半導體矽片現狀，90%以上靠進口|半導體行業觀察

n n 來源：內容來自長城證券趙成團隊，謝謝。n n

n 近些年來，硅晶圓片佔半導體材料市場的比重基本保持穩定， 比重為 34%左右。 2015 年全球半導體矽片市場規模約為 80 億美元，是佔比最大的 IC 製造材料。日本的 Shin－Etsu 和 Sumco 的銷售佔比超過 50％，中國台灣的環球晶圓在 2016 年先後併購了 Topsil 和n n SunEdisonSemi，成為了全球第三大半導體矽片供應商，目前前六大矽片廠的銷售份額達到 92％，半導體矽片市場一直被巨頭壟斷。n n

n 由於 2016 年全年全球 DRAM 和 3D NAND Flash 出貨量增加以及矽片國際大廠產能有限， 再加上大陸投資的大尺寸矽片項目未能實現出貨，導致全球半導體矽片供應吃緊， 國際上前幾大矽片供應商的產能利用率均達到 100％。 三大半導體矽片廠均宣布將調漲 2017n n 年 Q1 的 12 英寸矽片價格 10～20％。n n

n 而據IC Insights 統計數據顯示，全球營運中的 12 寸(300mm)晶圓廠數量持續成長，在 2016 年可達到 100 座， 到 2020 年底，預期全球應用於 IC 生產的 12 寸晶圓廠總數達到 117 座，若 18 寸(450mm)晶圓邁入量產， 12 寸晶圓廠的高峰數量可達到 125 座左右。 由於 12 英寸（ 300mm）的矽片主要是用來生產邏輯晶元和記憶晶元， 並且DRAM 與 NAND 快閃記憶體等未來五年年均複合增長率（ CAGR）可達7.3%，產值將從去年的 773 億美元擴增至 1,099 億美元，增長率達到 42.2%， 因此，全球對於 300mm 大矽片的需求將持續擴張。 預計未來幾年矽片的缺貨將是常態。n

n 國內集成電路產業經過 30 多年的大力發展，目前已形成了一定的產業規模，以及集成電路設計、晶元製造、封裝測試三業及支撐配套業共同發展的較為完善的產業鏈格局。目前我國半導體行業發展快速，對上游原材料需求維持這一個較高的水平，近幾年對矽片及硅基材料的需求基本在 130 億元左右的水平，但 12 英寸矽片完全依賴進口，因此將來存在著較大的進口替代的可能性。n

n 什麼是半導體矽片n

n 矽片又稱硅晶圓片， 是製作集成電路的重要材料，通過對矽片進行光刻、離子注入等手n n 段，可以製成集成電路和各種半導體器件。 矽片是以硅為材料製造的片狀物體，直徑有 6n n n 英寸、 8 英寸、 12 英寸等規格。單晶硅是硅的單晶體，是一種比較活潑的非金屬元素，n n n 具有基本完整的點陣結構。不同的方向具有不同的性質，是一種良好的半導材料。純度n n n 要求達到 99.9999%，甚至達到 99.9999999%，雜質的含量降到 10-9的水平。採用西門子n n n 法可以製備高純多晶硅，然後以多晶硅為原料，採用直拉法或懸浮區熔法從熔體中生長n n n 出棒狀單晶硅。單晶硅圓片按其直徑主要分為 6 英寸、 8 英寸、 12 英寸及 18 英寸等。n n

n 硅（ Si）是目前最重要的半導體材料，全球 95%以上的半導體晶元和器件是用矽片作為基n n 底功能材料而生產出來的。在可預見的未來，還沒有其它材料（如石墨烯等）可以替代n n n 硅的地位。 在半導體製造業中廣泛使用各種不同尺寸與規格的矽片，通常包括 4 英寸、 5n n n 英寸、 6 英寸、 8 英寸及 12 英寸，它們的基本規格如下表所示：n n

