硅片行业市场分析报告

硅片行业市场分析报告
2020年5月
▍硅片是集成电路制造的核心原材料，向大尺寸化发展
硅是第一代半导体材料，是集成电路制造的基石
硅是第一代半导体材料，半导体材料是制作半导体元件的核心，是芯片和电子设备制造工业的基础。

硅片是制作集成电路的重要材料，通过对硅片进行光刻、离子注入等手段，
可以制成各种半导体器件。

硅储量丰富，在自然界多以二氧化硅的形式存在，提纯与拉晶
工艺也非常成熟，并且氧化形成的二氧化硅薄膜绝缘性能好，使得器件稳定性可靠性大为
提高，因而硅已经成为应用最广的一种半导体材料。

图1：单晶硅棒图2：硅晶圆片
资料来源：新华网资料来源：广州硅峰电子科技官网
硅片作为主流材料趋势不变。

晶圆材料经历了60 余年的技术演进和产业发展，形成了当今以硅为主、新型半导体材料为补充的产业局面。

Si 的物理性质限制了其在光电子和
高频、高功率器件上的应用，于是发展出了SiC、GaN 等化合物半导体满足了电子技术
对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求。

化合物半导体多用于射频
器件、光电器件、功率器件等制造，具有很大发展潜力；硅器件则多用于逻辑器件、存储
器等，相互之间具有不可替代性质。

且从半导体器件产值来看，全球95%以上的半导体
器件采用硅作为衬底材料，从目前来看，硅片仍将维持主流半导体材料的地位。

图 3：半导体晶圆材料的基本框架
资料来源：半导体行业观察，市场部
表 1：不同半导体材料性能比较
硅
1,1GaN 3.4SiC 3禁带宽度 eV 熔点℃
142015006002500≤1000≤200≤0.25254040050电子迁移率 cm²/(Vs)空穴迁移率 cm²/(Vs)电阻率 Ω10 1.5击穿电场 108 V/m 介电常数0.3411.82 以下
5.59.7频率 GHz
2-300
2-300
资料来源：半导体行业观察，市场部
硅片对纯度有极高要求，晶体生长是核心工艺环节
半导体级硅片对纯度要求极高，对工艺制作提出更高要求。

硅片主要用于半导体和光伏两大领域；其中，半导体硅片制造技术较难、下游应用广泛、市场价值较高，为硅片主要应用领域。

光伏领域相对要求较低，纯度标准为 4-6N ，半导体硅片纯度要求较高，标准为 11N 以上，并且半导体大硅片表面的平整度、光滑度以及洁净度要控制在 1nm 以内，因此需要通过更加精密且严谨的工艺才能制作完成。

图4：硅片加工工艺及应用
资料来源：SUMCO 公告，中国光伏产业发展路线图（中国光伏行业协会），市场部
硅片制备流程第一步是要对硅进行提纯。

目前，全球前十大多晶硅生产企业均采用三氯氢硅改良西门子法进行多晶硅生产。

具体工艺流程是氯化氢和工业硅粉在沸腾炉内合成制备三氯氢硅，通过利用各种氯化物的挥发性差别，精馏制备得到高纯三氯氢硅，然后在1100℃左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上，得到的就是电子级多晶硅（纯度高达99.999999999%）。

