硅片,半导体ldquo基石rdqu
硅片是半导体晶圆制造的“起源”。振兴中国半导体产业，硅片制造就成为不得不攻坚的“关卡”。目前，全球半导体硅片市场高度集中，CR5约90%，日企信越化学、胜高占主导地位。贸易摩擦背景下，修订版《瓦森纳协议》对我国mm硅晶圆施行技术封锁，沪硅产业突围，实现mm硅晶圆破零局面。本篇，我们主要梳理半导体硅片行业，并简介“脊梁”企业沪硅产业。
硅片，半导体核心材料
根据SEMI国际半导体产业协会数据，年全球半导体材料市场规模达到亿美元，其中，晶圆制造材料占比约63%，达亿美元。晶圆制造材料中占比最大的是硅片，年硅片市场规模占晶圆制造材料总规模的35%，金额为亿美元。
图表：年全球晶圆制造材料市场占比及价值量分布
资料来源：SEMI国际半导体产业协会
硅片在半导体晶圆制造领域占据“基石”地位，可谓是“起源”。在贸易摩擦及半导体逆全球化背景下，修订版《瓦森纳协议》对mm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，“大硅片”在我国半导体战略中意义更加凸显。
硅片，制造工艺成熟
硅片制造过程包括：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，包装等步骤。其中，脱氧提纯，提炼多晶硅，单晶硅锭（硅棒）是核心制造环节。
（1）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。
（2）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+C→Si+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+H2→Si+3HCl，SICl4+2H2→Si+4HCl。此时得到生产用的多晶硅。
（3）单晶硅锭（硅棒）
①CZ（直拉法）
直拉法（CZ）法硅片主要用在逻辑，存储器芯片中，市场占比约为95%；直拉法最早起源于年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。
图表：CZ法拉单晶的方法
资料来源：Siltronic
②FZ（区熔法）
区熔法（FZ）硅片主要用在部分功率芯片中，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。
图表：FZ拉单晶示意图
资料来源：Siltronic
总体上来看，半导体硅片的制造工艺与光伏级硅片极为相似，那么在中国光伏产业链“雄霸”全球的背景下，半导体硅片为何“如此惨淡”？
半导体硅片，“四大”壁垒
对于半导体硅片，主要有“四大”壁垒：技术壁垒，认证壁垒，设备壁垒和资金壁垒。
图表：半导体硅片主要壁垒
资料来源：浙商证券研究所
（1）技术壁垒
硅片的技术指标比较大，除去常见的尺寸大小，抛光片厚度等等外，还有硅片的翘曲度，电阻率，弯曲度等等。在主流的mm硅片方面，由于先进制程对于硅片的均匀性要求较高，所以相对于mm晶圆，增加了平整度，翘曲度，弯曲度，表面金属残余量等等参数来监测mm硅片的质量要求。在纯度方面，先进制程的硅片要求在9N（99.%）-11N(99.99%)左右，是硅片供应商的主要技术壁垒。
硅片是高度定制产品；纯度是硅片的最基本参数，也是主要技术壁垒。除此之外，硅片不是通用型产品，无法复制。大硅片在各个晶圆代工厂的规格完全不同，各个终端产品的用途不同也会导致硅片的要求规格完全不同。这就要求硅片厂商要根据不同的终端客户产品来设计和制造不同的硅片，这就更大增加了硅片供应难度。
（2）认证壁垒
芯片制造企业对于各类原材料的质量有着严苛的要求，对供应商的选择也非常谨慎。进入芯片制造企业的供应商名单具有较高的壁垒。通常，芯片制造企业会要求硅片供应商提供一些硅片进行试生产，并且大多数用在测试片，而不是晶圆量产片。通过测试片后，会小批量试生产量产片，待通过内部认证后，芯片制造企业会将产品送至下游客户处，获得其客户认证后，才会对硅片供应商进行最终认证，最后签订采购合同。半导体硅片企业的产品进入芯片制造企业的供应链需要经历较长的时间，对于新供应商的认证周期最短也需要12-18个月。
