1、投資案件結(jié)論和投資建議半導(dǎo)體材料技術(shù)壁壘高，半導(dǎo)體行業(yè)國(guó)產(chǎn)化必然引發(fā)硅材料國(guó)產(chǎn)化需求。建議重點(diǎn)關(guān)注國(guó)產(chǎn)替代三個(gè)上市標(biāo)的滬硅產(chǎn)業(yè)、中環(huán)股份、神工股份。原因及邏輯跟隨摩爾定律演進(jìn)，集成電路制造所用的主流晶圓直徑從 4 英寸、6 英寸、8英寸發(fā)展到 12 英寸。新興需求迭起，8 寸晶圓廠出現(xiàn)階段性產(chǎn)能緊張；此外，450mm晶圓投產(chǎn)節(jié)奏一再低于預(yù)期，節(jié)奏上給后進(jìn)廠商追趕機(jī)會(huì)。從硅晶圓材料到芯片的國(guó)產(chǎn)化率均較低，12 英寸晶圓從 2018 年才開(kāi)始有所突破。8 英寸晶圓在成熟制程及特殊制程具有優(yōu)勢(shì)，需求占比預(yù)計(jì)將維持 20%以上。8 英寸產(chǎn)線因折舊完畢具有成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在模擬電路、高功率等晶圓生產(chǎn)具有優(yōu)

2、勢(shì)。據(jù) SEMI 最新報(bào)告，2019 年底有 15 個(gè)新 Fab 廠開(kāi)工建設(shè)，總投資金額達(dá) 380 億美元，其中約有一半用于 8 英寸晶圓尺寸，為國(guó)產(chǎn)化提供了條件。有別于大眾的認(rèn)識(shí)市場(chǎng)認(rèn)為國(guó)內(nèi)硅晶圓會(huì)過(guò)度投資，我們認(rèn)為國(guó)內(nèi)硅晶圓產(chǎn)業(yè)起點(diǎn)低、起步晚，且長(zhǎng)晶技術(shù)是決定硅片參數(shù)的核心環(huán)節(jié)，主要體現(xiàn)在爐內(nèi)溫度的熱場(chǎng)和控制晶體生長(zhǎng)形狀的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)能力。硅拋光晶圓的主要技術(shù)指標(biāo)包括直徑、晶體工藝、摻雜劑、晶向、電阻率、厚度等，其他質(zhì)量指標(biāo)包括缺陷密度、氧含量、碳含量、翹曲度等，其中大部分參數(shù)由長(zhǎng)晶技術(shù)決定。下游芯片制程的技術(shù)節(jié)點(diǎn)越先進(jìn)，對(duì)應(yīng)的硅片上述指標(biāo)控制越嚴(yán)格，不同的技術(shù)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)控制參數(shù)會(huì)有相差。

3、因此，硅晶圓產(chǎn)業(yè)技術(shù)難度決定了產(chǎn)業(yè)鏈公司從研發(fā)到具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，仍然是漫長(zhǎng)的過(guò)程，只有技術(shù)積累和人才優(yōu)勢(shì)的廠商可以實(shí)現(xiàn)率先量產(chǎn)，此外擴(kuò)產(chǎn)周期也受到半導(dǎo)體市場(chǎng)周期影響，因此只有少數(shù)公司可以在國(guó)產(chǎn)化實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)。風(fēng)險(xiǎn)提示：技術(shù)追趕進(jìn)度、新產(chǎn)品送樣不及預(yù)期。目錄 HYPERLINK l _TOC_250025 硅片，從沙石到電路的載體 6 HYPERLINK l _TOC_250024 半導(dǎo)體材料縱觀 6 HYPERLINK l _TOC_250023 從礦石到芯片 6 HYPERLINK l _TOC_250022 硅晶圓的三種重要分類(lèi) 9 HYPERLINK l _TOC_250021 按制程分

