半導體行業深度報告:半導體矽片行業全攻略

市場認為國內矽晶圓會過度投資，我們認為國內矽晶圓產業起點低、起步晚，且長 晶技術是決定矽片參數的核心環節，主要體現在爐內溫度的熱場和控制晶體生長形狀的 磁場設計能力。矽拋光晶圓的主要技術指標包括直徑、晶體工藝、摻雜劑、晶向、電阻 率、厚度等，其他質量指標包括缺陷密度、氧含量、碳含量、翹曲度等，其中大部分參 數由長晶技術決定。下遊晶片製程的技術節點越先進，對應的矽片上述指標控制越嚴格， 不同的技術節點對應的指標控制參數會有相差。因此，矽晶圓產業技術難度決定了產業 鏈公司從研發到具有市場競爭力，仍然是漫長的過程，只有技術積累和人才優勢的廠商 可以實現率先量產，此外擴產周期也受到半導體市場周期影響，因此只有少數公司可以 在國產化實現彎道超車。

1.矽片，從沙石到電路的載體

1.1 半導體材料縱觀

半導體產業內涵豐富，涵蓋材料至晶片。半導體是指常溫下導電性能介於導體與絕緣 體之間的材料。原本半導體是指半導體材料，現在也指材料上做成的集成電路，用在電腦、 手機、電視、數碼音樂播放器、數位相機、手提遊戲機等等，這些統稱為半導體電子器件。

半導體與收音機的淵源。收音機經歷了真空電子管、電晶體技術時代，電晶體收音機 是半導體電晶體的第一個商業化產品，因此民間將收音機稱為半導體。半導體收音機在上 世紀 60 年代起風靡全球，成為重要的「家電」產品；1965 年，半導體收音機的產量超過 了電子管收音機的產量；1980 年左右是收音機市場發展的高峰時期。

固態電子時代的開端，經歷了從鍺到矽。半導體的研究起源於固體物理及電子科學的 研究，1938 年，蕭基的論文《金屬與半導體界面整流》首次將固體物理的基礎研究與半導 體組件性能連接起來，解釋了 1874 年科學家布勞恩在礦石裡發現的固體整流現象。1947 年底，首個電晶體在貝爾實驗室誕生。因為鍺的處理相對容易，鍺晶的熔點低只有 900 多 攝氏度，而矽的熔點在 1420 度，因此固體物理的早期研究基於鍺晶做電晶體。但是，矽制 電晶體最大的優點在於可以在 100 度的高溫環境下運用，而鍺電晶體到 70 度就沒有功能， 嚴重限制了應用範圍。直到 1954 年，提爾在德儀用直拉單晶法長晶，並製成了世界上第 一枚矽電晶體，才開啟了矽為主體的固態電子時代。

矽作為半導體材料的優勢：1）矽在地球上儲量達到 26.8%，僅次於氧；2）矽的能隙 較大（1.13V），使其具有較高的操作溫度及較低的漏電流；3）矽片表面的 SiO2 層能耐高 溫，對矽片起保護作用。半導體矽片是生產集成電路、分立器件、傳感器等半導體產品的 關鍵材料。

目前 90%以上的半導體產品使用矽基材料製造，除矽、鍺等單元素半導體外，通過結 合元素周期表第四族兩邊的元素（如 III–V 族），改變晶體的原子結構，形成 GaAs、SiC、 GaN 等二元化合物半導體材料。化合物半導體的優越性能主要體現在速度、感光性以及功 率三個方面：1）速率：GaAs 及 InP 之類的化合物半導體的運行速率可以比單晶矽高几個 數量級。2）光譜：與單晶矽不同，化合物半導體可以生成、接受的頻譜範圍廣泛，從高頻 紫外光至長波長的紅外光。3）功率 SiC、GaN 類化合物導體可以高功率（高電壓、大電 流）運行，並且在功率轉換、高頻領域也十分有效。化合物半導體在寬禁帶、電子遷移率 上遠高於單晶矽，尤其適用於射頻、光電子、功率半導體。

1.2 從礦石到晶片

矽片（又稱晶圓，wafer）是光伏、半導體行業廣泛使用的基底材料。其中，適用於集 成電路行業的是半導體級的矽片半導體矽片對產品質量及一致性要求極高，其純度須達99.9999999%以上，而最先進的工藝甚至需要做到 99.999999999%（11 個 9）。光伏級 單晶矽片僅需 6 個 9 即可滿足應用需求，所以半導體生產所用矽片的製備難度遠大於光伏 級矽片。

