半导体行业硅片深度报告：半导体材料硅片投资宝典-20200407-浙商证券-46页.pdf

http:/ 1/46 请务必阅读正文之后的免责条款部分 专题 半导体行业半导体行业 报告日期：2020 年 4 月 7 日 半导体材料硅片投资宝典半导体材料硅片投资宝典 硅片深度报告 行业公司研究半导体行业 ：孙芳芳 执业证书编号：S1230517100001：021-80106039： 行业行业评级评级 半导体 看好 Table_relateTable_relate 相关报告相关报告 1半导体设备/材料迎来国产代替窗口期2020.03.12 2【浙商电子行业点评】GaN（氮化镓）市场的爆发前夜2020.02.16 3 智能医疗：疫情过后的物联网新机会2020.02.05 4半导体行业处于上升轨道，各环节国产替代有序进行2018.02.06 5 一 周 行 业 要 闻 及 观 点 传 递 8.21-8.272017.08.28 报告撰写人：孙芳芳 数据支持人：孙芳芳、蒋鹏 报告导读报告导读 修订版瓦森纳协议将大硅片纳入限制范畴，大硅片国产代替速度将超预期。投资要点投资要点 催化剂：修订版瓦森纳协议将硅片列入限制范畴催化剂：修订版瓦森纳协议将硅片列入限制范畴 1、修订版瓦森纳协议对 300mm 直径硅晶圆的切割，研磨，抛光，包括在晶圆平整度方面进行了技术限制。2、新的限制主要针对 16nm 及以下的硅片技术，对于先进制程的发展起到至关重要的作用。新限制加速了国产化进程。8 寸硅片：寸硅片：大规模量产，迎来全面国产代替大规模量产，迎来全面国产代替 1、8 寸硅片，代替已经开始：寸硅片，代替已经开始：国内以硅产业集团，中环股份在内的多家公司已经打入国内供应链体系，并且稳定供货。其中硅产业 2019 年前三季度营收突破 8 亿元；中环 2019 年硅片营收超过亿元。12 寸硅片：寸硅片：测试硅片测试硅片量产量产，产品硅片即将爆发，产品硅片即将爆发 1、12 寸硅片，寸硅片，从从测试到产品：测试到产品：12 寸硅片涉及到的制程难度比 8 寸硅片要高，国产化率较低。国产硅片只是小批量供应测试硅片，短期小批量供应 12寸产品硅片；在国内新建晶圆厂的建设下，将迎来国产代替的爆发期。新建晶圆厂新建晶圆厂：国产硅片迎来爆发增长的关键国产硅片迎来爆发增长的关键 1、修订版协议，硅片国产代替意愿增加：修订版协议，硅片国产代替意愿增加：新的限制不仅仅是对于硅片厂商的限制，也是对晶圆厂的限制，由于硅片是晶圆厂的直接原料，硅片的稳定供应是晶圆厂发展的保证。2、新建晶圆厂，硅片国产代替新建晶圆厂，硅片国产代替主要载体主要载体：老晶圆厂由于产品线较完整，客户群体较为固定，所以国产代替意愿并不强烈。新建晶圆厂在硅片选择，制程调整和客户验证方面都比较灵活，新建晶圆厂是国产硅片的主要方向。3、窗口期到来，窗口期到来，硅片需求突破硅片需求突破 200 亿元亿元：2020 年2022 年是中国大陆晶圆厂投产高峰期，以长江存储，长鑫存储等新兴晶圆厂和以中芯国际先进制程为代表的国内晶圆厂在未来 3 年内迎来密集投产。国产硅片需求突破 200亿元。关注关注硅片标的：硅片标的：在 8 寸和 12 寸硅片，客户认证数量及产能优势明显代表企业有沪硅产业（科创板），超硅半导体；区熔硅片及小尺寸（5-6 英寸）硅片优势明显代表企业为中环股份；重掺杂硅片优势明显代表企业为立昂微电（拟上市）；具备技术储备及新切入硅片新秀，代表企业为有研新材、奕斯伟等。风险提示：风险提示：1）客户进展较慢；）客户进展较慢；2）价格下降；）价格下降；3）景气度下行）景气度下行 行业催化剂：行业催化剂：1）晶圆厂建设超预期；）晶圆厂建设超预期；2）国产替代率超预期）国产替代率超预期 证券研究报告 table 半导体行业专题半导体行业专题 http:/ 2/46 请务必阅读正文之后的免责条款部分 正文目录正文目录 1.硅片：半导体大厦的基石硅片：半导体大厦的基石.6 1.1.硅片：半导体大厦的基石.6 1.2.光伏硅片 vs 半导体硅片.7 1.3.半导体硅片技术发展路径.8 1.3.1.常用半导体硅片.8 1.3.2.绝缘体上硅硅片.10 2.硅片：制造难度大且壁垒高硅片：制造难度大且壁垒高.13 2.1.硅片制造技术过程.13 2.1.1.CZ（直拉法）.13 2.1.2.FZ（区熔法）.14 2.2.硅片制造成本分析.15 2.2.1.新能源硅片制造成本.15 2.2.2.半导体硅片制造成本.16 2.3.