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稳正研习社｜国产替代正当时，半导体外延片增长后劲足

小正 2022-09-30 本文章423阅读

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赋能企业精英创造产业价值成就客户

导读

近期美国通过《芯片与科学法案》，对中国半导体产业持续进行打压，半导体是中美大国战略和技术竞争的焦点之一。面对如此艰难的国际大环境，半导体设备以及半导体材料的国产替代也成为人们关注的焦点，其中半导体抛光片及外延片是半导体产业的核心基础材料。

半导体外延片广泛应用于光伏、储能、风电、汽车电子、5G、物联网等终端领域，并伴随这些领域的高速增长而保持旺盛的市场需求。同时受益于中资、外资半导体企业纷纷在中国建设晶圆厂，外延片生产设备的国产化率进一步提高，国内的外延片厂商也不断对外宣布扩产计划，整个半导体外延片行业呈现高景气度并有望延续。

半导体硅片是产业链的基石

半导体硅片属于半导体产业的核心基础材料，是生产制作包括集成电路、半导体分立器件等在内的各类半导体产品的载体。

半导体硅片是半导体产业链基础性的一环，其核心工艺包括单晶工艺、成型工艺、抛光工艺、外延工艺等，技术专业化程度较高。通过对硅片进行光刻、离子注入等手段，可以制成各种半导体器件。半导体硅片行业属于技术密集型行业，具有研发投入高、研发周期长、研发风险大的特点，同时半导体硅片也是我国半导体产业链与国际先进水平差距最大的环节之一。

图1：半导体硅片所处产业链位置（来源：《芯片用硅晶片的加工技术》）

硅片的质量直接决定下游晶圆生产的良率。晶圆的加工是整个半导体产业的第二环节，而硅片的质量决定了下游IDM和Fountry厂商所生产的晶圆的良率，因此硅片厂商想要进IDM和Fountry厂商的供应链需要经过较长时间的验证且一经确定后不会轻易被替代。

外延片是在衬底表面生长薄膜所生片的单晶硅片

图2:半导体硅片分类（来源：根据公开资料整理）

根据制造工艺分类，半导体硅片主要可以分为抛光片、退火片、外延片与以SOI硅片为代表的高端硅基材料。

图3:外延晶圆结构图（来源：网络）

外延片（外延晶圆，epitaxial wafer)是指在抛光片表面外延生长出一层不同电阻率的单晶薄膜。通过气相外延沉积的方法在衬底上进行长晶，与最下面的衬底结晶面整齐排列进行生长，新生长的单晶层称为外延层，长了外延片的衬底称为外延片。作为衬底的硅片根据尺寸不同，厚度一般在500-800微米，常用的外延层厚度为2-100微米。

外延生长技术发展于20世纪50年代末60年代初，为了制造高频大功率器件，需要减小集电极串联电阻。外延用于生长元素、半导体化合物和合金薄结晶层，可以较好地控制膜的纯度、膜的完整性以及掺杂级别。

外延片分类方式较多，可以按反应室、外延温度、材料异同、外延厚度、掺杂浓度、导电类型、外延生长方式等分类，以下介绍两种主要的分类方法。

按照衬底与外延层材料，可分为同质外延与异质外延。当外延膜在同一种材料上生长时，称为同质外延，如硅基外延硅；在不同材料上生长外延则称为异质外延，如硅基氮化镓（GaN on Si）。

按照原子输入方式，主要分为气相外延（VPE）、液相外延（LPE）、固相外延（SPE）。气相外延方式常用来生长Si外延材料、GaAs外延材料等；液相外延主要用于生长制造光电器件所需的化合物外延功能薄层材料；其中，化学气相沉积(CVD)生长方法应用最为广泛，满足晶体的完整性、器件结构的多样化，装置可控简便，批量生产、纯度的保证、均匀性要求。在化合物半导体的广泛应用，分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）也成为重要的外延生长方式。

外延片主要技术指标包括产品直径、外延厚度、外延电阻率、外延层厚度均匀性、电阻均匀性、表面缺陷等。外延硅晶圆广泛使用在二极管、IGBT 功率器件、低功耗数字与模拟集成电路及移动计算通讯芯片等，为了满足不同的要求，衬底及外延层的技术参数通常根据客户要求及下游产品定制。

