半导体硅片：景气度持续向上，国产替代加速进行
1、基本概念介绍
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，是半导体行业广泛使用的基底材料，且是成本占比最大的材料。
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，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。
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。
2、硅材料能否被替代？
半导体材料是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料，是半导体工业的基础。从19世纪至今已发展至第四代半导体材料：
第一代半导体：以硅（Si）、锗（Ge）等为代表，是由单一元素构成的元素半导体材料。硅半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个信息产业的飞跃。
第二代半导体：以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等为代表，也包括三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP，还包括一些固溶体半导体、非静态半导体等。
随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会信息化的发展，第二代半导体材料显示出其优越性，砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。
第三代半导体：以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带半导体材料。
具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐射能力等优异性能，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件，在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域有广阔的应用前景。
第四代半导体：以氧化镓（Ga2O3）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）为代表的超宽禁带半导体材料，禁带宽度超过4eV；以及以锑化物（GaSb、InSb）为代表的超窄禁带半导体材料。
超宽禁带材料凭借其比第三代半导体材料更宽的禁带，在高频功率器件领域有更突出的特性优势；超窄禁带材料由于易激发、迁移率高，主要用于探测器、激光器等器件的应用中。
那么这四代半导体是否会互相替代？
业界认为，四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。
硅材料因其具有单方向导电特性、热敏特性、光电特性、掺杂特性等优良性能，可以生长为大尺寸高纯度晶体，且储量丰富、价格低廉等等优点，按目前的情形很难被取代。
3、硅片的分类
1）分类一：根据尺寸（直径）不同，半导体硅片可分为2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、5英寸（125mm）、6英寸（150mm）、8英寸（200mm）、12英寸（300mm）；
在摩尔定律影响下（尺寸大，单位成本降低，规模效应提升），半导体硅片正在不断向大尺寸的方向发展，目前8英寸和12英寸是主流产品，合计出货面积占比超过90%。
2）分类二：根据掺杂程度不同，半导体硅片可分为轻掺和重掺。
重掺硅片的掺杂元素掺入量大，电阻率低,一般用于功率器件等产品；轻掺硅片掺杂浓度低，一般用于集成电路领域，技术难度和产品质量要求更高。由于集成电路在全球半导体市场中占比超过80%，全球对轻掺硅片需求更大。具体介绍：
什么是掺杂？
超纯多晶硅熔化后，掺入硼（B）、磷（P）等元素改变导电能力，放入籽晶经过单晶生长制成单晶硅锭，单晶硅锭经过切片、研磨、腐蚀、
抛光、外延（如有）、键合（如有）、清洗等工艺步骤，制造成为半导体硅片。具有流程如下
轻掺杂更难，使用量更大
根据掺入的硼、磷等元素的比例不同，半导体硅片可分为轻掺杂、中掺杂和重掺杂。其中轻掺杂技术难度大，用量大。
具体来看，重掺硅片有外延层，所以重掺晶体对缺陷要求较低；轻掺硅片没有外延层，通常对晶体原生缺陷要求很高。
前者多数用来做衬底材料，也可以用来做电源IC、MOSFET等车用以及工业用（家电、高铁）领域芯片；
后者用途更广泛，能更好地用于先进制程，多用于在消费领域、逻辑IC的领域（手机电脑的存储器、CPU）。
英才杂志今年3月文章介绍，目前从全球市场8英寸硅片总需求上看，轻掺硅片约占全部需求的70%;在12英寸硅片总需求中，轻掺硅片占比几近100%。这么大的市场，几乎是任何一个硅片厂商都难以绕过的领域。
