半导体硅片产业链、分类及生产流程有哪些？

根据掺杂程度不同，半导体硅片可分为轻掺硅片和重掺硅片。

半导体硅片在半导体产业链中位于行业上游，而半导体硅片的上游为原材料和生产设备，原 材料包括多晶硅、石墨制品、切磨耗材、抛光耗材、包装材料等；生产设备包括单晶炉、切 割机、光刻机等。中游半导体硅片可分别按尺寸、加工程度划分。下游为半导体器件，包括 集成电路、分立器件、光电器件、传感器等。

半导体硅片可以按照尺寸、掺杂程度、工艺等方式进行划分。按照尺寸划分，半导体硅片的 尺寸（以直径计算）主要包括 23mm、25mm、28mm、50mm（2 英寸）、75mm（3 英寸）、 100mm（4 英寸）、125mm（5 英寸）、150mm（6 英寸）、200mm（8 英寸）与 300mm（12 英寸）等规格。 自 1960 年生产出 23mm 的硅片之后，硅片尺寸就越来越大，到 2002 年已 经可以量产 300mm（12 英寸）硅片，厚度则达到了历史新高 775μm。

根据摩尔定律，当硅片尺寸越大，单个硅片上的芯片数量就越多，从而能够提高生产效率、 降低生产成本。300mm 硅片是 200mm 硅片面积的 2.25 倍，生产芯片数量方面，根据 Silicon Crystal Structure and Growth 数据，以 1.5cm×1.5cm 的芯片为例，300mm 硅片芯片数量232 颗，200mm 硅片芯片数量 88 颗，300mm 硅片是 200mm 硅片芯片数量的 2.64 倍。

根据应用领域的不同，越先进的工艺制程往往使用更大尺寸的硅片生产。因此，在摩尔定律 的驱动下，工艺制程越先进，生产用的半导体硅片尺寸就越大。目前全球半导体硅片以 12 英 寸为主，根据中商产业研究院数据，2021 年全球硅片 12 英寸占比 68.47%，8 英寸占比 24.56%，6 英寸及以下占比 6.97%。未来随着新增 12 英寸晶圆厂不断投产，未来较长的时 间内，12 英寸仍将是半导体硅片的主流品种，小尺寸硅片将逐渐被淘汰，但是 8 英寸短期仍 不会被 12 英寸替代。目前量产硅片止步 300mm，而 450m 硅片迟迟未商用量产，主要原因 是制备 450mm 硅片需要大幅增加设备及制造成本，但是 SEMI 曾预测每个 450mm 晶圆厂 单位面积芯片成本只下降 8%，此时晶圆尺寸不再是降低成本的主要途径，因此厂商难以有 动力投入 450mm 量产。

全球 8 英寸和 12 英寸硅片下游应用侧重有所不同，根据 SUMCO 数据，2020 年 8 英寸半 导体硅片下游应用中，汽车/工业/智能手机分列前 3 名，占比分别为 33%/27%/19%；2020 年 12 英寸半导体硅片下游应用中，智能手机/服务器/PC 或平板分列前 3 名，占比分别为 32%/24%/20%。

根据头豹研究院数据，12 英寸对应 3-90nm 制程，产品包括手机 SoC、CPU、GPU、存储、 通信、FPGA、MCU、WiFi/蓝牙等；8 英寸对应 90nm-0.25μm 制程，产品包括汽车 M CU、 射频、指纹识别、电源管理、功率、LED 驱动等；6 英寸对应 0.35μm -1.2μm 制程，产品包 括 MOSFET、IGBT、MEMS 等。

