半导体材料与设备

1从硅石到硅片：纯度怎样做出来

硅石→工业硅（约 98%）→三氯氢硅精馏→电子级多晶硅（11N）→直拉单晶→12 英寸硅片

纯度的数量级

"几个 9"是一种对数刻度。纯度 6N 表示杂质占百万分之一，9N 是十亿分之一，11N 是千亿分之一。要知道这意味着多少个杂质原子，先算 1 立方厘米硅里有多少个硅原子。硅是金刚石结构，每个立方晶胞含 8 个原子，晶格常数 ：

纯度为 个 9 时，杂质的原子分数约为 ，每立方厘米的杂质原子数约为 。（各标准的纯度口径不完全相同，有的按质量分数，有的按原子分数；这里按原子分数估算数量级。）

拿什么来比较？芯片要人为掺入硼或磷，才能让硅导电并形成晶体管。电阻率约 10 Ω·cm 的 p 型硅片，硼的浓度约为 个/cm³。如果原料本身带进来的硼、磷与这个数量级相当，硅片的电阻率就无法控制。拖动下面的纯度，看杂质原子数和掺杂浓度的关系。

改良西门子法为什么能提纯

电子级和光伏级多晶硅用的是同一类工艺，新能源金属页讲过它的两步反应：工业硅粉与氯化氢反应生成三氯氢硅（SiHCl₃），提纯后在约 1100 °C 的硅芯上用氢气还原，硅沉积成棒。提纯发生在中间：三氯氢硅在常温附近是液体，沸点 31.8 °C；工业硅里的硼、磷在同一步反应里变成三氯化硼（沸点 12.5 °C）和三氯化磷（沸点 76 °C）等氯化物，沸点不同，就可以用多级精馏分开。金属杂质的氯化物大多沸点很高，留在釜底。

所以从光伏级到电子级，化学反应不变，变的是精馏的级数与控制、还原炉和管道的洁净度、硅棒的破碎、清洗和包装，以及检测能力。鑫华招股书写到，它的检测团队把金属杂质的单元素检测限降到 1 pptw（万亿分之一质量比），产品才开始送客户验证。测不出来的杂质，就无法稳定地控制。

同一条电子级产线也会产出不合格品。招股书说明，部分炉次达不到电子级标准、硅棒的头尾料和破碎时产生的硅粉会作为副产品出售，价格参考太阳能级多晶硅的市场价。2022 年光伏多晶硅价格很高，副产品卖得比电子级产品贵；那一年鑫华 25,424 万元的其他业务收入（主要是副产品）占营收的 19.95%，到 2024 年降到 3.84%。

直拉单晶：哪些杂质能在这一步去掉

多晶硅在石英坩埚里熔化，用籽晶从熔体中缓慢提拉，长成一根直径略大于 300 毫米的单晶棒，这就是直拉法（Czochralski）。晶体从熔体中凝固时，杂质在固体和液体中的浓度之比叫分凝系数 。 远小于 1 的杂质大部分留在熔体里，拉单晶本身就是一次提纯；接近 1 的杂质几乎全部进入晶体。

分凝系数取自硅中杂质的经典测量值（Trumbore, 1960，教科书常用数据），为平衡分凝系数，实际拉晶中的有效值会因生长速度而偏大。

这张表解释了为什么电子级多晶硅对硼、磷的要求最严：硼的分凝系数约 0.8，多晶硅里的硼几乎全部进入单晶，后面没有工序能再把它去掉。金属杂质虽然能在拉晶时大部分去除，但它们在硅的禁带中形成复合中心，极少量就会缩短载流子寿命，所以同样要从源头控制。熔体剩下的部分（锅底料）和晶棒头尾的杂质最多，这也是电子级产线会产出副产品的原因之一。

从 1 千克多晶硅到几片硅片

一片 12 英寸（300 毫米）抛光硅片的标准厚度是 775 微米。它的质量：

鑫华招股书估算，国内硅片厂已披露的 12 英寸规划产能 5,958 万片/年，对应电子级多晶硅需求约 18,954 吨；8 英寸 4,874 万片/年对应约 5,700 吨。由此推出每片 12 英寸硅片约消耗 多晶硅，每片 8 英寸约 117 克。也就是说，投入的多晶硅只有约 40% 最终留在 12 英寸抛光片里（127.6 ÷ 318）。其余的去了哪里？下面按工序拆开，拖动各项损失，看每片硅片需要多少多晶硅。