图5：主流改良西门子法生产多晶硅工艺流程
资料来源：大全新能源公告，市场部
拉晶工艺是硅片制作最核心的工艺步骤，决定了硅片的质量和纯度。

按照拉晶工艺，可将硅片分类：直拉法制得的单晶硅，称为CZ 硅（片）;磁控直拉法制得的单晶硅，称为MCZ 硅（片）；悬浮区熔法制得的单晶硅，称为FZ 硅（片）。

直拉法生产出的单晶硅多用于生产低功率的集成电路元件，而区熔法生产出的单晶硅则主要用来生产高功率器件。

直
拉法含氧量较高、机械强度大、硅片尺寸大，适用于一般集成电路应用。

随着晶棒尺寸变大，为了提高晶棒良率和品质，在 CZ 法中加入磁场转化为温度控制系统的 MCZ 法成为新选择。

表 2：直拉法、区熔法制作的硅片产品和应用领域
硅晶圆尺寸（英寸）终端应用领域
<6"
6"
8" 12"退火硅片√√√
√√√
记忆体、液晶显示驱动晶片、类比/逻辑集成电路功率元件、车用电子、微处理器/微控制器、影像感测器通信器件、功率原件、类比/逻辑集成电路、记忆体车用电子、电源管理、航太外延硅片√√√√√√√√
√√√√√√√√
抛光硅片扩散硅片非抛光硅片分离式原件
区熔硅片√√
医疗设备、风力涡轮机、高速铁路、车用电子
高伏功率原件、微机电感测器、互补金属氧化物半导体、射频原件、光电通信车用电子、高伏功率原件、高速铁路、风力涡轮机光伏变流器、电源供应器、射频元件绝缘硅片（SOI)碳化硅硅片
√
氮化嫁/硅基板氮化镓/碳化硅√资料来源：环球晶圆，市场部
全球 85%的硅片由直拉法制备，可用于制作 8、12 英寸硅片。

高纯度的多晶硅放在石英坩埚中，并用外面围绕着的石墨加热器不断加热，温度维持在大约 1400℃，炉中的空气通常是惰性气体。

为了形成单晶硅，还需要控制晶体的方向：坩埚带着多晶硅熔化物在旋转，把一颗籽晶浸入其中，并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转，同时慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。

熔化的多晶硅会粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不断地生长上去。

因此所生长的晶体的方向性是由籽晶所决定的，在其被拉出和冷却后就生长成了与籽晶内部晶格方向相同的单晶硅棒。

图 6：多晶硅采用直拉法得到单晶硅棒的工艺流程
资料来源：SUMCO 公告
全球 15%的硅片由区熔法制备，拉出的单晶硅尺寸主要为 8 英寸、6 英寸，是制作整流器、IGBT 等大功率器件的主流技术。

区熔法利用高频线圈在多晶硅棒靠近籽晶一端形成一个熔化区，熔化区靠表面张力不流淌，移动硅棒或线圈使熔区朝晶体生长方向不断移动，向下拉出得到单晶硅棒。

这种方法较直拉法而言，制备晶体时不使用坩埚，因此避免了来自坩埚的污染。

区熔法制成的单晶硅机械性质较 CZ 硅片差，因而限制了其在集成电路 IC 制程上的应用，但由于其具有纯度高、含氧量低、污染度低、电阻率高（杂质分凝和蒸发效应）、耐高压的特性，在功率器件市场仍然扮演者重要的角色。

图7：区熔法示意图图8：区熔法工艺流程图
资料来源：Siltronic 公告资料来源：Siltronic 公告
得到单晶硅棒后，最后一步是晶圆成型。

将得到的单晶硅棒按适当的尺寸进行切片，然后进行研磨，将凹凸的切痕磨掉，再用化学机械抛光工艺进一步去除加工表面残留的损
伤层，最后对晶圆进行清洗。

图9：晶圆成型工艺流程
资料来源：SUMCO 公告
硅片中最基础和常见的种类为抛光片，占比达到70%。

抛光片可经专业化处理，进一步加工为退火片、外延片与SOI 硅片。

抛光片在氢气或氩气中进行高温退火后，以除去晶
片表面附近的氧气。

所得退火片可更进一步提高表面的结晶品质。

一般用于CMOS 元件
制造及DRAM。

外延片是外延生长形成的具有单晶薄膜的衬底晶片，外延产品主要应用于
CMOS 产品、微处理器、逻辑芯片以及NAND FLASH 和DRAM 等存储器，分立元件。

SOI 硅片即绝缘体上硅，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、汽车电子、传感器以及星载芯片等。