半导体硅片行业深度报告.docx

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1、半导体硅片行业深度报告目录1 .半导体硅片：半导体制造的核心材料31.1 硅片是重要半导体制造材料31.2 硅片常见三种分类方式413半导体硅片制备工艺复杂，流程繁多71.4 半导体硅片行业壁垒深厚112 .硅片市场再添暖意，下游需求保持旺盛122.1 半导体需求高增长，拉动产业链景气上行122.2 8英寸12英寸硅片占据主流，扩产稳步增长182.3 5G手机、PC/平板电脑，数据中心、新能源汽车驱动硅片需求成长213.硅片长期被海外垄断，国产替代势如破竹24273.1 全球半导体硅片市场集中度高，规模经济效益明显243.2 国产厂商并驱争先，加速追赶走向国际274.相关公司305.4.24.

2、34.44.5沪硅产业（688126 ）立昂微(605358 )中环股份（002129 ）神工股份（688233 ）中晶科技（003026 ）风险提示3134374042451 .半导体硅片：半导体制造的核心材料1.1 硅片是重要半导体制造材料半导体材料是指在常温下导电能力介于绝缘体和导体之间的材料，具有热敏特性、光电特性、导电特性、掺杂特性、整流特性等优良的物理化学属性。其发展历程可大致分为三代，第一代半导体材料以硅基、错基半导体为首，工艺技术成熟，成本稳定，应用广泛。第二代半导体材料以碎化锈（GaAs 磷化锢（InP）为代表。第三代半导体材料主要包括碳化硅（SiC 氮化镀（GaN 硒化锌（

3、ZnSe ）等，因其禁带宽度较大，又被称为宽禁带半导体材料。三代半导体材料之间并非替代关系而是在部分运用领域存在相似特性，在运用领域根据产品具体的特性要求，选择的半导体材料也不尽相同，其综合性能及性价比各有所长。图1:三代半导体材料对比分析材料特点第一代单晶半导体硅Si、错Ge在分立器件、集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、航空、新能源、硅光伏产业得到广泛应用第二代化合物半导体碑化钱GaAs、磷化锢InP用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件。广泛应用于卫星通讯、移动通讯、发光二极管、太阳能电池和GPS导航系统等领域第三代宽禁带半导体碳化硅SiC、氮化钱GaN、硒化锌 ZnSe具有宽禁

4、带宽度，高击穿电场、高热导率、高电子饱和速度，耐辐射的特点。广泛应用于高电压、高功率、高频等领域，如半导体照明、电力电子器件、激光器、探测器、无线通信等资料来濠:长城证券研究院半导体硅片是指由硅单晶锭切割而成的薄片，又称硅晶圆片，是半导体、光伏等行业广泛使用的基底材料。硅元素在地壳中占比约为27% ,储量丰富并且价格低廉，故成为全球应用最广泛、产量最大的半导体基础材料，目前90%以上的半导体产品使用硅基材料制造。通过对硅片进行光刻、离子注入等手段，可将其制作成集成电路和各种半导体器件。适用于集成电路行业的半导体硅片对产品质量有极高的要求,纯度必须达到99.9999999% （ 9个9 ）以上，

5、最先进的工艺则需要达到99.999999999% （ 11个9 ）,光伏行业对单晶硅片的需求是99.9999% （ 6个9 ）,制备难度远远小于半导体硅片。半导体产业链可分为半导体材料与设备、半导体制造以及下游应用终端三个环节,具有投资规模大、技术难度高、产业链长、更新迭代快、终端应用广泛的特点。半导体硅片行业属于产业链的上游，是半导体制造关键性的材料，是半导体行业的基石。下游终端应用涵盖移动通信、人工智能、汽车电子、物联网、工业电子、大数据等多个行业。半导体硅片产业锥概况资料来源:上海合晶招股说明书, 长城证券研究院图2:1.2 硅片常见三种分类方式根据硅片尺寸分类，一般以直径区分规格，通常

6、有6英寸、8英寸、12英寸等。从1965年首次生产2英寸硅片到2000年12英寸硅片实现量产，半导体硅片向大尺寸方向不断发展。半导体的生产成本和效率与硅片尺寸直接相关,硅片直径的提升可降低单位芯片的平均生产成本，进而提供更高的规模经济效益。但大尺寸硅片由于纯度较高，技术研发与规模化生产难度高，需要对生产工艺改进并且对设备性能进行提升，同样会给生产商带来更高的成本投入。上世纪80年代4英寸硅片是主流，90年代主流为6英寸硅片z2000年代主流为8寸硅片。当前全球硅片市场最主流的产品是8英寸硅片和12英寸硅片。2020年，8英寸与12英寸硅片占硅片总体市场份额分别为23.94%和69.15% ,占

7、比合计超过90%o半导体硅片尺寸分类3:晶圆尺寸（毫米）晶圆尺寸（英寸）厚度（微米）面积（平方厘米）重量（克）50.8227920. 261.3276.2338145.614.05100452578.659. 671255625112. 7217. 871506675176. 7227. 822008725314.1652. 9830012775706.21127. 62资料来源:前喳产业研究院.长城证券研究院根据硅片应用场景分类，硅片主要可分为正片、陪片和刻蚀电极。陪片按功能又分为测试片、挡片和控片。正片可以在晶圆制造中直接使用；测试片是用来实验和检查制造设备运行初期的状态，以改善其稳定性;

