《硅片技术发展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硅片技术发展（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、硅片技术发展一、 硅片技术发展根据戈登摩尔于1965年提出的摩尔定律，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，相应的集成电路性能也将提升一倍，成本随之下降一半。40多年中，芯片的集成化趋势一如摩尔的预测，硅片的尺寸也由2英寸（50mm）逐渐发展至4英寸（100mm）、6英寸（150mm）、8英寸（200mm）、12英寸（300mm）。硅片直径的提升使得硅片面积平方级增长，加上硅片由于边缘部分不够平整以及存在缺陷，实际利用的面积主要集中在中间区域，进而使得单块晶圆芯片产出数量成倍增长。硅片直径越大，芯片的平均生产成本越低，进而提供更经济的规模效益。但与此同时，为确保硅片
2、的高洁净度、平整度、低晶体缺陷，带来的质量控制和制造难度也成倍增加，需要的生产工艺技术、设备性能提升，给厂商带来更高的期初固定成本投入。根据SEMI统计，2021年12英寸硅片出货面积占比约685%，8英寸硅片占比246%，6英寸及以下占比69%。二、 半导体硅片行业特征12英寸硅片技术水平要求更高，产线投资更大。12英寸硅片用于更窄线宽制程，故对单晶微缺陷、硅片平整度、表面颗粒物、表面沾污等技术指标要求更加细化和严格，与8英寸相比，晶圆厂对12英寸硅片增加了硅片边缘局部平整度、高度径向二阶导数、纳米形貌等指标要求。厂商需要掌握更复杂的生产工艺流程及成套的特殊控制技术才能生产出合格的产品。受益
3、于全球半导体需求的高景气，根据SUMCO统计，全球8英寸硅片2022Q1出货量约600万片/月，12英寸硅片2022Q1出货量接近800万片/月，创历史新高。硅片的扩产周期在2年以上，全球硅片产能至少至2023年下半年才会有明显增长。根据Sumco的数据，全球12英寸硅片在2020年之前主要依靠原有厂房进行产能扩充，新建厂房在2021年之后逐渐释放产能，产能释放的高峰期将在2024年之后，2022和2023年全球12英寸硅片仍然将处于供不应求的状态。晶圆代工在12英寸产能占比持续提升，有助减少硅片价格波动。全球12英寸产能存储最高，前5名中三星、镁光、海力士和东芝（现在的铠侠）均为存储厂商。以
4、台积电为代表的晶圆代工持续扩充12英寸产能，2014年全球前10大12英寸产能中晶圆代工仅占比197%，2020年提升至24%。晶圆代工厂的客户众多，对晶圆的需求更加稳定，有助于稳定硅片的需求和价格。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1065万片/月，相较2020年产能提升270%。3DD预计从2020年的5万片/月扩产至2023年的275万片/月。DRAM从2020年的4万片/月扩产至25万片/月。三、 半导体硅片及下游市场规模5G技术的应用，人工智能的发展，
5、云计算数据量和终端电子产品需求大幅增加，以及新冠肺炎疫情蔓延带动居家办公、居家娱乐等信息化生活方式，促进了消费电子需求回升，各类半导体需求反弹，供需矛盾从芯片制造领域传导至上游硅片环节。据SEMI统计，2021年全球半导体硅片出货面积达到1416亿平方英寸，硅片市场规模达到1262亿美元，创历史新高。SEMI报告显示，全球半导体硅片出货面积有望在2023年攀升至更高水平。2014年起，随着中国各半导体制造商生产线投产、中国半导体制造技术的不断进步与半导体终端产品市场的发展，中国大陆半导体硅片市场步入了发展的快车道。产能方面，据ICInsights统计数据，2018年中国硅晶圆产能243万片/月