4、類(lèi) 9 HYPERLINK l _TOC_250020 拋光晶圓 9 HYPERLINK l _TOC_250019 退火晶圓 10 HYPERLINK l _TOC_250018 外延晶圓 11 HYPERLINK l _TOC_250017 SOI，硅的異質(zhì)外延 12 HYPERLINK l _TOC_250016 按應(yīng)用場(chǎng)景分為正片、陪片和刻蝕電極 14 HYPERLINK l _TOC_250015 12 寸晶圓出貨面積占比逾六成 15 HYPERLINK l _TOC_250014 硅晶圓的技術(shù)與投資壁壘 17 HYPERLINK l _TOC_250013 硅晶圓生長(zhǎng)工藝及技術(shù)壁壘

5、 17 HYPERLINK l _TOC_250012 硅晶圓廠商資金壁壘高 19 HYPERLINK l _TOC_250011 硅晶圓十年周期復(fù)盤(pán) 20 HYPERLINK l _TOC_250010 硅材料競(jìng)爭(zhēng)格局分析 23 HYPERLINK l _TOC_250009 CR5 維持 90%市占率近 20 年 23 HYPERLINK l _TOC_250008 硅晶圓主要上市公司 23 HYPERLINK l _TOC_250007 信越化學(xué) 23 HYPERLINK l _TOC_250006 SUMCO 25 HYPERLINK l _TOC_250005 環(huán)球晶圓 25 HYP

6、ERLINK l _TOC_250004 Siltronic 26 HYPERLINK l _TOC_250003 SK Siltron 27 HYPERLINK l _TOC_250002 滬硅產(chǎn)業(yè) 27 HYPERLINK l _TOC_250001 中環(huán)股份 27 HYPERLINK l _TOC_250000 神工股份 28圖表目錄圖 1：硅晶圓在硅產(chǎn)業(yè)鏈中的位置 7圖 2：從礦石到單晶硅片的加工流程 7圖 3：硅晶圓為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游材料 8圖 4：2016-2019 年度全球半導(dǎo)體硅材料市場(chǎng)規(guī)模（單位：億美元） 8圖 5：從硅棒到拋光片、特殊硅片流程圖 9圖 6：退火片結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)原

7、理 10圖 7：外延晶圓結(jié)構(gòu)圖 11圖 8：SOI 硅片的四種結(jié)構(gòu) 12圖 9：SOI 四種工藝 13圖 10：SOI 在手機(jī)、汽車(chē)、云計(jì)算、IoT 的應(yīng)用 13圖 11：刻蝕用單晶硅用于電極材料 14圖 12：晶圓直徑尺寸從 100mm 增至 450mm 15圖 13：全球晶圓 12 寸占 70%，8 寸占 23%，6 寸以下占 6% 16圖 14：直拉法生產(chǎn)單晶硅棒示意圖 17圖 15：直拉法生產(chǎn)晶棒示意圖 18圖 16：電子級(jí)晶體生長(zhǎng)爐 18圖 17：?jiǎn)尉Ч璋艏皰伖馄庸ち鞒?19圖 18：硅晶圓龍頭固定資產(chǎn)周轉(zhuǎn)率僅約 2 倍 20圖 19：滬硅產(chǎn)業(yè)硅晶圓成本結(jié)構(gòu) 20圖 20：2013

8、-2019，全球 12”硅晶圓月出貨量從 4KK 提升到 6KK 20圖 21：全球半導(dǎo)體及硅片市場(chǎng)規(guī)模（億美元） 21圖 22：硅晶圓大廠營(yíng)業(yè)利潤(rùn)率歷史波動(dòng)（%） 22圖 23：2007 全球半導(dǎo)體硅片行業(yè)格局 23圖 24：2018 年半導(dǎo)體硅片行業(yè)格局 23圖 25：信越化學(xué)發(fā)展歷程 24圖 26：信越化學(xué)硅晶圓營(yíng)業(yè)利潤(rùn)率升至 37%（十億日?qǐng)A，%） 24圖 27：SUMCO 發(fā)展歷程 25圖 28：環(huán)球晶圓發(fā)展歷程 26圖 29：Siltronic 發(fā)展歷程 26表 1：典型 1um CMOS 工藝條件下體硅和 SOI 器件的寄生電容（pF/um） 12表 2：拋光片核心技術(shù)參數(shù) 19

