芯片制造的基石—半导体硅片产业概述

半导体硅片是半导体材料中成本占比最高，在产业链中最关键的半导体材料。从成本占比来看，硅片在半导体材料中市场占比达到37%，为第一大半导体材料。从产业链地位来看，硅片作为半导体产业链的起点，直接影响芯片的制造质量。本文主要就半导体核心材料硅片及其产业情况进行具体介绍。

从半导体硅片产业链来看，上游为硅片制造厂商，目前全球市场主要由日本、德国、韩国以及中国台湾地区的头部厂商占据；中游为晶圆加工环节，主要分为整合元件制造商（IDM）和代工（Foundry）两种商业模式。国际厂商如英特尔、三星、德州仪器等采用IDM模式，其业务范围涵盖从芯片设计、晶圆制造到封测的全部环节；晶圆代工企业包括台积电、中芯国际等。产业链下游应用主要涉及智能手机、平板电脑、物联网、汽车电子、军事太空等多个领域。

1、硅片质量控制严格，制作技术难度高
硅片作为半导体基础衬底，必须具备高标准纯净度、表面平整度、清洁度和杂质污染程度，才能保持芯片原本设计的功能。

1）晶体的纯度和无缺陷结构：半导体硅片纯度要求在99.999999999%以上，且硅片由硅单晶排列组成，其结构与钻石类似，1克拉的钻石为200毫克，要做出硅单晶棒，其相当于做出420公斤的钻石结构。

2）表面洁净度：要求表面颗粒尺寸达到纳米级，在先进制程用硅片上微颗粒需小于1nm。

3）表面平整度：要求表面高度落差需小于1nm，相当于在一个棒球场的范围内要求场地高低落差不能高于1微米。

4）无杂质污染：要求表面杂质含量小于百亿分之一，随先进制程推进对参数控制要求更高。

2、硅片的五种类别

1）抛光片：硅棒制作完成后被切割成厚度小于1mm的切片，切片经过研磨和化学腐蚀后成为化腐片，硅片表面的平整性变差，需通过抛光去除表面缺陷，提高芯片的良品率。抛光片可直接用于制造半导体器件，广泛应用于存储芯片与功率器件等领域。

2）外延片：把抛光片作为衬底，沿着原来的结晶方向生长一层新单晶层，这层单晶硅为外延层。外延片通常用在CMOS电路中，如通用处理器芯片（CPU）和图形处理器芯片（GPU）。

3）退火片：将抛光片置于氢或氩气中，按照一定的程序进行升温、降温过程，得到退火片。其目的是消除氧对硅片电阻率影响，提高芯片良率。

4）绝缘体上硅片（SOI硅片）：将具有高电绝缘性的氧化物层夹在两个抛光晶片之间，然后把它们粘合在一起。其中底板比较厚，起支撑作用；绝缘层和顶层硅很薄，在顶层蚀刻电路。SOI 硅片具有低压低功耗、集成密度高、速度快、工艺简单、抗宇宙射线粒子能力强等优点。因此SOI 硅片适合应用在耐高压、耐恶劣环境、低功耗、集成度高的芯片，如射频前端芯片、功率器件、汽车电子、传感器以及星载芯片等。

5）结隔离片：将抛光片按照客户的设计，采用光刻、离子注入和热扩散技术在晶片表面形成集成电路的嵌入层，然后在该层的顶部上形成外延层。

3、硅片持续向大尺寸方向发展

当前全球主流硅片尺寸为12英寸和8英寸，根据Gartner数据，依照全球产值划分，12英寸硅片产能占比64%、8英寸占比28%。硅片常用尺寸包括 4、6、8、12英寸；其中，半导体主要使用8英寸和12英寸大硅片。在相同工艺条件下，12英寸硅片可使用率是8英寸硅片的2.25倍，12英寸大硅片成为未来的主要发展趋势。

4、硅片下游应用广泛多元

1）12英寸硅片通常用于90nm以下集成电路先进制程：涉及逻辑芯片（CPU、GPU）、存储芯片、FPGA与ASIC等高端领域。市场需求受益于智能手机、计算机、云计算、人工智能等终端半导体产品技术升级的需求拉动。

2）8 英寸硅片通常用于90nm以上至微米的特色工艺制程：涉及功率器件、电源管理器、MEMS、显示驱动与指纹识别芯片等领域。未来在物联网、汽车电子等应用领域的市场需求增加，推动市场规模不断扩大。

3）6英寸硅片通常用于0.35-1.2微米的工艺制程：涉及功率器件、分立器件等领域。

5、全球硅片市场竞争格局

1）国际厂商垄断，行业集中度高

根据SEMI数据统计，全球硅片前五大制造厂商（CR5）市场占有率高达92%。其中，日本信越化学市占率为28%，为全球第一大硅片制造商；日本SUMCO占比24%，排名第二；其余厂商依次为中国台湾环球晶圆、德国Silitronic、韩国SK Siltron。从我国来看，国内硅片制造商主要包括中环股份和硅产业集团，两家企业市场占比合计约3%，在全球市场占比较低。严格品质管理、技术达标，叠加长时间的客户验证，将成为晶圆制造企业在硅片行业竞争的关键。

2）我国晶圆产能持续提升，推动硅片制造产业发展

根据 SEMI 数据，2017-2020年中国大陆拟新建晶圆厂占全球42%。2020年开始随着建设逐渐完成，晶圆厂开始进入试产到扩产的阶段。未来5年，中国晶圆产能将迎来快速提升。在全球第三次半导体产业转移，中国大陆成为半导体制造中心的背景下，我国本土硅片制造商将迎来跨越式发展时期。

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