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硅片——半导体行业之基石

硅片是半导体产业最重要的基础材料

硅片是由高纯结晶硅为材料制造的圆片，一般作为集成电路和半导体器件的载体。与其他材料相比，结晶硅的分子结构非常稳定，很少有自由电子产生，因此其导电性极低。硅基半导体材料产量大、易获取、应用广，其应用覆盖了 90%以上的半导体产品。硅是除了氧元素之外第二丰富的元素，以多样的形式大量存在于沙子、岩石、矿物中，相较于其他半导体材料更加易于获取。

硅片主要用于半导体和光伏两大领域，半导体硅片更值得关注。二者差异主要体现在硅片类型、纯度、平整度、光滑度及洁净度等特性上。硅片在 IC 制造和太阳能电池领域均作为基底材料，为满足相应的电学特性，半导体级硅晶圆都是单晶硅，而太阳能电池用的硅晶圆则单晶硅与多晶硅皆有。半导体硅片纯度标准要求为99.999999999%以上（业内简称 11N），而光伏硅片纯度要求较低，约为 99.9999%左右。研磨、倒角、抛光、清洗等工艺都是制作硅片的必备流程，以保证半导体大硅片表面的平整度和光滑度被控制在 1nm 以内。由于半导体硅片制造较难、下游应用广泛、市场价值较高，因此也是硅片核心市场。

半导体硅片制造需经过一系列物理和化学操作，高纯和高精度是关键。通常将 95-99%纯度的硅称为工业硅；纯度达 99.9999999%至 99.999999999%（9-11 个 9）的称为超纯多晶硅；在获得超纯多晶硅之后，掺入硼（P）、磷（B）等元素改变其导电能力，放入籽晶确定晶向，制成半导体领域常用的单晶硅，切片、研磨、蚀刻、抛光、外延（如有）、键合（如有）、清洗等步骤之后，即可制成半导体硅片。在获得单晶硅的过程中，熔体温度、提拉速度、籽晶/石英坩埚的旋转速度以及熔体中的硼（P）、磷（B）等杂质元素浓度都起到决定性的作用。最后，在半导体硅片上布设晶体管和多层互联线，从而制成具有特定功能的集成电路或半导体器件。

大硅片制造难度随芯片制程提高而快速提升。硅片作为基础衬底，必须具备高纯净度、平整度、清洁度和低杂质污染度，才能完美保持芯片原本设计的功能。半导体芯片最新工艺节点已达 5nm，随着制程微缩，芯片制造对硅片缺陷密度与缺陷尺寸的容忍度不断降低，质量控制更严格。随尺寸增加，硅片质量控制和制造难度也倍数增加，难度主要体现在拉晶环节对速度和温度的精准把控，以及制造设备对晶圆工艺腔体均匀性的处理。

硅片正朝大尺寸和先进工艺发展，并衍生出多品类的需求结构

硅片（或硅基半导体）是目前产量最大、应用最广的半导体材料，远高于其他元素半导体或化合物半导体。常见半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）等元素半导体及砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等化合物半导体。相较于锗，硅的熔点为 1415℃，高于锗的熔点 937℃，较高的熔点使硅可以广泛用于高温加工工艺；硅的禁带宽度大于锗，更适合制作高压器件。相较于砷化镓，硅安全无毒、对环境无害，而砷元素为有毒物质；并且锗、砷化镓均没有天然氧化物，在晶圆制造时还需要在表面沉积多层绝缘体，这会导致下游晶圆制造生产步骤增加从而使生产成本提高。根据 SEMI 统计数据，全球 95%以上的半导体器件和 99%以上的集成电路采用硅作为衬底材料，而化合物半导体市场占比在 5%以内。由此可见，在半导体领域，硅片占据了半导体衬底的核心地位。

单晶硅片与多晶硅片

硅片分为单晶硅和多晶硅，半导体行业使用单晶硅。根据晶胞排列是否有序，硅片可分为单晶硅和多晶硅。二者在力学、光学与电学等物理性质上存在着差异，单晶硅的电学性质通常优于多晶硅。通常由于单晶硅的硅片内部只由一个晶料粒构成，基本完整的结构使得其光电转换效率更高，在 18%~24%左右，而多晶硅片的光电转换效率在 15%~19%左右。由于多晶硅片制造工艺简单、价格低廉，更高的性价比使其在硅片市场中更受下游生产商青睐。同时，目前随着单晶硅片生产技术的进步以及规模化生产效应的影响，其成本实现了一定程度上的降低，市场价格的下调也开始使得单晶硅片市场份额不断增加。

不同尺寸规格的硅片