9、硅片，從沙石到電路的載體半導(dǎo)體材料縱觀半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)內(nèi)涵豐富，涵蓋材料至芯片。半導(dǎo)體是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。原本半導(dǎo)體是指半導(dǎo)體材料，現(xiàn)在也指材料上做成的集成電路，用在電腦、手機(jī)、電視、數(shù)碼音樂(lè)播放器、數(shù)碼相機(jī)、手提游戲機(jī)等等，這些統(tǒng)稱(chēng)為半導(dǎo)體電子器件。半導(dǎo)體與收音機(jī)的淵源。收音機(jī)經(jīng)歷了真空電子管、晶體管技術(shù)時(shí)代，晶體管收音機(jī)是半導(dǎo)體晶體管的第一個(gè)商業(yè)化產(chǎn)品，因此民間將收音機(jī)稱(chēng)為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體收音機(jī)在上世紀(jì) 60 年代起風(fēng)靡全球，成為重要的“家電”產(chǎn)品；1965 年，半導(dǎo)體收音機(jī)的產(chǎn)量超過(guò)了電子管收音機(jī)的產(chǎn)量；1980 年左右是收音機(jī)市場(chǎng)發(fā)展的高峰時(shí)期1。固態(tài)電子時(shí)代的開(kāi)端，

10、經(jīng)歷了從鍺到硅。半導(dǎo)體的研究起源于固體物理及電子科學(xué)的研究，1938 年，蕭基的論文金屬與半導(dǎo)體界面整流首次將固體物理的基礎(chǔ)研究與半導(dǎo)體組件性能連接起來(lái)，解釋了 1874 年科學(xué)家布勞恩在礦石里發(fā)現(xiàn)的固體整流現(xiàn)象。1947年底，首個(gè)晶體管在貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生。因?yàn)殒N的處理相對(duì)容易，鍺晶的熔點(diǎn)低只有 900 多攝氏度，而硅的熔點(diǎn)在 1420 度，因此固體物理的早期研究基于鍺晶做晶體管。但是，硅制晶體管最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以在 100 度的高溫環(huán)境下運(yùn)用，而鍺晶體管到 70 度就沒(méi)有功能，嚴(yán)重限制了應(yīng)用范圍。直到 1954 年，提爾在德儀用直拉單晶法長(zhǎng)晶，并制成了世界上第一枚硅晶體管，才開(kāi)啟了硅為主體的固

11、態(tài)電子時(shí)代。硅作為半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢(shì)：1）硅在地球上儲(chǔ)量達(dá)到 26.8%，僅次于氧；2）硅的能隙較大（1.13V），使其具有較高的操作溫度及較低的漏電流；3）硅片表面的 SiO2 層能耐高溫，對(duì)硅片起保護(hù)作用。半導(dǎo)體硅片是生產(chǎn)集成電路、分立器件、傳感器等半導(dǎo)體產(chǎn)品的關(guān)鍵材料。目前 90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品使用硅基材料制造，除硅、鍺等單元素半導(dǎo)體外，通過(guò)結(jié)合元素周期表第四族兩邊的元素（如 IIIV 族），改變晶體的原子結(jié)構(gòu)，形成 GaAs、SiC、 GaN 等二元化合物半導(dǎo)體材料?；衔锇雽?dǎo)體的優(yōu)越性能主要體現(xiàn)在速度、感光性以及功率三個(gè)方面：1）速率：GaAs 及 InP 之類(lèi)的化合物半導(dǎo)體的運(yùn)行速

12、率可以比單晶硅高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。2）光譜：與單晶硅不同，化合物半導(dǎo)體可以生成、接受的頻譜范圍廣泛，從高頻紫外光至長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外光。3）功率 SiC、GaN 類(lèi)化合物導(dǎo)體可以高功率（高電壓、大電流）運(yùn)行，并且在功率轉(zhuǎn)換、高頻領(lǐng)域也十分有效?；衔锇雽?dǎo)體在寬禁帶、電子遷移率上遠(yuǎn)高于單晶硅，尤其適用于射頻、光電子、功率半導(dǎo)體。從礦石到芯片硅片（又稱(chēng)晶圓，wafer）是光伏、半導(dǎo)體行業(yè)廣泛使用的基底材料。其中，適用于集成電路行業(yè)的是半導(dǎo)體級(jí)的硅片半導(dǎo)體硅片對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及一致性要求極高，其純度須達(dá)1 電子發(fā)燒友，為什么叫半導(dǎo)體收音機(jī)。99.9999999%以上，而最先進(jìn)的工藝甚至需要做到 99.99999999