從礦石到多晶矽片。矽晶圓/矽片為目前製作集成電路的基底材料，其原始材料矽是第二豐富的元素，構成地殼總質量的 26.4%，僅次於第一位的氧 49.4%。地殼表面取之不盡、 用之不竭的二氧化矽礦石，放入一個溫度約為 2000℃電弧熔爐中，在高溫下，碳和沙石中 的二氧化矽進行化學反應，得到純度約為 98%的冶金級矽，這對微電子器件來說不夠純， 因為半導體材料的電學特性對雜質的濃度非常敏感，因此需對冶金級矽進行進一步提純。 將粉碎的冶金級矽與氣態的氯化氫進行氯化反應，生成液態的矽烷，然後通過蒸餾和化學 還原工藝，得到了純度高達 9 個 9 以上的電子級多晶矽。多晶矽內部不同的區域晶向不同， 在區域之間會產生晶界，仍容易滯留雜質。

矽晶圓廠商將多晶矽加工成矽片。矽晶圓製造廠將此多晶矽加熱融解，放入一根矽晶 體籽晶，與熔融液接觸並將其緩慢地拉出成形，拉出與籽晶同樣晶向的單晶矽棒。因矽晶 棒是由一根晶棒在熔融態的矽原料中逐漸生長而成，此過程稱為長晶。矽晶棒再經過切片、磨片、倒角、熱處理、拋光、清洗等加工製程，即可成為集成電路產業重要原料矽晶圓（矽 片），矽片表面的平坦度要求在微米及亞微米級。

每塊空白矽晶圓經過複雜的化學和電子製程後，可布設多層精細的電子電路，在晶圓 廠內製造晶片電路後，再經切割、測試、封裝等程序，即成為一顆顆 IC。半導體製造流程系包括 IC 設計、IC 晶圓製造、IC 封裝、IC 測試等階段。隨著整體半導體的垂直分工整合 的趨勢演進，依製造流程可區分為上遊 IC 設計公司與矽晶圓製造公司，由 IC 設計公司依客戶的需求設計出電路圖，矽晶圓製造公司則以多晶矽為原料製造出矽晶圓；中遊 IC 晶圓 製造廠則根據設計好的電路圖，在晶圓上以光罩印上電路基本圖樣，再以氧化、擴散、CVD、 蝕刻、離子植入等方法，在晶圓上製作電路及電路上的組件；完成後再送往下遊之 IC 封裝、 測試廠，將加工完成的晶圓，經切割過後的晶 ，以塑料、陶瓷或金屬包覆，保護晶 以 免受汙染且易於裝配，並達成晶片與電子系統的電性連接與散熱效果，最後進行 IC 功能、 電性與散熱等測試。

半導體矽片佔半導體製造材料市場規模比重約 37%，位於半導體製造三大核心材料之 首。半導體材料材料按應用領域分為晶圓製造材料和封裝材料。晶圓製造端材料包括矽晶 圓、光刻膠、光掩膜版、特種氣體、CMP 拋光材料、溼電子化學品、濺射靶材等組成，後 端封裝材料包括導線架和基板、陶瓷封裝、封裝樹脂、焊線和黏合劑等。其中，矽晶圓、 特種氣體、掩膜版的市場規模佔比較大，且以美日企業為主導。

受半導體市場規模下降影響，2019 年全球半導體材料市場規模為 521 億美元，同比下 降 1.1%。據 Semi 數據，2018 年全球半導體矽材料市場規模 121 億美元，同比增長 32%； 2019 年全球半導體矽片市場增長率為-3%。

2.矽晶圓的三種重要分類

2.1 按製程分類

2.1.1 拋光晶圓

矽晶圓材料按照製程設計和產品差異，主要分為拋光片(polished wafer)、退火片 (annealed wafer)及外延片(磊晶晶圓，epitaxial wafer)三種，其他特殊工藝包括 SOI 等。 拋光片約佔矽片應用的 70%，廣泛用於數字與模擬集成電路及存儲器、功率器件等晶片， 其餘約 30%矽片以退火晶圓、外延晶圓等形式出貨。

從矽棒到矽片。高純度電子級多晶矽經由長晶(crystal pulling)、切片(slicing)、磨邊 (beveling)、磨麵(lapping)、蝕刻(etching)、拋光(polishing)、清洗(cleaning)等步驟， 而生成一符合電性、表面物性、雜質標準等規格的拋光晶圓，退火、外延、SOI 等特殊工 藝製程晶圓基於拋光晶圓加工而成。

