本文轉(zhuǎn)自：半導體行業(yè)觀察

硅片是集成電路產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，是晶圓制造的核心材料。中國大陸8寸、12寸硅片自主供應(yīng)能力弱，高度依賴進口，是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中的短板。近年來，在政策支持和產(chǎn)業(yè)界積極努力下，已經(jīng)涌現(xiàn)出部分優(yōu)質(zhì)企業(yè)，硅片產(chǎn)能將在未來幾年將逐步落地，完成硅片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的追夢之路。

圖片來源：Shin-Etsu

硅片是半導體核心基礎(chǔ)材料

硅片是芯片制造的基本材料，以硅為材料制造的片狀物體，一般是由純度很高的結(jié)晶硅制成的。與其他材料相比，結(jié)晶硅的分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，很少有自由電子產(chǎn)生，導電性極低。半導體器件則是通過對硅片進行光刻、刻蝕、離子注入等手段，改變硅的分子結(jié)構(gòu)進而提高其導電性，最終獲得的一種具備較低導電能力的產(chǎn)品。硅片主要應(yīng)用領(lǐng)域在半導體和光伏兩大領(lǐng)域，其差異主要表現(xiàn)在類型、純度、表面性質(zhì)上：

半導體硅片均為單晶硅，太陽能采用的硅片單晶和多晶均有；

半導體硅片純度要求高，為99.9999999%（9N）以上，光伏相比則要求較低，99.99%-99.9999%（4N-6N）之間；

半導體硅片表面的平整度、光滑度以及潔凈度要求比光伏片高，需要經(jīng)過后續(xù)的研磨倒角、拋光、清洗等環(huán)節(jié)。

半導體硅片的高規(guī)格要求使得其制造工藝復雜，四大核心步驟包括多晶硅提純與多晶硅料的鑄錠、單晶硅生長以及硅片切割成型。作為晶圓制造的原材料，硅片質(zhì)量直接決定了晶圓制造環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性。

圖1.半導體硅片制造工藝流程與全球主要玩家分布

（數(shù)據(jù)來源：SUMCO，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院）

硅片和硅基材料是晶圓制造環(huán)節(jié)占比最大的基礎(chǔ)核心材料。90%以上的半導體芯片是以硅片作為基礎(chǔ)材料制造的。2018年全球半導體硅片市場為123億美元，占晶圓制造材料322億美元的比重為37%，位居第一。

圖2.2018年集成電路晶圓制造中半導體材料占比（%）

（數(shù)據(jù)來源：SEMI 2018，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院）

半導體硅片種類多元，未來向大尺寸趨勢發(fā)展

硅片產(chǎn)品按照加工工序可分為拋光片、退火片、外延片、節(jié)隔離片和絕緣體上硅片五大類產(chǎn)品。其中，拋光片是應(yīng)用范圍最廣泛，用量最大、最基礎(chǔ)的產(chǎn)品，其他的硅片產(chǎn)品也都是在拋光片的基礎(chǔ)上二次加工產(chǎn)生的。

拋光片直接從單晶硅柱上切割出厚度約1mm的原硅片，然后對其進行拋光鏡面加工，就得到了表面平整潔凈的拋光片，通過對其進一步的純化，減少重金屬雜質(zhì)。

退火片是通過把拋光片置于充滿氬氣或氧氣的高溫環(huán)境退火得到的，這樣可大幅減少拋光片表面的氧氣含量，從而擁有更好的晶體完整性（crystal perfection），可滿足更高的半導體蝕刻需求。

外延片是通過在拋光片表面采用應(yīng)用氣相生長技術(shù)（Vapor Phase Growth or Epitaxy），在拋光片表面外延生出單晶結(jié)構(gòu)層，這樣其表面將比經(jīng)切割而來的拋光片更加平滑，從而降低表面缺陷。

節(jié)隔離片是通過在拋光片的基礎(chǔ)上，首先是通過光刻法、離子注入、熱擴散技術(shù)等技術(shù)嵌入中間層，然后再通過氣相生長技術(shù)在硅片外面形成平滑的外延層，從而滿足特定的襯底電性能需求。