硅片制造主要壁垒.17 3.硅材：仍将是未来主流材料硅材：仍将是未来主流材料.19 3.1.目前：硅是主要半导体材料.19 3.2.未来：化合物无法代替硅材.20 4.Fab 为王，硅片市场潜力巨大为王，硅片市场潜力巨大.22 4.1.全球硅片消耗量迎来增长周期.22 4.2.中国半导体硅片市场空间巨大.23 4.2.1.半导体制造业转向中国.23 4.2.2.产能扩张导致需求增加.25 4.3.中国大陆硅片市场空间广阔.27 4.3.1.硅片市场迎来“量”的增长.27 4.3.2.硅片市场迎来“价”的增加.29 4.3.3.未来硅片市场空间广阔.29 5.硅片主要厂商，国产代替势在必行硅片主要厂商，国产代替势在必行.31 5.1.国际主流厂商.31 5.1.1.信越化学.31 5.1.2.住友胜高.32 5.1.3.Siltronic AG.33 5.1.4.环球晶圆.33 5.2.中国主要厂商.34 qNnRtRyQyQ9P8QaQnPnNnPqQeRrRtPiNrRyQaQpOoQNZsOvNxNmQzQ table 半导体行业专题半导体行业专题 http:/ 3/46 请务必阅读正文之后的免责条款部分 5.2.1.硅产业集团.35 5.2.2.中环半导体.38 5.2.3.超硅半导体.40 5.2.4.立昂微电子.40 5.2.5.有研新材.44 5.2.6.奕斯伟.45 图表目录图表目录 图 1：硅元素和硅片.6 图 2：半导体硅片和光伏硅片.6 图 3：单晶硅晶胞结构.6 图 4：单晶 SiC 晶胞结构.6 图 5：单晶硅和多晶硅的晶胞排序.7 图 6：单晶硅和多晶硅的外表.7 图 7：单晶硅电池片正反面.7 图 8：多晶硅电池片正反面.7 图 9：半导体硅片制造过程.8 图 10：不同尺寸晶圆的参数.8 图 11：硅片大小的发展.8 图 12：外延硅片生长过程.9 图 13：外延片的不同参杂.9 图 14：普通硅片 MOS 结构.10 图 15：SOI 硅片 MOS 结构.10 图 16：四种制造 SOI 硅片技术.10 图 17：离子注入方式形成绝缘体上硅.11 图 18：wafer bonding 方式形成绝缘体上硅.11 图 19：sim-bond 方式形成绝缘体上硅.12 图 20：Smart-cut 方式形成绝缘体上硅.12 图 21：CZ（直拉法）半导体硅片制造过程.13 图 22：CZ 法拉单晶示意图.13 图 23：CZ 法拉单晶的方法.14 图 24：拉单晶之后的硅棒.14 图 25：FZ 法拉单晶空间结构.14 图 26：FZ 拉单晶示意图.14 图 27：CZ 法拉单晶成本结构.15 图 28：CZ 法拉单晶过程成本结构.15 图 29：多晶硅片成本结构.15 图 30：多晶硅长晶成本结构.15 图 31：2018 年硅产业营业成本构成.16 table 半导体行业专题半导体行业专题 http:/ 4/46 请务必阅读正文之后的免责条款部分 图 32：2018 年硅产业原材料构成.16 图 33：2018 年硅产业制造费用占比.16 图 34：2018 年硅产业集团部分成本构成（单位：万元）.16 图 35：硅片制造产业的主要壁垒.17 图 36：晶圆材料占比.19 图 37：不同材料晶圆的适用范围.19 图 38：不同晶圆尺寸对比.20 图 39：全球代工厂市占率.20 图 40：同功率充电器体积对比（最左侧为 GaN 充电器）.20 图 41：硅衬底 GaN 外延片简单结构.20 图 42：英飞凌 SiC-MOSFET 与 Si-IGBT 对比.21 图 43：英飞凌 SiC-MOSFET 价格和导通电阻的关系.21 图 44：2018 年半导体材料消耗占比.22 图 45：半导体制造材料成本占比.22 图 46：2009-2019 全球硅晶圆出货面积.22 图 47：2009-2019 全球硅晶圆营业额.22 图 48：硅晶圆不同尺寸出货占比.23 图 49：12 寸晶圆下游应用.23 图 50：智能手机各部分硅晶圆出货占比.23 图 51：全球半导体材料销售额及增速（单位：十亿美元）.24 图 52：各个国家和地区历年半导体材料销售额（单位：十亿美元）.24 图 53：2018 年各个国家和地区的销售占比.24 图 54：半导体材料销售额和中国大陆占比(单位:十亿美元).24 图 55：2002-2023 年全球 12 寸晶圆厂数量.25 图 56：全球产能增加量(单位:百万片/年，8 