長晶環節的摻雜劑決定矽片的導電類型。半導體中有兩種載流子，即價帶中的空穴和 導帶中的電子，以電子導電為主的半導體稱之為 N 型半導體，以空穴導電為主的半導體稱 為 P 型半導體。在長晶環節中，超純多晶矽在石英坩堝中熔化，摻雜Ⅴ族元素(磷、砷、銻 等)，當雜質原子以替位方式取代晶格中的鍺、矽原子時，可提供除滿足共價鍵配位以外的個多餘電子，這就增加了半導體中電子濃度，稱為 N 型半導體；若摻入 III 族硼元素則出 現空穴，形成 P 型半導體。

以加入元素的比例不同分為輕摻雜、中摻雜和重摻雜。重摻雜的半導體中，摻雜物與 半導體原子濃度比約千分之一；輕摻雜/低摻雜的濃度比可能會到十億分之一。半導體的電 阻率（10-3 ·cm

拋光片（PW，polished wafer）是單面或雙面被拋光成具有原子級平坦度的矽晶片， 約佔矽片應用的 70%。單晶矽晶棒生產出來後，從晶棒的圓柱狀單晶矽切割成薄片而成， 屬於高純度的矽元素的晶圓片。拋光目的是進一步去除加工表面殘留的損傷層，拋光片可 直接用於製作器件，也可作為外延的襯底材料。

2.1.2 退火晶圓

退火晶圓（退火片，Annealed wafer）是將已拋光晶圓置於擴散爐中，利用高純度 氫氣退火片是將拋光片置於退火爐/擴散爐中，在氫氣或氬氣氛中於 1100~1200°C 高溫下 對矽晶圓片實施退火處理，經數小時之後可將晶圓片表層部的氧氣向外加以擴散，可使表 層之氧濃度大幅降低，同時可消除拉晶過程中所形成的微小 COP(Crystal Originated Particle)缺陷。並且藉由高溫熱處理過程當中所形成的 BMD(Bulk Micro Defect)來吸附晶 圓表面快速擴散的金屬雜質，以提升半導體 IC 製程良率及產品品質。

使用 Annealed wafer 製品之主要目的是消除晶圓表面及表層部的組件製作區域上的 缺陷，並且具有很強的重金屬汙染捕獲能力。一般 CMOS 組件製作及 DRAM 製造廠商對 於晶圓片表層之缺陷要求相當的嚴格，故使用具有低缺陷密度(COP、表 OSF)的退火晶圓 可以有較高的氧化層崩潰電壓(gate oxide breakdown voltage 或 GOI)，以增加產品良率。 此外，從拋光片加工成退火片工藝相對簡單，因此退火片的單價低於外延晶圓單價，可以 部分替代薄膜外延片的需求

2.1.3 外延晶圓

外延片（磊晶晶圓，epitaxial wafer)是指在拋光晶圓表面外延生長出一層不同電阻率 的單晶薄膜。通過氣相外延沉積的方法在襯底上進行長晶，與最下面的襯底結晶面整齊排 列進行生長，新生長的單晶層稱為外延層，長了外延片的襯底稱為外延片。作為襯底的單 晶矽片根據尺寸不同，厚度位於 500-800 微米，常用的外延層厚度為 2-20 微米。

為什麼需要外延工藝？外延生長技術發展於 20 世紀 50 年代末 60 年代初，為了製造 高頻大功率器件，需要減小集電極串聯電阻。隨著半導體器件性能的要求不斷提高，對單 晶矽片的要求越來越高，控制矽單晶片的原生缺陷變得越來越難，因此矽外延片越來越多 地被採用。外延片具有拋光片所不具有的某些電學特性，並消除了許多在晶體生長和其後 的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。外延用於生長元素、半導體化合物和合金薄結晶 層，可以較好地控制膜的純度、膜的完整性以及摻雜級別。

外延片分類方式較多，可以按反應室、外延溫度、材料異同、外延厚度、摻雜濃度、 導電類型、外延生長方式等分類，以下介紹兩種主要的分類方法：

按照襯底與外延層材料，可分為同質外延與異質外延。當外延膜在同一種材料上生長 時，稱為同質外延，如矽基外延矽；在不同材料上生長外延則稱為異質外延，如矽基氮化 鎵（GaN on Si）。

按照原子輸入方式，主要分為氣相外延（VPE）、液相外延（LPE）、固相外延（SPE）。氣相外延方式常用來生長 Si 外延材料、GaAs 外延材料等；液相外延主要用於生長製造光 電器件所需的化合物外延功能薄層材料；其中，化學氣相沉積(CVD)生長方法應用最為廣泛， 滿足晶體的完整性、器件結構的多樣化，裝置可控簡便，批量生產、純度的保證、均勻性 要求。在化合物半導體的廣泛應用，分子束外延（MBE）、金屬有機化學氣相沉積（MOCVD） 也成為重要的外延生長方式。MBE 廣泛地用於獲得超薄層異質結外延功能材料，優點是材 料的質量非常好，但是生長速度比較慢。MOCVD 採用液相狀態的金屬有機化合物同汽態 的氫化物作為沉積源原材料，以熱分解反應方式沉積形成外延層，MOCVD 方法可以獲得 Ⅲ-V 族、Ⅱ-Ⅵ族化合物晶層及它們的多元超薄單晶層。