SOI片（絕緣體上硅片）是三明治結(jié)構(gòu)，最下層是拋光片，中間層是掩埋氧化層（BOX），頂層是活性層也是拋光片；BOX的存在使得SOI片實現(xiàn)高電絕緣性，從而減小寄生電容和漏電，繼而可以實現(xiàn)器件的高集成度，低的功耗，高可靠性，頂層的活性層也可以采用摻雜金屬元素的硅片從而實現(xiàn)不同的功能。

圖3. 硅片的分類

（數(shù)據(jù)來源：SUMCO，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院）

隨著提拉單晶技術(shù)的提高，硅片的尺寸隨著時間的發(fā)展逐步提升，從2寸（50mm），到4寸（100mm），5寸（125mm），6寸（150mm），8寸（200mm），到2000年的12寸（300mm）。12寸硅片的下一站是18寸（450mm）硅片，但由于設(shè)備研發(fā)難度較高，目前制造廠對于18寸的推動力不大，主流工藝以12寸和8寸硅片為主。

圖4. 硅片尺寸發(fā)展歷史

（數(shù)據(jù)來源：SEMI，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院）

大尺寸硅片成為硅片未來發(fā)展的趨勢。為了提高生產(chǎn)效率降低成本，大尺寸硅片越來越多被使用，隨著尺寸加大，在單片硅片上制造的芯片數(shù)目就會越多；同時在圓形硅片上制造矩形的硅片會使硅片邊緣處的一些區(qū)域無法被利用帶來部分浪費，隨之晶圓的尺寸的增大，損失比就會減??；這兩點都會降低芯片的成本。例如，在同樣的工藝條件下，300mm半導體硅片的可使用面積超過200mm硅片的兩倍以上，可使用率（衡量單位晶圓可生產(chǎn)的芯片數(shù)量的指標）是200mm硅片的2.5倍左右。

圖5. 200mm硅片和300mm硅片有效使用面積示意圖（數(shù)據(jù)來源：聯(lián)華電子，硅產(chǎn)業(yè)，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院）

全球半導體硅片市場巨大，12寸硅片存在供給缺口

半導體行業(yè)與全球宏觀經(jīng)濟形勢相關(guān)度較高。硅片行業(yè)在2009年受全球經(jīng)濟危機影響，出貨量與銷售額均出現(xiàn)下滑；2010年受智能手機放量增長拉動出現(xiàn)大幅反彈。2011年至2016年，全球經(jīng)濟逐漸復蘇但依舊較為低迷，硅片行業(yè)亦隨之低速發(fā)展。2017年以來，受益于半導體終端市場需求強勁，下游傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域計算機、移動通信、固態(tài)硬盤、工業(yè)電子市場持續(xù)增長，新興應(yīng)用領(lǐng)域如人工智能、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子的快速發(fā)展，半導體硅片市場規(guī)模不斷增長，并于2018年突破百億美元大關(guān)。2016年到2018年，銷售金額從72.9億美元增長至114億美元，年均復合增長率達26%；出貨面積從107億平方英寸增長至127億平方英寸，年復合增長率達9%；銷售單價從0.67美元/英寸上升至0.9美元/英寸，年復合增速達16%。

圖6. 全球和中國大陸半導體硅片市場規(guī)模（億美元，%）（數(shù)據(jù)來源：SEMI，硅產(chǎn)業(yè)，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院注：不包含SOI硅片）

圖7. 全球12寸和8寸硅片市場占比（12寸產(chǎn)能折合成8寸產(chǎn)能統(tǒng)計口徑）（數(shù)據(jù)來源：IC insight，SUMCO，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院注：不包含SOI硅片）

圖8. 全球8寸硅片產(chǎn)能情況（千片/月）

（數(shù)據(jù)來源：SUMCO，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院）

圖9. 全球12寸硅片產(chǎn)能情況（千片/月）

（數(shù)據(jù)來源：SUMCO，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院）

圖10. 全球12寸硅片產(chǎn)能供給需求預測（千片/月）（數(shù)據(jù)來源：SUMCO，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院）