n 直拉法和區熔法的比較n

n 矽片尺寸越大，將來在製成的每塊晶圓上就能切割出更多的晶元，單位晶元的成本也就n n 更低。在 1960 年時期就有了 0.75 英寸(約 20mm)左右的單晶矽片。在 1965 年左右 GordonMoore 提出摩爾定律時，還是以分立器件為主的晶體管，然後開始使用少量的 1.25 英寸小矽片，進而集成電路用的 1.5 英寸矽片更是需求大增。n n

n 之後，經過 2 英寸， 3 英寸，和4 英寸。接下來 5 英寸， 6 英寸， 8 英寸，然後進入 12 英寸。 業界較為公認的說法， 1980年代是 4 英寸矽片佔主流，1990 年代是 6 英寸佔主流，2000 年代是 8 英寸佔主流，到 2002年時英特爾與 IBM 首先建 12 英寸生產線，到 2005 年已佔 20%，及 2008 年占 30%，而那時 8 英寸已下降至 54%及 6 英寸下降至 11%。 預計在 2020 年左右， 18 英寸（ 450mm）的矽片將開始投入使用。n

n 半導體矽片尺寸發展歷程n

n 單晶矽片是製造半導體硅器件的原料，用於製作大功率整流器、 大功率晶體管、二極體、n n 開關器件等，其後續產品集成電路和半導體分立器件已廣泛應用於各個領域。單晶硅作n n n 為一種重要的半導體材料,在光電轉換、傳統半導體器件中其應用已十分普遍。以電驅動n n n 的發光光源，如放電燈、熒光燈或陰極射線發光屏、 發光二極體等。從信息角度來看，n n n 可利用光發射、放大、調製、加工處理、存儲、測量、顯示等技術和元件，構成具有特n n n 定功能的光電子學系統。例如，利用光纖通信可以實現迅速和大容量信息傳送的目的。n n n 它使原來類似的技術水平得到大幅度的提高。n n

n 半導體單晶矽片的生產工藝流程n

n 單晶矽片是單晶硅棒經由一系列工藝切割而成的，製備單晶硅的方法有直拉法（ CZ 法）、n n 區熔法（ FZ 法）和外延法，其中直拉法和區熔法用於製備單晶硅棒材。區熔硅單晶的最n n n 大需求來自於功率半導體器件。n n

n 單晶硅製備流程n

n 直拉法簡稱 CZ 法。 CZ 法的特點是在一個直筒型的熱系統匯總，用石墨電阻加熱，將裝在n n 高純度石英坩堝中的多晶硅熔化，然後將籽晶插入熔體表面進行熔接，同時轉動籽晶，n n n 再反轉坩堝，籽晶緩慢向上提升，經過引晶、放大、轉肩、等徑生長、收尾等過程，得n n n 到單晶硅。n n

n 區熔法是利用多晶錠分區熔化和結晶半導體晶體生長的一種方法，利用熱能在半導體棒n n 料的一端產生一熔區，再熔接單晶籽晶。調節溫度使熔區緩慢地向棒的另一端移動，通n n n 過整根棒料，生長成一根單晶，晶向與籽晶的相同。區熔法又分為兩種：水平區熔法和n n n 立式懸浮區熔法。前者主要用於鍺、 GaAs 等材料的提純和單晶生長。後者是在氣氛或真n n n 空的爐室中，利用高頻線圈在單晶籽晶和其上方懸掛的多晶硅棒的接觸處產生熔區，然n n n 後使熔區向上移動進行單晶生長。由於硅熔體完全依靠其表面張力和高頻電磁力的支托，n n n 懸浮於多晶棒與單晶之間，故稱為懸浮區熔法。n n

n 直拉法和區熔法的比較n

n 單晶硅是從大自然豐富的硅原料中提純製造出多晶硅，再通過區熔或直拉法生產出區熔n n 單晶或直拉單晶硅，進一步形成矽片、拋光片、外延片等。直拉法生長出的單晶硅，用n n n 在生產低功率的集成電路元件。而區熔法生長出的單晶硅則主要用在高功率的電子元件。n n n 直拉法加工工藝：加料→熔化→縮頸生長→放肩生長→等徑生長→尾部生長，長完的晶n n n 棒被升至上爐室冷卻一段時間後取出，即完成一次生長周期。n n