13、9%（11 個(gè) 9）。光伏級(jí)單晶硅片僅需 6 個(gè) 9 即可滿足應(yīng)用需求，所以半導(dǎo)體生產(chǎn)所用硅片的制備難度遠(yuǎn)大于光伏級(jí)硅片。圖 1：硅晶圓在硅產(chǎn)業(yè)鏈中的位置資料來(lái)源：申萬(wàn)宏源研究從礦石到多晶硅片。硅晶圓/硅片為目前制作集成電路的基底材料，其原始材料硅是第二豐富的元素，構(gòu)成地殼總質(zhì)量的 26.4%，僅次于第一位的氧 49.4%。地殼表面取之不盡、用之不竭的二氧化硅礦石，放入一個(gè)溫度約為 2000電弧熔爐中，在高溫下，碳和沙石中的二氧化硅進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，得到純度約為 98%的冶金級(jí)硅，這對(duì)微電子器件來(lái)說(shuō)不夠純，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電學(xué)特性對(duì)雜質(zhì)的濃度非常敏感，因此需對(duì)冶金級(jí)硅進(jìn)行進(jìn)一步提純。將粉碎的冶金級(jí)

14、硅與氣態(tài)的氯化氫進(jìn)行氯化反應(yīng)，生成液態(tài)的硅烷，然后通過(guò)蒸餾和化學(xué)還原工藝，得到了純度高達(dá) 9 個(gè) 9 以上的電子級(jí)多晶硅。多晶硅內(nèi)部不同的區(qū)域晶向不同，在區(qū)域之間會(huì)產(chǎn)生晶界，仍容易滯留雜質(zhì)。圖 2：從礦石到單晶硅片的加工流程資料來(lái)源：上海新昇，申萬(wàn)宏源研究硅晶圓廠商將多晶硅加工成硅片。硅晶圓制造廠將此多晶硅加熱融解，放入一根硅晶體籽晶，與熔融液接觸并將其緩慢地拉出成形，拉出與籽晶同樣晶向的單晶硅棒。因硅晶棒是由一根晶棒在熔融態(tài)的硅原料中逐漸生長(zhǎng)而成，此過(guò)程稱(chēng)為長(zhǎng)晶。硅晶棒再經(jīng)過(guò)切片、磨片、倒角、熱處理、拋光、清洗等加工制程，即可成為集成電路產(chǎn)業(yè)重要原料硅晶圓（硅片），硅片表面的平坦度要求在微米

15、及亞微米級(jí)。每塊空白硅晶圓經(jīng)過(guò)復(fù)雜的化學(xué)和電子制程后，可布設(shè)多層精細(xì)的電子電路，在晶圓廠內(nèi)制造芯片電路后，再經(jīng)切割、測(cè)試、封裝等程序，即成為一顆顆 IC。半導(dǎo)體制造流程系包括 IC 設(shè)計(jì)、IC 晶圓制造、IC 封裝、IC 測(cè)試等階段。隨著整體半導(dǎo)體的垂直分工整合的趨勢(shì)演進(jìn)，依制造流程可區(qū)分為上游 IC 設(shè)計(jì)公司與硅晶圓制造公司，由 IC 設(shè)計(jì)公司依客戶的需求設(shè)計(jì)出電路圖，硅晶圓制造公司則以多晶硅為原料制造出硅晶圓；中游 IC 晶圓制造廠則根據(jù)設(shè)計(jì)好的電路圖，在晶圓上以光罩印上電路基本圖樣，再以氧化、擴(kuò)散、CVD、蝕刻、離子植入等方法，在晶圓上制作電路及電路上的組件；完成后再送往下游之 IC 封

