行业趋势热点前瞻解析系列之十八：半导体硅片：供需缺口持续，国产化蓄势待发

半导体硅片： 供需缺口持续，国产化蓄势待发 安信证券研究中心 电子团队 分析师：孙远峰 SAC执业证书编号：S1450517020001 联系人：马良/张磊/张大印/王海维 2018年7月15日 证券研究报告 安信证券电子团队，走进“芯”时代系列之十四 行业趋势热点前瞻解析系列之十八 目录 1 •三代半导体基础材料 2 •硅片：半导体产业链基石 3 •硅片及其相关设备需求持续走高 4 •硅片尺寸增加大势所趋 5 •突破外商垄断，国产替代之路开启 6 •相关公司 三代半导体基础材料 半导体材料发展历程 各代代表性材料主要应用 资料来源：《半导体材料的发展现状及趋势》 Si：主要应用于集成电路的晶圆片和功率器件； GaAs：主要应用于大功率发光电子器件和射频器件； GaN：主要应用于光电器件和微波通信器件； SiC：主要应用于功率器件 材料 制作器件 主要用途 Si 二极管、晶体管 通讯、雷达、广播、自动控制 集成电路 计算机、通讯、广播、自动控制、电子钟表、仪表 整流器 整流 晶闸管 整流、直流输配电、电气机车、设备自控、高频振荡器 射线探测器 原子能分析、光量子检测 太阳能电池 太阳能发电 GaAs 各种微波管 雷达、微波通讯、电视、移动通讯 激光管 光纤通讯 红外发光管 小功率红外光源 霍尔元件 磁场控制 激光调制器 激光通讯 高速集成电路 高速计算机、移动通讯 太阳能电池 太阳能发电 GaN 激光器件 光学存储、激光打印机、医疗、军事应用 发光二极管 信号灯、视频显示、微型灯泡、移动电话 紫外探测器 分析仪器、火焰检测、臭氧检测 集成电路 通讯基站、永远性内存、电子开关、导弹 资料来源：安信证券研究中心整理 三代半导体基础材料 硅材料的优点 硅材料的优点 电镜下硅片上的SiO2薄膜 在20世纪40-50年代，人们主要选择锗作为半导体材料，但随后被硅取代，硅的主要优势有： (1)硅的储量丰富：硅是地壳中含量最丰富的元素之一，占地壳元素含量的27.7%，占地球全部元素含量的15.1%； (2)更高的熔化温度：硅具有更高的熔点以适应高温加工，硅的熔点为1414°C，而锗为938°C； (3)更宽的工作温度范围：硅的禁带宽度大于锗，为1.12eV，而锗为0.66eV。这使得硅可以在更宽的温度范围内工作，提升半导体器件工作的可靠性和稳定性。 (4)二氧化硅的自然生成： 在自然条件下，硅片表面会生长一层二氧化硅（ SiO2 ）， 这层氧化层对后续半导体制备具有重要意义，主要有： ①作为天然钝化层，保护硅的表面，防止外部环境污染； ②SiO2作为绝缘体，可以有效抑制相邻半导体的漏电现象 ； ③抑制硅片在后续高温制程中产生过度的弯曲或翘曲现象。 氧, 46.7 硅, 27.7 铝, 8.07 铁, 5.05 钙, 3.65 钠, 2.75 钾, 2.58 镁, 2.08 其他, 1.42 地壳元素丰度 资料来源：《液相法沉积法制备的二氧化硅薄膜及其钝化性能》 资料来源：地球地壳中的化学元素丰度 三代半导体基础材料 第二代半导体材料 GaAs制备流程 资料来源：安信证券研究中心整理 随着科技的发展，人们开始追求传输速度更快、功能更多的半导体材料，20世纪90年代，第二代半导体材料——化合物半导体材料开始得到应用。其中，代表材料为砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）。 其中技术最成熟的是砷化镓。GaAs因其宽禁带、直接带隙和高电子迁移率的特点，适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，可用于高性能微波、毫米波器件等。GaAs的主要应用领域为通信，在光纤通讯、卫星通讯、微波通讯等领域都有较多应用。此外，GaAs制作器件的抗电辐射能力强，工作温度范围宽，能够适应恶劣的工作条件，提高器件的可靠性。 磷化铟的主要特点是电子极限漂移速度高、耐辐射性能好、导热性好等。