寸等效晶圆).25 图 57：2010-2020 中国半导体晶圆厂投资额（单位：亿美元）.25 图 58：国家大基金一期投资比例.25 图 59：主流智能手机 BOM 成本拆解.27 图 60：不同手机的主要芯片成本比例.28 图 61：中国大陆硅片销售额和增速（单位：亿美元）.28 图 62：中国大陆硅片需求变化（单位：万片/月）.28 图 63：全球半导体硅片价格（单位：美元/平方英寸）.29 图 64：不同制程工艺硅片的价格指数.29 图 65：中国大陆不同尺寸硅片占比.30 图 66：硅产业集团不同尺寸硅片的价格（单位：元/片）.30 图 67：公司营收持续增长.31 图 68：公司净利润情况.31 图 69：2018 年 4-12 月公司主营业务构成.32 图 70：公司销售毛利率与净利率情况.32 图 71：公司营收持续增长.32 图 72：公司净利润情况.32 图 73：公司销售毛利率及净利率情况.32 图 74：公司营收情况.33 图 75：公司毛利率及净利率情况.33 table 半导体行业专题半导体行业专题 http:/ 5/46 请务必阅读正文之后的免责条款部分 图 76：环球晶圆四次并购历史.33 图 77：公司营收持续增长.34 图 78：公司净利润情况.34 图 79：环球晶圆毛利率及净利率情况.34 图 80：硅产业主要硅片生产子公司.36 图 81：公司营收持续增长.38 图 82：公司净利润情况.38 图 83：公司主营业务构成.38 图 84：公司销售毛利率与净利率情况.38 图 85：公司半导体材料营收增长情况.39 图 86：公司半导体材料毛利率情况.39 图 87：公司营收持续增长.39 图 88：公司净利润情况.39 图 89：公司主营业务构成.40 图 90：公司销售毛利率与净利率情况.40 图 91：硅产业主要硅片生产子公司.41 图 92：公司营收持续增长.43 图 93：公司净利润情况.43 图 94：公司主营业务构成.44 图 95：公司销售毛利率与净利率情况.44 图 96：公司营收持续增长.44 图 97：公司净利润情况.44 图 98：公司主营业务构成.45 图 99：公司销售毛利率与净利率情况.45 表 1：SOI 硅片不同制造技术的性能对比.11 表 2：公司细分业务盈利预测.17 表 3：第一/二/三代材料性能对比.19 表 4：中国地区新增晶圆厂情况.26 表 5：2018 年全球硅片厂商销售额.31 表 6：国内部分硅片制造商的产能情况.35 表 7：硅产业子公司情况.36 表 8：硅产业实际的产量、销售情况.37 表 9：200mm 及以下半导体硅片（含 SOI 硅片）客户认证情况.37 表 10：300mm 半导体硅片客户认证情况.37 表 11：2019 年中环股份半导体硅片销售情况.39 表 12：上海超硅硅片投产情况.40 表 13：立昂微电硅片产能、产量、销量情况.41 表 14：立昂微电平均销售价格变化.42 表 15：2018 年立昂微电半导体硅片前五名客户具体情况.42 表 16：有研新材硅片产能情况.44 table 半导体行业专题半导体行业专题 http:/ 6/46 请务必阅读正文之后的免责条款部分 1.硅片：半导体大厦的基石硅片：半导体大厦的基石 1.1.硅片：半导体大厦的基石硅片：半导体大厦的基石 硅片是以硅作为原材料，通过拉单晶制作成硅棒，然后切割而成的硅片。由于硅原子的最外层电子数是 4，原子序数适中，所以硅元素具有特殊的化学特性。正是因为硅的这种特性，硅片主要应用在化学，光伏，电子等领域。特别是在电子领域，正是利用硅材料介于导体与绝缘体中间的元素属性，制造了现代工业的“石油”-芯片。在光伏领域，利用光电效应原理，光子可以改变硅原子之间的共价键，从而衍生了太阳能发电的应用。另外地球的地壳中硅元素占比达到 25.8%，而且开采较为方便，可回收性强，所以价格比其他材料要低，这样的特点更加增强了硅的应用范围。图图 1：硅元素和硅片硅元素和硅片 图图 2：半导体半导体硅片和光伏硅片硅片和光伏硅片 资料来源：浙商证券研究所 资料来源：浙商证券研究所 通过晶胞的排列方式不同，可以分为单晶硅和多晶硅。晶胞是自然界构成晶体的最基本单元，一般是由几个原子或几十个原子构成的三维结构。晶胞的形状、大小与空间格子的平行六面体单位相同，保留了整个晶格的所有特征。