半导体硅片行业专题报告.docx

1、半导体硅片行业专题报告 半导体硅片行业专题报告景气上行，百舸争流勇进者胜 1. 半导体硅片：半导体材料之最大宗产品1.1 硅片：半导体产业重要基础材料半导体硅片行业处于产业链的上游，是半导体材料中最为大宗的品类，为半导体行业发 展提供基础支撑。硅材料因其具有单方向导电特性、热敏特性、光电特性、掺杂特性等 优良性能，可以生长为大尺寸高纯度晶体，且储量丰富、价格低廉，故成为全球应用最 广泛、最重要的半导体基础材料。硅片是制造芯片的基本衬底材料，也是唯一贯穿各道 芯片前道制程的半导体材料，目前全球半导体市场中，90%以上的芯片和传感器都是基于 硅材料制造而成。半导体硅片在半导体制造材料中销售额占比最

2、高，产业地位处于核心位置。半导体制造 材料主要包括硅片、电子气体、光掩膜、光刻胶配套化学品、抛光材料、光刻胶、湿法 化学品与溅射靶材等。根据 SEMI 统计，2018 年硅片、电子气体、光掩膜、光刻胶配套 化学品的销售额分别为 120.98 亿美元、42.73 亿美元、40.41 亿美元、22.76 亿美元，分别 占全球半导体制造材料行业 36.64%、12.94%、12.24%、6.89%的市场份额，其中半导体 硅片销售额占比最高，为半导体制造的核心材料。按半导体硅片应用场景划分，硅片主要可分为正片、陪片。正片可直接用于晶圆制造， 而陪片又按功能分为测试片（Test Wafer）、挡片（Du

3、mmy Wafer）和控片（Monitor Wafer）。测试片主要用于实验及检查等用途，也用于制造设备投入使用初期以提高设备稳定性； 挡片用于新产线调试以及晶圆生产控制中对正片的保护；控片多用于正式生产前对新工 艺测试、监控良率，同时为监控正式生产过程中的工艺精度及良率，需要在晶圆正片生 产过程中插入控片增加监控频率。挡片和控片一般是由晶棒两侧品质较差段切割出来。另外，部分挡控片可重复使用。由 于挡控片作为辅助生产使用且用量巨大，晶圆厂通常会回收用过的挡片，经研磨抛光， 重复使用数次；而控片则需具体情况具体对待，用在某些特殊制程的控片无法回收使用， 可以回收重复利用的挡控片又被称为可再生硅片

4、。1.2 半导体硅片加工流程长，单晶硅生长技术尤为关键半导体硅片的生产流程较长，涉及工艺较多。半导体抛光片生产环节包含了拉晶、滚圆、 切割、研磨、蚀刻、抛光、清洗等工艺；半导体外延片生产过程主要为在抛光片的基础 上进行外延生长；SOI 硅片主要采用键合或离子注入等方式制作。半导体硅片每一个工艺 环节均会影响产成品的质量、性能与可靠性。目前工业上生产单晶硅通常采用的是直拉法（CZ 法），它是制造单晶硅的一种重要方法， 当今 90以上的单晶硅都是用直拉法生产的。此外，区熔法也是制造单晶硅的另一种方 法，其最大需求来自于功率半导体器件。（1）直拉法直拉法简称 CZ 法。CZ 法的特点是在一个直筒型的

5、热系统汇总，用石墨电阻加热，将装 在高纯度石英坩埚中的多晶硅熔化，然后将籽晶插入熔体表面进行熔接，同时转动籽晶， 再反转坩埚，籽晶缓慢向上提升，经过引晶、放大、转肩、等径生长、收尾等过程，得 到单晶硅。这种技术能够实现低微缺陷单晶生长，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，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，同时提 高产出良率，降低单晶生长成本。（2）区熔法区熔法简称 FZ 发，是利用多晶锭分区熔化和结晶半导体晶体生长的一种方法，利用热能 在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶。调

6、节温度使熔区缓慢地向棒的另一 端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。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。根据掺杂程度的不同，半导体硅片主要分为轻掺硅片和重掺硅片。对于硅抛光片，可分 为轻掺硅抛光片和重掺硅抛光片，掺杂元素的掺入量越大，硅抛光片的电阻率越低。轻掺硅抛光片广泛应用于大规模集成电路的制造，也有部分用作硅外延片的衬底材料。重 掺硅抛光片一般用作硅外延片的衬底材料。对于硅外

