。

大尺寸硅片成為硅片未來發(fā)展的趨勢(shì)。為了提高生產(chǎn)效率降低成本，大尺寸硅片越來越多被使用，隨著尺寸加大，在單片硅片上制造的芯片數(shù)目就會(huì)越多；同時(shí)在圓形硅片上制造矩形的硅片會(huì)使硅片邊緣處的一些區(qū)域無法被利用帶來部分浪費(fèi)，隨之晶圓的尺寸的增大，損失比就會(huì)減??；這兩點(diǎn)都會(huì)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。

全球半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)巨大，12寸硅片存在供給缺口

半導(dǎo)體行業(yè)與全球宏觀經(jīng)濟(jì)形勢(shì)相關(guān)度較高。硅片行業(yè)在2009年受全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響，出貨量與銷售額均出現(xiàn)下滑；2010年受智能手機(jī)放量增長拉動(dòng)出現(xiàn)大幅反彈。2011年至2016年，全球經(jīng)濟(jì)逐漸復(fù)蘇但依舊較為低迷，硅片行業(yè)亦隨之低速發(fā)展。2017年以來，受益于半導(dǎo)體終端市場(chǎng)需求強(qiáng)勁，下游傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通信、固態(tài)硬盤、工業(yè)電子市場(chǎng)持續(xù)增長，新興應(yīng)用領(lǐng)域如人工智能、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子的快速發(fā)展，半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)規(guī)模不斷增長，并于2018年突破百億美元大關(guān)。2016年到2018年，銷售金額從72.9億美元增長至114億美元，年均復(fù)合增長率達(dá)26%；出貨面積從107億平方英寸增長至127億平方英寸，年復(fù)合增長率達(dá)9%；銷售單價(jià)從0.67美元/英寸上升至0.9美元/英寸，年復(fù)合增速達(dá)16%。

如前所述，目前12寸和8寸硅片被主流工藝采用，2018年全球市場(chǎng)份額分別為63.3%和26.3%，合計(jì)占比接近90.00%。

8寸硅片自2011年以來，市占率穩(wěn)定在25-27%之間。2016年，受到汽車電子、指紋識(shí)別芯片、液晶市場(chǎng)爆發(fā)增長拉動(dòng)，出貨面積同比上升15%。2018年，除了汽車電子以外，工業(yè)電子、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的需求拉動(dòng)，加之國內(nèi)功率器件、傳感器的制造企業(yè)或者IDM企業(yè)的產(chǎn)能轉(zhuǎn)移（從150mm轉(zhuǎn)移至200mm），8寸硅片出貨量繼續(xù)提升，出貨面積同比增長6%。

12寸制造線自2000年全球首開以來，市場(chǎng)需求增加明顯。2008年出貨量首次超過8寸硅片，2009年即超過其他尺寸硅片出貨面積之和。2016年到2018年，由于AI、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等新興市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，12寸硅片年復(fù)合增長率為8%。未來，12寸硅片的市占率將會(huì)繼續(xù)提高。根據(jù)SUMCO數(shù)據(jù)，未來3-5年內(nèi)全球12寸硅片的供給和需求依舊存在缺口，并且缺口會(huì)隨著半導(dǎo)體周期的景氣程度提高而越來越大，到2022年將會(huì)有1000K/月的缺口。

全球半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)巨頭壟斷

半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈長，品質(zhì)控制極為嚴(yán)格且存在較高的技術(shù)壁壘。半導(dǎo)體材料作為產(chǎn)業(yè)的最上游，面臨嚴(yán)格的產(chǎn)品質(zhì)量控制，同時(shí)面臨長的研發(fā)周期，大的資金投入。此外，下游制造廠客戶的認(rèn)證依然是硅片廠商的重大壁壘。由于下游客戶認(rèn)證時(shí)間長，難度大，因此硅片廠商往往需要長時(shí)間的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累才能夠有效提升半導(dǎo)體材料產(chǎn)品的品質(zhì)，滿足客戶的需求，獲得客戶認(rèn)可并開拓客源。2018年全球半導(dǎo)體硅片（包括拋光片、外延片、SOI 硅片）行業(yè)銷售額前五名企業(yè)的市場(chǎng)份額分別為：日本信越化學(xué)28%，日本SUMCO 25%，中國臺(tái)灣環(huán)球晶圓14%，德國Siltroni 14%，韓國SK Siltron 10%，前五名的市場(chǎng)份額接近90%，市場(chǎng)呈現(xiàn)壟斷局面。

Shin-Etsu Chemical（信越化學(xué)，日本）成立于1926年，是全球領(lǐng)先的化工企業(yè)，擁有六個(gè)業(yè)務(wù)板塊，分別是PVC化工品、半導(dǎo)體硅、有機(jī)硅、電子功能性材料、特殊電子化學(xué)品和其他。在半導(dǎo)體硅業(yè)務(wù)方面，公司作為半導(dǎo)體單晶硅片的龍頭，始終牢牢在技術(shù)層面占據(jù)行業(yè)制高點(diǎn)。公司最早于2001年，成功研制了300nm硅片，并實(shí)現(xiàn)了SOI 硅片的產(chǎn)品化，并能持續(xù)穩(wěn)定地供應(yīng)IC用硅片。目前，信越化工能夠制造出11N(99.999999999%)的純度與均勻的結(jié)晶構(gòu)造的單晶硅，在全世界處于領(lǐng)先水平，主要的半導(dǎo)體硅片產(chǎn)品包括12英寸硅片、IG-NANA退火硅片和SOI硅片。2018年半導(dǎo)體硅片業(yè)務(wù)營業(yè)收入為3803億日元，營業(yè)利潤為同比1319億日元。

