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一文读懂半导体大硅片

来源：欧宝体育下载app苹果版发布时间：2023-07-19 11:20:33

　　（GaN）等化合物半导体。相较于锗，硅的熔点为 1415℃，高于锗的熔点 937℃，较高的熔点使硅能够广泛运用于高温加工工艺中；硅的禁带宽度大于锗，更适合制造器材。相较于砷化镓，硅安全无毒、对环境无害，而砷元素为有毒物质；而且锗、砷化镓均没有天然的氧化物，在时还需求在外表堆积多层绝缘体，这会导致下流晶圆制造的出产进程添加从而使出产本钱进步。

　　硅基半导体资料是现在产量最大、运用最广的半导体资料，90%以上的半导体产品是用硅基资料制造的。硅在地壳中占比约 27%，是除了氧元素之外第二丰厚的元素，硅元素以二氧化硅和硅酸盐的方式很多存在于沙子、岩石、矿藏中，储量丰厚而且易于获得。通常将 95-99%纯度的硅称为工业硅。沙子、矿石中的二氧化硅经过纯化，可制成纯度 98%以上的硅；高纯度硅经过进一步提纯变为纯度达 99.9999999%至99.999999999%（9-11 个 9）的超纯多晶硅；超纯多晶硅在石英坩埚中熔化，并掺入硼（P）、磷（B）等元素改动其导电才能，放入籽晶确认晶向，经过单晶生长，制成具有特定电性功用的单晶硅锭。熔体的温度、提拉速度和籽晶/石英坩埚的旋转速度决议了单晶硅锭的尺度和晶体质量，而熔体中的硼（P）、磷（B）等杂质元素的浓度决议了单晶硅锭的电特性。

　　单晶硅锭经过切片、研磨、蚀刻、抛光、外延（如有）、键合（如有）、清洗等工艺进程，制造成为半导体硅片。在出产环节中，半导体硅片需求尽可能地削减晶体缺陷，坚持极高的平整度与外表洁净度，以确保集成电路或半导体器材的可靠性。

　　在半导体硅片上可布设晶体管及多层互联线，使之成为具有特定功用的集成电路或半导体器材产品，下流首要包含手机与平板电脑物联网轿车电子人工智能、工业电子、军事太空等范畴。

　　依据尺度分类，半导体硅片的尺度（以直径核算）首要有 50mm（2 英寸）、75mm（3 英寸）、100mm（4 英寸）、150mm（6 英寸）、200mm（8 英寸）与 300mm（12英寸）等规范。

　　1965 年，戈登摩尔提出摩尔定律：集成电路上所集成的晶体管数量，每隔 18 个月就提高一倍，相应的集成电路功用增强一倍，本钱随之下降一半。关于芯片制造企业而言，这意味着需求不断提高单片硅片可出产的芯片数量、下降单片硅片的制造本钱以便与摩尔定律同步。

　　半导体硅片的直径越大，在单片硅片上可制造的芯片数量就越多，单位芯片的本钱随之下降。在摩尔定律的影响下，半导体硅片正在不断向大尺度的方向开展。硅片的尺度越大，相对而言硅片边际的丢失会越小，有利于进一步下降芯片的本钱。例如，在相同的工艺条件下，300mm 半导体硅片的可运用面积超越 200mm 硅片的两倍以上，可运用率（衡量单位晶圆可出产的芯片数量的目标）是 200mm 硅片的 2.5 倍左右。

　　现在，全球商场干流的产品是 300mm 和 200mm 直径的半导体硅片。终端运用范畴来看，300mm 首要运用在智能手机、核算机、云核算、人工智能、 SSD（固态存储硬盘）等较为高端范畴，现在出货面积占比 60%以上。200mm 硅片首要运用在移动通讯、轿车电子、物联网、工业电子等范畴，现在出货面积 20%以上。

　　依据制造工艺分类，半导体硅片首要能够分为抛光片、外延片与以 SOI 硅片为代表的高端硅基资料。单晶硅锭经过切开、研磨和抛光处理后得到抛光片。抛光片经过外延生长构成外延片，抛光片经过氧化、键合或离子注入等工艺处理后构成 SOI 硅片。