7、延片，根据衬底片的掺杂浓度不同， 分为轻掺杂衬底外延片和重掺杂衬底外延片。前者通过生长高质量的外延层，可以提高 CMOS 栅氧化层完整性、改善沟道漏电、提高集成电路可靠性，后者结合了重掺杂衬底 片和外延层的特点，在保证器件反向击穿电压的同时又能有效降低器件的正向功耗。2. 5G、数据中心、汽车电子驱动硅片需 求成长，12 英寸硅片占比逐年提升2.1 半导体硅片需求稳步增长半导体材料可以分为晶圆制造材料和封装材料，2019 年全球半导体材料市场规模为 521 亿美元，同比下降 1.1；2020 年全球半导体材料市场将略有增长，达到 529.4 亿美元， 预计明年在下游需求复苏的带动下，市场规模将

8、达到 563.6 亿美元，同比增长 6.46%，其 中大陆市场规模将突破 100 亿美元，将超过韩国位居第二。晶圆制造材料是半导体材料主要构成部分，随着先进制程的不断发展，半导体制造材料 的消耗量逐渐增加。据 SEMI 统计，晶圆制造材料市场销售额从 2013 年的 227 亿美元增 长到 2019 年的 328 亿美元，年复合增长率为 6.33%。在半导体制造材料中，硅片是上游材料占比最大的部分，2019 年硅片占全球半导体制造 材料行业 37.28%。2014 年至今，在通信、计算机、汽车产业、消费电子等应用领域需求 带动以及人工智能、物联网等新兴产业的崛起，全球半导体硅片市场规模呈现上升

9、趋势， 硅片营收从 2014 年的 76 亿美元提高至 2018 年的 114 亿美元，2019 年度出现小幅回落。从硅片的出货面积来看，2019 年由于半导体市场需求下滑，硅片出货面积 117 亿平方英 寸，同比下滑 6.9%，预计今年全球晶圆出货量去年增长 2.4%，明年将延续增长趋势，增 速可望扩大至 5%，有望在 2022 年创新高。从国内情况来看，自 2014 年以来，我国半导体硅片市场规模呈稳定上升趋势。根据 IC Mtia 统计，2018 年中国半导体硅片市场需求为 172.1 亿元，预计 2019 年的市场需求将分别达 到 176.3 亿元，2014 年至 2019 年的复合增

10、长率为 13.74%，国内市场需求增速高于全球平 均水平。2.2 5G、数据中心、汽车电子驱动硅片需求成长从硅片的下游应用结构来看，主要下游应用包括手机、服务器、PC、汽车等，以 12 英寸 硅片为例，其中智能手机、服务器、PC 占比分别为 32%、18%、20%，汽车占比 5%。从全球智能手机市场来看，2020 年由于受到新冠疫情的影响，预计 2020 年全球智能手机 市场出货量将下降 11.9%，总出货量为 12 亿部。在 5G 手机的带动下，预计全球智能手 机市场将迎来强劲复苏，2021 年出货量同比增速可达 10%。2020 年全球 5G 手机出货量 2 亿部，预计 2021、2022

11、 年可达 5 亿、7.5 亿台，同比增速分别为 150%、50%。与 4G 手机相比，5G 手机对存储、AP、CIS 的需求均有较大提升，带动了单部手机硅含 量的提升。总体来看，单部 5G 手机对 12 英寸硅片的需求量相比 4G 手机提高了 70%， 随着 5G 手机需求的爆发增长，有望带动硅片需求大幅提高。在服务器市场方面，随着云计算、大数据、人工智能、物联网等热门技术的大规模应用， 全球数据流量将迎来爆发增长，预计将从 2019 年的 201EB/月增长至 2022 年的 396EB/ 月，将近翻倍增长。全球数据流量的爆发将带动数据中心领域逻辑、存储芯片的需求提高，从而推动上游硅 片行业

12、的需求成长，2019 年数据中心对硅片需求量约 75 万片/月，预计 2024 年超过 150 万片/月。与传统的燃油车相比，电动汽车半导体用量有大幅提高，其中功率半导体用量提升最大。 传统的燃油车单车功率半导体用量只有 71 美元，轻混车（MHEV）、混动车/插电混动车 （HEV/PHEV）、纯电动车（BEV）中功率半导体的单车平均成本为 90 美元、305 美元， 350 美元，较传统汽车分别提高了 27%、330%、393%，占半导体成本的比例分别 16.9%、 38.8%、45.2%。目前，全球汽车市场正在经历由传统燃油车向电动汽车过渡的阶段，电动车渗透率快速 提升，预计 2023 年