外延片主要技術指標包括產品直徑、外延厚度、外延電阻率、外延層厚度均勻性、電 阻均勻性、表面缺陷等。外延矽晶圓廣泛使用在二極體、IGBT 功率器件、低功耗數字與模 擬集成電路及移動計算通訊晶片等，為了滿足不同的要求，襯底及外延層的技術參數通常 根據客戶要求及下遊產品定製。

2.1.4 SOI，矽的異質外延

SOI（絕緣體上矽，Silicon-On-Insulator）屬於矽的異質外延，原理是在矽電晶體 之間加入絕緣層。SOI 矽片是差異化、功能性集成電路襯底材料，其全介質隔離特徵能夠 實現全新的、不同於拋光片和外延片的器件設計。SOI 可使矽之間的寄生電容減少一半， 由於 SOI 矽片具有寄生電容小、短溝道效應小、繼承密度高、速度快、功耗低等優點。

SOI 矽片的原理比較簡單，核心目標就是在襯底中間加入一層絕緣層，一般為二氧化 矽 SiO2 層。SOI 矽片的製造方法主要有四種：SIMOX 技術、Bonding 技術、Sim-bond 技術和 Smart-Cut 技術。

SIMOX 即注氧隔離技術，通過氧離子注入和退火兩個關鍵步驟在普通半導體矽片內部 嵌入氧化物隔離層，從而製備 SOI 矽片。SIMOX 適合於製作薄膜全耗盡超大規模集成電路。

Bonding 即鍵合技術，是通過將兩片普通半導體矽片氧化、鍵合以及退火加固後，通 過研磨與拋光將其中一個半導體矽片減薄到所要求的厚度來製備 SOI 矽片的方法。

Sim-bond 即注氧鍵合技術，通過在矽材料上注入離子並結合高溫退火，形成分布均 勻的離子注入層作為化學腐蝕阻擋層，實現對最終器件層的厚度及其均勻性的良好控制。 Sim-bond 技術製備的 SOI 矽片具有優越的頂層矽均勻性，同時也能得到厚的絕緣埋層， 因此廣泛應用於汽車電子、矽光子等領域。

Smart Cut 即智能剝離技術，是世界領先的 SOI 製備技術，通過氫離子注入實現矽層 的可控轉移。氫注入不會導致矽片晶格的損傷，大幅度提升了頂層矽晶體質量，達到與體 矽晶體質量相同的水準。此外，剝離的矽片襯底經過拋光加工後重複使用，大幅度降低了 生產成本；頂層矽厚度可以通過氫離子的注入能量來調節，可以滿足頂層矽厚度 1.5μm 以 下各類 SOI 矽片領域的應用。因此廣泛應用於汽車電子、矽光子、射頻前端晶片等領域。

SOI 產品主要應用包括數字 SOI、RF-SOI、功率 SOI、FD SOI、光學 SOI，近年應用從數字向射頻、功率等領域拓展。數字 SOI 用於處理器晶片和連接 SoC；RF SOI 應用於 射頻應用，目前已經成為智慧型手機的開關和天線調諧器的最佳解決方案；POWER SOI 用 於智能功率轉換電路，主要應用於汽車、工業、家電消費類等高可靠性高性能場景；FD SOI 具有減少矽幾何尺寸同時簡化製造工藝的優點，主要應用在智慧型手機、物聯網、5G、汽車 等對於高可靠性、高集成度、低功耗、低成本的應用領域；光學 SOI 應用於數據中心、雲 計算等光通信領域。

2.2 按應用場景分為正片、陪片和刻蝕電極

從矽片在晶圓廠的應用場景角度來看，矽片可以分為正片（Prime Wafer）和陪片。 陪片又按功能分為測試片（Test Wafer）、擋片（Dummy Wafer）和控片（Monitor Wafer），測試片與控片的用途也有所重疊。

測試片主要用於實驗及檢查等用途，也用於製造設備投入使用初期以提高設備穩定性； 擋片用於新產線調試以及晶圓生產控制中對正片的保護；控片多用於正式生產前對新工藝 測試、監控良率，同時為監控正式生產過程中的工藝精度及良率，需要在晶圓正片生產過 程中插入控片增加監控頻率。