但是，国内规模化产品主要为重掺硅片，轻掺硅片产品主要依赖进口，除了沪硅产业（688126）出货规模较大以外，像中环股份（002129）、立昂微（605358）等都是有技术突破并已送样认证，但是量没上来。
不久前，神功股份（688233）也表示攻克轻掺硅片核心工艺技术，已具备8英寸硅片量产能力。
神功股份的轻掺硅片项目
中信证券介绍，2019年，在公司实现高质量单晶硅材料的研发生产后，启动了对低缺陷晶体的生产研发。
公司现已具备表面颗粒度控制技术、电阻率控制技术等核心工艺能力。
截至目前，公司低缺陷晶体的成品率已经跟海外龙头大厂水平接近。
公司研发的核心技术“硅片表面微观线性损伤控制技术”、“低酸量硅片表面清洗技术”、“线切割过程中硅片翘曲度的稳定性控制技术”达到业界先进水平，产品已部分应用于集成电路制造。
2020年，公司公开发行股份4000万股，拟筹资8.67亿元人民币用于投资8英寸半导体级硅单晶抛光片生产建设项目，该项目建设完成并顺利达产后，公司将具备年产180万片8英寸半导体级硅单晶抛光片以及36万片半导体级硅单晶陪片的产能规模。
5万片/月产能布局完成，8英寸硅片进入客户认证流程。
据介绍，神功半导体8英寸半导体级轻掺低缺陷硅片研发团队解决了热系统封闭、多段晶体电阻率区间控制、晶体稳态化控制等技术难题，对原生缺陷实现有效控制。
目前，公司已完成每月5万片产能的设备安装和调试，计划以每月8000片的规模进行生产，并持续优化工艺窗口，积极推动客户认证流程，并根据认证及之后的订单情况，将产量逐步提升至当前设备最大产能50,000片/月。
轻掺杂硅片为什么难？
轻掺杂离子注入是采用低能量离子注入的，所以需要采用高电流离子注入设备进行。
采用低能量离子注入，离子运动的速率较低，部分离子无法到达晶圓表面，容易造成离子损耗。
另外，在晶圆的轻掺杂源漏极(LDD)离子注入制程中，每次注入一个离子，由于一个离子的直径较小，部分离子不经过撞击直接深入到晶圓衬底的底部，也就是晶圆的通道效应，会导致较大的衬底漏电流，破坏晶圆的电学特性。因此低掺杂硅片的制备工艺具有较高的技术壁垒。
单晶硅锭经过切割、研磨和抛光处理后得到抛光片。
而在抛光片的基础上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。
具体来看：
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；
外延片是通过化学气相沉积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；退火片是在氢气或氩气环境下对抛光片进行高温热处理，以去除晶圆表面附近的氧气，可以提高表面晶体的完整性。
SOI硅片（Silicon-On-Insulator）是在两个抛光片之间插入高电绝缘氧化膜层，可以实现器件的高集成度、低功耗、高速和高可靠性，在活性层表面也可以形成砷或砷的扩散层。
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。
注：闩锁效应，简单来理解，就是芯片产生静电造成短路。
如果有一个强电场施加在器件结构中的氧化物薄膜上，则该氧化物薄膜就会因介质击穿而损坏。很细的金属化迹线会由于大电流而损坏，并会由于浪涌电流造成的过热而形成开路。这就是所谓的“闩锁效应”。在闩锁情况下，器件在电源与地之间形成短路，造成大电流、EOS(电过载)和器件损坏。
4）分类四：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；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。
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，再通过蒸馏和化学还原工艺，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。
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(1ppb=十亿分之一)的多晶硅与硼酸(b)和磷(p)一起放入石英坩埚中，在约1420℃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，决定其特性。在坩埚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。
区熔法加工工艺：多晶硅棒首先在真空或稀有性气体的情况下使用电场对其进行加热，直至多晶硅在受热区内融化，从而形成熔融区。然后将种籽晶与熔融区接触，使之融化。在籽晶缓慢转动、向下伸展的情况下，熔融区继续向上移动，最终形成了单晶硅棒。
硅片加工的五个工序：
3）蚀刻：硅片经过切片和磨片后，由于工艺压力，会在硅片的表面形成一层破坏层，化学蚀刻是利用混酸消除前一工序之前在晶片表面上附着的机械加工造成的损伤，使整片硅片维持高质量的单晶特性。
4）抛光：将硅片通过抛光及洗净操作，得到电阻率、几何参数及颗粒数据等符合客户规范的抛光片成品。