13、电动车（含轻混、混动车/插电混动车、纯电动）渗透率将突破 25%， 2027 年将突破 50%。电动车的快速发展将带动汽车半导体市场需求的快速提高，预计 20192024 年全球车用 IC 市场销售额年复合成长率高于其他 IC 终端应用市场，并且 2024 年车用 IC 销售额占比 攀升至 9.7%。2.3 8 英寸硅片需求稳定增长，12 英寸硅片占比逐年提升半导体硅片的尺寸按直径计算主要包含 2 英寸（50mm）、3 英寸（75mm）、4 英寸（100mm）、 6 英寸（150mm）、8 英寸（200mm）与 12 英寸（300mm）等规格。硅片尺寸越大，在 单片硅片上制造的芯片数量就越多，

14、单位芯片的成本随之降低，随着摩尔定律的推进， 向大尺寸演进是半导体硅片制造技术的发展方向。目前，全球市场主流的产品是 8 英寸、12 英寸直径的半导体硅片，12 英寸硅片的主要应 用在逻辑和存储芯片，全球先进制程的不断推进带动了 12 英寸硅片需求持续增长，自 2000 年全球第一条 12 英寸硅片芯片制造生产线建成以来，12 英寸半导体硅片逐渐成为 全球硅片市场的主流产品。得益于移动通信、计算机等终端市场持续快速发展，300mm 半导体硅片出货面积从 2000 年的 9400 万平方英寸扩大至 2018 年的 80 亿平方英寸，市 场份额从 1.69%大幅提升至 2018 年的 63.83%

15、，成为半导体硅片市场最主流的产品，预计 到 2020 年将占市场的 75%以上。在模拟芯片、传感器及功率器件等领域，用 8 英寸硅片制作成本最低。近几年来，得益 于下游需求的持续增长，8 英寸（200mm）半导体硅片出货量呈现逐年稳定上升趋势。从晶圆厂的资本开支计划来看，未来主要投资集中在 12 英寸厂，预计从 2020 年至 2024 年之间，芯片行业将新增至少 38 家 12 英寸晶圆厂，其中中国台湾将新增 11 家晶圆厂， 中国大陆将新增 8 家，大陆的 12 英寸晶圆产能占比将从 2015 年的 8%提高到 2024 年的 20%。随着全球 12 英寸晶圆厂的投产以及产能释放，将带动全

16、球 12 英寸硅片需求进一步 成长，占比有望进一步提升。3. 兼并购浪潮打造全球五大硅片巨头，本土厂商百舸争流勇进者胜3.1 全球半导体硅片厂商集中度高，规模优势提升行业盈 利水平2018 年全球半导体硅片行业销售额合计为 120.98 亿美元。其中，行业前五名企业的市场 份额分别为：日本信越化学市场份额27.58%，日本SUMCO市场份额24.33%，德国Siltronic 市场份额 14.22%，中国台湾环球晶圆市场份额为 16.28 %，韩国 SK Siltron 市场份额占比 为 10.16%。中国大陆硅产业集团占全球半导体硅片市场份额 2.18%。由于半导体硅片行业具有技术难度高、研

17、发周期长、资金投入大、客户认证周期长等特 点，全球半导体硅片行业进入壁垒较高，行业集中度高。2018 年，全球前五大半导体硅 片企业信越化学、SUMCO、Siltronic、环球晶圆、SK Siltron 合计销售额 740.35 亿元，占 全球半导体硅片行业销售额比重高达 93%。 信越化学（4063.T）信越化学是全球排名第一的半导体硅片制造商，是日本著名的化学品公司。信越化学设 立于 1926 年，为东京证券交易所上市公司，主营业务包括 PVC（聚氯乙烯）、有机硅塑 料、纤维素衍生物、半导体硅片、磷化镓、稀土磁体、光刻胶等产品的研发、生产、销 售。信越化学采取多元化发展战略，在多个产品领

18、域均全球领先。1999 年，信越化学并 购 Hitachi 的硅片业务，半导体硅片份额进一步提升。信越化学于 2001 年开始大规模量 产 300mm 半导体硅片，半导体硅片产品类型包括 300mm 半导体硅片在内的各尺寸硅片 及 SOI 硅片。SUMCO（3436.T）SUMCO 是全球排名第二的半导体硅片制造商，专注于半导体硅片业务，为东京证券交易 所上市公司，主要产品包括 100-300mm 半导体硅片与 SOI 硅片。1999 年，住友金属工业 株式会社、三菱材料株式会社和三菱硅材料株式会社合资成立了具有 300mm 硅片生产能 力的硅晶圆联合制作所，2002 年从住友金属工业公司收购硅片业务，并与三菱材料硅业公司合并，2005 年正式更名为 SUMCO。2006 年 SUMCO 收购日本小松金属制作所后， 市场份额进一步扩大。