n 懸浮區熔法加工工藝：先從上、下兩軸用夾具精確地垂直固定棒狀多晶錠。用電子轟擊、高頻感應或光學聚焦法將一段區域熔化，使液體靠表面張力支持而不墜落。移動樣品或加熱器使熔區移動。這種方法不用坩堝，能避免坩堝污染，因而可以製備很純的單晶，也可採用此法進行區熔。n

n 半導體單晶矽片加工工藝流程n

n 工業生產中對硅的需求主要來自於兩個方面：半導體級和光伏級。半導體級單晶硅和光n n 伏級單晶硅在加工工藝流程中存在著一些差異，半導體級單晶硅的純度遠遠高於光伏級n n n 單晶硅。半導體級單晶矽片的加工工藝流程：單晶生長→切斷→外徑滾磨→平邊或 V 型n n n 槽處理→切片，倒角→研磨，腐蝕--拋光→清洗→包裝。n n

n 半導體單晶矽片切割工藝流程n

n 單晶矽片產業鏈分析n

n 單晶硅的製備工藝不同，所得到產品的純度和性能差異很大，因此其下游應用領域也有n n 所區別。單晶硅在日常生活中是電子計算機、自動控制系統等現代科學技術中不可缺少n n n 的基本材料。電視、電腦、手機、汽車，處處都離不開單晶硅材料，單晶硅作為科技應n n n 用普及材料之一，已經滲透到人們生活中的各個角落。n n

n 單晶硅及其應用分類n

n 整個單晶硅的產業鏈比較長，從最上游的多晶硅原料和設備等，到中游的單晶硅矽片，n n 延伸至下游的電力電子器件、高效率太陽能光伏電池、射頻器件和微電子機械系統、各n n n 種探測器和感測器等，最後到計算機、汽車、光伏等各大行業。日本信越化工和 SUMCOn n n 公司在單晶矽片領域佔據了市場重要地位。n n

n 單晶硅產業鏈全景圖n

n （1）上游設備原材料格局n

n 半導體元件所使用的單晶矽片系採用多晶硅原料再經由單晶生長技術所生產出來的。晶n n 硅是單質硅的一種形態， 熔融的單質硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格的形n n n 態排列成許多晶核，如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結合起來形成的n n n 晶體就叫多晶硅。n n

多晶硅所使用的原材料來自硅砂（二氧化硅），以鹽酸（或氯氣、氫氣）和冶金級工業硅為原料，將粗硅（工業硅）粉與鹽酸在高溫下合成為三氯氫硅，然後對三氯氫硅進行化學精製提純，接著對三氯氫硅進行多級精餾，使其純度達到 9 個 9 以上，其中金屬雜質總含量應降到 0.1ppba 以下，最後在還原爐中 在 1050℃的硅芯上用超高純的氫氣對三氯氫硅進行還原而長成高純多晶硅棒，再通過單晶生長技術生產處單晶矽片。

n 電子級多晶硅（用於製備半導體單晶硅） 與太陽能級多晶硅的區別主要就在於對純度的控制,最明顯的就在精餾工序,電子級和太陽能級的塔高和數量相差很大。太陽能能多晶硅純度為小數點後 6 個 9,電子級多晶硅小數點 12 個 9,整個工藝流程電子級比太陽能級在原料純度,管道清洗,提純塔,廠房潔凈度等要求都要高。n

n 電子級多晶硅的等級及相關技術要求n

n 電子級多晶硅材料的生產與太陽能級多晶硅相比，對產品純度、雜質控制的要求都非常n n 苛刻，此過程中氯硅烷的分離提純工藝是關鍵步驟。三氯氫硅除硼一直是國內電子級多n n n 晶硅材料領域的技術瓶頸。n n