16、裝、測(cè)試廠，將加工完成的晶圓，經(jīng)切割過(guò)后的晶，以塑料、陶瓷或金屬包覆，保護(hù)晶以免受污染且易于裝配，并達(dá)成芯片與電子系統(tǒng)的電性連接與散熱效果，最后進(jìn)行 IC 功能、電性與散熱等測(cè)試。半導(dǎo)體硅片占半導(dǎo)體制造材料市場(chǎng)規(guī)模比重約 37%，位于半導(dǎo)體制造三大核心材料之首。半導(dǎo)體材料材料按應(yīng)用領(lǐng)域分為晶圓制造材料和封裝材料。晶圓制造端材料包括硅晶圓、光刻膠、光掩膜版、特種氣體、CMP 拋光材料、濕電子化學(xué)品、濺射靶材等組成，后端封裝材料包括導(dǎo)線架和基板、陶瓷封裝、封裝樹(shù)脂、焊線和黏合劑等。其中，硅晶圓、特種氣體、掩膜版的市場(chǎng)規(guī)模占比較大，且以美日企業(yè)為主導(dǎo)。圖 3：硅晶圓為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游材料資料來(lái)源：申

17、萬(wàn)宏源研究受半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模下降影響，2019 年全球半導(dǎo)體材料市場(chǎng)規(guī)模為 521 億美元，同比下降 1.1%。據(jù) Semi 數(shù)據(jù)，2018 年全球半導(dǎo)體硅材料市場(chǎng)規(guī)模 121 億美元，同比增長(zhǎng) 32%； 2019 年全球半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)增長(zhǎng)率為-3%。圖 4：2016-2019 年度全球半導(dǎo)體硅材料市場(chǎng)規(guī)模（單位：億美元）資料來(lái)源：SEMI，申萬(wàn)宏源研究硅晶圓的三種重要分類(lèi)按制程分類(lèi)拋光晶圓硅晶圓材料按照制程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品差異，主要分為拋光片(polished wafer)、退火片 (annealed wafer)及外延片(磊晶晶圓，epitaxial wafer)三種，其他特殊工藝包括 SOI 等

18、。拋光片約占硅片應(yīng)用的 70%，廣泛用于數(shù)字與模擬集成電路及存儲(chǔ)器、功率器件等芯片，其余約 30%硅片以退火晶圓、外延晶圓等形式出貨。從硅棒到硅片。高純度電子級(jí)多晶硅經(jīng)由長(zhǎng)晶(crystal pulling)、切片(slicing)、磨邊 (beveling)、磨面(lapping)、蝕刻(etching)、拋光(polishing)、清洗(cleaning)等步驟，而生成一符合電性、表面物性、雜質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)格的拋光晶圓，退火、外延、SOI 等特殊工藝制程晶圓基于拋光晶圓加工而成。圖 5：從硅棒到拋光片、特殊硅片流程圖資料來(lái)源：SUMCO，申萬(wàn)宏源研究長(zhǎng)晶環(huán)節(jié)的摻雜劑決定硅片的導(dǎo)電類(lèi)型。半導(dǎo)體中

19、有兩種載流子，即價(jià)帶中的空穴和導(dǎo)帶中的電子，以電子導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體稱(chēng)之為 N 型半導(dǎo)體，以空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體稱(chēng)為 P 型半導(dǎo)體。在長(zhǎng)晶環(huán)節(jié)中，超純多晶硅在石英坩堝中熔化，摻雜族元素(磷、砷、銻等)，當(dāng)雜質(zhì)原子以替位方式取代晶格中的鍺、硅原子時(shí)，可提供除滿足共價(jià)鍵配位以外的一個(gè)多余電子，這就增加了半導(dǎo)體中電子濃度，稱(chēng)為 N 型半導(dǎo)體；若摻入 III 族硼元素則出現(xiàn)空穴，形成 P 型半導(dǎo)體。以加入元素的比例不同分為輕摻雜、中摻雜和重?fù)诫s。重?fù)诫s的半導(dǎo)體中，摻雜物與半導(dǎo)體原子濃度比約千分之一；輕摻雜/低摻雜的濃度比可能會(huì)到十億分之一。半導(dǎo)體的電阻率（10-3cm 109cm），利用摻雜技術(shù)可以決定