SEMI 的统计口径是面积：2025 年全球硅片出货 12,973 百万平方英寸，比 2024 年增长 5.8%；销售额 114 亿美元，下降 1.2%。出货面积增长、收入下降，说明单位面积的平均价格在下降（第 8 章的案例会讲原因）。按面积平均，每平方英寸约 0.88 美元；一片 12 英寸硅片的面积约 109.6 平方英寸。这个平均值混合了不同尺寸、抛光片和外延片，只用来判断数量级。

2晶圆厂的工艺循环

硅片进入晶圆厂后，芯片是一层一层做上去的：底部是晶体管，上面是十几层金属互连线。每做一层图形，都要重复同一个循环：先沉积一层薄膜，涂上光刻胶，用光刻机把掩模上的图形曝光到胶上，显影后按胶的图形刻蚀薄膜（或者离子注入掺杂），再把剩下的光刻胶去掉、清洗硅片；需要平整表面时，用化学机械抛光（CMP）把它磨平，再进入下一层。每一步都消耗特定的材料，用特定的设备。点击下面的工序，看它消耗什么、用什么设备、主要供应商在哪里。

层数和多重曝光怎样放大需求

一套芯片需要的掩模数量（掩模层数）随制程推进而增加。更关键的是：光刻机的分辨率有极限，当最小线宽小于一次曝光能做出的尺寸时，同一层图形要拆成两次、三次甚至四次曝光和刻蚀，这叫多重曝光。每多一次曝光，就多一轮涂胶、显影、刻蚀、清洗和量测。

波长 13.5 纳米的极紫外（EUV）光刻可以把多重曝光合并回一次。IEEE Spectrum 2018 年 1 月的报道举了两个数字：格罗方德计划在 7 纳米 EUV 工艺中用 5 个步骤替代原来的 15 个（该公司同年 8 月放弃了 7 纳米）；其首席技术官 Gary Patton 估计，如果 5 纳米不用 EUV，光刻步骤会超过 100 个。拖动下面的参数，看光刻次数和材料用量怎样变化。

逻辑与存储：消耗的重点不同

不同芯片消耗材料的结构不同。先进逻辑芯片（CPU、GPU）的难点在最小线宽，关键层多、多重曝光多，EUV 光刻、光刻胶和掩模的用量大，互连层多，CMP 次数也多。3D NAND 闪存把存储单元竖着堆叠，层数已经超过两百层，难点是沉积几百层交替薄膜，再刻出深宽比极高的孔，消耗的是沉积材料和刻蚀气体，对最小线宽的要求反而低于先进逻辑。DRAM 介于两者之间；HBM（高带宽存储）把多颗 DRAM 芯片叠起来，用硅通孔连接，同样的比特数要用更大的芯片面积。TrendForce 2026 年 5 月指出，HBM 的芯片面积更大，占用了本来用于生产普通 DRAM 的产能。

失效条件：上面说的是同一代工艺内部的比较。新一代设备（例如更高数值孔径的 EUV）或新工艺（例如背面供电、新的晶体管结构）会改变各步骤的比例；材料用量也取决于晶圆厂的良率和返工率，不只取决于层数。

3成本结构：材料与折旧

先看整个行业的数量级。下图是 2025 年的四个总数：芯片销售额、晶圆制造设备与封测设备的销售额、半导体材料的销售额，以及其中的硅片销售额。

两个比例的含义不同。材料是每片晶圆都要消耗的，随产量变化；设备是一次买入、分几年折旧的固定资产，不论开工多少，折旧都照样发生。晶圆代工厂的财报可以看出两者的相对大小。中芯国际 2025 年：

折旧及摊销是销售收入的 41%；如果全部计入销售成本，约占销售成本的 52%（实际有一部分计入研发和管理费用，所以 52% 是上限）。每片 8 英寸当量晶圆的平均售价 907 美元；把全部折旧及摊销按出货量平摊，每片约 393 美元。中芯国际在 2025 年第四季度的业绩公告中说，毛利率下降"主要是由于折旧增加所致"。

折旧固定、材料随产量变动，于是单位成本对产能利用率很敏感。下面的示意模型按中芯国际 2025 年的数字校准，拖动产能利用率，看每片晶圆的成本和毛利率。

由此可以推出材料供应商面对的处境：单项材料在晶圆成本里的占比小，出问题的损失却大。一种光刻胶或一种特气只占晶圆成本的很小一部分，降价 10% 对晶圆厂的毛利率几乎没有影响；可是一批不合格的材料会让正在加工的整批晶圆报废，这些晶圆已经积累了几十道工序的折旧和材料。所以晶圆厂选材料首先看批次稳定性和供应安全，其次才看价格，换供应商要走完整的认证流程（第 5 章）。