n 電子級多晶硅與太陽能級多晶硅的區別n

n 近幾年來，隨著消費電子的快速發展以及未來汽車產生的大量需求，全球電子級多晶硅n n 料需求量穩步，預計未來幾年對於矽片的消費量會保持現在的上升趨勢。n n

n 全球電子硅材料需求情況n

n （2）關鍵生產設備都來自國外n

n 單晶硅棒加工成單晶硅拋光矽片的加工流程： 單晶生長→切斷→外徑滾磨→平邊或 V 型n n 槽處理→切片，倒角→研磨，腐蝕--拋光→清洗→包裝。通常一條生產線需要如下的設n n n 備配置。目前國產設備雖然已經覆蓋生產線的各個環節，但在質量和精度方面與進口設n n n 備差距較大。因此，目前國內單晶硅廠商都採用進口設備來進行生產。n n

n 單晶硅生產線設備配置n

n 單晶爐是一種在惰性氣體（氮氣、氦氣為主）環境中,用石墨加熱器將多晶硅等多晶材料n n 熔化,用直拉法生長無錯位單晶的設備。 單晶硅爐型號有兩種命名方式，一種為投料量，n n n 一種為爐室直徑。比如 120、150 等型號是由投料量決定， 85 爐則是指主爐筒的直徑大小。n n n 單晶硅爐的主體構成由主機、加熱電源和計算機控制系統三大部分組成。n n

n 半導體材料有別於一般電子產業，不僅在純度與不純物的規格要求相當高，連從原物料n n 的來源與合成製造的生產過程都必須完全符合半導體製造商的規定，才有機會打入供應n n n 體系。n n

n 再者，材料供應商與半導體製造商就先進位程技術的開發時，材料業者須亦步亦趨隨時n n 配合與反應製程參數調整的結果，國內材料廠雖具有就近協助與供應的優勢，但配合度n n n 與效率卻不如國際大廠。n n

n 國內外主要單晶硅爐生產廠商的現金產品n

n （3）半導體矽片全球格局情況n

n 國際半導體產業協會(SEMI)最新統計數據顯示， 2016 年第三季全球硅晶圓出貨面積再度n n 打破歷史紀錄，達到 27.30 億平方英寸。與前一季 27.06 億平方英寸相比，第三季出貨n n n 面積成長 0.9%，也較 2015 年第三季的 25.91 億平方英寸增加 5.4%。硅晶圓是製造半導n n n 體器件的基礎材料，對於電腦、通訊、消費性電子等所有電子產品來說，都是十分重要n n n 的物資。其出貨面積持續成長，也顯示市場對電子產品的需求仍在不斷成長。n n

n 近五季全球硅晶圓出貨面積不斷上升n

n 全球矽片市場規模近幾年穩步上升，未來上升將成為主要趨勢。 以工藝為標準可以將半n n 導體材料分為晶圓製造材料和封裝材料。 2015 年，總體晶圓製造市場達到 241 億美元，n n n 封裝材料市場達到 193 億美元。 2015 年全球半導體單晶硅市場產值已達 434 億美元，在n n n 整個半導體行業中所佔比重達到 13%。n n

n 2013-2016 年全球矽片市場規模n

n 半導體材料分為晶圓製造材料和封裝材料，晶圓製造材料主要包括大矽片、光刻膠、濕n n 化學品、特種氣體、拋光液和拋光墊等。矽片及硅基材是半導體材料中最重要的部分，n n n 佔半導體材料市場份額的 32%，由於我國半導體產業起步較晚，再加上半導體矽片的製備n n n 工藝要求極高，該部分市場幾乎均由國外廠商壟斷。n n

n 目前主流半導體矽片市場的全球寡頭壟斷已經形成，日本、台灣、德國和韓國資本控制的 6 大矽片公司的銷量佔到 95%。信越化學工業株式會社作為日本半導體材料行業的龍頭企業之一，是全球最大的半導體矽片供應商， 2015 年在全球半導體矽片市場中佔有 27%的份額， SUMCO 公司緊隨其後。n

