半导体材料是芯片制作的基底，制作半导体的材料繁多，目前主要以硅基和化合物材料共生共存的半导体材料格局。 常见的半导体材料有硅，砷化镓，氮化镓和碳化硅。随着科学技术的发展，硅材料在半导体制作上逐渐趋向物理极限，因此无法满足一些超高规格电子产品对高功率，高频率和高压等苛刻条件。目前，可以 通过以硅材料为衬底，化合物材料在硅材料外延生长制成单晶片，也能满足射频芯片、功率器件对高频、高压、高功率的需求，这在一定程度上缓解了硅材料性质的劣势。

相比于其他半导体材料，硅材料有着更大的应用领域与需求量。 硅半导体主要运用于逻辑器件、存储器、分立器件。化合物半导体如砷化镓，氮化镓和磷化铟等，主要应用于光电子、射频、功率等具备高频、高压、高功率特性器件。在目前的电子产品应用中，对化合物材料的需求远低于硅材料，仅有军工、安防、航天 等少部分需要超高规格的应用领域，才需采用化合物单晶材料。

图表 1：半导体材料

资料来源：公开资料整理

即使目前半导体材料已发展至第三代：碳化硅、氮化镓和金刚石等，但主流依旧以硅材料为主，90%以上的半导体产品以硅元素制作。 主要因为硅元素具有以下优势：1） 安全无毒， 对环境无害，属于清洁能源。2） 天然绝缘体， 可通过加热形成二氧化硅绝缘层，防止半导体漏电现象，因此在晶圆制造时减去表面沉积多层绝缘体步骤，降低晶圆制造生产成本。3） 储量丰富， 硅元素在地壳中占到27.7%，降低半导体的材料成本。4） 制作工艺成熟， 以硅材料制作的半导体硅片技术发展，从1970年的2英寸硅片进步至2020年的18英寸硅片。经过长时间的发展，与 其他半导体材料相比较，硅材料的应用技术更加成熟且更具有规模效益，在这样的条件下，硅材料显得“物美价廉”，这样的特质给予了硅材料不可替代的行业地位。

半导体行业产业链

半导体硅片是半导体产业链的上游，是制作芯片的核心材料，贯穿了芯片制作的全过程，半导体硅片的质量和数量不仅  是制造芯片的关键材料，同时也制约下游终端领域行业的发展。

图表 2：半导体硅片产业链

资料来源：公开资料整理

在硅片产业链中，上游为原材料硅矿，中游为硅片制造商，有较强的议价权，下游是芯片制造商。 上游硅矿原材料丰富，议价权较弱。与此相比，硅片制造商在硅片制作过程中，需要精密的机器设备，成熟的工艺流程和优秀的技术人才做支撑，才能制作出符合条件的优质硅片，因此硅片制造商对机器，工艺流程和技术人才的掌握至关重要。而唯有满足这些条件的硅片制造商，才有能力为下游芯片制造商提供符合条件的硅片。同时，硅片要经过下游芯片制造商的认证，才能发生订单交易。 因此，满足客户认证且有较高技术工艺的硅片制造商，可替代性越弱，有着较强的议价权。

图表 3：半导体产业链

资料来源：公开资料整理

在半导体产业链中，上游主要为芯片的制造原材料和制造芯片的关键设备，如光刻机，刻蚀机、薄膜沉积设备，中游为芯片制造商，下游分别对应终端领域应用厂商，如智能手机，AI和IOT。 上游的 晶圆原材料和关键设备有较强的议价权， 主要因为晶圆原材料和关键设备的制造，有着较高的技术壁垒，可替代性弱。中游芯片制造主要为：IC设计，IC制造和IC封测。IC设计厂商根据客户要求设计芯片；IC制造商主要将IC设计商的电路图刻蚀至半导体硅片；IC封测主要是对芯片进行封装和测试。目前，中游厂商分为三种模式：IDM(一体化),Fabless（IC设计与销售）和Foundry（IC制造与封测）。IC设计所占有的利润最高，但IC制造议价权较强，主要在于IC制造的前道制造和后道封测也有较高的技术壁垒，因此对于下游终端应用商，IC制造商和IC封测商的可替代性低，议价权强。

半导体产业中最下游终端应用领域主要围绕：5G通讯，IOT，智能手机，汽车和AI等，这些领域的发展带动半导体硅片需求量上升。 通过前面的分析，半导体硅片芯片制造的基础，而芯片是终端应用的不可或缺的电子元件，因此这些下游终端应用的技术革新，带动了对中游芯片需求的上升，从而推动了硅片需求量的增加。而下游终端的发展，倚靠上游硅片的供给，只有合格的硅片才能为芯片的制作打下稳固的地基，为下游终端提供良好的芯片。