图图 3：单晶硅晶胞结构单晶硅晶胞结构 图图 4：单晶单晶 SiC 晶胞结构晶胞结构 资料来源：材料科学基础、浙商证券研究所 资料来源：浙商证券研究所 单晶硅的晶胞排序方式是有序，有规律的排序。但是多晶硅的晶胞排序是无序，无规律的。在制造方法方面，多晶硅是通过浇筑法形成的，直接把硅料倒入坩埚中融化，然后再冷却定性，这种制作方法形成的晶胞是无序的。单晶硅是通过拉单晶的方式形成晶棒（直拉法），将硅料倒入坩埚中融化，然后利用籽晶缓慢旋转上拉（拉单晶）。拉单晶的过程就是将原子结构重组的过程，最终形成单晶硅棒。在物理性质方面，两种硅的特性相差较大。在导电性质上，单晶硅由于晶胞排序规则有序，导电能力较强；多晶硅导电性很差，甚至有时不导电。在光电转换方面，单晶硅的转换效率高于多晶硅的转换效率，单晶硅光电转换效率一般在 17%25%左右，多晶硅效率在 15%以下。table 半导体行业专题半导体行业专题 http:/ 7/46 请务必阅读正文之后的免责条款部分 图图 5：单晶硅和多晶硅的晶胞排序单晶硅和多晶硅的晶胞排序 图图 6：单晶硅和多晶硅的外表单晶硅和多晶硅的外表 资料来源：电子发烧友、浙商证券研究所 资料来源：电子发烧友、浙商证券研究所 1.2.光伏硅片光伏硅片 vs 半导体硅片半导体硅片 光伏硅片；光伏硅片；由于硅元素具有光电效应，所以在光伏领域，大多使用硅片完成太阳能到电能的转换。在光伏领域的硅片，单晶硅电池片一般为圆角方形，颜色为深蓝色，略接近黑色。多晶硅电池片一般为方形，以蓝色和灰色为主，且略带花纹。电池片分为单晶硅片和多晶硅片，单晶硅电池片价格较高，光电转换效率也比较高。图图 7：单晶硅电单晶硅电池片正反面池片正反面 图图 8：多晶硅电池片正反面多晶硅电池片正反面 资料来源：电子发烧友、浙商证券研究所 资料来源：电子发烧友、浙商证券研究所 由于光伏硅片相对于半导体硅片在纯度和翘曲度等等方面要求较低，所以光伏硅片制造过程相对简单。以单晶硅电池片为例，第一步是切方磨圆，在晶片厂通过直拉法拉出单晶棒后，先按照晶片尺寸要求，将单晶硅棒切割成方棒，然后将方棒的四角通过滚磨机磨圆。第二步是酸洗，主要是为了将单晶方棒的表面杂质除去。第三步是切片，先将清洗完毕后的方棒与工板粘贴。然后将工板放在切片机上，按照已经设定好的工艺参数进行切割，切割完成后成为单晶硅片。最后将单晶硅片清洗干净（通常用超声波清洗），最后进行监测，比如表面光滑度，电阻率等等参数。半导体硅片半导体硅片：半导体硅片比光伏硅片的要求更高，通常表现在晶体，形状，尺寸大小，纯度等等方面。光伏单晶硅片是分单晶硅和多晶硅两种类型，其中多晶硅约占 60%。但是半导体用单晶硅片，为了硅片每个位臵的相同电学特性，全部使用单晶硅。在形状和尺寸上，光伏用单晶硅片是正方形，边长有 125mm，150mm，156mm 不同尺寸。但是半导体用单晶硅片是圆型，硅片直径有 150mm（6 寸晶圆），200mm（8 寸晶圆）和 300mm（12 寸晶圆）尺寸，比单晶硅要大。在纯度方面，光伏用单晶硅片的纯度要求硅含量为 4N-6N 之间（99.99%-99.9999%），但是半导体用单晶硅片在 9N（99.9999999%）-11N(99.999999999%)左右，纯度要求最低是光伏单晶硅片的 1000 倍。在外观方面，半导体用硅片在表面的平整度，光滑度和洁净程度要比光伏用硅片的要求高。纯度壁垒是光伏用单晶硅片和半导体用单晶纯度壁垒是光伏用单晶硅片和半导体用单晶硅片的主要壁垒硅片的主要壁垒。table 半导体行业专题半导体行业专题 http:/ 8/46 请务必阅读正文之后的免责条款部分 图图 9：半导体硅片制造过程半导体硅片制造过程 资料来源：SUMCO、浙商证券研究所 1.3.半导半导体硅片技术发展路径体硅片技术发展路径 1.3.1.常用半导体硅片常用半导体硅片 硅片的发展可以归结为摩尔定律的发展。由于半导体用硅片是圆形，所以半导体硅片也叫“硅晶圆”或者“晶圆”。晶圆是芯片制造的“基底”，所有的芯片都是在这个“基底”上制造，并在制造完成后，将基底切割成单个芯片，然后进行封装测试。在半导体用硅片的发展中，是按照尺寸和结构两个方向发展。在尺寸方面，硅片的发展路径是从小到大；在尺寸方面，硅片的发展路径是从小到大；在集成电路发展初期，使用的是 0.75 英寸晶圆。后来为了降低单个芯片成本，不断增加晶圆面积，增加单片晶圆上的芯片个数。1965 年左右，随着摩尔定律的提出，集成电路技术和硅片迎来快速发展期。硅片的制造技术越来越先进，逐渐发展到 4 寸，6 寸，8 寸和 12 寸晶圆。