擋片和控片一般是由晶棒兩側品質較差段切割出來。另外，部分擋控片可重複使用。 由於擋控片作為輔助生產使用且用量巨大，晶圓廠通常會回收用過的擋片，經研磨拋光， 重複使用數次；而控片則需具體情況具體對待，用在某些特殊製程的控片無法回收使用， 可以回收重複利用的擋控片又被稱為可再生矽片。

刻蝕用矽材料，13-19 英寸大矽片的細分市場。除作為直接生產材料，半導體矽材料 還可用於刻蝕設備的電極。集成電路刻蝕用單晶矽材料，經矽電極製造商機械加工為矽電 極，用於晶片製造刻蝕機中的反應腔中，是晶圓製造刻蝕環節所必需的核心耗材。刻蝕用 矽電極半導體，直徑大於正片，目前主流晶體尺寸覆蓋 13-19 英寸以適用不同型號刻蝕設 備，全球範圍內已實現商用的最大尺寸可達 19 英寸。刻蝕用矽材料全球市場規模約 15 億 元，屬於半導體級單晶矽材細分市場。

2.3 12 寸晶圓出貨面積佔比逾六成

跟隨摩爾定律演進，集成電路製造所用的主流晶圓直徑從 4 英寸、6 英寸、8 英寸到 12 英寸。直徑越大的圓片，所能刻制的集成電路越多，晶片的單位成本越低，因此晶圓持 續向大尺寸發展。尺寸演變節奏上，1980 年代以 4 英寸矽片為主流，1990 年代是 6 英寸 佔主流，2000 年代 8 英寸佔主流，2002 年英特爾與 IBM 首先建成 12 英寸生產線，到 2005 年 12 英寸矽片的市場份額已佔 20%，2008 年升至 30%，2008 年以來 12 寸成為晶圓主 要尺寸，2017 年繼續上升至 66.01%。據 SEMI 統計，2019 年，全球 12 英寸半導體矽片 出貨面積佔全部半導體矽片出貨面積的 67.22%。

為什麼 450mm 晶圓投產節奏一再低於預期？晶圓尺寸歷史上約 10 年升級一次，從 2011 年起，業界即預測在摩爾定律的驅動下，18 英寸晶圓將於 2017 年投產，隨著 18 寸 矽片的生產技術逐漸成熟，原本預計 12 英寸未來也將朝著 18 英寸過渡，但 18 英寸晶圓 未如期而至。大尺寸晶片對材料、技術、設備投資的要求也越高，高額的投資成本是主因。 SEMI 曾預測每個 450mm 晶圓廠將耗資 100 億美元，但單位面積晶片成本只下降 8%。目 前，市場預期 18 英寸晶圓預計於最早也將於 2022 年後才得以推進，並且三大 IC 製造巨 頭將投資轉向 EUV，18 英寸的前途更加不明朗。

8 英寸與 12 英寸晶圓適應產品領域略有差異，12 英寸為成長主力。8 英寸主要用於 成熟製程及特種製程，在應用端，對 8 英寸晶圓代工的強勁需求主要來源於功率器件、電 源管理 IC、影像傳感器、指紋識別晶片和顯示驅動 IC 等；12 英寸主要適用於 28nm 以下 的先進位程，主要成長動力來自於存儲和邏輯晶片。SUMCO 預計 2018-2022 年，12 寸 矽片需求量 CAGR 達 4.1%。

8 英寸晶圓在成熟製程及特殊製程具有優勢，需求佔比預計將維持 20%以上。8 英寸 產線因折舊完畢具有成本優勢，同時在模擬電路、高功率等晶圓生產具有優勢。據 SEMI 最新報告，2019 年底有 15 個新 Fab 廠開工建設，總投資金額達 380 億美元，其中約有一 半用於 8 英寸晶圓尺寸。IC Insights 預計未來 2 年，8 寸晶圓產能預計維持 23%左右市佔 率。

新興需求迭起，8 寸晶圓廠出現階段性產能緊張。8 寸矽片目前主要用於指紋識別晶片、 電源管理晶片、功率器件、微控制器等半導體產品的生產。2016 年以來，隨著存儲計算、 邊緣計算、物聯網等新應用的興起帶動了 NOR Flash、指紋識別晶片、電源晶片等產品對 8 寸晶圓的需求，汽車電子興起帶動功率器件需求，市場隨之出現供應緊張狀態。2017Q2 起，8 寸矽片的需求開始超過產能，8 寸矽片的供給開始趨緊。

