半导体设备和材料硅片深度分析.docx

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半导体设备和材料硅片深度分析

半导体设备和材料硅片深度分析

1．硅片是市场规模最大的一类半导体材料

半导体设备和材料的市场规模都在百亿美元级别，但支撑着10倍于自身规模的半导体制造，而半导体制造又是发展电子信息通讯等各个产业的关键。

2019年全球半导体销售额4121亿美元，其中集成电路（IC）产业销售额占比超过80%，是半导体产业的核心。

半导体设备和材料广泛应用于IC、LED、MEMS、分立器件等领域，其中IC领域应用占比和难度最大。

IC产业技术工艺复杂，尤其随着先进制程的发展，工艺精细度要求越来越高，这使得几十年发展下来，形成了高度专业化的分工，不仅有IC设计、晶圆制造和封装测试三大核心环节，这三大环节也有进一步分工，并延伸出了相应的产业链。

例如IC设计的上游有专业的IP和EDA公司，晶圆制造和封测也需要配套的各类设备和材料供应商。

半导体硅片就是典型的制造材料。

作为百亿美元级别的行业，半导体材料的市场规模不算很大，但其内部材料种类繁多，单一产品市场规模小、技术要求高、子行业之间差异较大。

全球范围来看，不存在纯粹只提供半导体材料的龙头公司，规模较大的材料企业除半导体材料外，主营业务往往还涉及其他化学品领域。

不同细分行业的龙头企业之间竞争关系也比较弱，例如硅晶圆和光刻胶的代表企业信越化学和杜邦公司，半导体材料都只是他们业务的一部分。

在主要制造材料中（即硅片、光刻胶及配套化学品、电子气体、光掩模、抛光材料、湿法化学品与溅射靶材），硅片的市场份额约36%，是规模最大的一类半导体材料。

第一代半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）；第二代半导体材料包括砷化镓（GaAs）锑化铟（InSb）；GaAsAl、GaAsP等化合物半导体；第三代半导体材料包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带材料。

在材料领域第一、第二和第三代的分类并不代表“后一代优于前一代”，第三代半导体正在高速发展中，第一、二代材料也仍在产业中大规模应用。

目前90%以上的IC产品和太阳能产品是由硅基材料制作。

作为衬底材料，硅片主要应用于太阳能与半导体两大领域，在半导体行业中硅片也被称为硅晶圆，应用于这两大领域的硅片的主要差异有：

1、外观差异，硅晶圆为圆片，一般以直径区分规格，具体从50.8mm到450mm不等，通常被称为6寸片、8寸片（200mm）、12寸片（300mm）、18寸片（450mm）。

太阳能硅片为了便于定型和安装，外观为方片或准方片，一般以边长区分规格，具体有M2（156.75mm）、G1（158.75mm）、M6（166mm）、M10（182mm）G12（210mm）等。

2、原料差异，生产半导体硅片需要用到电子级多晶硅，电子级多晶硅料的纯度至少要求9个9，部分工艺甚至要求12个9及以上。

太阳能级多晶硅纯度6-9个9即可。

此外电子级硅料对杂质控制有苛刻要求，例如三氯氢硅除硼就是国内电子级多晶硅材料生产的技术瓶颈之一。

3、衡量半导体硅片的参数更多，硅晶圆不仅在平整度、光滑度、洁净度方面比光伏硅片要求更高，还由于半导体产品的多样性，客户会根据产品特点对硅晶圆的参数提出偏定制化的要求。

制作方面硅晶圆需要经过抛光、反复清洗等环节，部分特殊工艺的硅晶圆制造过程还需要外延等进一步加工。

半导体硅片的制造过程大致为：

超纯多晶硅熔化后，掺入硼（P）、磷（B）等元素改变导电能力，放入籽晶经过单晶生长制成单晶硅锭，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。

芯片制造的过程是通过在硅片上反复循环光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积等前道工艺，改变材料的导电性和构建电晶体结构，最终形成半导体器件，因此硅片的各项参数和品质对芯片质量和良率会产生直接影响。

