大硅片行业分析报告.docx

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大硅片行业分析报告

2020年大硅片行业分析报告

2020年6月

大硅片：

半导体画布。

硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料。

目前，全球市场主流的硅片产品是300mm和200mm直径的半导体硅片。

其中，300mm主要应用在智能手机、计算机、云计算、人工智能、SSD（固态存储硬盘）等较为高端领域，出货面积占比60%以上。

200mm硅片主要应用在移动通信、汽车电子、物联网、工业电子等领域，目前出货面积20%以上。

根据制造工艺分类，半导体硅片主要可以分为抛光片、外延片与以SOI硅片，抛光片为主流半导体硅片。

半导体市场放量，带动全球硅片市场不断增长。

在大数据、云计算、人工智能、新能源汽车、区块链等新兴终端应用的带动下，全球半导体市场持续增长，2012-2018年复合增速8.23%。

硅片材料在半导体制造材料中占比33%，为占比最大的材料。

2019年全球硅片材料市场规模达到112亿美元，出货面积11810百万平方英寸。

其中，全球12寸硅片出货面积量达到470万片/月，全球8寸硅片出货量达到430万片/月。

全球硅片市场寡头垄断。

由于半导体硅片行业具有技术难度高、研发周期长、资本投入巨大、客户认证周期长等特点，全球半导体硅片行业集中度较高。

2018年，全球前五大半导体硅片企业信越化学、SUMCO、Siltronic、环球晶圆、SKSiltron合计销售额占全球半导体硅片行业比重高达93%。

国内大硅片有望发力。

在国家相关政策以及产业基金的大力支持下，我国大硅片业务迎来快速发展期。

国内首条12英寸半导体硅片生产线由杭州中芯晶圆于2017年12月建成。

2018年11月，上海新昇成为国内第一个实现300mm硅片大规模量产的企业。

目前国内已投产的12英寸晶圆产线已超20条，宣布在建的有8条，建成后产能将超65万片/月。

在国产替代的大趋势之下，国产12英寸硅片有望迎来快速发展。

一、硅片：

半导体产业链的“画布”

1、硅片概况

常见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）等元素半导体及砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等化合物半导体。

相较于锗，硅的熔点为1415℃，高于锗的熔点937℃，较高的熔点使硅可以广泛应用于高温加工工艺中；硅的禁带宽度大于锗，更适合制作高压器件。

相较于砷化镓，硅安全无毒、对环境无害，而砷元素为有毒物质；并且锗、砷化镓均没有天然的氧化物，在晶圆制造时还需要在表面沉积多层绝缘体，这会导致下游晶圆制造的生产步骤增加从而使生产成本提高。

硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料，90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的。

硅在地壳中占比约27%，是除了氧元素之外第二丰富的元素，硅元素以二氧化硅和硅酸盐的形式大量存在于沙子、岩石、矿物中，储量丰富并且易于取得。

通常将95-99%纯度的硅称为工业硅。

沙子、矿石中的二氧化硅经过纯化，可制成纯度98%以上的硅；高纯度硅经过进一步提纯变为纯度达99.9999999%至99.999999999%（9-11个9）的超纯多晶硅；超纯多晶硅在石英坩埚中熔化，并掺入硼（P）、磷（B）等元素改变其导电能力，放入籽晶确定晶向，经过单晶生长，制成具有特定电性功能的单晶硅锭。

熔体的温度、提拉速度和籽晶/石英坩埚的旋转速度决定了单晶硅锭的尺寸和晶体质量，而熔体中的硼（P）、磷（B）等杂质元素的浓度决定了单晶硅锭的电特性。

单晶硅锭经过切片、研磨、蚀刻、抛光、外延（如有）、键合（如有）、清洗等工艺步骤，制造成为半导体硅片。

在生产环节中，半导体硅片需要尽可能地减少晶体缺陷，保持极高的平整度与表面洁净度，以保证集成电路或半导体器件的可靠性。

在半导体硅片上可布设晶体管及多层互联线，使之成为具有特定功能的集成电路或半导体器件产品，下游主要包括手机与平板电脑、物联网、汽车电子、人工智能、工业电子、军事太空等领域。

2、半导体硅片分类

根据尺寸分类，半导体硅片的尺寸（以直径计算）主要有50mm（2英寸）、75mm（3英寸）、100mm（4英寸）、150mm（6英寸）、200mm（8英寸）与300mm（12英寸）等规格。

