图表 4：硅片是整个行业的基石
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半导体硅片的纯净度、表面平整度、清洁度和杂质污染程度对芯片有着极其重要的影响，因此半导体硅片制造极为重要。半导体硅片制造主要可分为以下几个步骤：
- 晶体生长：为了达到集成电路对硅晶圆的平坦度和均匀度，首先用单晶炉对多晶硅原料高温加热，再通过对速度，温度和压力等参数的调整，拉升出圆柱状的硅晶棒；
- 整型：得到硅晶棒后，对其进行整型处理。首先，去掉硅晶棒两端，检查电阻确定整个硅晶棒达到合适的杂质均匀度，接着对硅晶棒进行径向研磨，得到一定大小的硅晶棒直径；
- 切片：用切片机对整型之后的硅晶棒进行切片，得到目标厚度的硅片；
- 磨边和倒角：对硅片的两面进行机械磨片，去除切片时留下的损伤并使硅片两面平坦且高度平行。接着对硅片的边缘进行抛光与修整处理，去除边缘的裂缝或裂痕，使硅片边缘充分光滑；
- 刻蚀：通过化学溶液对硅片表面进行腐蚀和刻蚀，除去切磨后硅片表面的损伤层和沾污层，改善表面质量和提高表面平整度；
- 清洗：清洗经过上述工艺后硅片表面的颗粒和杂质，硅片需达到几乎没有颗粒和污染的程度；
- CMP抛光：运用CMP技术对硅片两面进行抛光处理，使得硅片表面得到纳米级的平整和光滑；
- 量测：检测硅片的表面颗粒、晶片尺寸等是否达到客户的生产质量标准。
图表 5：硅片制作工艺流程
资料来源：台积电宣传视频，公开资料整理
在硅片的制造过程中，技术人员，制造设备和工艺流程是关键因素。技术人员对设备的操作和监测的熟练度，设备所能制造出硅片规格的精密度，工艺流程的成熟度，影响硅片制作出厂的优良程度。其中，关键的机器设备有单晶炉，CMP抛光机和量测设备。为了改变硅的导电性，通过单晶炉对多晶硅进行加工，改变多晶硅的导电性和各向异性方面。单晶炉主要考虑热场 炉子设计 拉晶工艺三个因素，好的热场和拉晶炉能够给予较宽，较稳定和扛干扰性强的拉晶工艺窗口，从而大大增加晶体生长的良品率。 CMP抛光机结合了精密机械和化学反应，对硅片进行抛光处理，硅片平整度会影响后续芯片制作的良品率和性能。量测设备用于把控硅片的质量，并优化制程提升硅片良品率。量测设备是穿插于各个硅片制程之间，通常为各个品质检测站，分别进行检测硅片的电阻率、导电形态和结晶方向等项目。
大规格是硅片发展趋势，当前200mm和300mm硅片仍为主流在摩尔定律和成本的影响下，大规格硅片是硅片发展的主流趋势。根据摩尔定律，由于信息技术的发展，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。同时，由于硅片越大，单位硅片所装载芯片越多，每块芯片的加工和处理时间减少，大大提高了设备生产效率；同时，边缘硅片浪费减少，生产成品率提高，从而降低了芯片的单位制造成本。因此在成本和摩尔定律的驱动下，未来硅片会往大硅片发展。目前硅片最大规格可达450mm，但受到应用领域和技术的影响，还未能成功商用，因此产量难以达到放量，主流硅片依旧以200mm与300mm为主导。
图表 6：硅片尺寸规格
资料来源：公开资料
规格不同的硅片，应用领域有所不同，其中200mm和300mm规格的硅片应用范围广阔。规格为200mm及以下的硅片在在制作高精度模拟电路、射频前端芯片、嵌入式存储器、CMOS 图像传感器、高压MOS 等产品方面，有更成熟和广泛的应用。这类产品对应的下游主要为汽车电子、工业电子等终端市场。200mm硅片在功率器件、电源管理器、非易失性存储器、MEMS、显示驱动芯片与指纹识别芯片方面发挥作用。这类产品主要应用于移动通信、汽车电子、物联网及工业电子领域。300mm硅片需求主要源于存储芯片、通用处理器、FPGA、ASIC、图像处理芯片等，对应的下游有智能手机、计算机、云计算、人工智能、SSD 等高端领域。
图表 7：主流硅片应用领域
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半导体硅片行业格局
（一）终端应用革新带来新一轮景气周期提升半导体行业呈现明显周期性变化，行业景气度受宏观经济影响。从数据变动趋势来看，半导体行业销售规模与GDP呈现同向变动趋势，行业周期约为3-5年。在之前的产业链分析中，半导体行业是受到终端应用领域需求的影响，而GDP作为衡量国民经济指标，在一定程度上反映了整个经济环境和消费需求的冷热程度，因此，GDP的变动直接影响终端领域的需求，间接影响到半导体行业的需求。根据周期性变化和终端应用领域的技术革新，将半导体行业分为5个阶段：
① 2000-2004年蜂窝电话和3G通信是半导体行业的的主要推动力；
② 2004-2010年PC、消费电子和移动通信促进行业发展；
③ 2010-2014年智能手机取代PC成为行业推动力；
④ 2014-2018年存储业务需求增大维持行业增长动力；
⑤ 2020年5G商用化、IOT技术、AI、智能汽车预期成为未来新动力。