　　半导体硅片的出产流程包含拉晶—>

　　滚磨—>

　　线切开—>

　　倒角—>

　　研磨—>

　　腐蚀—>

　　热处理—>

　　边际抛光—>

　　正面抛光—>

　　清洗—>

　　检测外延等进程。其间拉晶、研磨和抛光是确保半导体硅片质量的要害。

　　单晶生长技能的要点在于确保拉制出的硅锭坚持极高纯度水平（纯度至少为99.999999999%）的一起，有用操控晶体缺陷的密度。当时制备单晶硅技能首要分为悬浮区熔法（FZ 法）和直拉法（CZ 法）两种。

　　现在手机、核算机等仍是半导体职业终端最大的运用商场。2018 年全球手机和基站、核算机用芯片出售额别离为 487 亿美元、280 亿美元，在半导体终端商场的占比别离为 36%、21%。

　　据 Gartner 估计，2017-2022 年增速最快的半导体终端运用范畴是工业电子和轿车电子，将成为未来几年全球半导体职业添加最重要的驱动力。其间，工业电子年复合添加率估计可达 12%。跟着工业从规划化走向自动化、智能化，工业与信息化的深度交融、智能制造转型晋级将带动工业电子需求的添加。轿车电子 2017-2022 年估计复合添加率为 11%。轿车电子的添加首要源于传统车辆电子功用的扩展、自动驾驶技能的不断老练以及电动轿车职业的快速生长。车辆的 ABS（防抱死）体系、车载雷达、车载图画传感体系、电子车身安稳程序、电控悬挂、电动手刹、压力传感器、加快度计、陀螺仪与流量传感器等，均需求运用半导体产品，轿车才智化的趋势极大地拉动了轿车电子产品的添加。跟着电动轿车的遍及与车辆电压、电池容量规范的不断进步，电源管理器与分离式功率器材的需求量也将随之上升。通常状况下，轿车电子芯片运用200mm 及以下抛光片与 SOI 硅片。轿车电子商场规划的扩展将拉动 200mm 及以下抛光片与 SOI 硅片的需求。

　　未来的迸发式添加将会呈现在大数据、云核算、人工智能、新能源轿车、区块链等新式终端运用。半导体硅片职业除了受宏观经济影响，亦遭到详细终端商场的影响。例如 2010 年，全球宏观经济增速仅 4%，但因为iPhone4 和 iPad的推出，大幅拉动了半导体职业的需求，2010 年全球半导体职业收入添加达 32%。2017 年开端，大数据、云核算、人工智能、新能源轿车、区块链等新式终端运用的呈现，半导体职业进入了多种新式需求一起迸发的新一轮上行周期。半导体硅片可运用于多个潜在新式终端商场，如轿车电子功率器材、5G通讯设备中的射频芯片等，有望迸发式添加。

　　芯片制造产能状况是判别半导体硅片需求量最直接的目标。2017 至 2020 年，全球芯片制造产能（折组成 200mm）估计将从 1985 万片/月添加至 2407 万片/月，年均复合添加率 6.64%；我国芯片制造产能从 276 万片/月添加至 460 万片/月，年均复合添加率 18.50%。近年来，跟着中芯世界、华力微电子、长江存储、华虹宏力等我国大陆芯片制造企业的继续扩产，我国大陆芯片制造产能增速高于全球芯片产能增速。跟着芯片制造产能的添加，关于半导体硅片的需求仍将继续添加

　　全球半导体商场规划近年来增速平稳，2012-2018 年复合增速 8.23%。其间，我国大陆集成电路出售规划从 2158 亿元敏捷添加到 2018 年的 6531 亿元，复合增速为20.27%，远超全球其他区域，全球半导体工业加快向大陆搬运。集成电路一般分为规划、制造和封测三个子职业，在制造和封测职业中，均需求很多的半导体新资料支撑。2018 年全球半导体资料商场产量为 519.4 亿美元，同比添加 10.68%。其间晶圆制造资料和封装资料别离为 322 亿美元和 197.4 亿美元，同比+15.83%和+3.30%。

