一文看懂半导体硅片所有猫腻

一文看懂半导体硅片所有猫腻半导体单晶硅片的生产工艺流程单晶硅片是单晶硅棒经由一系列工艺切割而成的，制备单晶硅的方法有直拉法（CZ法）、区熔法（FZ法）和外延法，其中直拉法和区熔法用于制备单晶硅棒材。区熔硅单晶的最大需求来自于功率半导体器件。单晶硅制备流程直拉法简称CZ法。CZ法的特点是在一个直筒型的热系统汇总，用石墨电阻加热，将装在高纯度石英坩埚中的多晶硅熔化，然后将籽晶插入熔体表面进行熔接，同时转动籽晶，再反转坩埚，籽晶缓慢向上提升，经过引晶、放大、转肩、等径生长、收尾等过程，得到单晶硅。区熔法是利用多晶锭分区熔化和结晶半导体晶体生长的一种方法，利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶。调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。前者主要用于锗、GaAs等材料的提纯和单晶生长。后者是在气氛或真空的炉室中，利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行单晶生长。由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电磁力的支托，悬浮于多晶棒与单晶之间，故称为悬浮区熔法。巨头垄断硅片市场进口替代可能性高直拉法和区熔法的比较单晶硅是从大自然丰富的硅原料中提纯制造出多晶硅，再通过区熔或直拉法生产出区熔单晶或直拉单晶硅，进一步形成硅片、抛光片、外延片等。直拉法生长出的单晶硅，用在生产低功率的集成电路元件。而区熔法生长出的单晶硅则主要用在高功率的电子元件。直拉法加工工艺：加料→熔化→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长，长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。悬浮区熔法加工工艺：先从上、下两轴用夹具精确地垂直固定棒状多晶锭。用电子轰击、高频感应或光学聚焦法将一段区域熔化，使液体靠表面张力支持而不坠落。移动样品或加热器使熔区移动。这种方法不用坩埚，能避免坩埚污染，因而可以制备很纯的单晶，也可采用此法进行区熔。半导体单晶硅片加工工艺流程工业生产中对硅的需求主要来自于两个方面：半导体级和光伏级。半导体级单晶硅和光伏级单晶硅在加工工艺流程中存在着一些差异，半导体级单晶硅的纯度远远高于光伏级单晶硅。半导体级单晶硅片的加工工艺流程：单晶生长→切断→外径滚磨→平边或V型槽处理→切片，倒角→研磨，腐蚀--抛光→清洗→包装。半导体单晶硅片切割工艺流程单晶硅片产业链分析单晶硅的制备工艺不同，所得到产品的纯度和性能差异很大，因此其下游应用领域也有所区别。单晶硅在日常生活中是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。电视、电脑、手机、汽车，处处都离不开单晶硅材料，单晶硅作为科技应用普及材料之一，已经渗透到人们生活中的各个角落。单晶硅及其应用分类整个单晶硅的产业链比较长，从最上游的多晶硅原料和设备等，到中游的单晶硅硅片，延伸至下游的电力电子器件、高效率太阳能光伏电池、射频器件和微电子机械系统、各种探测器和传感器等，最后到计算机、汽车、光伏等各大行业。日本信越化工和SUMCO公司在单晶硅片领域占据了市场重要地位。单晶硅产业链全景图（1）上游设备原材料格局半导体元件所使用的单晶硅片系采用多晶硅原料再经由单晶生长技术所生产出来的。晶硅是单质硅的一种形态，熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格的形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来形成的晶体就叫多晶硅。多晶硅所使用的原材料来自硅砂（二氧化硅），以盐酸（或氯气、氢气）和冶金级工业硅为原料，将粗硅（工业硅）粉与盐酸在高温下合成为三氯氢硅，然后对三氯氢硅进行化学精制提纯，接着对三氯氢硅进行多级精馏，使其纯度达到9个9以上，其中金属杂质总含量应降到0.1ppba以下，最后在还原炉中在1050℃的硅芯上用超高纯的氢气对三氯氢硅进行还原而长成高纯多晶硅棒，再通过单晶生长技术生产处单晶硅片。