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。

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半导体硅片在半导体制造材料中销售额占比最高,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(Dummy 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。

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。

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(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。

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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%。

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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。

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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。

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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 年的复合增长率为 13.74%,国内市场需求增速高于全球平 均水平。

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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%。

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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 年可达 5 亿、7.5 亿台,同比增速分别为 150%、50%。

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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。

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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。

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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 2019~2024 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%。

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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,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%,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,将带动全球 12 英寸硅片需求进一步 成长,占比有望进一步提升。

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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%。

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① 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。

②SUMCO(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。

② 环球晶圆(6488.TWO)

环球晶圆是全球第三大半导体硅片制造商,主要经营地在中国台湾,是一家台湾证券柜 台买卖市场挂牌的企业。环球晶圆专注于半导体硅片业务,主要产品有硅锭、50-300mm 硅片。1981 年,中美硅集团在台湾新竹科学工业园区成立,2011 年将半导体事业部分拆 后环球晶圆正式成立。环球晶圆于 2016 年收购了专注于 SOI 硅片与外延片制造的 SunEdison Semiconductor Limited、FZ(区熔)硅片产品主要供应商 Topsil Semiconductor Materials A/S 半导体事业部,从而成为全球第三大硅片制造商。

④Siltronic AG(WAF.F)

Siltronic 是全球排名第四的半导体硅片制造商,主营经营地在德国,于 2015 年在法兰克 福证券交易所上市。公司主要产品包括 125-300mm 半导体硅片。Siltronic 专注于半导体 硅片业务,从 1953 年开始从事半导体硅片业务的研发工作,1998 年实现 300mm 半导体 硅片的试生产,2004 年 300mm 半导体硅片生产线投产。

⑤SK Siltron(未上市)

SK Siltron 是全球第五大半导体硅片制造商,主要经营地在韩国。SK Siltron 前身 LG Siltron 设立于 1983 年,1996 年建成 200mm 半导体硅片生产线,2002 年建成 300mm 半导体硅 片生产线,是 LG 集团下专门制造半导体硅片的企业。2017 年 LG Siltron 被 SK 集团收购, 公司更名为 SK Siltron,成为全球第五大硅片企业。

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全球半导体硅片供应商集中在东亚与欧洲地区,其中日本厂商信越与 SUMCO 合计占比 超过 50%,日本地区以半导体设备与材料占据半导体全球分工体系中重要一环。环球晶 圆受益台湾台积电代工模式崛起,SK Siltron 背靠韩国存储大厂,在半导体硅片厂商的整 合潮流中做大做强。Siltronic 脱胎于德国 Wacker 与三星在新加坡的合资公司,面向欧洲 英飞凌、恩智浦、意法半导体等 IDM 大厂客户,在全球半导体硅片市场中取得稳固份额。

全球半导体硅片主要供应商在 1998 年超过 25 家,经过 20 多年的收购兼并,逐渐形成前 五家供应商份额超过 90%的寡头市场格局。半导体硅片市场行业壁垒主要体现在四个方面:1)技术壁垒。半导体硅片行业是一个技术高度密集型行业,其核心工艺包括单晶工 艺、成型工艺、抛光工艺、外延工艺等,技术专业化程度颇高。在硅片尺寸增大以及先 进制程升级过程中,对技术与工艺要求更高。2)资金壁垒。半导体硅片行业是一个资金 密集型行业。要形成规模化、商业化生产,所需投资规模巨大,如一台关键生产设备价 值就达数千万元人民币,大尺寸硅片生产线的投资规模更是以十亿元计,进入该行业的 企业需要具有雄厚的资金实力。3)人才壁垒。半导体硅片的研发和生产过程较为复杂, 涉及固体物理、量子力学、热力学、化学等多学科领域交叉,因此需要具备综合专业知 识和丰富生产经验的复合型人才。4)认证壁垒。鉴于半导体芯片的高精密性和高技术性, 芯片生产企业对于半导体硅片的质量要求极高,因此对于半导体硅片供应商的选择相当 谨慎,并设有严格的认证标准和程序。后进企业要进入主流芯片生产企业的供应商队伍, 除了需要通过业内权威的质量管理体系认证以外,还需要经过较长时间的采购认证程序。

