半导体硅片发展现状与展望.docx

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1、一、前言半导体是电子信息产品的“心脏”，在国民经济和社会生活各方 面的应用越来越广泛，对国家经济成长、国防安全、核心竞争力提升 至关重要，促进了通信、计算、医养健康、军事系统、物流、新能源 行业的发展，引导人工智能、大数据、自动驾驶等新产业的兴起，支 撑着数字经济不断发展，并在新冠疫情防控等重大社会问题应对方面 发挥了关键作用。随着半导体在各领域应用日趋广泛和深入，2020 年开始半导体供应紧张局面更加凸显。各国正积极采取措施，增强和 完善本国的半导体产业链。半导体产品主要包括集成电路、光电子器件、分立器件和传感器 件，其中集成电路在半导体产业中占比最高，超过80%。2021年全球 集成电路销

2、售额为4608. 14亿美元,传感器件销售额为187. 9亿美元, 光电子器件销售额为432. 29亿美元,分立器件销售额为301亿美元， 集成电路占比达到83%o根据世界半导体贸易统计组织(WSTS)数据， 2022年全球集成电路占比将达84. 22%,光电子器件、分立器件、传感器占比分别为7. 41%、5.10%和3.26虬集成电路是最重要的半导体产品，硅片是集成电路最重要的基础 材料，处于集成电路产业链前端，在集成电路芯片制造材料中占比达 30%以上，90%以上的集成电路芯片是基于硅片制成。中国在全球半导 体产业链中参与程度较低，硅片等关键材料对外依存度较高。近年来， 大国博弈加剧，国际

3、政治经济环境恶化，地震和火山爆发等自然灾害 频发，新型冠状病毒感染等流行疾病蔓延，产业生态发生变化，关 于常规武器与两用产品和技术出口控制的瓦森纳协定新增12in硅 片技术管制，增强硅片等关键材料的自主保障能力，提升我国半导体 产业链安全性成为重要课题。本文分析了当前全球半导体硅片的发展现状与发展态势，我国半 导体硅片的市场需求、技术进步、产业现状及发展趋势，提出我国半 导体硅片产业未来一段时间面临的发展机遇和挑战，并给出发展建议。 8in及12in硅片的出货面积占全部半导体硅片的93%左右，因此本文 重点对8in及12in硅片的情况进行分析。二、全球半导体硅片的发展现状及发展态势(-)全球半

4、导体硅片的发展现状L全球半导体硅片的市场规模Au Au u Au Au u Au v Au CJ Au CJ v CJ Ov CJ uv CJ 14 3 U Az Az H 尺半0、辂留诔集成电路芯片制造材料多达数百种，按类别划分主要包括硅片、 光掩膜、光刻胶及配套试剂、电子气体、工艺化学品、溅射靶材、抛 光材料等，总体采购中硅片占比始终最高(见图1)。根据国际半导 体产业协会(SEMI)数据，2021年硅片在集成电路芯片制造材料中 的采购金额占比达到33%左右，是最主要的关键功能材料，100多亿 美元的半导体硅片支撑了 5000多亿美元的半导体产业规模。2015 2016 2017 2018

5、 2019 2020 2021时邮年硅片；建模；充服 厥胺瞧蜥；-电子耶L工艺化学品L t L CMP;其他楙I; 一合计图1-2021年全球集成电路芯片制造材料分类占比近年来，随着全球半导体市场规模的持续增长，全球半导体硅片 出货面积稳步提升（见图2）。2012年全球半导体硅片出货面积为 8.8 109in2,2021年突破1. 4X 10、南。全球半导体硅片销售额由2012 年的87亿美元增长到2021年的126亿美元，从2018年开始连续4 年超过110亿美元。根据SEMl统计，2022年全球半导体硅片出货面 积将增长4.8%,达到L 4694X10n20预计到2025年，全球半导 体硅