3.矽晶圓的技術與投資壁壘

3.1 矽晶圓生長工藝及技術壁壘

將多晶矽拉製成單晶矽主要有直拉法和區熔法兩種工藝。1947 年，俄國人切克勞爾斯 基發明了拉制金屬單晶的直拉 CZ 法工藝。1951 年，美國人蒂爾和利特把 CZ 法移植到矽 單晶生長工藝上來，拉出了Ф100mm 的單晶。1952 年，美國人普凡採用高頻感應加熱發 明了矽單晶生長的無坩堝懸浮區域熔煉 FZ法。此後，CZ法和FZ法的工藝與設備不斷發展， 使之成為現代矽單晶生產的主要技術。

大部分半導體矽片使用直拉法生產。矽區熔單晶矽(FZ-Si)主要用於製作電力電子器件 (SR、SCR、GTO 等)、射線探測器、高壓大功率電晶體等；直拉單晶矽(CZ-Si)主要用於制 作集成電路、電晶體、傳感器及矽光電池等。目前，90％以上的單晶矽採用直拉法生產。

直拉法生產過程：半導體用單晶矽片純度在 9N （ 99.9999999% ） -11N(99.999999999%)左右，純度要求最低是光伏單晶矽片的 1000 倍以上，原材料使用 的多晶矽純度通常為 8-9 個 9。首先將多晶矽和摻雜劑放入單晶爐內的石英坩堝中，將溫 度升高至 1420℃以上，得到熔融狀態的多晶矽。其中，通過調控放入摻雜劑的種類（B、P、 As、Sb）及含量，可以得到不同導電類型及電阻率的矽片。待多晶矽溶液溫度穩定之後， 將籽晶緩慢下降放入矽熔體中（籽晶在矽融體中也會被熔化），然後將籽晶以一定速度向 上提升進行引晶過程。隨後通過縮頸操作，將引晶過程中產生的位錯消除。當縮頸至足夠 長度後，通過調整拉速和溫度使單晶矽直徑變大至目標值，然後保持等徑生長至目標長度。 最後為了防止位錯反延，對單晶錠進行收尾操作，得到單晶錠成品，待溫度冷卻後取出。

長晶技術主要體現在爐內溫度的熱場和控制晶體生長形狀的磁場設計能力。單晶爐由 爐體、熱場、磁場、控制裝置等部件組成，矽料經過提煉提純成為高純度的多晶矽後，在 單晶爐中長成單晶矽棒，集成電路刻蝕用單晶矽材料在生產中需要對熱場進行合理的設計， 精確控制原材料和摻雜劑配比，持續動態控制晶體的固液共存界面形狀、晶體成長速度、 旋轉速率、腔體溫度場分布及氣流氣壓等諸多生產參數並實現上述生產參數之間的動態匹 配，技術難度較高，且隨著產品尺寸增加，對應的生產難度也成倍增長。

單晶矽生長技術決定了矽片的主要質量參數。當高純度多晶矽在石英坩堝內熔化後， 由於矽元素與其他元素的結晶效率存在差異，部分雜質元素進入矽單晶體的難度較大，部 分雜質元素將隨著時間的推移逐漸沉積到多晶矽熔液底部並形成殘留物，生長成單晶矽材 料產品的純度高於原材料多晶矽的純度。由於長晶過程中使用石英坩堝和加熱元件，仍然 會形成碳和氧雜質。矽拋光晶圓的主要技術指標包括直徑、晶體工藝、摻雜劑、晶向、電 阻率、厚度等，其他質量指標包括缺陷密度、氧含量、碳含量、翹曲度等，其中大部分參 數由長晶技術決定。

下遊晶片製程的技術節點越先進，對應的矽片上述指標控制越嚴格，不同的技術節點 對應的指標控制參數會有相差。產業鏈下遊的半導體晶片製造通常採用不同工藝製程完成， 不同的晶片製程工藝技術節點，對應於半導體矽片不同的純度、晶體原生缺陷和雜質控制 水平、矽片表面和邊緣平整度、翹曲度、厚度均勻性等指標要求。伴隨半導體廠商晶圓制 程朝細微化前進，對上遊矽晶圓表面的潔淨度要求更為嚴苛，因此矽晶圓製程中拉晶工程 技術(例：氧濃度及微缺陷多寡)的提升及製程上的支持就愈顯得重要。

晶碇經成型工藝加工成片。切片，將單晶晶棒通過切片設備切成合適厚度的矽片；邊 緣倒角是使晶圓邊緣圓滑的機械工藝，將矽片邊緣修正成圓弧狀，改善矽片的機械強度， 減少應力集中造成的矽片缺陷；磨片是磨料研磨工藝，它的主要目的是去除切片工程殘留 的表面損傷，同時改善矽片的總平坦度、翹曲度；化腐，矽片經過切片和磨片後，其表面 因加工應力會形成一層損傷層，腐蝕則是利用混酸蝕刻矽片去除表面損傷層，使整片矽片 維持高質量的單晶特性；拋光，拋光製程使用拋光漿與拋光布，搭配適當的溫度，壓力與 旋轉速度，可消除前製程所留下的機械傷害層，改善矽片表面粗糙度，並且得到表面平坦 度極佳的矽片，避免客戶曝光製程中遭遇的聚焦問題。

