2025年半导体行业专题报告：突围“硅屏障”——国产晶圆技术攻坚与供应链自主化

一、半导体材料市场概览：硅片主导晶圆制造材料

根据Semi数据，晶圆制造材料、后道封装材料分别占据半导体材料市场规模62.8%、37.2%；其中，硅片市场规模占据22.9%，主导前道硅片 制造材料市场。

二、半导体材料市场概览：2023年半导体材料市 场小幅萎缩

根据SEMI数据，连续三年扩产导致一定库存压力，下游需求减弱，2023年全球半导体材料市场小幅萎缩至667亿美元；其中，2023年晶 圆制造材料较2022年下降7%至415亿美元。

分地区销售额来看，2023年中国台湾连续十四年位居全球第一，收入为192亿美元；中国大陆销售额占比提升至19.61%；除中国大陆地 区，其他地区均呈现不同程度的下降（2022年中国大陆地区销售额为129亿美元，2023年为131亿美元）。

三、半导体材料市场概览：24年三季度，全球硅 片出货面积企稳

硅片出货周期基本同步于半导体产业链景气周期，但领先于半导体设备资本开支。2024年全球硅片出货面积约12,266MSI(百万平方英 寸），较23年下降3%。2024年Q3，全球硅片出货面积企稳回升，Q3、Q4同比增长6.24%、6.78%。

四、硅片市场：AI及高性能算力需求催化大尺寸 硅片

按照掺杂类型，半导体硅片可分为P型、N型，驱动自由载流子分别为空穴（正电荷）、电子（负电荷），当前存储、逻辑芯片多采用P 型硅片。按照掺杂浓度可分为重掺杂、轻掺杂；根据工艺不同，可分类为硅抛光片、外延片及SOI等。 2024 年下半年随着下游复苏，半导体行业开始回暖，但电子级硅片属于半导体产业上游，前期库存仍需一定时间消化，导致电子级硅 片市场回暖存在滞后性。

大尺寸硅片降本。根据尺寸（直径）大小，半导体硅片可分为4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸。6英寸及以下尺寸主要用于MOSFET 功率器件、IGBT、MEMES、分立器件等；8英寸主要应用于射频芯片、模拟芯片、面板驱动、CIS等；而12英寸主要应用于高端XPU逻辑芯片。 硅片尺寸越大，单片硅片制造芯片数量越高，边缘损耗越小，单位芯片成本越低。同样工艺条件下，12英寸半导体硅片可适用面积超过8 英寸硅片的2.25倍。根据SUMCO预测，云计算及存储需求，预计2021-2025年，12英寸半导体晶圆在高性能计算及DRAM需求复合年增长率分 别为14.7%、10%。

人工智能催化下，高性能算力、高IO、多层堆叠3D NAND等推动12英寸硅片需求。举例而言，随着 NAND Flash 堆叠层数提升至 200层、300 层，甚至 400 层，按目前业内技术路线共识，所有厂商均会切换至通过2片晶圆键合制作1个 NAND Flash 完整晶圆的工艺，相当于12英寸硅片需求翻倍。 根据SUMCO预测，2025年一季度，300mm晶圆出货量恢复，200mm晶圆出货量预计继续受到客户生产调整的影响；价格方面，300mm和200mm晶圆的长期合 同价格保持稳定，但小直径晶圆的现货价格因地区和用途而异。

五、大尺寸硅片仍由海外主导，国内需求持续扩张

“贸易战”影响下，国产12英寸大硅片或加快渗透。当前全球12英寸硅片形成“寡头”竞争格局，且基本由日本企业主导。12英寸硅片产能CR5约达80%，出货量 占比也高达80%。供给端：根据SEMI统计及公开数据统计，2024年全球12英寸硅片月均出货量约865万片/月，信越化学、SUMCO、环球晶圆、SK Siltron合计月均出货占比约 79.08%。 需求端：基于国内明确的晶圆厂（Fab)扩建计划，预计2026年中国大陆地区对12英寸硅片的需求将超过300万片/月，占届时全球12英寸硅片需求的1/3，其中以 中芯国际、华虹集团、长江存储、长鑫存储为代表的全部内资晶圆厂12英寸硅片需求将超过250万片/月。