图表 4：硅片是整个行业的基石

资料来源：公开资料整理

半导体硅片的纯净度、表面平整度、清洁度和杂质污染程度对芯片有着极其重要的影响，因此半导体硅片制造极为重要。 半导体硅片制造主要可分为以下几个步骤：

1. 晶体生长： 为了达到集成电路对硅晶圆的平坦度和均匀度，首先用 单晶炉 对多晶硅原料高温加热，再通过对速度，温度和压力等参数的调整，拉升出圆柱状的硅晶棒；

2. 整型： 得到硅晶棒后，对其进行整型处理。首先，去掉硅晶棒两端，检查电阻确定整个硅晶棒达到合适的杂质均匀度，接着对硅晶棒进行径向研磨，得到一定大小的硅晶棒直径；

3. 切片： 用切片机对整型之后的硅晶棒进行切片，得到目标厚度的硅片；

4. 磨边和倒角： 对硅片的两面进行机械磨片，去除切片时留下的损伤并使硅片两面平坦且高度平行。接着对硅片的边缘进行抛光与修整处理，去除边缘的裂缝或裂痕，使硅片边缘充分光滑；

5. 刻蚀： 通过化学溶液对硅片表面进行腐蚀和刻蚀，除去切磨后硅片表面的损伤层和沾污层，改善表面质量和提高表面平整度；

6. 清洗： 清洗经过上述工艺后硅片表面的颗粒和杂质，硅片需达到几乎没有颗粒和污染的程度；

7. CMP抛光： 运用CMP技术对硅片两面进行抛光处理，使得硅片表面得到纳米级的平整和光滑；

8. 量测： 检测硅片的表面颗粒、晶片尺寸等是否达到客户的生产质量标准。

图表 5：硅片制作工艺流程

资料来源：台积电宣传视频，公开资料整理

在硅片的制造过程中，技术人员，制造设备和工艺流程是关键因素。技术人员对设备的操作和监测的熟练度，设备所能制造出硅片规格的精密度，工艺流程的成熟度，影响硅片制作出厂的优良程度。 其中，关键的机器设备有单晶炉，CMP抛光机和量测设备。为了改变硅的导电性，通过单晶炉对多晶硅进行加工，改变多晶硅的导电性和各向异性方面。单晶炉主要考虑热场+炉子设计+拉晶工艺三个因素，好的热场和拉晶炉能够给予较宽，较稳定和扛干扰性强的拉晶工艺窗口，从而大大增加晶体生长的良品率。 CMP抛光机 结合了精密机械和化学反应，对硅片进行抛光处理，硅片平整度会影响后续芯片制作的良品率和性能。 量测设备 用于把控硅片的质量，并优化制程提升硅片良品率。量测设备是穿插于各个硅片制程之间，通常为各个品质检测站，分别进行检测硅片的电阻率、导电形态和结晶方向等项目。

大规格是硅片发展趋势，当前200mm和300mm硅片仍为主流

在摩尔定律和成本的影响下，大规格硅片是硅片发展的主流趋势。 根据摩尔定律，由于信息技术的发展，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。同时，由于硅片越大，单位硅片所装载芯片越多，每块芯片的加工和处理时间减少，大大提高了设备生产效率；同时，边缘硅片浪费减少，生产成品率提高，从而降低了芯片的单位制造成本。因此在成本和摩尔定律的驱动下，未来硅片会往大硅片发展。目前硅片最大规格可达450mm，但受到应用领域和技术的影响，还未能成功商用，因此产量难以达到放量，主流硅片依旧以200mm与300mm为主导。

图表 6：硅片尺寸规格

资料来源：公开资料

规格不同的硅片，应用领域有所不同，其中200mm和300mm规格的硅片应用范围广阔。 规格为200mm及以下的硅片在在制作高精度模拟电路、射频前端芯片、嵌入式存储器、CMOS 图像传感器、高压MOS 等产品方面，有更成熟和广泛的应用。 这类产品对应的下游主要为汽车电子、工业电子等终端市场。 200mm硅片在功率器件、电源管理器、非易失性存储器、MEMS、显示驱动芯片与指纹识别芯片方面发挥作用。 这类产品主要应用于 移动通信、汽车电子、物联网及工业电子领域。 300mm硅片需求主要源于存储芯片、通用处理器、FPGA、ASIC、图像处理芯片等，对应的 下游有智能手机、计算机、云计算、人工智能、SSD 等高端领域。

图表 7：主流硅片应用领域

资料来源：公开资料整理