硅片行业分析报告

硅片行业分析报告内容目录1. 硅片制备环节复杂，大硅片是未来主要发展方向 41.1. 芯片工艺流程复杂，硅片制备是基础步骤 41.2. 硅片制备环节所用设备众多 . 51.3. 硅片尺寸加大和增加外延层是未来发展方向 . 92. 硅片厂快速扩产，国内投资风起云涌，设备投资需求巨大 . 102.1. 全球半导体行业高度景气，大基金加持国内投资快速增加 . 102.2. 全球硅片供不应求，需求持续增加而产能增加缓慢 . 122.2.1. 未来三年 300mm 硅片产能缺口将持续 . 132.2.2. 200mm 硅片处于供给紧平衡状态 . 152.3. 国内硅片投资风起云涌，设备需求巨大 153. 硅片设备投资巨大，进口替代东风已起 173.1. 拉晶炉 . 183.2. CMP. 193.3. 其它主要设备 . 194. 重点公司推荐 214.1. 晶盛机电 21图表目录图 1芯片的基本制造步骤 . 4图 2硅片制备工艺流程 . 5图 3面心立方（ FCC）晶胞 . 6图 4单晶体和多晶体结构 . 6图 5直拉法单晶硅生长工艺 6图 6区熔法单晶硅生长工艺 6图 7硅锭整型处理 7图 8金刚线切割示意图 . 7图 9砂浆切割工艺和金刚线切割工艺对比 7图 10 CMP 抛光机原理图 . 8图 11 CMP 抛光机示例图 . 8图 12 包装完成后的硅片 . 8图 13 硅片尺寸逐步加大 . 9图 14 外延工艺流程简介 10图 15 北方华创 Esther200 单片硅外延系 统 10图 16 费城半导体指数 10图 17 台湾半导体行业指数 . 10图 18 全球硅晶圆出货量及其增速 . 11图 19 全球半导体设备销售额及其增速 11图 20 我国集成电路产业政策支持体系 11图 21 2014-2020 年 12 月全球晶圆月产能情况 13图 22 SUMCO 客户扩产计划 13图 23 300mm 硅片需求量（千片 /月） 14图 24 2016 年硅片厂市占率 . 14图 25 2017 年硅片产市占率 . 14图 26 SUMCO 客户的 300mm 硅片库存指数水平 . 15图 27 200mm 硅片需求量（千片 /月） 15图 28国内大硅片扩产及投资统计 . 16图 29各类设备投资占比 16图 30晶能科技拉晶炉 18图 31晶盛机电拉晶炉 18图 32 AMAT 主营业务及增速 . 19图 33 AMAT 毛利率及净利率水平 19图 34荏原制作所营收及利润 19图 35荏原制作所 CMP 业务收入 . 19图 36硅片黑心片 20图 37应用材料公司 DUV 亮场硅片检测设备 . 20图 38金刚线切割示意图 20图 39公司 2012 年 -2017 年 Q3 营业收入及同比增速（右轴） . 21图 40公司 2012 年 -2017 年 Q3 归母净利润及同比增速（右轴） 21图 41公司晶体硅生长设备收入快速增长 . 21图 42公司产品逐步多元化 . 21图 43公司 2013 年 -2017 年 Q3 毛利率和净利率水平 . 22图 44公司 2013 年 -2017 年 Q3 三费率水平 22表 1半导体级硅的生产过程 5表 2各级别硅片尺寸与参数 9表 3 2014 年以来大基金投资情况概览 . 12表 4 2017-2020 年各类设备投资额预测 17表 5硅片制备环节主要设备简介 171. 硅片制备环节复杂，大硅片是未来主要发展方向1.1. 芯片工艺流程复杂，硅片制备是基础步骤半导体产业开始于上世纪。随着 1947 年固体晶体管的发明，半导体行业已经获得了长足发展，之后的发展方向是引入了集成电路和硅材料。集成电路将多个元件结合在了一块芯片上，提高了芯片性能、降低了成本。随着硅材料的引入，芯片工艺逐步演化为器件在硅片上层以及电路层的衬底上淀积。芯片制造主要有五大步骤硅片制备、芯片制造、芯片测试与挑选、装配与封装、终测。