2001 年，英特尔和 IBM联合开发了 12 寸晶圆芯片制造生产线，目前全球半导体用硅片以 12 寸硅片为主，占比约为 70%，往后还要发展到 18寸（450mm）晶圆。图图 10：不同尺寸晶圆的参数不同尺寸晶圆的参数 图图 11：硅片大小的发展硅片大小的发展 资料来源：半导体技术概论、浙商证券研究所 资料来源：硅产业招股书、浙商证券研究所 table 半导体行业专题半导体行业专题 http:/ 9/46 请务必阅读正文之后的免责条款部分 在结构方面，硅片的发展路径是由简到繁；在结构方面，硅片的发展路径是由简到繁；集成电路发展初期是只有逻辑芯片一种用途，但是后来应用场景不断扩大，逻辑芯片，功率器件，模拟芯片，数模混合芯片，flash/Dram 存储芯片，射频芯片等等。不同的应用场景导致了硅片在结构上出现了不同的形态。PW（Polish Wafer）：就是常用的抛光片。硅片厂拉单晶得到硅锭之后，直接切割后得到的硅片由于在光滑度或者翘曲度方面有一些瑕疵，所以首先是经过抛光处理。这种方式也是最原始硅片的处理方式。AW（Anneal Wafer）：后来随着制程技术的不断发展，工艺线宽不断缩小，抛光片的缺点也暴露出来了，比如硅片表面由于抛光会引起局部的原子晶格缺陷，硅片表面含氧量较高等等。为了解决这个问题，发展了退火晶圆，在抛光后，将硅片放在充满惰性气体的炉管中（一般为氩气），进行高温退火。这样可以修复由于抛光引起的硅片表面晶格缺陷，同时也可以减少硅表面含氧量。EW（Epitaxy Wafer）：随着集成电路的应用场景不断增加，由硅片厂制造的标准硅片在电学特性上已经不能满足某些产品的要求。同时，通过热退火减少的晶格缺陷也不能满足越来越小的线宽需求。这就衍生出了外延层硅片（Epitaxy wafer 或者叫做 EPI Wafer）。通常的外延层就是硅薄膜。是在原始硅片的基础上，利用薄膜沉积技术，生长一层硅薄膜。由于在硅外延中，硅基片是作为籽晶的模式存在，所以新的外延层会复制硅片的晶体结构。由于衬底硅片是单晶，所以外延层也是单晶。但是由于没有被抛光，所以生长完成后的硅片表面的晶格缺陷可以降到最低。外延技术的重点包括外延层厚度及其均匀性、电阻率均匀性、体金属控制、颗粒控制、层错、位错等缺陷控制。公司通过优化外延的反应温度、外延气体的 流速、中心及边缘的温度梯度，实现了最优的外延层质量。因产品不同和技术升 级的需要，公司通过不断优化外延工艺，实现外延层厚度和衬底几何形貌的有效 匹配，获得外延层最优的平坦度、最低的外延层金属杂质、最好的厚度和电阻率 均匀性，达到不同规格产品的需求。另外，外延片可以生成电阻率，掺杂元素、掺杂浓度与原始硅片不同的外延层，这样更容易控制硅片的电学特性。比如可以通过在 P 型硅片上生成一层 N 型外延层，这样就形成了一个低浓度参杂的 PN 结，为后续芯片制造中起到优化击穿电压，降低闩锁效应等等目的。外延层厚度一般根据使用场景不同而不同，一般逻辑芯片的厚度为 0.5 微米到 5微米左右，功率器件由于需要承受高电压，所以厚度为 50 微米到 100 微米左右。图图 12：外延硅片生长过程外延硅片生长过程 图图 13：外延片外延片的不同参杂的不同参杂 资料来源：浙商证券研究所 资料来源：浙商证券研究所 table 半导体行业专题半导体行业专题 http:/ 10/46 请务必阅读正文之后的免责条款部分 1.3.2.绝缘体上硅硅片绝缘体上硅硅片 SW（SOI Wafer）：SOI 全称是 Silicon-On-Insulator（绝缘体上硅）。由于 SOI 硅片具有寄生电容小，短沟道效应小，继承密度高，速度快，功耗低等有点，特别是在衬底噪声低这向参数中，由于非 SOI 硅片，所以 SOI 硅片常常用在射频前端芯片中。在常用的普通抛光硅片或者是外延层硅片中，都不能解决硅片的噪电流干扰。由于集成电路是四端器件，必须在衬底上结电压，所以就构成了芯片与衬底之间的电流通路，就会产生噪电流，从而影响集成电路特性。特别是在射频芯片领域中，开关速度较快，衬底产生的噪电流会严重影响开关性能。为了解决衬底噪声问题，发明了 SOI 硅片技术。图图 14：普通硅片普通硅片 MOS 结构结构 图图 15：SOI 硅片硅片 MOS 结构结构 资料来源：浙商证券研究所 资料来源：浙商证券研究所 制造 SOI 硅片的方法主要有四种：SIMOX 技术，Bonding 技术，Sim-bond 技术和 Smart-CutTM技术；SOI 硅片的原理比较简单，核心目标就是在衬底中间加入一层绝缘层（一般以二氧化硅 SiO2 为主）。