根据掺杂程度不同，半导体硅片可分为轻掺硅片和重掺硅片。硅片掺杂元素的掺入量越大， 其电阻率越低, 重掺硅片的电阻率小于 0.001Ω·m，轻掺硅片的在电阻率在 0.01-0.001Ω·m 之间。重掺硅片在技术上相对比较成熟，目前用于生产功率器件，比如 MOSFET、IGB T 等； 轻掺硅片在技术上难度较高，主要用于集成电路领域，比如 CPU、GPU、CIS 图像传感器芯 片以及 MCU、模拟芯片等。由于集成电路在全球半导体市场中占比超过 80%，全球对轻掺硅片需求更大。 按照工艺划分，一般可分为抛光片、外延片、SOI 片等，其中以抛光片和外延片为主。半导 体硅片的生产流程较长，且所涉及的工艺种类繁多，整体制备流程较为复杂，各个环节包括 拉晶、硅锭加工、成型、抛光、外延、清洗出货等。

在整个硅片加工流程中最重要的就是拉晶环节，这一技术环节是决定硅片性能的关键。拉晶 环节对单晶硅的制备方法通常分为直拉法（Czochralsk，CZ 法）和区熔法（Float-Zone，F Z 法）。其中，直拉法是最常用的制备工艺，采用直拉法的硅单晶约占 85%，12 英寸硅片只能 用直拉法生产。 直拉法是把高纯度化后的多晶硅置于石英坩埚中在 1420°C 下熔融，接着将单晶硅籽晶插 入熔体表面，当籽晶与熔体到过饱和温度后边旋转边提拉籽晶，将晶体生长成与籽晶原子排 列相同的单晶锭，根据生长晶体不同的要求，加热方式可用高频或中频感应加热或电阻加热。 直拉法技术要求较低因而成本较低，工艺发展也较为成熟，氧含量更高，更容易大量生产出 大尺寸单晶硅棒，目前主要用在逻辑、存储芯片中，市占率约为 95%。 区熔法在生产单晶的过程中不使用坩埚，而是在熔区设置磁托，使得多晶硅棒始终处于悬浮 状态，接着通过高频加热线圈熔化籽晶与多晶硅接触的区域，进行单晶生长。由于该方法避 免了坩埚造成污染，实现单晶硅在不同任何物质接触的情况下进行悬浮生长，因此生产的单 晶硅氧含量较低，纯度较高，性能更好，对应的，该方法工艺更为复杂，技术要求上更为严 格，成本也相对较高，主要以 8 英寸及以下尺寸为主，目前主要用在部分功率芯片中，市占 率约为 4%。

单晶硅锭经过切割、研磨和抛光处理后， 便得到抛光片。抛光片本身可直接用于制作半导体 器件，广泛应用于存储芯片与功率器件等， 此外也可作为退火片、外延片、结隔离硅片、SO I 硅片的衬底材料。 外延是通过 CVD 的方式在抛光面上生长一层或多层掺杂类型、电阻率、厚度和晶格结构都 符合特定器件要求的新硅单晶层。因此外延片是抛光片经过外延生长形成的，外延技术可以 减少硅片中因单晶生长产生的缺陷，具有更低的缺陷密度、含碳量和含氧量，能够改善沟道 漏电现象，提高 IC 可靠性，被广泛应用于制作通用处理器芯片、图形处理器芯片。如果生长 一层高电阻率的外延层，还可以提高器件的击穿电压，用于制作二极管、IGBT等功率器件， 广泛应用于汽车电子、工业用电子领域。

SOI 是绝缘层上硅，核心特征是在顶层硅和支撑衬底之间引入了一层氧化物绝缘埋层，能够 实现全介质隔离，大幅减少了硅片的寄生电容以及漏电现象，并消除了闩锁效应。SO I 硅片 是抛光片经过氧化、键合或离子注入等工艺处理后形成的，特点是寄生电容小、短沟道效应 小、低压低功耗、集成密度高、速度快、工艺简单、抗宇宙射线粒子的能力强，因此适用于 制造耐高压、耐恶劣环境、低功耗、集成度高的芯片，如射频前端芯片、功率器件、汽车电 子、传感器以及星载芯片等，尤以射频应用最为广泛。SOI 硅片价格高于一般硅片 4 至 5 倍， 主要应用中，5G 射频前端（RF-SOI）占比 60%，Power-SO 和 PD-SOI 各占 20%。