半導體技術密集度高，其製程技術與產品產出良率決定生產成本高低。而研發人才與 製程技術具有密切關係，但研發專業人才培養及延攬不易。我國半導體矽片產業起步較晚， 國內關鍵技術人才非常稀缺。加上產品需經過客戶認證後方能取得訂單，客戶認證周期長， 一個新供應商的認證周期至少需要 9-18 個月，造成新競爭者有較高之進入門坎。

3.2 矽晶圓廠商資金壁壘高

除了技術壁壘高、人才壁壘高，半導體矽片行業具有資金壁壘高的特點，行業準入門 檻較高。2018 年前，300mm 半導體矽片僅由前五大矽晶圓供應商提供，國內擁有 300mm 半導體矽片供應能力的企業較少。

半導體產業是資本與技術高度密集的工業，由於生產機臺昂貴且產品技術變化快速， 需要投入之資本支出越發龐大。矽晶圓與晶圓廠類似，均為重資產行業，矽晶圓大廠 SUMCO、Siltronic、環球晶圓的固定資產周轉率通常小於 2，2016 年最低點小於 1。

參考國內矽晶圓代表企業滬矽產業近幾年的成本結構：直接材料佔比 40-50%，直接 人工佔比 10-15%，製造費用佔比 40-50%。

矽晶圓生產原材料主要包括電子級多晶矽、石英坩堝、石墨坩堝、切割線、拋光液等。參考滬矽產業 2018 年直接材料構成，多晶矽佔比 31%，襯底片（用於外延及 SOI 晶圓生 產）佔比 21%，石英坩堝佔比 9%，其他材料合計佔比 22%。

4．矽晶圓十年周期復盤

矽晶圓製造業產業於整個半導體產業架構中材料供應角色，隨著半導體產業的蓬勃發 展，對矽晶圓材料之需求亦急速增加。半導體行業呈周期性波動和螺旋式上升的趨勢，半 導體矽片行業的市場波動基本同步於整個半導體行業的波動周期。

2009-2019 年間，矽晶圓市場規模高增時段為 2010 年、2014 年、2016-2018 年； 顯著下降期為 2011-2013 年

2009-2010 年，金融危機的半導體市場與矽片市場快速復甦。2008 年，受金融危機 影響，半導體矽片市場自 2008 年 9 月起大幅下滑，直到 2009Q1 觸底反彈，隨後緩慢復 蘇。2009-2010 年間，經濟刺激政策促進全球經濟復甦，半導體市場持續增長。

2011-2013 年，日元連續大幅貶值，矽片市場與半導體市場規模趨勢背離。2011-2013 年間，受益於智慧型手機與平板電腦普及，半導體市場規模溫和上漲，但美元對日元匯率分 別上漲 12.8%、21.4%、13.7%，且從整體供應廠商結構來看，日廠佔整體矽晶圓比重五 成以上，致矽晶圓市場規模連續下滑。從下遊看來，智慧型手機與平板市場持續增長，個人 電腦市場增長緩慢，其他消費電子產品需求熄火。微處理器、功率半導體產量下降，8 寸矽片需求迅速下降。

2013-2015H1，中低端智慧型手機普及，半導體市場規模再次成長。受惠於智慧型手機與 平板計算機等手持裝置需求提升，尤其是中低階手機下半年出貨量高於高階機種，半導體 產業景氣自 2013 年起逐漸復甦。2014 年在行動智能裝置出貨量持續呈現成長態勢，特別 是中低階市場的拉抬，且汽車電子需求也呈現穩定增長，以及對全球宏觀經濟情勢改善的 預期之下，2014 年全球半導體銷售額成長 道亦有所增強。內存、處理器及通訊晶片等 IC 零組件持續供不應求，讓各半導體廠的產能利用率居高不下，也間接使得半導體材料持續 成長，尤其半導體 12 吋矽晶圓需求更為顯著；8 吋晶圓的需求中電源管理、指紋辨識、LCD 驅動和車用電子等，目前沒有向上升級到 12 吋必要，也導致需求大增。在這樣快速增長的 情況下，全球的大矽片依然顯得供不應求。2013-2015Q2，矽片同比出貨量均維持了高景 氣度，全球 12 寸矽晶圓出貨量從 2013Q1 約 3.6KK/M，增至 2015Q2 出貨量 5.2KK/M， 增長約 40%。但矽晶圓廠 2013 年度開工率環比下降 1pct，且 DRAM、NAND 均大幅降 價，因此 2013-2015H1 半導體市場規模及矽晶圓市場規模僅發生微小變化。