　　2018年，在商场产量为 322 亿美金的半导体制造资猜中，大硅片、特种气体、光掩模、CMP资料、光刻胶、光刻胶配套、湿化学品、靶材别离占比 33%、14%、13%、7%、6%、7%、4%、3%。分区域来看，现在大陆半导体资料商场规划 83 亿美元，全球占比 16%，仅次于我国台湾和韩国，为全球第三大半导体资料区域。

　　跟着半导体商场不断放量以及工艺制程不断杂乱，全球半导体硅片资料商场不断添加，硅片资料在半导体制造资猜中占比 33%，为占比最大的资料。2019 年全球硅片资料商场规划到达 112 亿美元，尽管相对 2018 年略有下滑，但全体仍维持在较高水平。出货面积来看，2019 年半导体硅片出货面积 11810 百万平方英寸，较 2018 年有所下滑，首要是因为存储器商场疲软和库存正常化所造成的。

　　硅片价格呈现出必定的周期性。2011-2016 年受职业低迷影响，硅片价格一路下行。2016 年之后，全球半导体硅片出售单价从 0.67 美元/英寸上升至 0.95 美元/英寸。需求侧来看，跟着终端运用如 5G、AI、新能源轿车的快速开展，对芯片的很多需求使晶圆厂更有动力去大规划扩建工厂和出产线，从而拉动对上游硅片尤其是大硅片的需求。供给端方面，新增产能需要时刻落地，所以中短期供需不平衡的局势仍将继续，硅片价格有望继续走高。

　　国内硅片商场规划继续添加。获益于全球半导体职业搬运，国内硅片商场规划继续添加，2018 年国内硅片商场规划超越 9 亿美元。

　　现在，12 英寸硅片在下流工业中广泛运用，产品大多运用于制造消费电子芯片。其间，NAND（包含 3D NAND 和 2D NAND）占有最大的下流运用，占比达 33%。逻辑芯片和DRAM芯片别离占比 25%和 22%。CIS 等其他运用占有了剩下的 20%的商场份额。其间，获益于 5G 的继续开展，2020-2023 年，智能手机对十二英寸硅片的复合需求增速有望到达 7.8%。

　　全球 DRAM 下流首要包含移动终端（40%）、服务器（22%）和个人电脑（19%）等事务。在5G换机潮以及数据处理等职业的快速开展下，全球DRAM需求有望继续快速添加。据 SUMCO，全球 DRAM 2019-2023 年需求复合增速有望到达 19.2%。

　　现在全球 DRAM 首要供给厂商包含三星（45%），海力士（29%），美光（21%）等，全球干流 DRAM 工艺现在为 2znm、1xnm 和 1ynm，未来 1znm 和 1anm 有望逐渐放量。

　　全球 NAND 下流首要包含手机（48%）、SSD（43%）等事务。在 5G 换机潮、云数据处理以及移动电源等职业的快速开展下，全球 NAND 需求有望继续快速添加。据 SUMCO，全球 NAND 2019-2023 年需求复合增速有望到达 39.4%。

　　现在全球 NAND 首要供给厂商包含三星（33%），铠侠（19%），西数（15%），美光（11%），海力士（11%）和因特尔（10%）等。现在，3D NAND 现已成为 NAND 干流工艺。

　　2016 年至 2018 年，获益于手机、核算机、云核算服务器用CPUGPU出货量的添加，逻辑芯片商场规划从 914.98 亿美元上升至 1,093.03 亿美元，年均复合添加率9.30%。据 Gartner，2016 至 2022 年，全球芯片制造产能中，估计 20nm 及以下制程占比 12%，32/28nm 至 90nm 占比 41%，0.13μm 及以上的微米级制程占比 47%。现在，90nm及以下的制程首要运用 300mm 半导体硅片，90nm 以上的制程首要运用 200mm 或更小尺度的硅片。