6、片出货量将增至1.649X10、!？。160140 CI 列20 100 180 ! 60 40202012201320142015201620172018201920202021StlW0图2-2012-2021年全球硅片出货面积及增长率2 .半导体硅片需求结构近10年来，6in及以下尺寸硅片需求基本保持稳定，全球半导 体硅片新增需求主要集中在8in和12in硅片，尤其是12in硅片增速 最快(见图3)。12in硅片年出货量自2012年的5.302Xl()9in2增长 至2021年的9. 598109in2,其出货面积占全部半导体硅片比例接近 70%； 8in硅片出货面积也稳步增长，从201

7、2年的2 378X 109i2增长 至2021年的3.443X10，!？。2021年，12in和8in硅片出货面积分 别同比增长12. 85%和16. 87%oOoooooooo Ooooooooo Ooooooooo u 07 Oo 7/ ro CJ i4 4J AzH 901、星限也5IOOO2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021时邮年图3-20122021年不同尺寸硅片出货面积12in硅片主要应用于90nm及以下半导体制程范围，用于制造逻 辑电路、存储器等高集成度的芯片，多在大计算量、大存储量或便携 式终端上应用，如大数据、智能

8、手机、计算机、人工智能等领域。8in 硅片主要应用于90nm以上制程范围的模拟电路、功率芯片、互补金 属氧化物半导体(CMOS)图像传感器、微控制器、射频前端芯片、嵌入式存储器等芯片，应用场景包括微机电系统、电源管理、汽车电子、工业控制、物联网等领域（见表1）。表l-8in、12in硅片在不同制程的应用情况尺寸制程应胪品12 in （先进制程）IOnmSf,尚性能计算等16/14 nm智能手机处理层存储芯片、高增显卡、个人电味服务翻理器等20-22 nm存储芯片、中低牖舒机处理器、数字电视、移动影崎12 in （成热制加28-32 nm4545 nmWiFi置牙芯片、音效处整片、存储芯片、FP

9、GA芯片、ASlC芯片等DSP处理机传感需射频芯片,WiR-牙、GPS, NFe等芯片,I用失性存 储芯片等65-90 nm物联网MCU芯片、颇芯片、功率器件、射,芯片等Sin9OnnbO.I3m物联网MCU芯片、汽车MCU芯片、射领芯片、基站通信设备DSP、功糕件、换 拟芯片等0.13).15 m指纹酬芯片、影像传感器、通信Mah电脑理芯片、功率器件、LED驱动Ia 传感器芯片等0.1M25mMOSFET、IGBT等功率器件,嵌入式I踢失性存储芯片等注：Wi-Fi为无线网络；FPGA为现场可编程逻辑门阵列；ASIC 为专用集成电路；DSP为数字信号处理；GPS为全球定位系统；NFC 为近场通

10、信；MCU为微控制单元；LED为发光二极管；IC为微型电子 器件；MOSFET为金属-氧化物半导体场效应晶体管；IGBT为绝缘栅双 极型晶体管。8in硅片在特色芯片产品上拥有性价比优势,尤其在微机电系统、 硅上化合物半导体、射频及功率芯片等领域优势明显。近年来，一些 新应用场景特色芯片会率先在8in芯片上出现，而后逐步向12in芯 片转移。预计未来8in硅片和12in硅片将在各自特定领域发挥作用， 长期共存。3 .硅片产业集中度高的局面基本保持半导体硅片产业起始于美国，美国孟山都化学公司成立的孟山都 电子材料公司曾引领技术发展，在20世纪60年代获得80%的市场份 额。随着半导体制造业的东移，

11、其后期连续亏损，孟山都化学公司在 1989年将孟山都电子材料公司出售给了德国化工企业，并于2016年 被中国台湾的环球晶圆股份有限公司收购。20世纪50年代末，日本 通过技术引进，开始布局半导体产业，在超大规模集成电路研究计划 的推动下，日本半导体产业快速发展，其中存储器在20世纪80年代 超过美国，硅片厂商也在此期间获得黄金发展期，最终经过多次整合 并购形成信越化学工业株式会社和胜高科技株式会社两家国际半导 体硅片巨头，2001年信越化学工业株式会社在全球率先量产12in半 导体硅片。日本半导体硅片产业从20世纪90年代超过美国后，至今 仍在全球占据主导地位。20世纪90年代半导体产业从日本