外延生长是半导体材料和器件制造的重要工艺之一

随着半导体器件性能的要求不断提高，对单晶硅片的要求越来越高，控制硅单晶片的原生缺陷变得越来越难，因此硅外延片越来越多地被采用。外延片具有抛光片所不具有的某些电学特性，并消除了许多在晶体生长和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。

外延片的生产是将抛光片在外延炉中加热到1200℃左右，然后让硅片与汽化的外延生长源相互接触，使硅片长上一层有一定厚度、电阻率、型号的新单晶，可以较好地控制膜的纯度、膜的完整性以及掺杂级别。通过化学气相沉积的方式在抛光面上生长一层或多层，掺杂类型、电阻率、厚度和晶格结构都符合特定器件要求的新硅单晶层。外延技术可以减少硅片中因单晶生长产生的缺陷，具有更低的缺陷密度和氧含量。

外延片常在CMOS电路中使用，如图形处理器芯片等，由于外延片相较于抛光片含氧量、含碳量、缺陷密度更低，提高了栅氧化层的完整性，改善了沟道中的漏电现象，从而提升了集成电路的可靠性。除此之外，通常在低电阻率的硅衬底上外延生长一层高电阻率的外延层，应用于二极管、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等功率器件的制造。功率器件常用在大功率和高电压的环境中，硅衬底的低电阻率可降低导通电阻，高电阻率的外延层可以提高器件的击穿电压。外延片提升了器件的可靠性，并减少了器件的能耗，因此在工业电子、汽车电子等领域广泛使用。

半导体外延片市场规模及需求不断增长

近年来，受益于下游MOSFET、晶体管等功率器件、CIS和PMIC等模拟器件市场规模的高速增长，半导体硅外延材料的市场需求也持续扩张。根据赛迪顾问统计，2019年中国大陆半导体硅外延市场规模约13.2亿美元，约当8英寸实际需求量为157.3万片/月。未来，随着越来越多元的智能终端及可穿戴设备的推出、新能源汽车、5G通信、物联网等新应用的普及，MOSFET、晶体管等功率器件及CIS、PMIC等模拟芯片产品的使用需求和应用范围均将进一步扩大，预计半导体硅材料的市场需求将持续增长。2020年，8英寸及以下外延片国产化率25%。预计到2024年，中国大陆半导体硅外延材料市场规模将达到18.4亿美元，约当8英寸需求量将达到216.5万片/月，2021-2024年复合增长率11.3%，存在较大的增长及进口替代空间。

外延片终端应用领域的持续高速增长，导致外延片的需求旺盛。外延片可以提高器件的击穿电压，常应用于二极管、肖特基、MOSFET、IGBT等功率器件的制造，这些功率器件广泛用于光伏、储能、风电、汽车电子、5G、物联网等领域。

光伏发电已经实现平价上网并进入发展快车道，新增装机量持续提升，高功率、大电流的组串式光伏逆变器的需求量大幅增长。随着储能成本的逐年下降，储能在全球范围内越来越受到重视，储能装机量指数型增长带动储能逆变器需求增长。风电的逆变器也用到分立功率器件，这些需求都带动对外延片需求旺盛。

电动化、智能化的趋势带动汽车芯片含量大幅提升、长期增长。相较于传统内燃机汽车，新能源汽车对MCU、传感器、功率半导体等器件的需求大增，从整车角度来看，新能源汽车单车对硅片面积的需求将是内燃机汽车的 2 倍。汽车电子芯片的结构性紧缺情况仍将继续，对外延片的需求依然保持稳健增长。

受益于中国大陆作为全球最大半导体终端产品消费市场，中国半导体产业的规模不断扩大，随着中资、外资半导体企业纷纷在中国建设晶圆厂，中国大陆半导体抛光片及外延片需求将不断增长。

外延片主要用来生产制作功率器件与传感器，而功率器件与传感器领域的器件制造一般使用180-900nm制程就能满足，这个制程的设备都已经实现国产化，而且大尺寸半导体外延片的核心设备包括外延生长炉也在逐步国产化。

结论