此外，测试片到量产片的认证壁垒：目前国内的12寸晶圆大多停留在测试片的供应上，但是测试片的认证程序和量产片的认证程序完全不同，量产硅片的认证标准更加严格。测试硅片由于不制造芯片，所以只需要晶圆代工厂自己认证，并且只需要在当前制造站点得到认证就可以。但是对于量产硅片来说，必须得到终端fabless客户的认证，并且要得到整个制造流程各个步骤的监测才可以批量供应。一般情况下，为了保持硅片供应和芯片良率的稳定。晶圆制造商与硅片供应商一旦建立供应关系后，不会轻易更换供应商，且双方建立反馈机制，满足个性化需求，硅片供应商与客户的粘性不断增加。新硅片厂商如果加入到供应商行列，必须提供比原有供应商更加紧密的合作关系和更高的硅片质量。所以在硅片行业，硅片供应商和晶圆制造商的粘性较大，新晋供应商打破粘性的难度较大。
（3）设备壁垒
制造硅片的核心设备是单晶炉，可谓是硅片中的“光刻机”。国际主流硅片厂商的单晶炉都是自己制造。比如信越和SUMCO的单晶炉是公司独立设计制造或者通过控股子公司设计制造，其他硅片厂商无法购买。其他主要的硅片厂商都有自己的独立单晶炉供货商，并且签订严格的保密协定，导致外界硅片厂商无法购买，或者只能购买到普通单晶炉，而对于高规格单晶炉无法供货。所以设备壁垒也是国内厂商无法进入全球硅片主流供应商的原因。
（4）资金壁垒
半导体硅片制造工艺复杂，需要购买先进，昂贵的生产设备，也需要根据客户的不同需求不断进行修改和调试。由于设备折旧等固定成本较高，下游需求的变化对硅片企业的产能利用率影响较大，从而对硅片制造公司的利润影响较大。特别是新进入硅片行业的公司，在没有达到规模出货之前，几乎一直处于亏损状态，对资金壁垒要求较高。另外，由于晶圆厂对于硅片的认证周期较长，这期间需要硅片制造商持续投入，也需要大量资金。
回到半导体硅片为何“如此惨淡”这个问题上，壁垒仅是门槛。实际上，硅片的技术壁垒，相较于CPU、EDA等环节，并不算高，这点从研发投入金额、人员来看，可见一斑。“硅片-晶圆制造厂”是一个生态循环，我国大陆晶圆制造弱，似乎就天然宣告硅片不会太强，打破“生态压制”才有望实现战略胜利。
竞争格局：日企主导，沪硅产业突围
半导体硅片行业具有技术壁垒高、研发周期长、资金投入大、下游验证周期长等特点，市场集中度较高，主要被日本信越化学ShinEtsu、日本胜高SUMCO、中国台湾环球晶圆、德国世创Siltronic和韩国SKSiltron五大企业占据，其中日本信越化学ShinEtsu是半导体硅片行业绝对龙头。根据SEMI国际半导体产业协会数据，年全球硅片CR5为93%，年全球硅片CR5为89%。年以前，中国大陆企业主要生产mm以下中小尺寸半导体硅片，mm尺寸硅片几乎全部依赖进口。年，硅产业集团（沪硅产业）子公司上海新昇作为中国大陆率先实现mm硅片规模化销售的企业，其打破mm半导体硅片国产化率几乎为零的局面。
图表：年全球半导体硅片市场竞争格局
资料来源：SEMI国际半导体产业协会
沪硅产业：“脊梁”企业，盈利堪忧
沪硅产业作为我国半导体硅片领军企业，肩负着提升国家产业安全的重任，公司坚持面向国家半导体行业的重大战略需求，坚持全球化布局，坚持紧跟国际前沿技术，突破了多项半导体硅片制造领域的关键核心技术，打破了我国12英寸半导体硅片国产化率几乎为0%的局面。经过多年的奋力追赶，公司已成为具备国际竞争力的半导体硅片企业，不仅向中芯国际、华虹宏力、华力微电子、华润微电子、长江存储、武汉新芯等国内顶尖晶圆制造商批量供应硅片，也向格罗方德、恩智浦、意法半导体等国外知名晶圆制造商批量供应硅片。
公司借鉴国际巨头的发展路径，通过投资，并购实现技术上的突破。年，公司以增资和股权转让方式取得上海新昇的控制权，获得了12英寸半导体硅片研发与生产能力。同年，公司以要约收购方式收购芬兰上市公司Okmetic的%股权，提升了8英寸及以下半导体抛光片及SOI硅片生产能力。年，公司取得新傲科技控制权，扩大了公司了在8英寸及以下半导体外延片和SOI硅片的生产能力。年，公司于上交所科创板IPO上市。年，公司50亿元定增方案获批，将募集资金进行12英寸高端硅片的研发与扩产。
图表：沪硅产业发展历程
资料来源：公司
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