相对于GaAs，它的击穿电场、热导率、电子平均速度都更高。InP制造的器件能够放大更高频率或更短波长的信号，可应用于光通讯和卫星通讯等。 2.9 3.3 10 3 0.01 3.1 0.9 11 3.75 0.5 024681012禁带宽度 热导率 击穿场强 最高工作温度 开关损耗 SiSiCGaN三代半导体基础材料 第三代半导体材料 各代半导体材料性能对比 资料来源：半导体行业观察 第三代半导体材料又称宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2ev），主要包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN），其中比较成熟的是碳化硅和氮化镓，被称为第三代半导体材料的双雄，而氧化锌、金刚石、氮化铝的研究还处于起步阶段。 第三代半导体材料的主要优点包括禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高及抗辐射能力强等。第三代半导体材料还有较高的光发射效率和光子发射频率，可用于发光二极管、激光器件等。此外，第三代半导体材料可以在强离子辐射场和极端温度条件下工作。 GaAs、InP等第二代半导体材料原料稀缺，价格相对较高，并且对环境危害性较大，使得其难以被更广泛应用，局限性较大。而第三代半导体材料的代表材料SiC、GaN等，则在半导体材料中加入有机材料，既能满足产品需求，又能减少环境污染。 Si GaAs SiC 能带类型 间接 直接 间接 临界击穿场强（MV/cm） 0.3 0.6 3 电子迁移率（푐푚2/푉•s） 1200 6500 800 饱和电子漂移速度V*107（cm/s） 1.0 2.0 2.0 单位：倍数（以Si为基准） 三代半导体基础材料 各代半导体材料特点 三代材料各具特色，三分天下 第一代：以硅（Si）、锗（Ge）为代表的单质半导体 （1）提纯与结晶方便。 （2）耐高温与抗辐射性能好。 第二代：以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等为代表的化合物半导体 （1）相比第一代半导体材料具有：电子迁移率高，直接带隙、禁带宽度大的属性，从而有光电特性优越、电流传导更快等优点。因此可作为非常良好的光电器件和射频器件材料。 （2）2005~2009年手机的普及和之后通信网络的升级带动了GaAs的功率放大器等器件稳定增长。 第三代：以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等为代表的第三代宽紧带半导体。 （1）可以在更高频率、更大功率的要求下工作，性能更优，适应高温和高辐射等恶劣工作条件。 （2）应用领域包括光电器件：GaN基的LED发展成熟；通信器件：目前主要应用于军用，在成本不敏感的5G基站建设方面，有机会超越GaAs；功率器件：GaN技术尚不成熟，制造成本较高，目前只是小规模生产。 RF Power Frequency 1 GHz 10 GHz 100 GHz 10W 100W 资料来源：中国产业信息网 Si 硅 化合物 硅衬底 1960S 1970S 1980S 1990S 2000S 2010S 2020S 2030S 市场规模 未来趋势： 三分天下 资料来源：CNKI 硅材料将长时间保持霸主地位 化合物半导体材料成本高昂 硅材料仍然不可替代 化合物半导体材料制造工艺复杂，技术尚不成熟，这直接导致化合物半导体器件成本远高于硅器件。以SiC材料为例，SiC器件的价格是Si器件价格的5到6倍，严重放慢了SiC器件在下游市场上的普及速度。 SiC器件成本高昂的原因主要来自两个方面： 全新的制造方法：SiC器件的制造需要采用与传统Si工艺不同的制造方法，制造商需要增加新的设备、研发或者引进新的工艺技术，带来成本的增加； 基板和外延成本：SiC的外延芯片需要在高温的CVD反应器中生长，生产能力远低于传统硅工艺。硅材料采用Czochralski工艺可以实现在一片晶圆上加工数千颗芯片，而SiC工艺每次只能生产10-20颗。 