图图 16：四种制造四种制造 SOI 硅片技术硅片技术 资料来源：硅产业集团招股书、浙商证券研究所 table 半导体行业专题半导体行业专题 http:/ 11/46 请务必阅读正文之后的免责条款部分 从性能参数上来看，Smart-CutTM技术是现在 SOI 硅片技术中性能最优异的。Simbond 技术性能和 Smart-Cut 技术性能相差不大，但是在顶层硅厚度方面，Smart-Cut 技术生产的 SOI 硅片更薄，而且从生产成本来说，Smart-Cut 技术可以重复利用硅片，对于未来的大批量生产情况，Smart-Cut 技术更有优势，所以现在业界公认以 Smart-Cut 技术为未来 SOI 硅片发展方向。表表 1：SOI 硅片不同制造技术的性能对比硅片不同制造技术的性能对比 主要参数主要参数 BSOI 技术技术 Simbond 技术技术 Smart-CutTM技术技术 顶层硅厚度 1-200um 0.0753um(加外延）0.0751.5um 绝缘埋层厚度 0.34um 0.053um 0.053um 顶层硅位错密度/1000cm-2 100cm-2 衬底片厚度 300950um/电阻率 0.0015000cm/表面颗粒（0.16um）200 200 200 表面金属玷污水平 5E10-2 3E10-2 3E10-2 边缘未键合区域宽度/5mm 5mm 顶层硅厚度均匀性 0.5um 12.5nm 12.5nm 绝缘埋层厚度均匀性 2.5%/表面粗糙度/0.4nm 0.4nm 资料来源：硅产业招股书、浙商证券研究所 SIMOX 技术：SIMOX 全称 Separation by Implanted Oxygen（注氧隔离技术）。向晶圆中注入氧原子，然后经过高温退火，使氧原子与周围的硅原子发生反应，生成一层二氧化硅。此项技术的难点是控制氧离子注入的深度与厚度。对于离子注入技术有较深刻的掌握。Bonding 技术：Bonding 技术又称键合技术，用 bonding 制造的 SOI 硅片又叫 Bonded SOI，简称 BSOI。Bonding技术需要两片普通硅晶圆，在其中一片上生长一层氧化层（SiO2），然后与另外一片硅源键合，连接处就是氧化层。最后再进行研磨和抛光到想要的填埋层（SiO2）深度。由于键合技术比离子技术更容易掌握，所以目前 SOI 硅片大都采用 bonding 技术制作。图图 17：离子注入方式形成绝缘体上硅离子注入方式形成绝缘体上硅 图图 18：wafer bonding 方式形方式形成绝缘体上硅成绝缘体上硅 资料来源：硅产业招股书、Soitec、浙商证券研究所 资料来源：硅产业招股书、Soitec、浙商证券研究所 table 半导体行业专题半导体行业专题 http:/ 12/46 请务必阅读正文之后的免责条款部分 Sim-bond 技术：注氧键合技术。Sim-bond 技术是 SIMOX 与 bond 技术的结合。优点是可以高精度控制埋氧层厚度。第一步是向一片硅晶圆注入氧离子，然后高温热退火形成氧化层，然后在该硅片表面形成一层 SiO2 氧化层。第二步是将该硅片与另外一片晶圆键合。然后进行高温退火形成完好的键合界面。第三步，减薄工艺。利用 CMP 技术减薄，但是与 bond 技术不同的是，sim-bond 有自停止层，当研磨到 SiO2 层时，会自动停止。然后经过腐蚀去掉 SiO2层。第四步是抛光。Smart-cut 技术：智能剥离技术。Smart-cut 技术是键合技术的一种延伸。第一步是将一片晶圆氧化，在晶圆表面生成固定厚度的 SiO2。第二步是利用离子注入技术，向晶圆的固定深度注入氢离子。第三步是将另外一片晶圆与氧化晶圆键合。第四步是利用低温热退火技术，氢离子形成气泡，令一部分硅片剥离。然后利用高温热退火技术增加键合强度。第五步是将硅表面平坦化。这项技术是国际公认的 SOI 技术发展方向，埋氧层厚度完全由氢离子注入深度决定，更加准确。而且被剥离出的晶圆可以重复利用，大大降低了成本。图图 19：sim-bond 方式形成绝缘体上硅方式形成绝缘体上硅 图图 20：Smart-cut 方式形成绝缘体上硅方式形成绝缘体上硅 资料来源：浙商证券研究所 资料来源：浙商证券研究所 table 半导体行业专题半导体行业专题 http:/ 13/46 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2.