电子级多晶硅（用于制备半导体单晶硅）与太阳能级多晶硅的区别主要就在于对纯度的控制，最明显的就在精馏工序，电子级和太阳能级的塔高和数量相差很大。太阳能能多晶硅纯度为小数点后6个9，电子级多晶硅小数点12个9，整个工艺流程电子级比太阳能级在原料纯度，管道清洗，提纯塔，厂房洁净度等要求都要高。电子级多晶硅的等级及相关技术要求电子级多晶硅材料的生产与太阳能级多晶硅相比，对产品纯度、杂质控制的要求都非常苛刻，此过程中氯硅烷的分离提纯工艺是关键步骤。三氯氢硅除硼一直是国内电子级多晶硅材料领域的技术瓶颈。电子级多晶硅与太阳能级多晶硅的区别近几年来，随着消费电子的快速发展以及未来汽车产生的大量需求，全球电子级多晶硅料需求量稳步，预计未来几年对于硅片的消费量会保持现在的上升趋势。全球电子硅材料需求情况（2）关键生产设备都来自国外单晶硅棒加工成单晶硅抛光硅片的加工流程：单晶生长→切断→外径滚磨→平边或V型槽处理→切片，倒角→研磨，腐蚀--抛光→清洗→包装。通常一条生产线需要如下的设备配置。目前国产设备虽然已经覆盖生产线的各个环节，但在质量和精度方面与进口设备差距较大。因此，目前国内单晶硅厂商都采用进口设备来进行生产。单晶硅生产线设备配置单晶炉是一种在惰性气体（氮气、氦气为主）环境中，用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生长无错位单晶的设备。单晶硅炉型号有两种命名方式，一种为投料量，一种为炉室直径。比如120、150等型号是由投料量决定，85炉则是指主炉筒的直径大小。单晶硅炉的主体构成由主机、加热电源和计算机控制系统三大部分组成。半导体材料有别于一般电子产业，不仅在纯度与不纯物的规格要求相当高，连从原物料的来源与合成制造的生产过程都必须完全符合半导体制造商的规定，才有机会打入供应体系。再者，材料供应商与半导体制造商就先进制程技术的开发时，材料业者须亦步亦趋随时配合与反应制程参数调整的结果，国内材料厂虽具有就近协助与供应的优势，但配合度与效率却不如国际大厂。国内外主要单晶硅炉生产厂商的现金产品（3）半导体硅片全球格局情况国际半导体产业协会（SEMI）最新统计数据显示，2016年第三季全球硅晶圆出货面积再度打破历史纪录，达到27.30亿平方英寸。与前一季27.06亿平方英寸相比，第三季出货面积成长0.9%，也较2015年第三季的25.91亿平方英寸增加5.4%。硅晶圆是制造半导体器件的基础材料，对于电脑、通讯、消费性电子等所有电子产品来说，都是十分重要的物资。其出货面积持续成长，也显示市场对电子产品的需求仍在不断成长。近五季全球硅晶圆出货面积不断上升全球硅片市场规模近几年稳步上升，未来上升将成为主要趋势。以工艺为标准可以将半导体材料分为晶圆制造材料和封装材料。2015年，总体晶圆制造市场达到241亿美元，封装材料市场达到193亿美元。2015年全球半导体单晶硅市场产值已达434亿美元，在整个半导体行业中所占比重达到13%。2013-2016年全球硅片市场规模半导体材料分为晶圆制造材料和封装材料，晶圆制造材料主要包括大硅片、光刻胶、湿化学品、特种气体、抛光液和抛光垫等。硅片及硅基材是半导体材料中最重要的部分，占半导体材料市场份额的32%，由于我国半导体产业起步较晚，再加上半导体硅片的制备工艺要求极高，该部分市场几乎均由国外厂商垄断。目前主流半导体硅片市场的全球寡头垄断已经形成，日本、中国台湾、德国和韩国资本控制的6大硅片公司的销量占到95%。信越化学工业株式会社作为日本半导体材料行业的龙头企业之一，是全球最大的半导体硅片供应商，2015年在全球半导体硅片市场中占有27%的份额，SUMCO公司紧随其后。硅晶圆产业几乎由国外厂商垄断半导体单晶硅片下游市场前景广阔半导体单晶硅片下游市场整体向好，继续保持增长趋势。2015年全球半导体代工市场增长4.4%，达到488亿美元。在新技术（云计算、人工智能、智能驾驶）逐步兴起的背景下，基于对深度大数据处理的需求大幅增加，将带来半导体硬件设备的快速更新升级。