1965年，戈登•摩尔提出摩尔定律：

集成电路上所集成的晶体管数量，每隔18个月就提升一倍，相应的集成电路性能增强一倍，成本随之下降一半。

对于芯片制造企业而言，这意味着需要不断提升单片硅片可生产的芯片数量、降低单片硅片的制造成本以便与摩尔定律同步。

半导体硅片的直径越大，在单片硅片上可制造的芯片数量就越多，单位芯片的成本随之降低。

在摩尔定律的影响下，半导体硅片正在不断向大尺寸的方向发展。

硅片的尺寸越大，相对而言硅片边缘的损失会越小，有利于进一步降低芯片的成本。

例如，在同样的工艺条件下，300mm半导体硅片的可使用面积超过200mm硅片的两倍以上，可使用率（衡量单位晶圆可生产的芯片数量的指标）是200mm硅片的2.5倍左右。

目前，全球市场主流的产品是300mm和200mm直径的半导体硅片。

终端应用领域来看，300mm主要应用在智能手机、计算机、云计算、人工智能、SSD（固态存储硬盘）等较为高端领域，目前出货面积占比60%以上。

200mm硅片主要应用在移动通信、汽车电子、物联网、工业电子等领域，目前出货面积20%以上。

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

单晶硅锭经过切割、研磨和抛光处理后得到抛光片。

抛光片经过外延生长形成外延片，抛光片经过氧化、键合或离子注入等工艺处理后形成SOI硅片。

3、硅片制作流程

半导体硅片的生产流程包括拉晶—>滚磨—>线切割—>倒角—>研磨—>腐蚀—>热处理—>边缘抛光—>正面抛光—>清洗—>检测—>外延等步骤。

其中拉晶、研磨和抛光是保证半导体硅片质量的关键。

单晶生长技术的重点在于保证拉制出的硅锭保持极高纯度水平（纯度至少为99.999999999%）的同时，有效控制晶体缺陷的密度。

当前制备单晶硅技术主要分为悬浮区熔法（FZ法）和直拉法（CZ法）两种。

（1）直拉法

该方法可以有效的控制晶体的微缺陷密度，提高晶体质量以满足各技术节点对硅片的技术要求；有效的控制晶体中的杂质含量，特别是氧、碳含量；并最大程度降低对操作工人的依赖，保证拉制晶体质量的重复性、稳定性和一致性。

相比悬浮区熔法，直拉法成本更低，生长速率较快，更适合大尺寸（12英寸）单晶硅棒的拉制，目前约85%单晶硅片皆由直拉法制成，主要应用在逻辑，存储器芯片中。

直拉法的原理是将高纯度的多晶硅原料放置在石英坩埚中加热熔化，再将单晶硅籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便会在籽晶下端生长，并随着籽晶的提拉晶体逐渐生长形成晶棒。

（2）悬浮区熔法

该法制备的单晶硅的电阻率非常高，特别适合制作电力电子器件。

悬浮区熔法制备的单晶硅占有的市场份额较小，目前约15%的硅片由此法制备。

悬浮区熔法的原理是将圆柱形硅棒固定于垂直方向，用高频感应线圈在氩气气氛中加热，使棒的底部和在其下部靠近的同轴固定的单晶籽晶间形成熔滴，这两个棒朝相反方向旋转。

然后将在多晶棒与籽晶间只靠表面张力形成的熔区沿棒长逐步向上移动，将其转换成单晶。

二、下游应用带动硅片市场不断增长

1、硅片终端应用逐渐多元化

目前手机、计算机等仍是半导体行业终端最大的应用市场。

2018年全球手机和基站、计算机用芯片销售额分别为487亿美元、280亿美元，在半导体终端市场的占比分别为36%、21%。

据Gartner预计，2017-2022年增速最快的半导体终端应用领域是工业电子和汽车电子，将成为未来几年全球半导体行业增长最重要的驱动力。

其中，工业电子年复合增长率预计可达12%。

随着工业从规模化走向自动化、智能化，工业与信息化的深度融合、智能制造转型升级将带动工业电子需求的增长。

汽车电子2017-2022年预计复合增长率为11%。

汽车电子的增长主要源于传统车辆电子功能的扩展、自动驾驶技术的不断成熟以及电动汽车行业的快速成长。

车辆的ABS（防抱死）系统、车载雷达、车载图像传感系统、电子车身稳定程序、电控悬挂、电动手刹、压力传感器、加速度计、陀螺仪与流量传感器等，均需要使用半导体产品，汽车智慧化的趋势极大地拉动了汽车电子产品的增长。