缺陷密度：碳化硅晶片存在微管缺陷密度，这是一种肉眼可见的宏观缺陷，这种缺陷的存在会导致器件失效或者限制器件的工作电压。目前优质SiC晶片的微管缺陷密度已经可以达到15cm-2，但仍然远大于100mm SiC晶体器件制造的最低要求0.5cm-2。 硅材料具有第二、三代半导体材料所没有的优点，主要包括： （1）目前可制备无缺陷的晶圆，从而提升后续产品的良品率和稳定性。 （2）硅可以通过热氧化制出高质量二氧化硅绝缘膜。随着集成度的提高和晶体管尺寸的减小，要求绝缘膜越来越薄，目前只有热氧化的方式能大面积制备如此高质量、均匀的薄膜。 （3）元素含量丰富，初始原料为石英砂等，原材料成本低。 因此，目前半导体的95%以上、集成电路的99%仍由硅材料制作。 资料来源：中国玻璃网 硅矿石 多晶硅 单晶硅棒 ●从原矿石到半导体材料 目录 1 •三代半导体基础材料 2 •硅片：半导体产业链基石 3 •硅片及其相关设备需求持续走高 4 •硅片尺寸增加大势所趋 5 •突破外商垄断，国产替代之路开启 6 •相关公司 集成电路产业链 硅材料是整个半导体产业的起点。如前所述，尽管相对于新型半导体材料，硅有局限性，但其依然是最重要的半导体材料，且短期内不会被取代。 硅材料作为半导体产业链的首个环节，是产业的最上游，没有硅片整个行业将如无源之水。硅片的产量和质量直接制约整个半导体产业，及更下游的通信、汽车、计算机等众多行业。因此，一方面硅片厂商的议价能力较强，一方面又必须接受严格的质量认证。 硅片产业链 原材料及设备（硅片所在环节） 资料来源：中环股份官网 硅片：半导体产业链基石 资料来源：安信证券研究中心整理 硅片：半导体产业链基石 硅片制造流程 硅片分类 硅片又称硅晶圆，是以硅为材料制成的薄片，目前的主流尺寸有4、6、8、12英寸等。半导体产业使用的是单晶硅片，对硅纯度要求极高。其生产流程为，首先从硅矿中制备多晶硅，然后使用直拉法或区熔法生产出单晶硅棒。其中，直拉法的设备费用较低、工艺相对简单，更容易生产出大尺寸硅片，在国内使用比较普遍。而区熔法制成的单晶硅电阻率和纯度相对高，其成本和产品价格也都更高，广泛用于传感器、RF器件、IGBT等。 通过直拉或区熔法制出的单晶硅棒经过切割、倒角、研磨、腐蚀、清洗抛光等一系列环节和不同的加工工艺，可得到抛光片、扩散片、外延片等硅片产品。 按掺杂情况分，可将硅片分为低阻片、中阻片、高阻片。 按用途划分，可分为集成电路级硅片、整流器件级硅片、二极管级硅片、太阳电池级硅片等。 ● 硅片成品 资料来源：中环股份官网 资料来源：《单晶硅片超精密磨削加工表面层损伤的研究》 硅片：半导体产业链基石 原材料及备 直拉单晶形成过程 直拉法 直拉法又称Cz法，约85%的单晶硅是由直拉法制成的。直拉硅单晶的优点有：含氧量较高，机械强度更大，在制作电子元件过程中不易形变，更容易做出大直径的硅棒。 直拉法的基本原理为：把原料装在坩埚内加热熔化，然后使一个特定晶向的细单晶（称为籽晶或晶种）的端部接触熔体界面并略有融化，之后将籽晶缓慢地垂直拉升，利用结晶前沿的过冷度使硅原子按顺序排列在固液界面的晶体上，拉出的液体固化为单晶硅棒。通过调节热场可以调节所得晶体棒的直径。 籽晶 资料来源：北极星太阳能光伏网 资料来源：上海恒圆电子材料有限公司 硅片：半导体产业链基石 原材料及备 悬浮区熔法 区熔法 区熔法又称Fz法，即悬浮区熔法。区熔硅单晶的氧含量和金属杂质含量都远小于直拉法制成的单晶，还可以进行多次提纯，制造出更高纯度的硅。区熔单晶硅的主要用途有可控硅、整流器、探测器件、IGBT等。 区熔法分水平区熔法和悬浮区熔法两种，硅材料用后者制备，其制备方式是：在真空或惰性气体环境下的炉室中，利用高频线圈在电磁场中产热，使籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触区熔化，然后移动硅棒或线圈使熔区朝晶体生长方向不断移动，形成单晶晶棒。 ● 直拉法与区熔法对比 直拉法 区熔法 最大直径 较大 较小 杂质 含氧、金属杂