半导体行业或迎来大规模发展契机。硅片是最主要的半导体材料，历年来硅晶圆片的市场销售额占整个半导体材料市场总销售额的32%~40%。近些年来，硅晶圆占半导体材料市场的比重基本保持稳定，2013年硅晶圆占半导体材料市场的比重为35%，2015年占比34%。可以预见在未来几年内，硅晶圆依旧将在半导体材料市场占据重要地位。2015年全球半导体前道各材料市场比重数据显示，2015年硅抛光晶圆与硅外延晶圆合计10434MSI（百万平方英寸）；SEMI协会表示，2015年硅晶圆片总出货量超越2014年创下的历史记录，预计2016年和2017年有望再创新高。2013-2017年全球硅晶圆片的出货量计虽然在2005年至2010年期间，不同尺寸硅片市场数据波动起伏，但是从2011年至2015年，全球不同尺寸硅片市场规模稳步上升。预计在2017年硅片总量将超过120亿平方英寸，同时12英寸硅片所占比重越来越大，牢牢占据主流地位。全球硅片市场现状及发展预测2015年全球半导体市场增长缓慢，主要是因为3.9%的亚太地区增长抵消了10.3%的日本下滑和8.2%的欧洲下滑。半导体需求主要受到PC出货放缓、美元升值、日本经济萎缩、欧洲危机和中国股票市场影响。其中，中国半导体销售额占到全球半导体消费的50%以上。未来几年内全球半导体市场将呈现回暖趋势，2016年和2017年将分别增长1.4%和3.1%。迄今为止，主要半导体市场亚太地区已经推动半导体行业增长；鉴于中国经济疲软，半导体市场将呈现缓慢增长的趋势。2017年全球的半导体市场将呈现增长势头，这将直接带动全球半导体级硅片市场的增长，虽然增长率有所放缓，但是增长的趋势是一定的。2014-2017年全球半导体市场规模由于半导体行业去库存已接近尾声，随着市场需求逐渐回暖，半导体行业景气度逐步提升。预计全球半导体的资本支出和设备投资规模在未来两年能够保持相对稳定的增长率，半导体级硅片行业也会因此受益，在未来对于硅片的需求将稳步上升。2014-2018年全球半导体的资本支出和需要强调的一点就是300mm硅片需求持续增长。半导体芯片制造技术遵循摩尔定律，不同尺寸硅片市场的消长和发展轮换，硅片整体沿大尺寸趋势发展。单晶硅片直径越大，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。300mm硅片从1990年代末迅速切入市场，经过几年发展，迅速成为市场的主流，并且未来也将占据主流地位。根据SEMI发布的市场消息，2015年全球硅片材料市场消耗约100亿平方英寸。其中300mm占约70%。与此同时，200mm硅片出货目前还占据大约20%市场份额。由于MEMS、功率模拟等产品预计将以超越摩尔定律的方式继续发展，200mm硅片未来还将继续保持一定的市场份额。目前业界的主流预测是，450mm硅片有可能在2017年左右开始导入小批量生产，第一批客户可能只有Intel一家。之后几年450mm的硅片也将遵循规律，迎来一段时间的强劲增长。预计硅片需求依旧会保持持续增长态势。300mmFabs将会在2021年左右达到高峰，之后市场将迎来450mmFabs的补充，300mmFabs将逐渐减少。总体供给预计将不会减少。全球300mm和450mmFabs预测根据ICInsights统计的2016-2020年全球晶圆产能报告显示，全球营运中的12寸（300mm）晶圆厂数量持续成长，预期在2016年可达到100座。此外，目前全球有8座12寸晶圆厂预计2017年开幕，有可能使该年度成为自2014年有9座晶圆厂开始营运以来，第二个有最多数量晶圆厂投入营运的年份。到2020年底，预期全球将有再22座的12寸晶圆厂营运，让全球应用于IC生产的12寸晶圆厂总数达到117座。而如果18寸（450mm）晶圆迈入量产，12寸晶圆厂的高峰数量可达到125座左右。12英寸（300mm）的硅片主要是用来做逻辑芯片和记忆芯片的，而其余的比如汽车半导体、指纹识别芯片、摄像机CIS芯片都是采用8英寸的硅片。而根据研调机构ICInsights最新报告预测，DRAM与NAND闪存等，未来五年年均複合增长率（CAGR）可