半导体硅片一般按照尺寸、工艺和使用场景分类。

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。

尺寸方面，大尺寸是硅片制造技术进步的方向。

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，分摊的单位成本下降。

此外在圆形的硅片上制造矩形的芯片会使硅片边缘一些区域无法被利用，而大直径硅片可以有效减少边缘区域，进而提高可使用率，在同样的工艺条件下，12寸片的可使用率（衡量单位晶圆可生产的芯片数量的指标）是8寸片的2.5倍左右。

目前8寸片与12寸片是市场主流产品。

2018年全球硅片出货量中8寸和12寸片占比分别为26%、64%，晶圆制造产线的制程和尺寸这两个参数一旦确定下来一般无法更改，8寸和12寸晶圆针对的主力产品不同，但部分需求也有交叉。

12寸作为最主流的晶圆尺寸，主要用于制造CPU、逻辑IC、存储器、高性能FPGA与ASIC等高性能芯片。

8英寸则应用于特色技术或差异化技术，产品主要是模拟芯片、电源产品、摄影/指纹识别等传感器、MCU等。

18寸片（450mm）是大尺寸方向下一阶段的目标。

早在2011年全球五大半导体厂商台积电、IBM、英特尔、三星和GlobalFoundries就共同成立了450mm联盟（G450C），表态要推进450mm的应用，全球范围内还有EEMI450，Metro450等推动18寸晶圆的计划。

但由于18寸晶圆的设备研发难度大，产线投资额极高，设备和制造厂商推动力度并不充足。

目前从下游客户的情况来看，12寸片也基本可以满足制造工艺的需求，其主力尺寸的地位仍将延续。

按工艺分类，半导体硅片除了基础的抛光片（PolishWafer）之外，还有退火片（AnnealedWafer）、外延片（EpitaxialWafer）、SOI片（Silicon-On-InsulatorWafer）等特色工艺产品。

目前主流厂商可以批量供应的包括12寸/8寸抛光片、退火片、外延片，少部分企业可以供应SOI片。

按场景分类，硅片可以分为正片和测试片/挡控片，其中只有正片是直接用于晶圆制造，测试片作为过渡性产品主要用来测试机台、监控良率等。

挡控片的出现主要是因为晶圆制造企业对精度和良率要求越来越高，因此越是先进制程的产线越需要挡控片的应用。

65nm制程每投10片正片，需要加6片挡控片，而28nm及以下制程，每10片正片需要加15-20片挡控片。

尽管挡控片耗费量很大，但价格远低于正片，晶圆厂还可以回收利用挡控片，作为过渡产品的挡控片市场规模实际有限。

但对于新进入的硅片供应商，一般会先为客户提供挡控片做测试样片，其后才能逐步导入正片产品。

2．硅片行业规模主要受价格影响，全球供给高度集中

2.1需求短期受疫情影响，中长期应用领域正在拓展

硅片的市场需求与半导体行业景气高度相关，而半导体行业的景气度又与全球GDP增速息息相关。

由于制程的演进，硅片出货面积的增速并不完全匹配半导体市场的增速。

先进制程的发展发会使得芯片的特征尺寸不断减小，进而缩小芯片面积，降低对硅片的需求量。

所以从量的角度来看，摩尔定律的持续推进，会使得硅片销售面积增速低于芯片出货量增速，但二者的景气趋势高度一致。

2019年全球半导体销售额4122亿美元同比下降12.0%，根据世界半导体贸易统计协会（WSTS）最新公布的预测，2020年半导体销售额同比增长3.3%至4259.66亿美元。

由于终端需求平淡，预计全球硅片出货面积也难有增长。

由于出货面积的表现相对平稳，硅片行业的市场规模受价格影响很大。

2016-2018年，全球半导体硅片的市场规模从72亿美元增长到了114亿美元，增幅58%，同期硅片出货面积由10738百万平方英寸增长到12732百万平方英寸，增幅19%。