对于半导体硅片厂商而言,研发难度、资金与人才高投入、认证周期长等因素对新进入 者造成了较高门槛。而一方面,龙头厂商需要通过并购或扩产取得规模优势以降低固定 成本;另一方面,龙头厂商通过兼并购提升市场集中度,增强议价能力。

从行业龙头近年盈利水平来看,在 2016 年行业整体毛利率水平维持在 20%左右,处于较 低水平。2017 与 2018 年受益中国大陆半导体产能达扩张急剧拉升晶圆厂备库存需求,叠 加规模效应与折旧降低成本,硅片厂商毛利率大幅提升,Siltronic 2018 年毛利率高达 43.4%。2019 年上半年半导体行业整体处于低谷期,晶圆厂产能利用率不足,需求疲软导 致硅片厂商整体毛利率下降。长远来看,半导体硅片行业集中度预计维持高位水平,龙 头地位相对稳固,并持续受益 5G、汽车电子、在线办公等半导体行业需求拉动。

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3.2 本土半导体硅片厂商百舸争流,立足本土走向世界

随着本土晶圆制造产能加速扩张,本土半导体硅片厂商陆续加大投资攻坚半导体硅片市 场。据不完全统计,目前中国有数十家公司官宣介入 12 英寸大硅片产业,但由于 12 英 寸硅片多用于先进制程,对杂质、晶格缺陷等要求极高,本土厂商规模较小或处于研发 阶段;此外,长晶过程对单晶炉要求严苛,成熟 12 英寸长晶炉多采用进口,本土厂商与 海外成熟技术仍具有一定差距,给我国半导体硅片行业发展带来一定阻力与挑战。而随 着本土 12 英寸晶圆厂数量增多以及产能扩张,将给本土硅片企业提供更多联合研发与测 试机会,有望加速本土硅片企业导入晶圆厂。

本土半导体硅片厂商中上市企业包括沪硅产业(上海新昇、新傲)、立昂微(金瑞泓)、 中环股份,已申报科创板企业有上海合晶。四家企业营收规模均在十亿元左右,与全球 行业龙头仍具有很大差距。2019 年,沪硅产业、立昂微半导体硅片业务、中环股份半导 体材料业务与上海合晶的收入规模分别为 14.9 亿元、7.6 亿元、11.0 亿元、与 11.1 亿元。 其中沪硅产业 300mm 硅片业务贡献收入 2.15 亿元,其他三家厂商以 200mm 及以下硅片 为主。

盈利能力方面,沪硅产业近年大力投入 12 英寸硅片研发与扩产,产线折旧压力较大,拉 低整体毛利率。立昂微主攻 8 英寸重掺片,产品毛利率较高,叠加规模效应以及宁波工 厂折旧压力下降,近年毛利率水平大幅提升,2019 年半导体硅片业务毛利率达 47.63%, 行业领先。整体而言,本土半导体硅片厂商仍处于投入期,盈利能力相比海外龙头厂商 具有较高提升空间。此外,受益近年大陆地区半导体晶圆制造产能扩产速度全球领先, 本土半导体硅片厂商在产业支持、资金配套、政策倾斜等多个方面享有优势,有望立足 本土晶圆制造客户,打造全球性半导体硅片制造企业。

4. 重点企业分析(详见报告原文)

4.1 沪硅产业:国内大硅片龙头,持续扩充 12 英寸硅片产能

4.2 立昂微:硅片产能持续扩张,国产替代有 望加速

4.3 中环股份:半导体&光伏双轮驱动,盈利 能力稳步增强

4.4 上海合晶:国内硅外延片龙头,募集资金 加速扩展进程

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