12、向韩国和 中国台湾地区转移，韩国和中国台湾地区硅片企业得以成长，并逐步 在全球占有一席之地。当前，日本信越化学工业株式会社、胜高科技 株式会社，中国台湾环球晶圆股份有限公司，德国世创电子材料股份 有限公司，韩国SK集团等五大厂商占据全球90%左右的市场份额， 尤其是在12in硅片方面占据绝对市场地位。五大厂商近儿年产能扩 张主要集中在12in硅片，2015年，全球只有日本信越化学工业株式 会社和胜高科技株式会社的12in硅片月产能超过IX IO。片，至2021 年年底，前5大厂商12in硅片月产能都有显著增加，其中日本信越 化学工业株式会社月产能超过3. 1 X IO,片，胜高科技株式会社的月

13、产 能约为1. 9X IO,片，中国台湾环球晶圆的月产能约为1. 3X IO,片， 德国世创的月产能约为9. 9X105片，韩国SK集团的月产能约为9X o5o4 .硅是重要的半导体材料半导体材料经历了以硅为代表的第一代半导体材料，以碎化钱为 代表的第二代半导体材料和以碳化硅与氮化钱为代表的第三代半导 体材料。相比于其他半导体材料，硅材料易于制备较大尺寸晶体、晶 体结构完整性相对易控制、纯度相对易实现，在集成电路平面工艺制 程的应用技术更加成熟且更具有规模效益，有着更大的应用领域与需 求量，因此，90%以上的芯片都是基于硅材料制造而成，这赋予了硅 材料不可替代的行业地位。但是，硅材料也存在一定

14、局限性，无法满 足高功率、高频率和高压等苛刻特性，不具备发光特性，等二代半导 体材料、等三代半导体材料在这些方面具备独特优势。硅材料与第二 代、第三代半导体材料的结合将是一种选择，以硅材料为衬底，化合 物材料在硅材料上外延生长制成单晶片以满足射频芯片和功率器件 对高频、高压、高功率的需求，比如硅基氮化钱。这几代半导体材料 并不是完全替代关系，在未来相当长的时期内它们还将并存，并在不 同的应用领域发挥各自的作用、占据各自的市场份额。(-)全球半导体硅片的发展态势L全球半导体硅片产业东移，亚太地区成为主要的制造区域全球半导体产业起源于美国，1958年，德州仪器设计出第一款 微型电子器件(IC),至

15、20世纪70年代，半导体产业在美国完成技 术积累，同样的硅材料产业也起源于美国，至20世纪80年代，全球 领先半导体硅材料企业仍是美国的孟山都电子材料公司。随着半导体 产业第一次转移到日本，互联网时代半导体转移至韩国，日本索尼公 司、韩国三星集团等企业得到快速发展，在这个阶段，日本、韩国的 硅材料产业逐渐兴起，日本信越化学工业株式会社、胜高科技株式会 社、小松电子材料公司以及韩国SK集团等不断壮大。日本更是在1996 年开始布局“超级硅”计划，期望在未来占据硅材料领域的领先地位。进入21世纪，日本信越化学工、业株式会社率先实现12in硅片商业化, 并成为全球第一大半导体硅材料供应商，随后胜高科技株式会社和小 松电子材料公司合并，成为第二大半导体硅材料供应商。目前为止， 日本企业的硅材料供应能力占全球比例过半。随着台湾环球晶圆股份 有限公司的壮大，韩国SK集团的扩张，以及德国世创电子材料股份 有限公司将12in硅片产业重点布局在新加坡，全球近90%的硅片产 出分布在亚太地区。中国近年来加大硅片产业的布局和投资，到2025 年12in硅片规划总产能超过4 X IO,片/月，亚太地区成为全球半导体 硅片制造的重要区域。2 .全球半导体硅片需求持续增长近年来，随着数字经济拉动，大算力需求不断增加，半导体在各 领域的渗透日益增强，硅片需求将保持持续增长。SEMl在2022年10 月最