可见由供需关系导致的ASP的上涨对硅片市场规模的扩大起到了显著拉动作用。

2020年硅片价格难以上涨。

今年在全球疫情影响下，全年半导体的需求并不明朗。

硅片价格方面，一方面主流企业的大量长期合约锁价，对现货价格有锚定作用；同时行业整体还呈现略微供过于求的局面；并且根据SUMCO的跟踪，今年一季度晶圆厂的硅片库存基本达到了2014年以来的最高水平，因此即使下半年终端需求恢复，晶圆厂也有比较充足的库存应对，短期供需情况改善对硅片价格的支撑作用也较弱。

展望未来两年，由于半导体产品的应用领域还在持续拓宽，在行业景气度较高，硅晶圆扩产相对有限的情况下（不考虑中国大陆产能），硅晶圆价格有上涨的可能。

2021年日系主流厂家会与主要客户签订下一期长单协议，对中期价格有一定的指引作用。

2.2通信、汽车电子的发展是拉动需求的主要力量

未来几年，对半导体产品及硅片需求会形成有效拉动的主要趋势包括5G通讯技术、消费电子产品和汽车电子化的发展。

大趋势来看，5G通信技术将带动数据流量爆发式增长，而今年年初以来，受疫情影响远程办公、授课等网上业务的常态化发展也会带来数据流量快速增长，从而全面拉动数据存储的需求。

存储芯片是12寸硅片主要的应用方向。

根据2018年的数据，12英寸硅片的下游应用中，DRAM、2DNAND、3DNAND为代表的存储芯片占比已超过50%。

在数据流量和存储需求快速增长的背景下，不论是NANDFlash，还是DRAM，终端设备的增长都将传导至上游拉动存储芯片的需求，进而提升对硅片的需求。

消费电子方面，除新机的拉动外，5G手机单机硅片使用面积也明显增加，5G手机渗透率提升将有效带动12寸片的需求。

12寸片主要应用在手机中的CIS、逻辑芯片、NAND和DRAM，手机从4G升级到5G伴随各项性能的提升，芯片用量也将增长，根据SUMCO数据，5G手机单机硅片使用面积是4G的1.7倍。

随着5G手机销量的提升，等效为12寸片，2023年手机对硅片的需求将提升至53.3万片/月。

8寸片的下游应用主要是模拟芯片、分立器件、MEMS和部分逻辑芯片。

随着大量12寸先进晶圆产能投产，8寸存储芯片的产能陆续切换向了12寸。

这使得8寸晶圆厂的需求中，模拟芯片、分立器件和逻辑芯片（主要为MCU、指纹识别芯片、CMOS等）、MEMS的占比已超过50%。

8寸产线特种工艺成熟，设备和设计等环节有成本优势，进行多元化、小批量的生产能更快实现盈利，因此8寸产线仍将长期是制造非存储产品的中坚力量。

终端应用场景来看，汽车电子和自动驾驶的发展是拉动8寸及以下尺寸硅片的重要驱动力。

电动汽车渗透率提升、传统车辆电子化功能升级扩展以及自动驾驶技术日趋成熟，使得汽车电子成为了未来几年半导体应用重要的增长领域，2020年全球汽车电子市场规模约2500亿美元，预计到2030年规模将增长至4500亿美元以上，并且产业链也会进一步向亚洲集中。

对应到硅片环节，汽车电子芯片主要采用8寸及以下抛光片和SOI硅片，车规级芯片的发展会对8寸及以下尺寸的硅晶圆形成有效拉动。

2.3行业呈现高集中度、长周期的特征

全球半导体硅片市场份额高度集中。

日本信越（Shinetus）、日本胜高（SUMCO）、德国世创（Siltronic）、环球晶圆（中国台湾）、韩国SK五大厂商全球市占率超过90%，其中前两家日本企业信越和SUMCO占比就超过一半。