6、（等效于8英寸硅片），中国大陆硅晶圆产能占全球硅晶圆产能125%。据ICInsights对未来产能扩张预测，2022年中国大陆晶圆厂硅晶圆产能将达410万片/月，占全球产能1715%，2018至2022年，年复合增长率为2293%。因此，中国半导体硅片的销售额将随着下游晶圆厂的扩产而打开提升空间。根据SEMI数据，2015年中国半导体硅材料市场规模为1016亿元，2021年增长至2505亿元，2015年至2021年复合增长率达到162%。国内半导体硅材料生产企业技术水平不断提升，中国市场占比维持较高水平。即便如此，中国硅片市场90%左右的市场仍由日本信越化学、SUMCO、德国Siltronic
7、、中国台湾环球晶圆等国际巨头占据，国产化率水平仍旧较低。以直径计算，半导体硅片的尺寸规格主要有2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、5英寸（125mm）、6英寸（150mm）、8英寸（200mm）与12英寸（300mm）等；根据用途分类，半导体硅片可分为抛光片、退火片、外延片、结隔离片和以SOI硅片为代表的高端硅片。其中，抛光片是用量最大的产品，其他的硅片产品都是在抛光片的基础上二次加工产生的。在摩尔定律的影响下，半导体硅片正在不断向大尺寸的方向发展。硅片尺寸越大，在单片硅片上制造的芯片数量就越多，单位芯片的成本随之降低。同时，在圆形的硅片上制造矩形的芯片会使硅片边缘处
8、的一些区域无法被利用，必然会浪费部分硅片。硅片的尺寸越大，相对而言硅片边缘的损失会越小，有利于进一步降低芯片的成本。例如，在同样的工艺条件下，12英寸半导体硅片的可使用面积超过8英寸硅片的两倍以上，可使用率（衡量单位晶圆可生产的芯片数量的指标）是8英寸硅片的25倍左右。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。全球范围内，2008年以前，半导体硅片中8英寸占比最高；2008年12英寸硅片首次超过8英寸硅片的市场份额。得益于移动通信、计算机等终端市场持续快速发展，12英寸硅片出货面积自2000年以来市场份额逐步提高，从9，400万平方英寸扩大至2021年的9598亿
9、平方英寸，市场份额从169%大幅提升至6847%，成为半导体硅片市场主流的产品，预计到2022年市场份额将接近70%。2011年至2019年，8英寸半导体硅片市场占有率稳定在25%至27%之间，其中2016年至2017年，由于汽车电子、智能手机用指纹芯片、液晶显示器市场需求快速增长，8英寸硅片出货面积从2，69000百万平方英寸上升至3，08500百万平方英寸，同比增长1468%；2018年，受益于汽车电子、工业电子、物联网等应用领域需求依旧强劲，以及功率器件、传感器等生产商8英寸产能增加，带动8英寸硅片继续保持增长。2021年8英寸硅片出货面积达到3，443百万平方英寸，增长了1687%。目
10、前，全球市场主流的产品是8英寸、12英寸直径的半导体硅片，占全球半导体硅片出货量的90%以上，下游芯片制造行业的设备投资也与8英寸和12英寸规格相匹配。核心技术方面，为了满足12英寸硅片较高的技术指标要求，厂商需要投入更大的研发成本，在单晶生长、硅片加工及硅片清洗等方面实现技术突破。例如，对于单晶生长相关核心技术，12英寸硅单晶生长需要采用更大尺寸的热场设计、更高磁场强度的超导磁场；对于硅片加工相关核心技术，厂商需要增加掌握磨削工艺及双面抛光等相关核心技术，并调整其与原有工艺的匹配性；对于硅片清洗相关核心技术，12英寸硅片在传统多片清洗技术的基础上开始引入单片清洗技术。生产设备及投资规模方面，
11、12英寸硅片的生产工艺更为复杂，一方面增加了如粗磨削机、精磨削机、双面抛光机等12英寸硅片制造的特需设备，另一方面设备的精度要求比8英寸更高。同时，12英寸加工设备大多采用单片加工方式，与8英寸加工设备大多采用批加工方式相比，同样的产量需要投入更多数量的设备，故设备投资也会较8英寸产线有大幅增加。8英寸硅抛光片主要应用于90nm以上制程范围的模拟电路、功率芯片、CMOS图像传感器、微控制器（MCU）、射频前端芯片、嵌入式存储器等芯片，这些芯片的应用场景包括微机电系统（MEMS）、电源管理、汽车电子、工业控制、物联网等领域；12英寸硅抛光片主要应用于28nm及以下半导体制程范围制造逻辑电路、存储