如前所述，目前12寸和8寸硅片被主流工藝采用，2018年全球市場份額分別為63.3%和26.3%，合計占比接近90.00%。

8寸硅片自2011年以來，市占率穩(wěn)定在25-27%之間。2016年，受到汽車電子、指紋識別芯片、液晶市場爆發(fā)增長拉動，出貨面積同比上升15%。2018年，除了汽車電子以外，工業(yè)電子、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的需求拉動，加之國內(nèi)功率器件、傳感器的制造企業(yè)或者IDM企業(yè)的產(chǎn)能轉(zhuǎn)移（從150mm轉(zhuǎn)移至200mm），8寸硅片出貨量繼續(xù)提升，出貨面積同比增長6%。

12寸制造線自2000年全球首開以來，市場需求增加明顯。2008年出貨量首次超過8寸硅片，2009年即超過其他尺寸硅片出貨面積之和。2016年到2018年，由于AI、云計算、區(qū)塊鏈等新興市場的蓬勃發(fā)展，12寸硅片年復合增長率為8%。未來，12寸硅片的市占率將會繼續(xù)提高。根據(jù)SUMCO數(shù)據(jù)，未來3-5年內(nèi)全球12寸硅片的供給和需求依舊存在缺口，并且缺口會隨著半導體周期的景氣程度提高而越來越大，到2022年將會有1000K/月的缺口。

全球半導體硅片市場巨頭壟斷

半導體行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈長，品質(zhì)控制極為嚴格且存在較高的技術(shù)壁壘。半導體材料作為產(chǎn)業(yè)的最上游，面臨嚴格的產(chǎn)品質(zhì)量控制，同時面臨長的研發(fā)周期，大的資金投入。此外，下游制造廠客戶的認證依然是硅片廠商的重大壁壘。由于下游客戶認證時間長，難度大，因此硅片廠商往往需要長時間的技術(shù)和經(jīng)驗積累才能夠有效提升半導體材料產(chǎn)品的品質(zhì)，滿足客戶的需求，獲得客戶認可并開拓客源。2018年全球半導體硅片（包括拋光片、外延片、SOI 硅片）行業(yè)銷售額前五名企業(yè)的市場份額分別為：日本信越化學28%，日本SUMCO 25%，中國臺灣環(huán)球晶圓14%，德國Siltroni 14%，韓國SK Siltron 10%，前五名的市場份額接近90%，市場呈現(xiàn)壟斷局面。

圖11. 全球硅片產(chǎn)能情況

（數(shù)據(jù)來源：智研咨詢，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院）

Shin-Etsu Chemical（信越化學，日本）成立于1926年，是全球領(lǐng)先的化工企業(yè)，擁有六個業(yè)務(wù)板塊，分別是PVC化工品、半導體硅、有機硅、電子功能性材料、特殊電子化學品和其他。在半導體硅業(yè)務(wù)方面，公司作為半導體單晶硅片的龍頭，始終牢牢在技術(shù)層面占據(jù)行業(yè)制高點。公司最早于2001年，成功研制了300nm硅片，并實現(xiàn)了SOI 硅片的產(chǎn)品化，并能持續(xù)穩(wěn)定地供應(yīng)IC用硅片。目前，信越化工能夠制造出11N(99.999999999%)的純度與均勻的結(jié)晶構(gòu)造的單晶硅，在全世界處于領(lǐng)先水平，主要的半導體硅片產(chǎn)品包括12英寸硅片、IG-NANA退火硅片和SOI硅片。2018年半導體硅片業(yè)務(wù)營業(yè)收入為3803億日元，營業(yè)利潤為同比1319億日元。

圖12. 2018年信越化學主營收入構(gòu)成（十億日元，%）（數(shù)據(jù)來源：Shin-Etsu，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院）

圖13. 信越化學半導體硅業(yè)務(wù)收入與利潤（十億日元，%）

（數(shù)據(jù)來源：Shin-Etsu，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院）

SUMCO（日本三菱住友勝高）主營半導體硅材料業(yè)務(wù)，是全球硅片龍頭企業(yè)。其前身為成立于1937年的Osaka Special Steel公司。集團于1992年和1998年先后合并了Kyushu電子金屬公司和Sumitomo Sitix集團，并于1998年更名為住友金屬工業(yè)公司。1999年，住友金屬工業(yè)與三菱材料和三菱硅材料公司成立聯(lián)合硅制造公司，生產(chǎn)12寸硅片。2002年三菱硅材料公司與住友金屬工業(yè)的硅制造部門、聯(lián)合硅制造公司合并，并于2005年更名為SUMCO公司。主營產(chǎn)品包括單晶硅錠、拋光硅片、退火硅片、外延片、SOI硅片等，是全球最大的12寸硅片供應(yīng)商之一，可提供12寸拋光片、退火片、外延片，SOI片和節(jié)隔離片可提供8寸片。2018年半導體硅片業(yè)務(wù)營業(yè)收入為3250億日元，利潤850億日元。

