一、半导体产业链总览

什么是半导体？

半导体是一种导电能力介于“导体”和“绝缘体”之间的材料。半导体在某些特定条件下可以导电，也可以不导电，也就是说导电能力可以被人为控制。通过掺杂、加电压、光照、温度变化等方式，半导体材料可以实现电流的开关、放大、存储、计算和信号处理。因此，半导体是现代电子产业的基础。我们平时说的“芯片”，本质上就是利用半导体材料制造出来的电子器件。常见的半导体产品有：CPU、GPU、存储芯片、模拟芯片、功率器件、MCU、传感器、射频芯片等。

半导体产业链的链条是怎样的？

（一）上游：材料、设备、EDA/IP

半导体设备的上游是半导体产业链的基础支撑，主要为芯片设计、制造和封装测试提供工具、材料和设备。它不直接生产最终芯片，但决定芯片能不能被设计出来、制造出来、稳定量产。

（二）中游：芯片设计、晶圆制造、封装测试

（三）系统配套：PCB、MLCC、连接器、电源、散热、光模块、CPO

（四）下游：AI、汽车、工业、消费电子、通信网络

二、上游产业链

（一）半导体材料：从硅到半导体硅片（裸晶圆）

芯片最基础的材料是硅（Si）。虽然硅元素很常见，但半导体用硅片不是普通硅材料，而是经过多轮提纯和精密加工后的高纯单晶硅片。制作高纯单晶硅片的大致流程是这样的：

石英砂/二氧化硅 → 工业硅 → 高纯多晶硅 → 单晶硅棒 → 切片 → 研磨、抛光、清洗 → 半导体硅片 → 晶圆制造

1. 石英砂/二氧化硅 → 工业硅 → 高纯多晶硅

硅主要存在于自然界中的石英砂、石英矿当中，它们的主要成分是二氧化硅（SiO₂）和硅酸盐。通过高温还原反应可以把它们还原成工业硅。这一过程通常在矿热炉/电弧炉里完成，需要很高温度。得到的工业硅纯度大概可以到 98%-99% 以上，但这对半导体远远不够。半导体级硅要求极高纯度，杂质含量要低到非常夸张的程度。下一步就要进行提纯。

工业硅里面有金属杂质、碳、硼、磷等杂质。要变成半导体材料，需要进一步提纯。主流方法是化学提纯，典型路线是“西门子法”。

工业硅→ 和氯化氢等反应，生成含硅气体/液体化合物（SiHCl₃）→ 反复精馏提纯→ 再通过化学气相沉积还原→ 得到高纯多晶硅

在这一步中最主要的是通过精馏不断去除杂质，尤其控制硼、磷、金属杂质。在这里需要区分：光伏级多晶硅（用于太阳能电池，纯度要求高，但低于半导体顶级要求）和电子级多晶硅（用于半导体硅片，纯度、杂质控制要求更苛刻）。在国内多晶硅相关的公司大多都偏光伏链，比如：通威股份（600438.SH）、大全能源（688303.SH）、新特能源、协鑫科技等。做电子级多晶硅的公司主要在海外。

工业硅：常见纯度水平为98%-99%，级别大概为2N不到，有很多杂质。（N就是有几个9的意思）

光伏级多晶硅：常见纯度水平为：99.9999%-99.99999999%，级别通常为6N-10N。杂质水平大概为ppm-0.1ppb级别。

电子级多晶硅：常见纯度水平为：9N-11N+，高端半导体一般在11N及以上。杂质水平大概为ppb到ppt级别。

* ppm指的是100万个原子里有1个杂质原子，ppb指的是10亿个原子里有1个杂质原子，ppt指的是1万亿个原子里有1个杂质原子。

2. 高纯多晶硅 → 单晶硅棒

高纯多晶硅虽然纯度很高，但它是“多晶”的，里面有很多晶粒，晶粒之间有晶界。晶界会影响电子运动，不适合直接做高性能芯片。芯片需要的多晶硅是：晶格排列整齐、缺陷少、电学性质稳定的、晶向可控的。所以要把高纯多晶硅重新熔化，然后长成一整根单晶硅棒。这一步叫做拉晶。最常用的方法是直拉法（也叫CZ法）：

高纯多晶硅高温熔化成硅熔体→ 放入一小段单晶硅籽晶→ 籽晶缓慢旋转并向上拉→ 熔体按籽晶的晶格方向生长→ 形成一整根单晶硅棒

在这一步中，最主要的是要把高纯的多晶硅加工成单晶结构、统一晶向、可控直径、低缺陷、适合后续切成标准硅片的硅棒。多晶硅解决的是纯度的问题，而这一步是将多晶硅又重新加工成单晶硅，解决了晶体结构的问题。