20、硅單晶棒的種類(lèi)以及相對(duì)應(yīng)的電阻，重?fù)诫s產(chǎn)品的電阻率通常小于 1cm。拋光片（PW，polished wafer）是單面或雙面被拋光成具有原子級(jí)平坦度的硅芯片，約占硅片應(yīng)用的 70%。單晶硅晶棒生產(chǎn)出來(lái)后，從晶棒的圓柱狀單晶硅切割成薄片而成，屬于高純度的硅元素的晶圓片。拋光目的是進(jìn)一步去除加工表面殘留的損傷層，拋光片可直接用于制作器件，也可作為外延的襯底材料。退火晶圓退火晶圓（退火片，Annealed wafer）是將已拋光晶圓置于擴(kuò)散爐中，利用高純度氫氣退火片是將拋光片置于退火爐/擴(kuò)散爐中，在氫氣或氬氣氛中于 11001200C 高溫下對(duì)硅晶圓片實(shí)施退火處理，經(jīng)數(shù)小時(shí)之后可將晶圓片表層部的氧氣

21、向外加以擴(kuò)散，可使表層之氧濃度大幅降低，同時(shí)可消除拉晶過(guò)程中所形成的微小 COP(Crystal Originated Particle)缺陷。并且藉由高溫?zé)崽幚磉^(guò)程當(dāng)中所形成的 BMD(Bulk Micro Defect)來(lái)吸附晶圓表面快速擴(kuò)散的金屬雜質(zhì)，以提升半導(dǎo)體 IC 制程良率及產(chǎn)品品質(zhì)。使用 Annealed wafer 制品之主要目的是消除晶圓表面及表層部的組件制作區(qū)域上的缺陷，并且具有很強(qiáng)的重金屬污染捕獲能力。一般 CMOS 組件制作及 DRAM 制造廠商對(duì)于晶圓片表層之缺陷要求相當(dāng)?shù)膰?yán)格，故使用具有低缺陷密度(COP、表 OSF)的退火晶圓可以有較高的氧化層崩潰電壓(gate

22、oxide breakdown voltage 或GOI)，以增加產(chǎn)品良率。此外，從拋光片加工成退火片工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，因此退火片的單價(jià)低于外延晶圓單價(jià)，可以部分替代薄膜外延片的需求。圖 6：退火片結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)原理資料來(lái)源：SUMCO，申萬(wàn)宏源研究外延晶圓外延片（磊晶晶圓，epitaxial wafer)是指在拋光晶圓表面外延生長(zhǎng)出一層不同電阻率的單晶薄膜。通過(guò)氣相外延沉積的方法在襯底上進(jìn)行長(zhǎng)晶，與最下面的襯底結(jié)晶面整齊排列進(jìn)行生長(zhǎng)，新生長(zhǎng)的單晶層稱(chēng)為外延層，長(zhǎng)了外延片的襯底稱(chēng)為外延片。作為襯底的單晶硅片根據(jù)尺寸不同，厚度位于 500-800 微米，常用的外延層厚度為 2-20 微米。為什么需要外延

23、工藝？外延生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展于 20 世紀(jì) 50 年代末 60 年代初，為了制造高頻大功率器件，需要減小集電極串聯(lián)電阻。隨著半導(dǎo)體器件性能的要求不斷提高，對(duì)單晶硅片的要求越來(lái)越高，控制硅單晶片的原生缺陷變得越來(lái)越難，因此硅外延片越來(lái)越多地被采用。外延片具有拋光片所不具有的某些電學(xué)特性，并消除了許多在晶體生長(zhǎng)和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。外延用于生長(zhǎng)元素、半導(dǎo)體化合物和合金薄結(jié)晶層，可以較好地控制膜的純度、膜的完整性以及摻雜級(jí)別。圖 7：外延晶圓結(jié)構(gòu)圖資料來(lái)源：IQE，申萬(wàn)宏源研究外延片分類(lèi)方式較多，可以按反應(yīng)室、外延溫度、材料異同、外延厚度、摻雜濃度、導(dǎo)電類(lèi)型、外延生長(zhǎng)方式等分類(lèi)，以下