SUMCO（日本三菱住友勝高）主營半導(dǎo)體硅材料業(yè)務(wù)，是全球硅片龍頭企業(yè)。其前身為成立于1937年的Osaka Special Steel公司。集團(tuán)于1992年和1998年先后合并了Kyushu電子金屬公司和Sumitomo Sitix集團(tuán)，并于1998年更名為住友金屬工業(yè)公司。1999年，住友金屬工業(yè)與三菱材料和三菱硅材料公司成立聯(lián)合硅制造公司，生產(chǎn)12寸硅片。2002年三菱硅材料公司與住友金屬工業(yè)的硅制造部門、聯(lián)合硅制造公司合并，并于2005年更名為SUMCO公司。主營產(chǎn)品包括單晶硅錠、拋光硅片、退火硅片、外延片、SOI硅片等，是全球最大的12寸硅片供應(yīng)商之一，可提供12寸拋光片、退火片、外延片，SOI片和節(jié)隔離片可提供8寸片。2018年半導(dǎo)體硅片業(yè)務(wù)營業(yè)收入為3250億日元，利潤850億日元。

從CR2的公司發(fā)展歷程，我們看到其在硅產(chǎn)業(yè)積累時(shí)間較長，擁有幾十年的歷史，且其技術(shù)壁壘極高，單就SOI片而言，目前12寸只有個(gè)別公司攻克。因此，半導(dǎo)體硅片領(lǐng)域巨頭壟斷效應(yīng)明顯，巨頭擁有極強(qiáng)的定價(jià)權(quán)。

中國半導(dǎo)體硅片的追夢(mèng)之路

根據(jù)品利基金數(shù)據(jù)，2019年，中國6寸半導(dǎo)體硅片需求2000萬片/年，8寸硅片需求1200萬片/年，12寸硅片需求750萬片/年。根據(jù)公開數(shù)據(jù)，我們對(duì)2018-2019年中國大陸半導(dǎo)體制造產(chǎn)線梳理，基于目前產(chǎn)能、未來計(jì)劃產(chǎn)能、以及投資額度測(cè)算，制造廠對(duì)12寸硅片的需求：2019年約60萬片/月，折合720萬片/年。2023年需求約500萬片/月，折合6000萬片/年。

2019年6月，6寸國產(chǎn)化率超過50%，8寸國產(chǎn)化率10%，12寸國產(chǎn)化率小于1%，且國產(chǎn)12寸片在國內(nèi)晶圓廠中大都為測(cè)控片，正片的銷售較少?？紤]到下半年部分產(chǎn)能釋放，2019年我國12寸硅片至少有500萬片的缺口。

為了彌補(bǔ)半導(dǎo)體硅片的國產(chǎn)供應(yīng)缺口，降低進(jìn)口依賴度，我國邁出8寸與12寸大硅片的逐夢(mèng)之路。最近幾年內(nèi)，多項(xiàng)重大投資正在啟動(dòng)中，大都鎖定12寸硅晶圓。根據(jù)公開資料，我們對(duì)目前中國大陸8/12寸硅片產(chǎn)能梳理。未來4年，如果產(chǎn)能達(dá)產(chǎn)順利，12寸硅片總規(guī)劃月產(chǎn)能到2023年前后合計(jì)超過650萬片/月，考慮到良率等因素基本可以滿足國內(nèi)制造廠需求。

除了需要大量的投資以外，大硅片還有需要亟待解決的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要在以下四個(gè)方面：大直徑、控缺陷、精拋光、少雜質(zhì)。其中，大直徑中的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)與磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和控制技術(shù)是大硅片成型的核心技術(shù)；缺陷控制是決定硅片質(zhì)量和純度，是決定硅片等級(jí)的核心技術(shù)。

2015年底，國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金耗資約8億元，入股江蘇鑫華和上海硅產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，在大硅片領(lǐng)域進(jìn)行布局。近年來，上海新升、中環(huán)股份、超硅半導(dǎo)體、浙江金瑞泓、有研半導(dǎo)體等大硅片項(xiàng)目紛紛上馬，目標(biāo)投資額超千億?？傤~達(dá)2000億的大基金二期募資正在抓緊推進(jìn)，據(jù)悉其投資將向設(shè)計(jì)、材料、設(shè)備等傾斜，大硅片無疑也將成為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。在強(qiáng)勁的需求拉動(dòng)和美國的堵截?cái)D壓下，隨著技術(shù)進(jìn)步和資本持續(xù)推動(dòng)，負(fù)重前行的大硅片產(chǎn)業(yè)逐夢(mèng)之路必將迎來希望與收獲！