硅片硅片：制造难度大且：制造难度大且壁垒高壁垒高 2.1.硅片制造技术过程硅片制造技术过程 硅片的原材料是石英，也就是通常说的沙子，可以直接在自然界开采。晶圆制造的过程可以通过几步来完成。脱氧提纯，提炼多晶硅，单晶硅锭（硅棒），滚磨，晶片切割，晶圆抛光，退火，测试，包装等等步骤。图图 21：CZ（直（直拉法）拉法）半导体硅片制造过程半导体硅片制造过程 图图 22：CZ 法拉单晶示意图法拉单晶示意图 资料来源：硅产业招股书、浙商证券研究所 资料来源：环球晶圆、浙商证券研究所 脱氧提纯：脱氧提纯：硅片制造厂的原料是石英矿石，石英矿石的主要原料是二氧化硅（SiO2）。首先将石英矿石进行脱氧提纯，主要工艺有分选，磁选，浮选，高温脱气等等。主要将矿石中的主要杂质去除掉，比如铁、铝等杂质。提炼多晶硅：提炼多晶硅：在得到相对较纯的 SiO2 后，经过化学反应，生成单晶硅。主要反应为 SiO2+CSi+CO，一氧化碳（CO）为气体，反应完成后直接挥发掉。所以只剩下硅晶体。此时的硅为多晶体硅，并且为粗硅，存在一些杂质比如铁，铝，碳，硼，磷，铜等等元素。为了过滤掉多余杂质，必须将得到的粗硅进行酸洗，常用的酸是盐酸（HCl），硫酸（H2SO4）等等，用酸浸泡后的硅含量一般在 99.7%以上。在酸洗的过程中，虽然将铁，铝等等元素也溶于酸且过滤掉。但是硅也和酸反应生成 SiHCl3（三氯氢硅）或 SiCl4（四氯化硅）。但是这两种物质都是气态，所以酸洗过后，原来的铁、铝等杂质已经溶于酸，但是硅已经变为气态。最后将高纯的气态 SiHCl3 或者 SiCl4 用氢气还原得到高纯多晶硅，SiHCl3+H2Si+3HCl，SICl4+2H2Si+4HCl。此时得到生产用的多晶硅。2.1.1.CZ（直拉法）（直拉法）直拉法（直拉法（CZ）法）法硅片主要用在逻辑，存储器芯片中硅片主要用在逻辑，存储器芯片中，市场占比约为，市场占比约为 95%；直拉法最早起源于 1918 年 Czochralski从熔融金属中拉制细灯丝，所以又叫 CZ 法。这是当今生长单晶硅的主流技术。主要流程是在坩埚中放入多晶硅，加热使之熔融，然后夹住一块单晶硅的籽晶，将它悬浮在坩埚之上，直拉时，一端插入熔体直到融化，然后再缓慢旋转并向上提拉。这样在液体与固体的界面就会经过逐渐冷凝形成单晶。由于整个过程可以看作是复制籽晶的过程，所以生成的硅晶体是单晶硅。另外，晶圆的掺杂也是在拉单晶的过程中进行的，通常有液相掺杂和气相掺杂两种。液相掺杂就是指在坩埚中参杂 P 型或者 N 型元素，在拉单晶的过程中，可以直接将这些元素拉到硅棒中。table 半导体行业专题半导体行业专题 http:/ 14/46 请务必阅读正文之后的免责条款部分 图图 13：CZ 法拉单晶的方法法拉单晶的方法 图图 24：拉单晶之后的硅棒拉单晶之后的硅棒 资料来源：Siltronic、浙商证券研究所 资料来源：上海新昇、浙商证券研究所 直径滚磨：由于在拉单晶的过程中，对于单晶硅棒的直径控制较难，所以为了得到标准直径的硅棒，比如 6 寸，8寸，12 寸等等。在拉单晶后会将硅锭直径滚磨，滚磨后的硅棒表面光滑，并且在尺寸误差上更小。切割倒角：在得到硅锭之后，就进行晶圆切割，将硅锭放臵在固定切割机上，按照已经设定好的切割程式进行切割。由于硅片的厚度较小，所以切割后的硅片边缘非常锋利。倒角的目的就是形成光滑的边缘。倒角后的硅片有较低的中心应力，因而使之更牢固，并且在以后的芯片制造中不容易碎片。抛光：抛光的主要目的是将晶圆的表面变得更加平滑，平整无损伤，并且保证每片晶圆的厚度一致性。测试包装：在得到抛光好的硅片后，需要对硅片的电学特性进行测试，比如电阻率等等参数。大部分硅片厂都有外延片服务，如果需要外延片，再进行外延片生长。如果不需要外延片就会打包包装，运往其他外延片厂或者晶圆厂。2.1.2.FZ（区熔法）（区熔法）区熔法（区熔法（FZ）硅片主要用在部分功率芯片）硅片主要用在部分功率芯片中中，市场占比约为，市场占比约为 4%；用 FZ（区熔法）制作的硅片主要用作功率器件。并且硅片尺寸以 8 英寸，6 英寸为主，目前约有 15%的硅片使用区熔法制作。与 CZ 法制作的硅片相比，FZ 方法最大的特点就是电阻率相对较高，纯度更高，能够耐高压，但是制作大尺寸晶圆较难，而且机械性质较差，所以常常用于功率器件硅片，在集成电路中使用较少。区熔法制作单晶硅棒总共分为三步：加热多晶硅，籽晶接触，向下旋转拉单晶。