随着电动汽车的普及与车辆电压、电池容量标准的不断提高，电源管理器与分离式功率器件的需求量也将随之上升。

通常情况下，汽车电子芯片使用200mm及以下抛光片与SOI硅片。

汽车电子市场规模的扩大将拉动200mm及以下抛光片与SOI硅片的需求。

未来的爆发式增长将会出现在大数据、云计算、人工智能、新能源汽车、区块链等新兴终端应用。

半导体硅片行业除了受宏观经济影响，亦受到具体终端市场的影响。

例如2010年，全球宏观经济增速仅4%，但由于iPhone4和iPad的推出，大幅拉动了半导体行业的需求，2010年全球半导体行业收入增长达32%。

2017年开始，大数据、云计算、人工智能、新能源汽车、区块链等新兴终端应用的出现，半导体行业进入了多种新型需求同时爆发的新一轮上行周期。

半导体硅片可应用于多个潜在新兴终端市场，如汽车电子功率器件、5G通信设备中的射频芯片等，有望爆发式增长。

2、芯片产能投放拉动硅片需求

芯片制造产能情况是判断半导体硅片需求量最直接的指标。

2017至2020年，全球芯片制造产能（折合成200mm）预计将从1985万片/月增长至2407万片/月，年均复合增长率6.64%；中国芯片制造产能从276万片/月增长至460万片/月，年均复合增长率18.50%。

近年来，随着中芯国际、华力微电子、长江存储、华虹宏力等中国大陆芯片制造企业的持续扩产，中国大陆芯片制造产能增速高于全球芯片产能增速。

随着芯片制造产能的增长，对于半导体硅片的需求仍将持续增长。

目前，中国大陆企业的300mm芯片制造产能低于200mm芯片制造产能。

随着中国大陆芯片制造企业技术实力的不断提升，预计到2020年，中国大陆企业300mm制造芯片产能将会超过200mm制造芯片制造产能。

3、大硅片市场规模持续发展

全球半导体市场规模近年来增速平稳，2012-2018年复合增速8.23%。

其中，中国大陆集成电路销售规模从2158亿元迅速增长到2018年的6531亿元，复合增速为20.27%，远超全球其他地区，全球半导体产业加速向大陆转移。

集成电路一般分为设计、制造和封测三个子行业，在制造和封测行业中，均需要大量的半导体新材料支持。

2018年全球半导体材料市场产值为519.4亿美元，同比增长10.68%。

其中晶圆制造材料和封装材料分别为322亿美元和197.4亿美元，同比+15.83%和+3.30%。

2018年，在市场产值为322亿美金的半导体制造材料中，大硅片、特种气体、光掩模、CMP材料、光刻胶、光刻胶配套、湿化学品、靶材分别占比33%、14%、13%、7%、6%、7%、4%、3%。

分地区来看，目前大陆半导体材料市场规模83亿美元，全球占比16%，仅次于中国台湾和韩国，为全球第三大半导体材料区域。

随着半导体市场不断放量以及工艺制程不断复杂，全球半导体硅片材料市场不断增长，硅片材料在半导体制造材料中占比33%，为占比最大的材料。

2019年全球硅片材料市场规模达到112亿美元，虽然相对2018年略有下滑，但整体仍维持在较高水平。

出货面积来看，2019年半导体硅片出货面积11810百万平方英寸，较2018年有所下滑，主要是由于存储器市场疲软和库存正常化所致。

硅片价格呈现出一定的周期性。

2011-2016年受行业低迷影响，硅片价格一路下行。

2016年之后，全球半导体硅片销售单价从0.67美元/英寸上升至0.95美元/英寸。

需求侧来看，随着终端应用如5G、AI、新能源汽车的快速发展，对芯片的大量需求使晶圆厂更有动力去大规模扩建工厂和生产线，进而拉动对上游硅片尤其是大硅片的需求。

供给端方面