半导体硅材料的制备

结晶态硅材料的制备方法通常是先将硅石(SiO2)在电炉中高温还原为冶金级硅(纯度95%～99%)，然后将其变为硅的卤化物或氢化物，经提纯，以制备纯度很高的硅多晶。包括硅多晶的西门子法制备、硅多晶的硅烷法制备。在制造大多数半导体器件时，用的硅材料不是硅多晶，而是高完整性的硅单晶。通常用直拉法或区熔法由硅多晶制得硅单晶。

世界上直拉硅单晶和区熔硅单晶的用量约为9：1，直拉硅主要用于集成电路和晶体管，其中用于集成电路的直拉硅单晶由于其有明确的规格，且其技术要求严格，成为单独一类称集成电路用硅单晶。区熔硅主要用于制作电力电子元件，纯度极高的区熔硅还用于射线探测器。硅单晶多年来一直围绕着纯度、物理性质的均匀性、结构完整性及降低成本这些问题而进行研究与开发。

材料的纯度主要取决于硅多晶的制备工艺，同时与后续工序的玷污也有密切关系。材料的均匀性主要涉及掺杂剂，特别是氧、碳含量的分布及其行为，在直拉生长工艺中采用磁场(见磁控直拉法单晶生长)计算机控制或连续送料，使均匀性得到很大改善；对区熔单晶采用中子嬗变掺杂技术，大大改善了均匀性。在结构完整性方面，直拉硅单晶早已采用无位错拉晶工艺，目前工作主要放在氧施主、氧沉淀及其诱生缺陷与杂质的相互作用上。

氧在热处理中的行为非常复杂。直拉单晶经300～500℃热处理会产生热施主，而经650℃以上热处理可消除热施主，同时产生氧沉淀成核中心，在更高温度下处理会产生氧沉淀，形成层错和位错等诱生缺陷，利用这些诱生缺陷能吸收硅中有害金属杂质和过饱和热点缺陷的特性，发展成使器件由源区变成“洁净区”的吸除工艺，能有效地提高器件的成品率。

对硅单晶锭需经切片、研磨或抛光(见半导体晶片加工)后，提供给器件生产者使用。

某些器件还要求在抛光片上生长一层硅外延层，此种材料称硅外延片。

非晶硅材料具有连续无规的网格结构，最近邻原子配位数和结晶硅一样，仍为4，为共价键合，具有短程有序，但是，键角和键长在一定范围内变化。由于非晶硅也具有分开的价带和导带，因而有典型的半导体特性，非晶硅从一晶胞到另一晶胞不具有平移对称性，即具有长程无序性，造成带边的定域态和带隙中央的扩展态，非晶硅属亚稳态，具有某些不稳定性。其制备方法有辉光放电分解法等(见太阳电池材料)。

半导体材料和设备是半导体产业链的基石，是推动集成电路技术创新的引擎。晶圆厂必须购买设备和材料并获取相应的制程工艺才能正常运作。另一方面，三者相互制约，材料的改进常常需要设备和工艺的同步更新，才能有效避免木桶效应。

在半导体产业链中，半导体材料位于制造环节上游，和半导体设备一起构成了制造环节的核心上游供应链。

不同于其他行业材料，半导体材料是电子级材料，对精度纯度等都有更为严格的要求，因此，芯片能否成功流片，对工艺制备过程中半导体材料的选取及合理使用尤为关键。今天呢，飞鲸投研就来分析一下半导体材料行业。

一、半导体材料市场概况

半导体材料市场规模大，近两年市场空间增长迅速。

2015-2019年全球半导体材料行业市场规模呈波动变化趋势，2019年受半导体产业整体大环境影响，全球半导体材料行业市场规模约521.4亿美元，同比下降1.12%。

但是2020与2021年受到全球半导体产品的强烈需求的影响，半导体材料市场规模快速上升。2021年达到643亿美元，同比增长15.86%，超过了在2020年创下的555亿美元市场高点。分产品来看，晶圆制造材料占比较封装材料更高，2018-2020年占比均超过60%。

中国大陆是全球第二大半导体材料市场。2021年占比达到18.6%，市场规模约为119.3亿美元，同比增长21.9%。

我国的半导体材料仍然集中在后端封装材料上，前端晶圆制造材料核心优势仍然不足。

2019年我国半导体封装材料占比约66.82%，晶圆制造材料占比约33.18%。我国芯片制造主要存在三大短板： 核心原材料不能自给自足、芯片制造工艺尚弱、关键制造装备依赖进口。随着中国晶圆制造产能的提升，晶圆制造材料占比有望不断提升。

二、半导体材料

1.分类

半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要材料。按照工艺的不同，可分为晶圆制造材料和封装材料。

晶圆制造材料：主要包括硅片、特种气体、掩膜版、光刻胶、光刻胶配套材料、（通用）湿电子化学品、靶材、CMP抛光材料等。

封装材料：主要有封装基板、引线框架、键合丝、包封材料、陶瓷基板、芯片粘接材料等。

2.用途

晶圆制造材料中，硅片为晶圆制造基底材料；光刻胶用于图形转移；电子特气用于氧化、还原、除杂；抛光材料用于实现平坦化。

封装材料中，封装基板与引线框架起到保护芯片、支撑芯片、连接芯片与PCB的作用，封装基板还具有散热功能；键合丝则用于连接芯片和引线框架。

3.各成本占比

半导体硅片又称硅晶圆片，在半导体材料中市场占比达到35%，是半导体第一大材料。

通过对硅片进行光刻、离子注入等手段，可以制成集成电路和各种半导体器件。半导体硅片是半导体材料中成本占比最高，在产业链中最关键的半导体材料。

三、材料细分领域公司

从全球角度看，硅片的市场规模已超过100亿美元，光罩、特气的规模则约为40亿美元。这些细分行业中，海外龙头均占据着主要地位，国产公司的市场份额则相对较少。

国内企业虽然处于相对落后位置，但国内半导体产业链生态圈已经开始壮大发展。在当前国产替代需求下，国内产业链重塑，为国内半导体打造更加安全、可靠、先进的发展环境，相关的各个子行业涌现出多个具有竞争力的企业。

1.沪硅产业

沪硅产业主要从事半导体硅片的研发、生产和销售，是中国大陆规模最大的半导体硅片制造企业之一，是中国大陆率先实现300mm半导体硅片规模化销售的企业。

沪硅产业自设立以来，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300mm半导体硅片国产化率几乎为0%的局面。

2.立昂微

重组延伸半导体硅片，增强市场竞争力。公司前身为立立电子，2011年更名为浙江金瑞泓科，后于2015年与杭州立昂微签订增资认购协议，换股立昂微电股份。

立昂微电主营业务为半导体分立器件芯片的设计、开发、制造和销售；浙江金瑞泓主营业务为半导体硅研磨片、硅抛光片、硅外延片的制造和销售。资产重组后，公司通过向半导体硅片产业链上游延伸，扩展了自身的业务领域，增强了自身市场竞争力。

3.TCL中环

TCL中环新能源科技股份有限公司长期专注于半导体和新能源光伏两大产业，主营业务围绕硅材料研发与制造展开。

公司主要产品包括半导体材料，光伏硅片，光伏电池、组件，光伏电站。产品广泛应用于光伏发电、集成电路、消费类电子、电网传输、风能发电、轨道交通、新能源汽车、航空、航天、工业控制等领域。

四、总结

国产替代已经成为中国半导体行业的主要诉求，下游厂商有更强的意愿为半导体材料厂商提供市场，以实现“获取市场→改善产品→进一步获取市场”的良性循环。