失效条件：上面的推论适用于单项占比很小的材料。硅片是例外，它是晶圆制造材料中最大的一项，晶圆厂会和硅片厂签长约、按季度谈价；第 8 章的案例显示，硅片供过于求时价格会持续下跌。另外，成熟制程的竞争激烈时，晶圆厂也会推动材料国产化来降低成本，这时价格的权重会上升。

4议价能力：谁的毛利高

把链上几个环节 2025 年前后的利润率放在一起。注意口径：有的是毛利率，有的是营业利润率，不能逐项直接比较，但数量级的差别足以说明问题。

同样处在上游，光刻机的毛利率超过 50%，硅片却接近不赚钱。决定议价能力的有四个量：

• 可替代性。ASML 是唯一能供应 EUV 光刻机的厂商，先进制程没有替代方案。硅片则是标准化程度很高的产品，SEMI 标准规定了尺寸、厚度和主要参数，同一家晶圆厂通常有几家合格的硅片供应商。
• 占客户成本的比例。占比越小，客户越不在乎价格（第 3 章）。单项特气、光刻胶占晶圆成本很小，硅片是最大的单项材料，客户谈价的动力最强。
• 产能的形态。硅片和多晶硅的产能是一次性建成的大块产能，建成后折旧固定，开工率下降时厂商宁可降价也要多卖；产能短缺时价格又会快速上涨。这和期货篇里大宗商品的周期是同一个机制。
• 技术迭代的速度。设备每一代都要重新开发，领先者可以按新一代的性能定价；硅片和多晶硅的产品形态几十年基本不变，竞争集中在纯度、缺陷和成本上，后来者更容易追上。

议价能力也体现在成本下降时利润怎样分配。鑫华招股书显示，它的电子级多晶硅单位售价从 2022 年的 18.66 万元/吨逐年降到 2025 年 1—9 月的 15.52 万元/吨，累计下降约 17%；同期单位成本从 14.83 万元降到 11.63 万元，降幅更大：2024 年主要来自电力采购价格下降和产量上升摊薄了折旧、人工等固定成本，2025 年前三季度主要来自硅粉和蒸汽降价。招股书把降价解释为规模扩大、成本下降后对下游客户的"合理"让利。售价下降而毛利率上升：成本下降的一部分让给了客户，作为国内份额第一但仍在替代进口的供应商，它没有保留全部降本收益。

失效条件：利润率还受周期位置影响。2025 年是硅片的低谷、AI 芯片的高峰，几年后的排序可能不同。垄断地位也会被政策改变：出口管制让中国大陆的晶圆厂无法购买 EUV 光刻机，ASML 在这部分市场的议价能力就无从谈起（第 7 章）。

5供给瓶颈：集中度、扩产与认证

集中度

集中度高本身不等于瓶颈。瓶颈出现在两个条件同时满足时：产能扩张慢于需求，而且新供应商进入需要很长时间。后者在半导体材料里主要由认证周期决定。

认证周期

鑫华招股书描述了电子级多晶硅进入客户的流程：硅片厂先要样品试生产，内部工艺验证通过后，把用这批硅料做成的硅片送到下游晶圆厂做应用测试；终端客户认可后，硅片厂才启动正式认证，通过后才批量供货。整个周期普遍较长，部分可达 2—3 年；按产品和客户不同，招股书给出的范围是 3 个月到 3 年。鑫华自己的经历是：2019 年起进入国内硅片产业链验证，经过约三年大规模通过验证，2021 年实现在 12 英寸硅片上的规模化应用。

认证周期对供需的影响可以这样推导：设认证周期为 ，新建产能的建设期为 。一家新供应商从决定进入到批量供货，至少要 ，若必须先有量产线才能送样，则接近 。已有的合格供应商扩产只需要 （新产线也要重新认证，但通常更快）。所以短缺时，价格上涨带来的新增供给首先来自现有供应商，集中度在短期内不会下降；只有当客户出于供应安全主动培养第二、第三供应商，或者政策推动国产化时，新进入者的认证才会提前开始。

扩产节奏

鑫华的内蒙产线（1 万吨/年）2024 年下半年试生产，年底转固，2025 年起计入产能，使公司产能从 8,000 吨/年增加到 18,000 吨/年。新产线试生产期间副产品比例高，2024 年它的产销率只有 73.41%。硅片厂的扩产同样是成块的：沪硅产业的 300 毫米硅片产能在 2024 年末达到 65 万片/月，其中上海临港新增 30 万片/月的项目已全部建设完成（65 万片/月含太原的中试线）。成块的扩产叠加客户的长约，是第 8 章硅片周期的来源。

失效条件：认证壁垒在客户主动寻求替代时会被缩短。日本 2019 年限制对韩国出口氟化氢后，韩国企业在很短时间内验证了国产和其他来源的氟化氢（第 8 章）；国内晶圆厂在出口管制背景下也在加快验证国产材料和设备。

