半导体硅片行业发展情况及未来发展趋势
思瀚产业研究院 中欣晶圆    2024-05-18

（1）半导体硅片介绍及主要种类

①半导体硅片简介

硅是常见的半导体材料之一。硅元素在地壳中含量约 27%，仅次于氧元素。硅元素以二氧化硅和硅酸盐的形式大量存在于沙子、岩石、矿物中，储量丰富并且易于取得。二氧化硅经过化学提纯，成为多晶硅。多晶硅根据其纯度由低到高，一般可以分为冶金级、太阳能级和半导体级。

其中，半导体级多晶硅的硅含量最高，一般要求达到 9N 至 11N，是生产半导体硅片的基础原料。半导体级多晶硅通过在单晶炉内的晶体生长，生成单晶硅棒，这个过程称为晶体生长。半导体硅片则是指由单晶硅棒切割而成的薄片。下游在硅片上进行光刻、刻蚀、离子注入等后续加工。

②半导体硅片的主要种类

半导体硅片通常可以按照尺寸、工艺进行分类。

A、按半导体硅片的尺寸分类

半导体硅片的尺寸（以直径计算）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）等规格，半导体硅片正在不断向大尺寸的方向发展。

一方面，硅片的尺寸越大，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。另一方面，硅片的尺寸越大，在圆形硅片上制造矩形芯片造成的边缘无法被利用的损失会越小，有利于进一步降低芯片的成本。

以 12 英寸和8 英寸半导体硅片为例，12 英寸半导体硅片的面积为 8 英寸半导体硅片面积的2.25 倍，但在同样的工艺条件下，12 英寸半导体硅片可使用率（衡量单位硅片可生产的芯片数量的指标）是 8 英寸半导体硅片的 2.5 倍左右。

但是自 12 英寸半导体硅片研发成功以后，由于尺寸继续扩大的全产业链投资和研发成本过大，半导体硅片产业尚未向更大尺寸发展。目前，全球市场主流的产品是 8 英寸、12英寸半导体硅片。半导体硅片的尺寸越大，相应半导体硅片生产线的投资规模越大，对半导体硅片企业的生产技术、设备、材料、工艺的要求越高。

从下游适配的应用领域来看，8 英寸及以下半导体硅片的需求主要来源于功率器件、电源管理器、非易失性存储器、MEMS、显示驱动芯片与指纹识别芯片等，终端应用领域主要为移动通信、汽车电子、物联网、工业电子等；12 英寸半导体硅片的需求主要来源于存储芯片、图像处理芯片、通用处理器芯片、高性能 FPGA（现场可编程门阵列）与 ASIC（专用集成电路），终端应用主要为智能手机、计算机、云计算、人工智能、SSD（固态存储硬盘）等较为高端的应用领域。

B、按制造工艺分类

根据制造工艺分类，半导体硅片主要可以分为抛光片、外延片与 SOI 硅片。单晶硅锭经过切割、研磨和抛光处理后得到抛光片，抛光片是单面或者双面被抛光成原子级平坦度的硅片。随着集成电路制程向更先进、更精细化的方向发展，光刻机的景深也越来越小，硅片上极其微小的高度差都会使集成电路布线图发生变形、错位，这对硅片表面平整度提出了苛刻的要求。

此外，硅片表面颗粒度和洁净度对半导体产品的良品率也有直接影响。抛光工艺可去除加工表面残留的损伤层，实现半导体硅片表面平坦化，并进一步减小硅片的表面粗糙度以满足芯片制造工艺对硅片平整度和表面颗粒度的要求。

抛光片可直接用于制作半导体器件，也可作为外延片和 SOI 硅片的衬底材料。根据半导体硅片中硼、磷、砷、锑等元素的掺杂浓度不同，半导体抛光片还可以进一步划分为轻掺抛光片和重掺抛光片，掺杂越多，电阻率越低。轻掺抛光片主要用于集成电路领域，重掺抛光片主要用于功率器件等领域。

重掺抛光片通常经过后续外延加工后再进行下游应用，而轻掺抛光片通常可直接用于下游应用，因此，轻掺抛光片的技术难度和对产品质量的要求更高。抛光片经过外延生长形成外延片。外延是通过化学气相沉积的方式在抛光面上生长一层或多层具有特定掺杂类型、电阻率、厚度和晶格结构的新硅单晶层。外延技术可以减少硅片中因晶体生长产生的缺陷，具有更低的缺陷密度和氧含量。

外延片常在 CMOS 电路中使用，如通用处理器芯片、图形处理器芯片等，由于外延片相较于抛光片含氧量、含碳量、缺陷密度更低，提高了栅氧化层的完整性，改善了沟道中的漏电现象，从而提升了集成电路的可靠性。

除此之外，通常在低电阻率的硅衬底上外延生长一层高电阻率的外延层，应用于二极管、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等功率器件的制造。功率器件常用在大功率和高电压的环境中，硅衬底的低电阻率可降低导通电阻，高电阻率的外延层可以提高器件的击穿电压。外延片提升了器件的可靠性，并减少了器件的能耗，因此在工业电子、汽车电子等领域广泛使用。

SOI 硅片即绝缘体上硅，是常见的硅基材料之一，其核心特征是在顶层硅和支撑衬底之间引入了一层氧化物绝缘埋层。SOI 硅片适合应用在要求耐高压、耐恶劣环境、低功耗、集成度高的芯片上，如射频前端芯片、功率器件、传感器以及硅光子器件等芯片产品。

（2）半导体硅片行业发展情况

①全球半导体硅片产业链

半导体硅片是芯片制造的核心关键材料，且在芯片制造材料成本中占比较高。半导体硅片企业的下游客户是芯片制造企业，包括晶圆代工厂商和 IDM 厂商。下游行业应用覆盖计算、无线通信、消费电子、汽车电子、工业电子、存储和有线通信等。

②行业竞争格局及发展趋势

半导体硅片行业市场集中度比较高，由于半导体硅片行业技术难度高、研发周期长、客户认证周期长等特点，率先掌握先进技术的少数企业占据着绝大部分的市场份额。

虽然当前国际龙头半导体硅片制造商占有的市场份额很高，但随着中国大陆半导体硅片企业的积极扩产，市场份额正在快速提升。此外，中国大陆正在成为全球半导体产能第三次扩张的重要目的地。随着晶圆厂产能紧缺，中国大陆晶圆代工厂中芯国际、华虹半导体，中国台湾地区晶圆代工厂台积电、联华电子股份有限公司等晶圆厂接连在中国大陆扩产、建厂，加速国内半导体产业发展和布局，中国大陆半导体硅片制造商也将获得前所未有的发展机遇。

③全球各尺寸半导体硅片市场情况及发展趋势

全球半导体硅片市场最主流的产品规格为 12 英寸硅片和 8 英寸硅片，8 英寸硅片出货面积保持相对平稳状态，12 英寸硅片出货面积保持波动上涨。自 2011年以来，6 英寸及以下小尺寸硅片的需求持续存在，但受技术升级、大尺寸硅片供给增加等不利因素的影响，6 英寸及以下小尺寸硅片出货量基本维持在相对稳定水平。

近年来，12 英寸硅片和 8 英寸硅片出货面积市场份额持续维持在很高水平，2021 年分别为 68.47%和 24.56%，两种尺寸硅片合计占比保持超过 90%，是当前半导体硅片下游市场需求的主要尺寸。随着全球半导体硅片出货面积的增长，6英寸及以下小尺寸硅片的市场份额有所下降，至 2021 年约为全球半导体硅片出货面积的 6.97%。