2015H2-2016H1，矽晶圓市場需求盤整期。NAND 價格於 2015 年觸底反彈，DRAM 價格直到 2016 年 5 月才有起色。2016 年，由於功率組件(MOSFET、Schottky)等產品需求強勁，中小尺寸產品全年皆維持近乎滿產能生產，但全球智能型手機及 PC 並未見明顯成 長，因此大尺寸(8"&12")產品表現持平。

2016H2-2018 年，半導體與矽晶圓市場再度成長，矽晶圓大廠盈利均顯著改善。2016Q2 智慧型手機庫存調整結束，晶圓廠景氣復甦；自 2016Q4 起，8」及 12」矽晶圓庫 存均快速下調，矽晶圓需求增長顯著。2018 年初，主要矽片廠商紛紛將價格上調了 10~20%， SUMCO 將 12 英寸矽片價格上調了 20%，相比 2016 年底增幅達 60%。2016-2018 年在 此背景下，矽晶圓大廠營業利潤率連續攀升。

半導體市場在 2019 年受到內存市場需求不振與平均售價(ASP)下滑等因素影響，加上 貿 戰爭及地緣政治帶來的不確定性，使得全球總體經濟與半導體市場規模萎縮。從產品 角度，2019 年邏輯器件需求已穩定，存儲仍在調庫存。2019Q4 季度，8」及 12」矽晶圓 市場需求均見底，自 2020Q1 起 200mm/300mm 需求穩步回升。

2020 受疫情影響，矽晶圓需求存在不確定性。WSTS 原預期 2020 年全球半導體市場 將達 4,330 億美元，較 2019 年成長 5.9%。但新型冠狀病毒疫情持續擴散，全球半導體產 業銷售規模預計受影響，即使有客戶增加安全庫存，達到 WSTS 成長預測值概率較小。

綜上，矽晶圓市場周期性存在以下主要特點:1)12「矽晶圓需求景氣主要由手機、PC、 Tablet 等消費電子產品創新周期驅動，8」矽晶圓需求由汽車電子、功率、指紋識別等產品 需求。2）由於下遊電子產品對矽片需求不斷增長，全球 12 英寸出貨量呈現穩定上升趨勢。 2013-2019，全球 12」矽晶圓月出貨量從 4KK 提升到 6KK。3）矽晶圓行業價格受開工率、 客戶庫存以及終端產品價格等因素影響，由於重資產屬性，矽晶圓代表企業盈利能力也受 波動影響。4）由於矽晶圓供應商約 65%集中於日本，而半導體產業相對分散於全球，因 此日元匯率也是造成矽晶圓與半導體市場周期背離的重要原因。

5．矽材料競爭格局分析

5.1 CR5 維持 90%市佔率近 20 年

近 20 年，半導體矽片市場均由日、德、韓寡頭企業壟斷，前 5 大企業市佔率達 94%。上世紀 90 年代末，日本、德國和韓國資本控制的 8 大矽片公司的銷量佔世界矽片銷量的 90%以上。根據 SEMI 提供的 2002 年世界矽材料生產商的市場份額顯示，Shin-Etsu、 SUMCO、Wacker、MEMC、Komatsu 等 5 家公司佔市場總額的比重達到 89%，壟斷地 位已經形成；矽片市場經過多次併購重組，集中度進一步提升。

Gartner 數據顯示，2018 年全球半導體矽片銷售額前 5 家企業為 Shin-Etsu[日（] 28%）、 SUMCO[日]（25%）、Global Wafer[臺]（17%）、Siltronic[德]（15%）、SK Siltron[韓] （9%），前兩大廠商信越、SUMCO 佔全球晶圓營業額近 50%以上，前五大廠份額達到 94%。2018 年全球五大矽晶圓供貨商總銷售額 109 億美元，較 2017 年前五大供應商的銷 售額 87 億美元成長 25.29%。其他所有供貨商紛爭 6%的市場份額，競爭十分激烈。

中國 12 英寸矽片幾乎全部依賴進口，8 英寸矽片也只有少數廠商可以供應。8 英寸矽 片及外延片的國內供應商有浙江金瑞泓、崑山中辰(臺灣環球晶圓)、北京有研、河北普興、 南京國盛、中電科 46 所以及上海新傲等。

5.2 矽晶圓主要上市公司分析（略）

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（報告觀點屬於原作者，僅供參考。作者：申萬宏源，楊海燕）

【報告來源：未來智庫】。