六、电子级硅片对生产设备材料要求极为严格， 我国相应原材料储备量较少

在半导体制造领域，使用杂质含量较高的石英坩埚或高纯度石英组件会对半导体器件的生产和功能产生多种不利影响。铝、硼和磷等杂质，即使是极少量的杂 质，也会成为无意的掺杂剂，改变硅晶片的电气特性。这些变化会导致掺杂浓度的不良变化，从而导致晶圆上半导体的电性能不一致。 半导体硅片对原材料纯度要求较高，电子级多晶硅的纯度要求在9N（99.9999999%)，甚至11N纯度。通过化学还原生成多晶硅料再进行提纯，从而得到电子级多 晶硅 。电子级硅片生产工艺对原材料高纯度石英砂纯度要求在4N5（99.995%），甚至5N（99.999%，如SibelCo的IOTA-8，金属杂质含量不超过10mg/Kg）。

目前，我国石英矿床主要有七种工业类型，即天然晶体、石英砂岩、石英岩、脉状石英、粉末石英、石英砂和花岗岩石英。截至2022年， 石英岩和脉状石英的总储量分别达到13.6418亿吨和 8210 万吨。但是，能够用作高纯度石英原料的天然水晶、脉状石英、花纲伟岩较少。 根据中国地质科学郑州矿产综合利用研究所预测，预计到2025年我国4N5级及以上高纯石英用量将超过25万吨，年复合增长率约20%，国内 高纯石英供需缺口将超过10万吨。

七、硅片加工工艺：工业硅->电子级多晶硅

工业硅 → 电子级多晶硅： 通过石英砂与还原碳在电弧炉（SAF）反应得到冶金级硅（MG-Si）

真空精炼（VLF）与定向凝固（DS）进行冶金预钝化。

氯化：把实心硅转化为可精馏的氯硅烷，使用镍基或内衬高纯石英的流化 床反应器；高纯石英喷嘴能抑制 Fe、Ni 等金属污染。把难以在冶金环节 去掉的 B、P 等元素转化为挥发性氯化物，为后续精馏做准备。

精馏，利用沸点差“深度洗涤”氯硅烷。

化学气相沉积（CVD）：把高纯气体重新转回固态硅，可通过西门子法或 流化床颗粒CVD • STC 闭环：四氯化硅的再氢化。CVD 副产的大量 STC 会被送入石英管式 氢还原炉，在 1000-1100 ℃ 下重新变成 TCS，再回到第 4 步使用。

酸洗与分级。Siemens 粗棒或 FBR 颗粒在切割、分级后，用 HF/HNO₃ 等 对表面进行化学去污。酸槽和托盘可以是高纯 PVC 配合石英格篮，去除 最后痕量金属和氧化皮。 洁净包装 ：从氯化开始直到CVD结束，高温区与强氯氢混合气直接接触的所有内壁、喷 嘴、钟罩、炉管几乎都必须用 4-5 N 以上石英制造。在 Siemens 反应器 和 STC 氢化炉里，石英对金属杂质的“屏障”作用最为关键——如果局部 纯度降到3N，蒸发出来的 Fe、Cr 便足以使最终硅纯度降一个数量级。

八、硅片加工工艺：直拉法 、区熔法制备硅锭

直拉法（CZ法）：将高纯多晶硅料放入石英坩埚中加热至约 1410°C融化，然后用一根小的单晶籽晶接触熔融硅液并缓慢提拉， 使熔体在籽晶引导下凝固成长出大尺寸单晶硅锭。Dash（缩颈）以 消除位错，然后放宽肩部、转为等径晶体坩埚和晶体同时旋转以均 匀成分分布，最终长成圆柱状硅单晶棒（晶锭）.典型直拉生长包 括引晶、缩颈、等径生长，最后收尾完成晶锭。通过精确控制提拉 速度决定晶体直径，控制籽晶/坩埚转速和热场实现无位错单晶生 长。

主要设备：直拉单晶炉由加热炉腔、石英坩埚及其升降旋转机构、 籽晶杆提拉系统和过程控制系统等组成，在真空或惰性气氛下运行。 现代直拉炉可生长直径200–300mm的大晶锭（棒）。

关键控制：精确控制温度梯度和提拉速率以避免热应力和缺陷产生， 同时通过坩埚和晶体旋转以及可选的磁场控制（MCZ技术）影响熔 体对流和固液界面形状，从而调节晶体缺陷分布和氧杂质含量。由 于直拉法在石英坩埚中生长，硅中会固溶一定浓度的氧；需通过控 制冷却速率和后续热处理来管理氧沉淀。直拉工艺需全程严格控制 热场和拉速，以获得高纯度、低缺陷的大尺寸单晶硅。