12寸大硅片的主要参与者也是上述企业，但由于工艺难度大，集中度更高，前五家厂商囊括了95%的市场份额。

行业此前经历了长达8年的低谷期。

2006-2007年基于对半导体市场尤其是DRAM需求的乐观预期，各大硅片厂均开启了扩产计划，2006年全球12寸硅片产能159万片/月，到2009年产能迅速提升至420万片/月。

但是2008年金融危机爆发后电子产业受到重创，此外Vista销量严重不及预期对DRAM和12寸片的需求造成了巨大冲击，多重因素叠加之下，硅片行业供需失衡明显，产品价格、开工率全面下滑，甚至一线企业SUMCO都在2010年关停了2座工厂。

此后2010-2014年全球硅片产能没有增长，2015-2017年也仅有小幅扩产。

直至2017年硅片价格时隔8年再度上涨，行业景气度开始回升。

回顾来看，上一轮的大幅扩产叠加需求不振，导致了硅片行业从2008-2016年经历了漫长且严重的产能过剩，SUMCO作为一线企业甚至出现了负毛利率的情况。

近年来海外硅片企业展开了新一轮扩产，但扩产规模有限。

截止2020Q1全球12寸片月产能约600万片，全球8寸片月产能约500万片。

根据SUMCO的预测，到2022年，全球12寸片的产能大约能提升至700万片/月（但SUMCO的预测没有包含中国大陆的硅片扩产计划），增长幅度约120万片/月，可见经历了此前的低谷期，主流厂商尽管开启了新一轮扩产，但扩产计划相对谨慎。

3．国产替代空间巨大，产能规划宏大

3.1国内半导体产业的发展将全面带动上游材料的需求

目前国内有大量在建和规划中的芯片制造产能。

根据芯思想统计，截止2019年底我国12英寸晶圆制造厂装机产能约90万片，较2018年增长50%；8英寸晶圆制造厂装机产能约100万片，较2018年增长10%；6英寸晶圆制造厂装机产能约230万片，6英寸以下尺寸也还有不少产能。

目前国内在建与规划中的芯片厂投资额已经超过万亿规模，对硅片的需求也将从2017年的276万片增长至2020年460万片（折合8寸）。

从结构来看，预计今年中国大陆12寸硅片的需求约105万片/月，8寸片接近100万片/月，往后几年，8寸和12寸片将是主要的增长方向。

半导体行业的工艺发展呈现着两大趋势，一是基于摩尔定律，不断追求先进制程，缩小芯片特征尺寸，目前存储芯片、CPU、逻辑芯片等产品延续着这一趋势，代表企业包括台积电、三星、英特尔、中芯国际。

二是超越摩尔定律，包括开发新一代半导体材料，在物理结构和电路设计方面实现突破，模拟电路、传感器、电源管理等产品比较明显的符合这一趋势，代表企业包括联电、格罗方德、华虹等。

由于两大工艺趋势的差异，先进制程产线上广泛应用12寸片，而在特种工艺和多样性这个方向下，成熟制程和8寸片也有长期的应用空间。

仅从制造方面考虑，8寸晶圆制造厂的优势主要包括：

1）投资强度较低，即使面向细分领域进行偏定制化的小批量生产，也有可能实现盈利。

投资回报方面，8寸产线较12寸产线的优势既是因为设备投资、光罩及设计服务等成本低，也因为8寸工艺相对易掌握，良率容易提高。

2）8寸产线已经形成了部分成熟的特种工艺，适宜于模拟电路、功率器件等产品的制造。

从近年的情况来看，由于模拟芯片的需求一直在提升，8寸晶圆的产能一直偏紧，而模拟产品本身又具有多品种甚至部分具有定制特性，对于国内的企业来说，如果能有清晰产品定位，是比较容易实现突破并且有盈利潜力的方向。