12、器等高集成度的芯片，这些芯片多在大计算量、大存储量或便携式终端上应用，其中需求占比最大的终端应用为智能手机，其次为数据中心、PC/平板电脑等。按照下游产品来分，全球8英寸晶圆代工产能中模拟芯片占比最高，达到23%，MOSFET、光电器件、分立器件占比分别为21%、17%和16%；12英寸晶圆应用结构中，存储芯片占比最高，达到了33%，逻辑电路和DRAM占比也较高，分别为25%和22%。SUMCO数据显示，2021年四季度全球8英寸晶圆需求达到594万片/月，根据SEMI对全球8英寸晶圆产能展望，预计2022年全球8英寸晶圆产能将达到640万片/月。根据SUMCO发布的全球12英寸晶圆需求预测数
13、据，2021年末全球12英寸晶圆需求达到750万片/月，到2025年预计将达到910万片/月。随着下游晶圆需求的增长，上游硅片出货量也同步增长。2021年，12英寸和8英寸硅片出货片数分别同比增长1285%和1687%，8英寸出货量增速快于12英寸硅片。其中，模拟器件、功率分立器件、CMOS图像传感器等细分市场规模的稳步增长，为8英寸硅片需求增长提供长期稳定的驱动力。目前国内拥有8英寸量产硅片生产线的主要企业包括立昂微、中环股份、沪硅产业，其中沪硅产业8英寸抛光片生产线主要位于芬兰；此外，根据公开信息，神工股份已经建成了每月5万片产能的8英寸生产线，麦斯克每月3万片产能的8英寸产品尚处于市场开
14、拓阶段。我国8英寸半导体硅片的国产化率仅为20%左右，国内晶圆厂的存量市场对8英寸半导体硅片的进口替代需求为8英寸硅片带来广阔的市场空间。12英寸硅片方面，目前，中国大陆拥有12英寸硅片产线的企业主要有沪硅产业、中环股份和立昂微。根据沪硅产业2021年年报，其最新披露的募投项目集成电路制造用300mm高端硅片研发与先进制造项目以子公司上海新昇为实施主体，将在前期30万片/月产能基础上，进一步新增30万片/月的产能；根据中环股份年报，2021年末其已经形成12英寸17万片/月产能，拟到2023年底建成60万片/月的产能目标；根据立昂微年报，其衢州基地12英寸硅片在2021年底已达到月产15万片的
15、产能规模，在建月产10万片的产能。四、 半导体硅片：半导体产业的基石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。在众多半导体原材料中，硅具有明显的优势，硅熔点高、禁带宽度大，可广泛运用于高温、高压器件。此外，硅具有天然优质绝缘氧化层，在晶圆制造时可减少沉积绝缘体工序，从而减少了生产步骤并降低了生产成本。硅在自然界中的储量丰富，在地壳中约占27%，硅材料的成本显著低于其他类型半导体材料。由于硅的技术和成本优势，硅片成为了目前产量最大、应用范围最广的半导体材料，占据全部产品的90%以上，是半导体产业链基础性的一环。半导体硅片的生产流程复杂，涉及工艺众多，主要生产环节包含晶体生
16、长、硅片成型、外延生长等工艺。多晶硅经过熔化，接入籽晶，再通过旋转拉晶或者区域熔融的方式得到高纯度的单晶硅棒。单晶硅棒经过切、磨、抛等步骤形成抛光片，抛光片还可以进一步加工形成外延片。长晶是硅片生产最核心的环节，单晶制备阶段决定了硅片的直径、晶向、掺杂导电类型、电阻率范围及分布、碳氧浓度、晶格缺陷等技术参数。单晶硅制备方法包括直拉法（CZ法）和区熔法（FZ法）两类，直拉法市占率高。直拉法的原理是将高纯度的多晶硅原料放置在石英坩埚中，在高纯惰性气体的保护下加热熔化，再将单晶硅籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体找寻到熔化点后，随着籽晶的提拉晶体逐渐生长形成单晶硅棒；区熔法是把多晶硅棒放在熔炉里，放入一个籽晶，然后用高频加热线圈加热籽晶与多晶接触区域生长单晶硅，区熔法因为没有坩埚的污染，生产的硅片纯度较高，碳、氧含量较低，耐高压性能好，区熔硅片代表产品有高压整流器、探测器等。直拉法是最常用的制备工艺，采用直拉法的硅单晶约占85%，12英寸硅片只能用直拉法生