在真空或者惰性气体环境下的炉室中，利用电场给多晶硅棒加热，直到被加热区域的多晶硅融化，形成熔融区。然后用籽晶接触熔融区，并融化。最后通过移动电场加热位臵，使多晶硅上的熔融区不断上移，同时籽晶缓慢旋转并向下拉伸，逐渐形成单晶硅棒。因为在区熔法中不适用坩埚，所以避免了很多污染源，用区熔法拉的单晶具有纯度高的特点。图图 25：FZ 法拉单晶空间结构法拉单晶空间结构 图图 26：FZ 拉单晶示意图拉单晶示意图 资料来源：Siltronic、浙商证券研究所 资料来源：Siltronic、浙商证券研究所 table 半导体行业专题半导体行业专题 http:/ 15/46 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2.2.硅片制造成本分析硅片制造成本分析 2.2.1.新能源新能源硅片制造成本硅片制造成本 光伏硅片成本大概可以分为硅料成本，长晶成本和切割成本。其中硅料成本是主要的成本消耗部分，约占总成本的 50%。由于单晶硅和多晶硅对于长晶过程的要求不同，所以在长晶过程是单晶硅片和多晶硅片的主要成本差别。在切片环节，硅片制造商可以提高硅片的切割出片量来分摊成本。在长晶过程中的设备、电费、特气以及人工费用等等。单晶硅制造成本：单晶硅制造成本：在硅成本和切片方面，单晶硅和多晶硅的差别不是很大。长晶环节是主要的成本差异。从单晶硅片的成本结构来看，硅料成本约占 50%，拉单晶硅棒的成本约占整个成本的 33%，切割成本约占 17%。在拉单晶过程中的成本结构中，以坩埚费用和电费为主要成本来源，两者总共占比约为 45%。剩余成本由石墨热场和折旧费用为主。在坩埚成本方面，拉单晶的石英坩埚在经过高温、冷却等等步骤之后，会产生裂纹或者破裂，导致无法再次使用。并且，由于拉单晶对于坩埚的洁净度要求很高，所以使用过的坩埚无法保证洁净度，同时单晶硅对于坩埚的品质要求较高。所以拉单晶的坩埚价格较高，且无法重复使用。在电力成本方面，国内半导体硅片厂商或者光伏硅片厂商都在内蒙古，云南，贵州等电力成本相对较低的区域建厂，有利于成本降低。单晶硅片的成本降低主要来源于三个方面。第一，提高单炉产出摊薄坩埚等一次性耗材和设备折旧。第二，电力成本降低。第三，批量采购硅料的价格优势。图图 27：CZ 法拉单晶成本结构法拉单晶成本结构 图图 28：CZ 法拉单晶过程成本结构法拉单晶过程成本结构 硅料成本,50%长晶成本,33%切割成本,17%坩埚,23.90%电力,22.50%石墨热场,18.30%折旧,14.10%人工,12.70%维修,4.20%其他,4.30%资料来源：华经情报网、浙商证券研究所 资料来源：华经情报网、浙商证券研究所 多晶硅制造成本：多晶硅制造成本：多晶硅的生产制造过程中不需要拉单晶环节，所以长晶环节的成本占比较低。长晶成本只占总成本的 12%。成本的主要来源是硅料成本，约占总成本的 52%。其次是切割成本，约占总成本的 29%。在多晶硅长晶成本中，石墨热场占比最高，达到 28%。其次是坩埚、折旧和电力成本，分别占比为 16.7%、16.7%和 13.9%。由于多晶硅硅片主要用在光伏产品中，而且有逐渐被单晶硅片代替的趋势，所以多晶硅片的成本下降空间不大。图图 29：多晶硅片成本结构多晶硅片成本结构 图图 30：多晶硅长晶成本结构多晶硅长晶成本结构 硅料成本,52%切割成本,29%长晶成本,12%其他,7%石墨热场,27.80%坩埚,16.70%折旧,16.70%电力,13.90%人工,8.30%维修,5.60%其他,11%资料来源：华经情报网、浙商证券研究所 资料来源：华经情报网、浙商证券研究所 table 半导体行业专题半导体行业专题 http:/ 16/46 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2.2.2.半导体半导体硅片制造成本硅片制造成本 半导体硅片成本构成更复杂半导体硅片成本构成更复杂：半导体硅片在纯度和电学特性方面较新能源硅片有更高要求，所以在制造过程中需要更多的纯化步骤和供应原料，造成制造原料的种类更加多样化。所以硅料成本占比相对减少，但是制造费用占比会相对增加。同时，相对于新能源硅片成本，半导体硅片在 直接材料是主要直接材料是主要营业成本构成营业成本构成：对于半导体硅片来说，原材料成本是主要成本，约占主营业务成本的 47%。其次是制造费用，约占 38.6%，与半导体制造业类似，硅片行业属于资本密集型行业，对固定资产投资需求较高，会因