九、硅片加工工艺：截断、滚磨、切片、倒角、 双面研磨、抛光

无论是采用的直拉还是区熔方法生长的硅单晶棒，其硅单晶一般是按<100>或<111>晶向生长的，由于晶体生长时的热力势作用，使得晶体外形表面还不够平整，其 直径有一定的偏差，外形直径也不符合最终抛光片所规定的尺寸要求，故单晶棒在切片加工前必须在X射线定向仪上，根据集成电路技术要求参照SEMI标准对硅单晶 棒的外圆表面进行定向、磨削（滚磨）加工。通过对单晶棒的滚磨加工，使其表面整形达到基本的直径及公差的要求，并确定其定位面的位置及基本尺寸。 主要设备: 主要使用金刚石线切割机或内径金刚石锯（ID saw）进行截断；切割耗材包括金刚石线、金刚石锯片及冷却液、抛光液等，旨在提高清洁切割度和减少 材料损耗。 海外代表有日本DISCO、Okamoto等公司提供高精度线锯和切割设备；国内厂商如晶盛机电、江苏长晶等近年也开始开发裁切设备，自主化水平逐步提升。

十、硅片的表面处理、清洗及检测

CMP抛光后需立即进行系统化清洗，以去除抛光液和微粒残留。典型流程包括 预清洗→主清洗→后处理/干燥。预清洗阶段主要以 DI水冲洗和/或使用表面活性剂或碱性清洗液，初步去除大颗粒和有机污染物。主清洗阶段一般采用RCA清洗流程：首先进行SC-1 （氨水+过氧化氢）清洗，然后过水冲洗，再进行SC-2（盐酸+过氧化氢）清洗，或视情况在中间加入稀释HF（DHF，稀释氢氟酸） 去除化学氧化层，最后再用DI水冲洗。清洗结束后可进行臭氧水或过氧化氢处理，生长化学氧化层保护硅表面，并进行最终冲洗 与烘干。

高温热处理（退火/氧化）：抛光后可在窑炉中进行热氧化和退火。生长一层几十纳米的牺牲氧化层可以“削”去近表面抛光损伤 （氧化后用HF去除），同时在表面形成高质量SiO₂保护层。进一步的氢气或氩气退火（如1000℃以上）会去除表层过剩氧，提高 晶片晶体质量 。 背面损伤增强：在热处理之后，背面通常进行“损伤层”制备，以实现外部吸杂。常用方法包括机械喷砂（采用氧化铝颗粒或硅 砂喷射）、化学腐蚀（例如KOH刻蚀产生粗糙多孔层）或激光照射打入局部损伤等 。背面CVD涂层处理：另一类外部吸杂技术是在背面沉积多晶硅或硅基膜。常见工艺是在低压化学气相沉积（LPCVD）设备中，在背 面原子层或微小过剩氧化前沿沉积一层多晶硅膜。多晶硅膜具有粗糙的晶粒结构，其晶界可作为杂质的富集位点，因此对杂质有 良好的吸附作用。沉积完成后对硅片进行高温退火（例如1000℃左右），促进金属杂质从硅基材中迁移到多晶硅层中；退火后再 用KOH或其他选择性刻蚀液去除多晶硅，恢复背面光洁。

十一、硅片分类：退火片、外延片、SOI

退火硅片是指将抛光硅片再经高温退火处理以改善晶体质量的硅片。将硅片置于高温炉中，在氢气或惰性气氛中加热到接近1100–1200°C并保温一段时间，然 后缓慢冷却。高温氢/惰性退火会使硅片表面附近的氧从晶格中析出并向表面扩散排出，从而形成表层无氧或低氧的“改良层” 。同时，在晶圆体内部富集的氧 有可能形成微氧化物沉淀，能够捕获金属杂质。 退火后的硅片表层晶格更完美、缺陷密度更低，表面区域形成无氧缺陷区，有利于提高器件良率。同时硅片内部形成的氧沉淀能充当内部捕获中心，提高对重金 属污染的吸附能力，实现内部自洁净（Intrinsic gettering）。 退火片把表层“无缺陷区” 与深层“金属陷阱”结合，解决了90nm以后微栅氧、深结漏电与金属交叉污染三大痛点。随着高-k 金属栅、FinFET、3D-IC 的普及， 以及芯片返修-回流温度不断上升，退火片已成为抛光片和外延片之间的“主流过渡形态”，并在功率与图像传感器等高可靠场景里继续扩大份额。

报告节选：

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