图 1芯片的基本制造步骤硅片制备。 首先是将硅从矿物中提纯并纯化，经过特殊工艺产生适当直径的硅锭。然后将硅锭切割成用于制造芯片的薄硅片。最后按照不同的定位边和沾污水平等参数制成不同规格的硅片。 本文讨论的主要内容就是硅片制备环节。芯片制造。 裸露的硅片到达硅片制厂，经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂等步骤，硅片上就刻蚀了一整套集成电路。芯片测试 /拣选。 芯片制造完后将被送到测试与拣选区， 在那里对单个芯片进行探测和电学测试，然后拣选出合格的产品，并对有缺陷的产品进行标记。装配与封装。 硅片经过测试和拣选后就进入了装配和封装环节，目的是把单个的芯片包装在一个保护壳管内。硅片的背面需要进行研磨以减少衬底的厚度，然后把一个后塑料膜贴附在硅片背面，再沿划线片用带金刚石尖的锯刃将硅片上每个芯片分开，塑料膜能保持芯片不脱落。在装配厂，好的芯片被压焊或抽空形成装配包，再将芯片密封在塑料或陶瓷壳内。终测。 为确保芯片的功能，需要对每一个被封装的集成电路进行测试，以满足制造商的电学和环节的特性参数要求。1.2. 硅片制备环节所用设备众多硅片制备之前是制作高纯度的半导体级硅（ semiconductor-grade silicon ， SGS） ， 也被称为电子级硅。 制备过程大概分为三步，第一步是通过加热含碳的硅石（ SiO2）来生成气态的氧化硅 SiO；第二步是用纯度大概 98的氧化硅，通过压碎和化学反应生产含硅的三氯硅烷气体（ SiHCl3） ； 第三步是用三氯硅烷经过再一次的化学过程， 用氢气还原制备出纯度为 99.9999999的半导体级硅。表 1半导体级硅的生产过程步骤 过程描述 反应方程式1 用碳加热硅石来制备冶金级硅 SiCsSiO2sSilSiOgCOg 2 通过化学反应将冶金级硅提纯以生成三氯硅烷 Sis3HCIgSiHCl 3gH 2g 3 利用西门子法，通过三氯硅烷和氢气反应生产半导体级硅 SiHCl3g2H2g2Sis6HClg 对半导体级硅进一步加工得到硅片的过程被称为硅片制备环节。硅片制备包括晶体生长、整型、切片、抛光、清洗和检测等步骤，通过单晶硅生长、机械加工、化学处理、表面抛光和质量检测等环节最终生产出符合条件的高质量硅片。图 2硅片制备工艺流程晶体生长晶体生长环节是把半导体级多晶硅块转换为柱状的单晶硅锭的过程。 半导体级硅生长出来的是多晶硅块，而半导体器件对硅的晶体结构要求非常严格，只有近乎完美的晶体结构才能避免对器件特性非常有害的电学和机械缺陷。非晶材料和晶体材料原子结构差异巨大，晶体材料中有序排列晶胞的方式叫做单晶结构。非晶材料没有重复的结构，在原子级结构上杂乱无章，典型的非晶体材料包括塑料等。晶体材料中的原子在三维空间中保持着有序而重复的状态，晶体材料中最基本的原子模式是晶胞，硅晶胞由 14 个原子构成，呈现立方体结构。 根据晶胞的排列方式可以分为多晶结构和单晶结构，多晶硅中的晶胞无序排列，单晶硅中的晶胞则在三维方向上整齐地重复排列。 半导体器件所需的许多电学和机械性质都与其原子结构密切相关，非晶硅对生产半导体器件来说毫无用处，晶体生长的目的就是把多晶硅转换为半导体器件需要的单晶结构。图 3面心立方（ FCC）晶胞 图 4单晶体和多晶体结构晶体硅生长环节主要有直拉法（ Czochralski ， CZ 法）和区熔法。直拉法用一块单晶硅籽晶来生长硅锭， 首先在一个巨大的非晶体石英坩埚中加热半导体级多晶硅转变为液态，然后用一个完美的籽晶放在熔体表面并在旋转中缓慢拉起，它的旋转方向和坩埚的旋转方向相反。随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体上的液体会因为表面张力而提高，籽晶上的界面散发热量并向下朝着熔体方向凝固，生长出来的单晶硅硅锭就像是籽晶的复制品。 