8、挡片是用于新产线的调试以及在晶圆生产过程中对正片的保护；控片是在正式生产前对新工艺测试和监控良率。挡片和控片是由晶棒两侧品质较差部分切割来的，用于暖机、填充空缺、测试生产设备的工艺状态或某一工艺的质量状况。为了提高产品质量、监控正式生产过程中的工艺精度及良率，需要在晶圆正片生产过程中插入控片增加监控频率。65nm制程中每投10片正片需要加6片挡控片,28nm及以下制程中每投10片正片需要加15-20片挡控片。由于挡控片作为辅助生产材料耗费量巨大，晶圆厂将其经过抛光研磨等工序后再利用。挡片的重复使用次数有上限，一旦超过门限值就只能用作光伏级硅片使用。控片情况较为特殊，用在某些特殊制程工艺中的控片

9、直接报废，不可重复利用。可重复回收利用的挡控片又称可再生硅片。4:半导体硅片按应用场景分类外延片控片抛光片挡片资料来源：芯思想,长麻证券研究院根据制造工艺分类，半导体硅片主要可以分为抛光片、外延片与以SOI硅片为代表的高端硅基材料。单晶硅锭经过切割、研磨和抛光处理后得到抛光片。抛光片经过外延生长形成外延片，抛光片经过氧化、键合或离子注入等工艺处理后形成SOI硅片。抛光片是在研磨片的基础上经过双面抛光、边缘抛光、表面抛光等工序制造而来,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；外延是通过化学气相沉积

10、的方式在抛光面上生长一层或多层，掺杂类型、电阻率、厚度和晶格结构都符合特定器件要求的新硅单晶层;退火片是指将抛光片置于退火炉中，经退火热处理制造出硅退火片；SOI硅片即绝缘体上硅，是常见的硅基材料之-，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硅片的优势在于可以通过绝缘埋层实现全介质隔离，这将大幅减少硅片的寄生电容以及漏电现象，并消除了闩锁效应。图5:图6：wf2-n外延片*界炎戌：SI MCO.太歧延0变发图8: |501晶片（绝缘体上晶）rF8决濠 SCMCO.长城适室昕究戏图7:结隔离硅片菇户支承：SINCC长城谩小婷究院：W即tS09x-170-皆林未源:SUM

11、CO.长城让岑码究筑1.3 半导体硅片制备工艺复杂，流程繁多半导体硅片制造流程复杂，主要分为脱氧提纯、提炼多晶硅、单晶硅棒制备、滚磨、切片、研磨、抛光、清洗、测试、包装等。硅元素以二氧化硅和硅盐酸的形式大量存在于沙子、岩石、矿物质中,将沙子、矿石中的二氧化硅经过高温纯化后可得到纯度为98%以上的冶金级硅。将粉碎的冶金级硅与气态氯化氢进行化学反应，生成液态的硅烷，再通过蒸储和化学还原工艺，最终得到纯度达99.9999999% （ 9个9 ）以上的电子级多晶硅。硅晶圆厂商再将电子级多晶硅加工成硅片，主要包括拉单晶和硅片的切磨抛外延等工艺。图9：半导体抛光片、外延片工艺制备流程图”箜长校本根心技术工

12、艺流程( tt )at)bu检.)w )&网)症oiaD出性研)(ex )( gwa )( .)( r )(JMnM )( h )( e )( m )资料来源:沪硅产业募股说明书,长城证券研究院单晶生长是抛光片生产中最核心的一环工序，决定了硅片的质量和纯度，其技术主要分为直拉法（CZ ）和区熔法（FZ 直拉法生产的单晶硅多用于生产低功率的集成电路元，区熔法制得的单晶硅主要用来生产高功率器件。直拉法加工工艺：将金属杂质浓度数高纯度化至ppb以下（lppb二十亿分之一）的多晶硅与硼酸（b）和磷（p）一起放入石英用堪中，在约142（C下熔融。加入的微量硼酸和磷等杂质是为了调整最终完成的半导体的电阻，

13、决定其特性。在t甘埸内熔化的硅的液面上蘸上籽晶硅棒，一边旋转一边拉起，就完成了与籽晶原子排列相同的单晶锭。I直拉法单晶生长 mcz炉构造图(ZiltrttMC22楙，图引上流“ svco式蛾运卷2支院匕一夕一757rdy b,7-V-yTD切断彳资料来源:SUMCO,长城证第研究院2）粗研磨：将晶片两面调整为平行，同时用氧化铝研磨材料将切片抛光到所需的厚度，研磨的目的是为了去除在切片工序中因切割产生的表面机械应力损伤层和表面的各种金属离子等杂质污染，从而在硅片上形成一个平整的表面。夕装置装:S横造因资券来源:SUMCO,长城证券研究院3）蚀刻：硅片经过切片和磨片后，由于工艺压力，会在硅片的表面