從CR2的公司發(fā)展歷程，我們看到其在硅產(chǎn)業(yè)積累時間較長，擁有幾十年的歷史，且其技術(shù)壁壘極高，單就SOI片而言，目前12寸只有個別公司攻克。因此，半導體硅片領(lǐng)域巨頭壟斷效應(yīng)明顯，巨頭擁有極強的定價權(quán)。

圖14. SUMCO營業(yè)收入與利潤（十億日元，%）

（數(shù)據(jù)來源：SUMCO，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院）

中國半導體硅片的追夢之路

根據(jù)品利基金數(shù)據(jù)，2019年，中國6寸半導體硅片需求2000萬片/年，8寸硅片需求1200萬片/年，12寸硅片需求750萬片/年。根據(jù)公開數(shù)據(jù)，我們對2018-2019年中國大陸半導體制造產(chǎn)線梳理，基于目前產(chǎn)能、未來計劃產(chǎn)能、以及投資額度測算，制造廠對12寸硅片的需求：2019年約60萬片/月，折合720萬片/年。2023年需求約500萬片/月，折合6000萬片/年。

表1. 中國大陸半導體制造廠情況（2018-2019上半年）（數(shù)據(jù)來源：芯思想，Trendfore，公開資料，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院）

2019年6月，6寸國產(chǎn)化率超過50%，8寸國產(chǎn)化率10%，12寸國產(chǎn)化率小于1%，且國產(chǎn)12寸片在國內(nèi)晶圓廠中大都為測控片，正片的銷售較少?？紤]到下半年部分產(chǎn)能釋放，2019年我國12寸硅片至少有500萬片的缺口。

為了彌補半導體硅片的國產(chǎn)供應(yīng)缺口，降低進口依賴度，我國邁出8寸與12寸大硅片的逐夢之路。最近幾年內(nèi)，多項重大投資正在啟動中，大都鎖定12寸硅晶圓。根據(jù)公開資料，我們對目前中國大陸8/12寸硅片產(chǎn)能梳理。未來4年，如果產(chǎn)能達產(chǎn)順利，12寸硅片總規(guī)劃月產(chǎn)能到2023年前后合計超過650萬片/月，考慮到良率等因素基本可以滿足國內(nèi)制造廠需求。

表2. 大硅片產(chǎn)能供給情況

（數(shù)據(jù)來源：芯思想，硅產(chǎn)業(yè)，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院）

除了需要大量的投資以外，大硅片還有需要亟待解決的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要在以下四個方面：大直徑、控缺陷、精拋光、少雜質(zhì)。其中，大直徑中的熱場設(shè)計技術(shù)與磁場設(shè)計和控制技術(shù)是大硅片成型的核心技術(shù)；缺陷控制是決定硅片質(zhì)量和純度，是決定硅片等級的核心技術(shù)。

表3. 大硅片主要技術(shù)挑戰(zhàn)

（數(shù)據(jù)來源：中科院，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院）

2015年底，國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金耗資約8億元，入股江蘇鑫華和上海硅產(chǎn)業(yè)集團，在大硅片領(lǐng)域進行布局。近年來，上海新昇、中環(huán)股份、超硅半導體、浙江金瑞泓、有研半導體等大硅片項目紛紛上馬，目標投資額超千億。總額達2000億的大基金二期募資正在抓緊推進，據(jù)悉其投資將向設(shè)計、材料、設(shè)備等傾斜，大硅片無疑也將成為重點關(guān)注對象。在強勁的需求拉動和美國的堵截擠壓下，隨著技術(shù)進步和資本持續(xù)推動，負重前行的大硅片產(chǎn)業(yè)逐夢之路必將迎來希望與收獲！