6需求：AI、存储与地区

材料和设备的需求来自晶圆厂的产量和建设。2025 年全球半导体销售额 7,956 亿美元，增长 26.2%（WSTS），增长主要来自逻辑芯片和存储芯片。按地区看，设备的去向和材料的去向不完全一致：

几个需求侧的事实：

• 12 英寸晶圆的需求在回升，8 英寸仍弱。据 SUMCO 的数据（第一创业证券整理），2025 年四季度全球 12 英寸硅片出货超过每月 800 万片，是 2019 年以来的最高水平；8 英寸需求仍处在近几年的低位。
• 存储芯片涨价。TrendForce 统计，2026 年一季度 DRAM 产业营收环比增长 81%，主要来自合约价快速上涨；HBM 占用了更多晶圆，普通 DRAM 的供给更紧。
• 中国大陆的晶圆产能在扩张。鑫华招股书引用 SEMI：截至 2024 年末中国大陆有 62 座 12 英寸量产晶圆厂，预计 2026 年超过 70 座，月产能 321 万片，约占全球 12 英寸产能的三分之一。
• 晶圆代工厂出货。台积电 2025 年出货 1,500 万片（同比增长 16.3%）；中芯国际出货 969.7 万片（8 英寸当量，增长 20.9%），产能利用率 93.5%。

需求变化传到材料和设备的时间不同。设备订单走在晶圆厂建设之前，产量要等新厂投产才增加；材料跟着晶圆投片量走，几乎同步。所以建设期的地区（2025 年的中国大陆、台湾）设备需求强，投片量高的地区材料需求强。硅片还多一层库存：晶圆厂在短缺时多备货，供过于求时先消化库存，硅片出货的波动比芯片产量更大。环球晶圆称，2026 年一季度其全球主要客户的平均硅片库存天数降到 130 天以下，是 2023 年一季度以来的低位。

失效条件：AI 数据中心的投资取决于少数云服务商的资本开支计划，一旦放缓，先进逻辑和 HBM 的需求会先变；存储芯片的价格本身周期性很强，2026 年的涨价会刺激扩产，几年后可能重新过剩。出口管制会让设备需求在地区之间转移，而不一定改变总量。

7政策与地缘：出口管制

半导体链上的出口管制有两类对象：材料和设备。下面按时间列出与本页环节直接相关的措施，写法以公告和律所、智库对原文的整理为准。

本页写于 2026 年 11 月 4 日。中国对 10 月 9 日措施的暂停期到 2026 年 11 月 10 日，商务部 72 号公告的暂停期到 2026 年 11 月 27 日，写作时都未查到延长或恢复的公告；美国联邦公报到 10 月 27 日也没有延长关联方规则暂停的通知，若无正式文件，该规则按原定时间于 11 月 10 日恢复。以联邦公报和商务部的正式文件为准。读者使用时应查阅最新公告。

管制对需求的影响可以从数据里看到。ASML 2025 年来自中国大陆的系统销售额占比从 2024 年的 41% 降到 33%；同年 SEMI 统计中国大陆的设备采购额为 493 亿美元，只比 2024 年下降 0.5%，仍是全球最大的市场。两个数并不矛盾：先进光刻设备受限，其他设备（刻蚀、沉积、清洗、成熟制程的光刻）的采购仍在继续，国产设备的份额也在上升；北方华创 2025 年营收 393.5 亿元，增长 30.9%，中微公司营收 123.9 亿元，增长 36.6%。

出口管制改变的是认证的起点。按第 5 章的推导，新供应商要等客户愿意启动认证；在管制下，国内晶圆厂缺少可替代的进口来源，会主动、并行地验证国产材料和设备，认证周期被压缩，国产化率上升。反过来，日本 2019 年的限制让韩国企业减少了对日本氟化氢的依赖（第 8 章）：限制出口的一方，可能因此失去市场份额。

失效条件：认证可以被压缩，技术差距不能。最先进的光刻机和光刻胶在短期内没有可替代的国产产品，这类环节的管制会直接限制可达到的制程，而不只是推迟时间。

8案例

9重点关注公司

按细分环节列出各环节的龙头，地区以中国大陆（A 股）、美国、韩国、日本为主；某个细分的全球龙头不在这四个地区时（荷兰的 ASML、台湾的台积电和环球晶圆、德国的瓦克），注明地区后列入。排序看产业地位，不看公司规模。

本表只说明公司在细分环节的产业地位，不给股价、估值和买卖意见，不构成投资建议。份额和排名注明来源与年份；营收占比按最近财年年报口径，没有可靠数据时写"未单独披露"。