3. 单晶硅棒 → 切片→ 研磨、抛光、清洗 → 半导体硅片

单晶硅棒拉出来后，不是整根直接切片，中途还有很多工序。具体工序如下：

单晶硅棒 → 截断 → 外圆磨削 → 晶向定位 → 切片 → 倒角 → 研磨 → 腐蚀 → 抛光 → 清洗 → 检测

• 截断：单晶硅棒拉出来后，不是整根直接切片。头部、尾部或者部分区域可能晶体质量、电阻率、直径稳定性不够理想。所以第一步要截断：去掉头尾不稳定区域、切成适合后续设备加工的长度、保留质量更稳定的中间段。目的是为了保证后面切出来的硅片质量一致。

• 外圆磨削：拉晶出来的硅棒虽然大体是圆的，但直径不可能完全标准，表面也可能有轻微不规则。外圆磨削就是把硅棒外圆磨到目标直径，比如 200mm、300mm。目的是为了控制直径、方便后续切片。

• 晶向定位：确定硅片的晶体方向。单晶硅不是随便切都行，它有晶向。常见晶向有：<100><111><110>。晶向会影响后续器件性能、氧化速度、刻蚀行为、载流子迁移等。所以切片前要先测晶向，确定应该沿哪个方向切。

• 切片：把硅棒切成一片片薄圆片。切片通常用金刚线或线锯，把硅棒切成薄薄的圆片。这一步会产生几个问题：表面有锯痕、厚度有偏差、边缘容易崩裂、内部可能有机械应力等。所以刚切好的硅片还远远不能直接拿去做芯片。

• 倒角：把硅片边缘磨圆。切片后的硅片边缘很锋利，也容易崩边。如果边缘有微裂纹，后续搬运、清洗、高温处理时可能扩展成裂片。倒角就是把边缘磨成圆滑形状。

• 研磨：去掉锯痕，改善厚度和平整度。研磨通常是对硅片两面进行机械加工，去除切片留下的锯痕和表面损伤。解决形状问题。

• 腐蚀：去除机械损伤层。切片、倒角、研磨都会在硅片表面造成一层机械损伤层。腐蚀就是用化学方法把这层受损表面去掉。

• 抛光：做到镜面级表面。抛光是硅片加工里非常关键的一步，通常会用化学机械抛光。抛光后的硅片表面要非常平整、非常光滑，接近镜面效果。这一步对光刻的结果影响很大，如果硅片表面不平，就像在凹凸不平的纸上印刷极细图案，图形容易失真，良率会下降。

• 清洗：去掉颗粒、金属、有机物残留。抛光之后，硅片表面可能有抛光液残留、颗粒、金属离子等影响后续晶圆制造，所以要用超纯水、化学清洗液等进行清洗。半导体硅片的清洗要求远高于普通工业清洗。

• 检测：最后要做严格检测，要测量的指标包括：直径、厚度、TTV、平整度、翘曲、颗粒数量、划痕、电阻率、晶向等。

所以在这个环节最主要的环节在于：硅片的纯度够不够高、晶体缺陷够不够少、表面够不够平整、批次稳定性好不好、能不能通过晶圆厂长期认证。所以半导体硅片和光伏硅料不是一个难度。半导体硅片对纯度、缺陷、颗粒污染、金属污染、平整度要求更高。全球半导体硅片市场长期由海外厂商主导，典型公司包括：信越化学、SUMCO、GlobalWafers、Siltronic、SK Siltron。在国内也有沪硅产业（688126.SH）、立昂微（605358.SH）、TCL中环（002129.SZ）、有研硅（688432.SH）、中晶科技（003026.SZ）、神工股份（688233.SH）等公司在推进国产替代，但高端大尺寸硅片、先进制程配套能力和稳定供货仍然是重点观察方向。这里面还涉及硅片的制作设备公司：晶盛机电（300316.SZ）。

（二）半导体设备：制造芯片的工业母机

半导体设备主要就是负责把设计好的电路图形加工到晶圆上。晶圆厂要扩产、升级制程，就必须采购设备。用于制造芯片的设备主要有：光刻机、刻蚀设备、薄膜沉积设备、离子注入设备、清洗设备、CMP抛光设备、量测检测设备、热处理设备、涂胶显影设备、去胶设备、氧化/扩散设备等。

1. 光刻设备：把电路图形通过掩膜版/曝光系统转移到光刻胶上，决定图形精度。代表公司：ASML；上海微电子；芯碁微装（688630.SH）。

2. 涂胶显影设备：在光刻前涂光刻胶，曝光后用显影液把图形显现出来。代表公司：芯源微（688037.SH）、北方华创（002371.SZ）

3. 刻蚀设备：按照光刻形成的图案，把不需要的膜层或硅材料刻掉。代表公司：中微公司（688012.SH）、北方华创（002371.SZ）

4. 薄膜沉积设备：在晶圆表面沉积绝缘层、金属层、阻挡层等各种薄膜材料。代表公司：北方华创（002371.SZ）、拓荆科技（688072.SH）、微导纳米（688147.SH）、中微公司（688012.SH）