半导体硅片行业壁垒深厚
（1）技术壁垒
半导体硅片在尺寸、纯度、电阻率、翘曲度、弯曲度、表面洁净度等指标有很高的要求。芯片制造工艺对硅片缺陷尺寸与缺陷密度容忍度极低，技术节点越先进，特征尺寸越小，对上述指标的控制越严格，技术壁垒越高。
（2）设备壁垒
制造硅片的核心设备是单晶炉。国际主流厂商的单晶炉都是自己制造研发，或者购买独立的单晶炉供应商产品，签有严格的保密协议，其他厂商无法购买。国内厂商进入全球主流供应商首先需要解决设备问题。
（3）认证壁垒
晶圆生产商对硅片质量有着严苛的要求，对供应商的选择非常谨慎，进入其供应商名单具有较高的要求，并且具有一定的客户粘性。为了保证产品质量的稳定性和一致性，芯片制造企业会要求硅片厂商提供一些硅片供其试生产，大多用在测试片，待通过生产认证后，会将产品送至下游客户处，获得客户认可后才会对硅片厂商进行最终认证。硅片加入芯片制造商的供应链需要经历较长的时间，对于新供货商最短的周期也要9-18个月，终端用于航空航天、汽车电子等领域的硅片认证周期更久，通常是3-5年。
（4）资金壁垒
由于半导体硅片的制造工艺非常复杂，需要购买昂贵先进的生产设备，亦需要根据客户需求不断进行修改或调试，前期固定资产投入量大。
（5）人才壁垒
半导体硅片的生产研发过程较为复杂，需要复合型人才，涉及物理、热力学、量子力学、化学等多学科交叉。
硅片长期被海外垄断，国产替代势如破竹
半导体硅片行业具有技术难度高、研发周期长、资金投入大、客户认证周期长等特点，全球半导体硅片行业进入壁垒较高。全球半导体硅片市场目前主要由国外厂商主导，行业呈现高度垄断的竞争格局。
半导体硅片作为芯片制造的关键原材料，技术门槛较高，属于技术密集、人才密集行业。
由于半导体硅片行业是寡头垄断的行业，长期以来均被全球前五大硅片厂商垄断。根据SEMI，全球前三大半导体硅片厂商合计市占率（CR3）由2019年的68.2%小幅下降至2020年的63.8%；
前五大厂商合计市占率（CR5）由92.6%下降至86.6%。2020年信越化学市占率为27.53%，SUMCO市占率为21.51%，合计份额近一半，国内硅片制造商沪硅产业市占率2.2%，在全球市场占比较低。
自2016年后，国内涌现出多家半导体硅片厂商，国内硅片行业总体上呈现出技术水平低、产业规模小、产品布局散的格局，在国内半导体硅片厂商迅速崛起的背景下，国内硅片厂市占率有望提升。
全球硅片龙头企业通过并购的方式实现外延式扩张是发展壮大的有效路径。
由于半导体硅片厂商扩产面临巨大的资本开支，规模优势尤为重要，厂商只有通过大规模生产，才能降低固定成本，提升盈利能力；其次，通过兼并收购，厂商可以提高市场集中度，提升产业链的议价能力，以维持相对稳定的盈利能力。
目前全球仍存在结构性缺芯问题，在上游供给有限下游需求旺盛的背景下，全球各大硅片厂商纷纷开始大规模扩产，硅片市场高景气度持续。
2021年，环球晶圆考虑进行多项现有厂区及新厂扩产计划，地区涵盖亚洲、欧洲和美国，在2023年下半年开出产能；信越化学对硅利光业务设备投资，资金达800亿日元以上；SUMCO斥资2287亿日元扩产12英寸硅片；德国世创2022年计划投资11亿欧元，将资金的三分之二将用来新加坡建厂；韩国SKSiltron宣布投资55亿元扩建12英寸半导体硅片厂；国内硅片龙头沪硅产业50亿元定增项目正式落地，加码扩产12英寸硅片；中环股份进一步扩产210硅片巩固龙头地位。
国产厂商并驱争先，加速追赶走向国际
目前国内已经形成龙头初显，竞争激烈的格局。据不完全统计，国内多家硅片制造商已经布局8英寸和12英寸半导体硅片生产线项目。很多项目已经陆续投产，新建的12英寸硅片生产线大多处于产能爬坡、客户认证等阶段。
半导体硅片产能持续向中国转移。据ICInsight对未来产能扩张预测，2022年中国大陆晶圆厂产能预计将达410万片/月，占全球产能17.15%。
芯思想数据统计，2020年中国内地8英寸抛光片和外延片装机产能分别为206万片/月和197.5万片/月；12英寸抛光片和外延片装机产能分别为41.5万片/月和7.5万片/月。
预计2021年中国内地8英寸抛光片和外延片装机产能分别为261万片/月和215万片/月，同比增长26.7%和8.86%；12英寸抛光片和外延片装机产能分别为153.5万片/月和23.5万片/月。
国内半导体硅片市场正处于多方因素促进发展的良好局面，由于硅片供需矛盾加重，国外厂商优先保障国外晶圆厂制造硅片的供应，更给国内硅片厂商提供机会扩大市场份额。
同时国内硅片生产商产品技术提高迅速，硅片国产进程日益加快，国产化替代需求强烈。
但是中国大陆半导体硅片企业无论在技术积累还是市场占有率方面，均与国际成熟半导体硅片企业有较大差距。国内半导体硅片，特别是面向先进制程应用的300mm半导体硅片严重依赖进口，半导体硅片的国产化进程严重滞后于国内快速增长的市场需求。
国内芯片制造企业逐渐意识到本土硅片生产商对于产品生产成本和生产链安全的重要性，正在加快认证国内半导体硅片的速度，如沪硅产业、立昂微、中环股份等均在国内芯片制造企业认证通过，加速追赶全球龙头厂商。