如果国内的8寸晶圆厂能实现重要突破，对于8寸硅片的国产化会形成拉动。

3.2进口替代与产业安全视角下，半导体硅片迎来发展期

国内晶圆厂的发展将带动半导体硅片的国产化。

半导体工艺的高度精细化和复杂化导致其供应链相对稳定和封闭。

与海外成熟的供应商相比，国内硅片厂商从技术到成本均处于弱势。

但中芯、华虹、长江存储等代表企业在自身持续发展的进程中，表示愿意扶持上游国产材料及设备企业的发展。

我国12寸片基本完全依赖进口，8寸片国产化率约在10%左右，6寸片国产化率约50%。

从中芯国际的实际采购情况来看，材料环节掩模版、研磨液国产化率已经较高，但2019年其采购的硅片国产化率不足2%，国产化的空间非常广阔。

产业安全视角下大硅片的发展也有一定迫切性。

除了上述基于市场空间的讨论外，2019年底新修订的《瓦森纳协议》中增加了对于12英寸硅晶圆制造技术的出口管制，具体针对的就是应用于14nm制程的大硅片生产技术，因此基于产业安全的考虑，即使目前技术工艺成本均没有优势，支持国产半导体硅片的发展也具有迫切性。

3.3国内大硅片产能规划宏大

近年来在市场与政策的共同驱动下，国内企业展开了宏大的产能规划。

12寸片的规划产线约20条，如果均如期投产，2023年累计产能将达到560万片/月，如果再加上天芯硅片、中芯环球等项目，12寸片的产能甚至高达800万片/月，这一产能不仅远高于国内市场的需求，也超过了2018年全球的需求。

8寸片的扩产相对较少，包含规划项目产能约345万片/月。

就已公布规划来看，国内硅片扩产涉及的投资金额已经接近1500亿。

国产化大硅片市场空间广阔但短期来看项目盈利情况尚不清晰。

上海硅产业集团的子公司上海新昇在2018年实现了12寸片量产，2020年产能已经达到约15万片/月，是国内大硅片进展最领先的企业，但目前盈利情况也不明朗。

上海新昇的大硅片项目2014年开建，可见项目的投资回报期是比较长的。

大硅片项目本身进入门槛很高，制造工艺需长时间经验积累，即使量产后，也需要客户长时间的验证，而在这个过程中，每年仍需持续投入研发，进行折旧，以及进一步扩产摊薄成本，这些特点体现在财务上就是项目盈利薄弱甚至连续亏损。

尽管目前国内外晶圆厂的扩产都以12寸为主，但原因是多方面的，而非仅仅因为8寸产线竞争力不足。

一方面国际设备厂多已停止或减少8寸厂设备生产，使用二手设备无法支持企业进行大幅扩产。

而国内企业在强政策的扶持下，也更加倾向于直接展开投资规模和下游需求更大的12寸项目。

8寸晶圆对应的主要产品模拟芯片、功率半导体均呈增长态势。

根据第三方机构的预测，模拟电路市场规模2018年到2023年的年复合增速为7.4%，是集成电路中增长非常迅速的细分子行业。

模拟芯片强调高信噪比、低失真，电阻、电容、电感都会产生噪音或者失真，高端制程可能影响芯片性能，因此模拟芯片通常使用28nm以下的传统制程，对材料和设计经验的积累要求更高。

功率半导体包括高性能分立器件以及电源管理IC，在涉及电流的场景基本都有功率半导体的身影。

功率半导体的前端制造同样不需要先进制程，部分产品技术壁垒低，是我国本土产业链发展最为成熟的一类产品，国内企业具备了中低端产品的生产能力，高压MOSFET和IGBT国产化率依然很低，约在10-15%，是国内企业可以重点突破的领域，而下游国产企业的突破才能有效加速上游硅片应用的国产化。

4．业务建议及风险分析

（本段有删节，招商银行各部如需报告原文，请参照文末方式联系研究院）

4.1业务建议

关注大硅片项目国产化的突破。

建议布局配套成熟制程，在细分领域有清晰定位的8寸片项目。

关注海外并购的机会。

4.2风险分析

1、经营研发风险：

项目投资回报期可能过长2、产业链风险：

大硅片生产设备仍以进口为主3、行业波动风险4、警惕投机型项目