5. 离子注入设备：把硼、磷、砷等离子打入硅片，改变局部区域导电特性。代表公司：先导基电（600641.SH，旗下凯世通）、北方华创（002371.SZ）

6. 热处理/氧化扩散设备：通过高温退火、氧化、扩散等工艺修复晶格、激活掺杂、形成氧化层。代表公司：北方华创（002371.SZ）、盛美上海（688082.SH）

7. 清洗设备：去除晶圆表面的颗粒、金属、有机物、光刻胶和CMP残留。代表公司：盛美上海（688082.SH）、芯源微（688037.SH）、北方华创（002371.SZ）、至纯科技（603690.SH）

8. CMP抛光设备：用化学+机械方式把晶圆表面磨平，保证后续多层工艺继续进行。代表公司：华海清科（688120.SH）、盛美上海（688082.SH）

9. 去胶/灰化设备：在光刻和刻蚀后去除残余光刻胶，为下一步工艺做准备。代表公司：北方华创（002371.SZ）、盛美上海（688082.SH）

10. 量测检测设备：检查晶圆缺陷、膜厚、线宽、套刻精度等，是良率控制工具。代表公司：中科飞测（688361.SH）、精测电子（300567.SZ）

11. 测试设备：对晶圆或封装后芯片做电性能测试，筛掉不良品。代表公司：华峰测控（688200.SH）、长川科技（300604.SZ）、联动科技（301369.SZ）、金海通（603061.SH）

（三）EDA/IP：芯片设计的软件基础

EDA（Electronic Design Automation），电子设计自动设计化。简单理解，EDA 就是芯片设计用的软件工具。芯片不是工程师用手一根线一根线画出来的，而是要借助 EDA 软件完成架构设计、逻辑设计、电路仿真、版图设计、时序分析、功耗分析、物理验证等流程。越复杂的芯片，越离不开 EDA。IP 指的是芯片里可以复用的功能模块。比如 CPU 核、GPU 核、NPU、DDR 接口、PCIe 接口、USB 接口、SerDes、MIPI、ADC/DAC 等。芯片公司不一定每个模块都从零开始设计，可以购买成熟 IP 集成到自己的芯片里。所以 EDA/IP 虽然不直接制造芯片，但它处在芯片设计的最前端，是半导体产业链的基础工具。一颗芯片从想法到流片，大概流程是：

需求定义→ 架构设计→ RTL逻辑设计→ 功能验证→ 逻辑综合→ 布局布线→ 时序分析→ 功耗分析→ 物理验证→ 输出GDSII文件→ 给晶圆厂流片

这里面基本上每个环节都要用到EDA工具。EDA的核心作用不只是”画图“，而是要去计算确认芯片设计的逻辑是否正确、电路能不能跑、时序能不能满足、功耗会不会太高、面积能不能接受、版图能不能制造等。芯片流片成本很高，先进制程一次流片可能非常贵。如果设计有问题，芯片做出来不能用，损失会很大。所以 EDA 的价值在于：尽量在流片前发现问题，降低失败概率。

IP 可以理解成芯片里的标准化功能模块。比如一家芯片公司想做一颗 SoC，不一定所有模块都自己从零设计。它可以自己设计核心部分，同时购买一些成熟 IP，比如：GPU IP、CPU IP、NPU IP、DDR控制IP、USB IP等等。这样可以缩短研发周期，降低设计风险。复杂芯片越来越依赖成熟 IP。尤其是接口类 IP，比如 DDR、PCIe、USB、SerDes，技术难度高、协议复杂、验证工作量大，很多芯片公司会选择购买成熟 IP。

EDA/IP 的壁垒主要不在硬件资产，而在长期积累。尤其是 EDA。芯片公司一旦长期使用某套工具，设计流程、工程师习惯、脚本、验证环境都会和工具绑定。换工具不是简单换软件，而是整个设计流程都要调整。另外，EDA 还要和晶圆厂的 PDK 配合。不同晶圆厂、不同制程节点，都需要对应的工艺规则。如果 EDA 工具不能适配主流晶圆厂工艺，设计公司就很难真正使用。所以 EDA 的商业模式有点像“高端工业软件 + 半导体工艺生态”。

EDA市场长期由海外的三家公司主导：Synopsys、Cadence和Siemens EDA，这三家公司基本覆盖了芯片设计的主要流程，包括前端设计、仿真验证、逻辑综合、布局布线、物理验证、时序分析、功耗分析等。国内公司目前和海外龙头相比，整体规模和工具链完整度还有差距，但国产替代方向比较明确。相关的上市公司包括：华大九天（301269.SZ）、概伦电子（688206.SH）、广立微（301095.SZ）、芯原股份（688521.SH）、灿芯股份（688691.SH）。前三者更偏EDA工具，后两者更偏半导体IP和芯片设计服务。

三、中游产业链

（一）总览

（二）芯片设计

（三）晶圆制造

（四）封装测试

四、系统配套

五、下游产业链

（一）总览

（二）AI服务器/数据中心

（三）汽车电子、消费电子

（四）通信网络