n 硅晶圓產業幾乎由國外廠商壟斷n

n 半導體單晶矽片下游市場前景廣闊n

n 半導體單晶矽片下游市場整體向好，繼續保持增長趨勢。 2015 年全球半導體代工市場增n n 長 4.4%，達到 488 億美元。 在新技術（雲計算、人工智慧、智能駕駛）逐步興起的背景n n n 下，基於對深度大數據處理的需求大幅增加，將帶來半導體硬體設備的快速更新升級。n n n 半導體行業或迎來大規模發展契機。n n

n 矽片是最主要的半導體材料，歷年來硅晶圓片的市場銷售額占整個半導體材料市場總銷n n 售額的 32%~40%。 近些年來，硅晶圓佔半導體材料市場的比重基本保持穩定， 2013 年硅n n n 晶圓佔半導體材料市場的比重為 35%， 2015 年佔比 34%。可以預見在未來幾年內，硅晶圓依舊將在半導體材料市場佔據重要地位。n n

n 2015 年全球半導體前道各材料市場比重n

n 數據顯示， 2015 年硅拋光晶圓與硅外延晶圓合計 10434MSI（百萬平方英寸）； SEMI 協會n n 表示， 2015 年硅晶圓片總出貨量超越 2014 年創下的歷史記錄，預計 2016 年和 2017 年有望再創新高。n n

n 2013-2017 年全球硅晶圓片的出貨量計n

n 雖然在 2005 年至 2010 年期間，不同尺寸矽片市場數據波動起伏，但是從 2011 年至 2015年，全球不同尺寸矽片市場規模穩步上升。預計在 2017 年矽片總量將超過 120 億平方英寸，同時 12 英寸矽片所佔比重越來越大，牢牢佔據主流地位。n

n 全球矽片市場現狀及發展預測n

n 2015 年全球半導體市場增長緩慢，主要是因為 3.9%的亞太地區增長抵消了 10.3%的日本n n 下滑和 8.2%的歐洲下滑。半導體需求主要受到 PC 出貨放緩、美元升值、日本經濟萎縮、n n n 歐洲危機和中國股票市場影響。其中，中國半導體銷售額佔到全球半導體消費的 50%以上。n n n 未來幾年內全球半導體市場將呈現回暖趨勢，2016年和 2017年將分別增長 1.4%和 3.1%。n n

n 迄今為止，主要半導體市場亞太地區已經推動半導體行業增長；鑒於中國經濟疲軟，半n n 導體市場將呈現緩慢增長的趨勢。 2017 年全球的半導體市場將呈現增長勢頭，這將直接n n n 帶動全球半導體級矽片市場的增長，雖然增長率有所放緩，但是增長的趨勢是一定的。n n

n 2014-2017 年全球半導體市場規模n

n 由於半導體行業去庫存已接近尾聲，隨著市場需求逐漸回暖，半導體行業景氣度逐步提n n 升。預計全球半導體的資本支出和設備投資規模在未來兩年能夠保持相對穩定的增長率，n n n 半導體級矽片行業也會因此受益，在未來對於矽片的需求將穩步上升。n n

n 2014-2018 年全球半導體的資本支出和n

n 需要強調的一點就是300mm矽片需求持續增長。n

n 半導體晶元製造技術遵循摩爾定律，不同尺寸矽片市場的消長和發展輪換，矽片整體沿n n 大尺寸趨勢發展。 單晶矽片直徑越大，所能刻制的集成電路越多，晶元的成本也就越低。n n n 300mm 矽片從 1990 年代末迅速切入市場，經過幾年發展，迅速成為市場的主流，並且未n n n 來也將佔據主流地位。n n

n 根據 SEMI 發布的市場消息， 2015 年全球矽片材料市場消耗約 100億平方英寸。其中 300mm 占約 70%。與此同時， 200mm 矽片出貨目前還佔據大約 20%市場份額。由於 MEMS、功率模擬等產品預計將以超越摩爾定律的方式繼續發展， 200mm 矽片未來還將繼續保持一定的市場份額。目前業界的主流預測是， 450mm 矽片有可能在 2017年左右開始導入小批量生產，第一批客戶可能只有 Intel 一家。之後幾年 450mm 的矽片也將遵循規律，迎來一段時間的強勁增長。預計矽片需求依舊會保持持續增長態勢。n