目前 85以上的单晶硅都是用直拉法生长出来的。 另一种生长单晶硅的方法是区熔法，区熔法在上世纪 50 年代发展起来，目前是生长单晶硅纯度最高的技术。区熔法把多晶硅棒放在一个模型里， 然后放入一个籽晶， 然后用射频线圈加热籽晶与多晶接触区域生长单晶硅。由于区熔法不使用坩埚，其生长的单晶硅含氧量低纯度较高。图 5直拉法单晶硅生长工艺 图 6区熔法单晶硅生长工艺硅锭整型在晶体生长炉中生长出单晶硅硅锭后，需要进行整型处理为切片单晶硅做准备。整型处理主要分为三个步骤。第一步是去掉两端，硅锭两端一般叫做籽晶端（籽晶所在位置）和非籽晶端（籽晶相对另一边） ，当两端被去除后，可用四探针来检查电阻以确定整个硅锭是否达到合适的杂质均匀度。第二步是径向研磨，由于晶体生长中直径和圆度控制不可能很精确，所以硅锭需要长得稍大来进行径向研磨，这一过程精确的直径控制非常关键。第三步是硅锭定位边和定位槽处理，传统的半导体工艺在硅锭上做一个定位边来表明晶体结构和硅片晶向，还有一个次定位边来表明硅片的晶向和导电类型。 美国目前 200mm 以上的定位边已经被定位槽取代，一般是在硅片上的一小片区域上用激光刻上硅片有关信息。图 7硅锭整型处理切片硅锭整型处理完后就是切片环节。对于 200mm 及以下硅片，切片一般使用金刚石切割边缘的内圆切割机来完成， 对于 300mm 的硅片来讲， 由于直接较大一般都是用金刚线切割。对于硅锭来说，由于更薄的切口能让线锯相比内圆切割机产生更薄的切口，线锯能比传统的内圆切割机生产出更多的硅切片。早期的线锯采用裸露的金属线和游离的磨料，加工过程中用将磨料加入金属线和加工件之间产生切割作用，比较有代表的是以砂浆为磨料的砂浆切割工艺。目前新型的金刚线切割工艺相比砂浆切割，在切割速度、成本和单片耗材等方面有明显优势，且由于成品厚度均匀使产品良率大幅提高。图 8金刚线切割示意图 图 9砂浆切割工艺和金刚线切割工艺对比磨片、倒角和刻蚀切片完成后需要对硅片研磨、边缘修整和刻蚀。首先是磨片工艺，传统上使用双面机械磨片出去切片后的损伤，使硅片两面高度平行和平坦。磨片是用垫片和带有磨料的浆料利用旋转的压力完成，典型的磨料包括氧化硅、硅碳化合物和甘油。倒角环节主要是对硅片边缘进行抛光修修整。硅片边缘的裂痕和小裂缝会在硅片上产生机械应力并产生错位，尤其是在硅片制备的高温过程中，小的裂缝会在生产过程中成为有害沾污物的聚集地并产生颗粒脱落，因此平滑的边缘对硅片制备十分重要。刻蚀环节目的在于消除硅片表面损伤。在硅片的各个整型环节中，硅片表面和边缘会收到损伤和沾污， 损伤深度和厂商的工艺水平有关，一般为几微米深。 硅片刻蚀用化学刻蚀的方法选择性的去除表面物质，去除硅片表面约 20 微米以内的损伤。刻蚀可以用酸性或者碱性化学物质，刻蚀不同部位使用不同的化学制剂。抛光抛光是刻蚀硅片后的重要环节，抛光工艺主要是化学机械化平坦化（ CMP） ，通过机械研磨和化学液体溶解 “ 腐蚀 ” 的综合作用使硅片表面高度光滑。 对于 200mm 及以下硅片， CMP传统上只用对表面抛光，背后仍然保留刻蚀后的表面，背面大约要比表面粗糙三倍左右。这样做的目的是提供一个粗糙的表面来方面器件传送。对于 300mm 及以上硅片，硅片需要在抛光盘之间行星式运动进行双面抛光，在改善表面粗糙程度的同时使硅片平坦且两面平行。 背面抛光也使硅片提交给芯片制造商前增加其洁净程度， 硅片两面都会像镜子一样。图 10 CMP抛光机原理图 图 11 CMP抛光机示例图清洗、评估和包装硅片抛光后需要清洗环节来使其保持超净的洁净状态，清洗规范在过去几年获得了巨大发展，使硅片达到了几乎没有颗粒和沾污的程度。评估是用各种检测设备确保硅片达到客户的生产质量标准。包装是将硅片叠放在有窄槽的塑料架中支撑硅片，碳氟化合物树脂材料（如特氟纶）常被用于盒子材料使颗粒产生减少到最少，且特氟纶能作为导体使其不会产生静电释放。图 12包装完成后的硅片