n 300mmFabs 將會在 2021 年左右達到高峰，之後市場將迎來 450mmFabs 的補充， 300mmFabs將逐漸減少。總體供給預計將不會減少。n

n 全球 300mm 和 450mm Fabs 預測n

n 根據 IC Insights 統計的 2016-2020 年全球晶圓產能報告顯示，全球營運中的 12 寸(300mm)n n 晶圓廠數量持續成長，預期在 2016 年可達到 100 座。此外，目前全球有 8 座 12 寸晶圓n n n 廠預計 2017 年開幕，有可能使該年度成為自 2014 年有 9 座晶圓廠開始營運以來，第二n n n 個有最多數量晶圓廠投入營運的年份。到 2020 年底，預期全球將有再 22 座的 12 寸晶圓廠營運，讓全球應用於 IC 生產的 12 寸晶圓廠總數達到 117 座。n n

n 而如果 18 寸(450mm)晶圓邁入量產， 12 寸晶圓廠的高峰數量可達到 125 座左右。 12 英寸（ 300mm） 的矽片主要是用來做邏輯晶元和記憶晶元的，而其餘的比如汽車半導體、指紋識別晶元、攝像機 CIS晶元都是採用 8 英寸的矽片。而根據研調機構 IC Insights 最新報告預測， DRAM 與 NAND快閃記憶體等，未來五年年均複合增長率（ CAGR）可達 7.3%，產值將從去年的 773 億美元擴增至 1,099 億美元，增長達到 42.2%。 因此，全球對於 300mm 大矽片的需求將持續擴張。n

n 全球營運的 12 寸晶圓廠數量及預期n

n 根據統計，大陸 12 寸晶圓廠達到 10 座，若全部投產未來大陸 12 寸晶元總產能預計超過n n 55 萬片/月。而目前國內的 12 寸（ 300mm）矽片產量幾乎為零，這是產業鏈上最為緊缺的一環。全球 12 寸矽片日本生產的最多，日本信越和 SUMCO，這兩家的產能和實際供應量總和佔全球 2/3 以上。 300mm 半導體級的大矽片，不僅是產業鏈缺失的重要一環，也是國家安全戰略發展的需要。因此，大陸本土對於 12 寸矽片的下游需求正在迅速擴張。n n

n 2015 年全球不同尺寸矽片材料市場消耗超過 100 億平方英寸，預計到 2020 年全球不同尺寸矽片材料市場消耗將突破 120 億平方英寸。 其中， 12 寸（ 300mm） 晶圓市場規模將不斷擴大， 到 2020 年將佔到 80%， 而 8 寸（ 200mm） 和 6 寸（ 150mm） 及以下的矽片市場規模將越來越小。n

n 全球不同尺寸矽片市場現狀及預測n

n Rn

n eadingn

n 推薦閱讀（點擊文章標題，直接閱讀）n

n n n n n n 最易懂的ARM晶元開發科普，建議收藏！n n

n n n n n n FPGA的過去，現在和未來n n

n n n n n n 2017年的手機產業鏈該關注什麼？n

http://weixin.qq.com/r/ckMQCMnEiJT3rY1r9xZg (二維碼自動識別)

n 【關於轉載】：轉載僅限全文轉載並完整保留文章標題及內容，不得刪改、添加內容繞開原創保護，且文章開頭必須註明：轉自「半導體行業觀察icbank」微信公眾號。謝謝合作！n n

http://weixin.qq.com/r/4DnawhbEYEsfrVKh92zy (二維碼自動識別)

n 【關於投稿】：歡迎半導體精英投稿，一經錄用將署名刊登，紅包重謝！來稿郵件請在標題標明「投稿」，並在稿件中註明姓名、電話、單位和職務。歡迎添加我的個人微信號MooreRen001或發郵件到 jyzhang@moore.renn n

http://weixin.qq.com/q/02x94VUL8jb0-10000w03o (二維碼自動識別)

推薦閱讀：