24、介紹兩種主要的分類(lèi)方法：按照襯底與外延層材料，可分為同質(zhì)外延與異質(zhì)外延。當(dāng)外延膜在同一種材料上生長(zhǎng)時(shí)，稱(chēng)為同質(zhì)外延，如硅基外延硅；在不同材料上生長(zhǎng)外延則稱(chēng)為異質(zhì)外延，如硅基氮化鎵（GaN on Si）。按照原子輸入方式，主要分為氣相外延（VPE）、液相外延（LPE）、固相外延（SPE）。氣相外延方式常用來(lái)生長(zhǎng) Si 外延材料、GaAs 外延材料等；液相外延主要用于生長(zhǎng)制造光電器件所需的化合物外延功能薄層材料；其中，化學(xué)氣相沉積(CVD)生長(zhǎng)方法應(yīng)用最為廣泛，滿足晶體的完整性、器件結(jié)構(gòu)的多樣化，裝置可控簡(jiǎn)便，批量生產(chǎn)、純度的保證、均勻性要求。在化合物半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用，分子束外延（MBE）、金屬有

25、機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）也成為重要的外延生長(zhǎng)方式。MBE 廣泛地用于獲得超薄層異質(zhì)結(jié)外延功能材料，優(yōu)點(diǎn)是材料的質(zhì)量非常好，但是生長(zhǎng)速度比較慢。MOCVD 采用液相狀態(tài)的金屬有機(jī)化合物同汽態(tài)的氫化物作為沉積源原材料，以熱分解反應(yīng)方式沉積形成外延層，MOCVD 方法可以獲得 -V 族、-族化合物晶層及它們的多元超薄單晶層。外延片主要技術(shù)指標(biāo)包括產(chǎn)品直徑、外延厚度、外延電阻率、外延層厚度均勻性、電阻均勻性、表面缺陷等。外延硅晶圓廣泛使用在二極管、IGBT 功率器件、低功耗數(shù)字與模擬集成電路及移動(dòng)計(jì)算通訊芯片等，為了滿足不同的要求，襯底及外延層的技術(shù)參數(shù)通常根據(jù)客戶要求及下游產(chǎn)品定制。SOI，硅的

26、異質(zhì)外延SOI（絕緣體上硅，Silicon-On-Insulator）屬于硅的異質(zhì)外延，原理是在硅晶體管之間加入絕緣層。SOI 硅片是差異化、功能性集成電路襯底材料，其全介質(zhì)隔離特征能夠?qū)崿F(xiàn)全新的、不同于拋光片和外延片的器件設(shè)計(jì)。SOI 可使硅之間的寄生電容減少一半，由于 SOI 硅片具有寄生電容小、短溝道效應(yīng)小、繼承密度高、速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。表 1：典型 1um CMOS 工藝條件下體硅和 SOI 器件的寄生電容（pF/um）電容類(lèi)型體硅SOI（SIMOX）電容比（體硅/SOI）柵1.31.31結(jié)與襯底0.2-0.350.054-7多晶硅與襯底0.10.042.5金屬 1 與襯底0.05

27、0.0271.85金屬 2 與襯底0.0210.0181.16資料來(lái)源：百度，申萬(wàn)宏源研究圖 8：SOI 硅片的四種結(jié)構(gòu)資料來(lái)源：SOITEC，申萬(wàn)宏源研究SOI 硅片的原理比較簡(jiǎn)單，核心目標(biāo)就是在襯底中間加入一層絕緣層，一般為二氧化硅 SiO2 層。SOI 硅片的制造方法主要有四種：SIMOX 技術(shù)、Bonding 技術(shù)、Sim-bond技術(shù)和 Smart-Cut 技術(shù)。SIMOX 即注氧隔離技術(shù)，通過(guò)氧離子注入和退火兩個(gè)關(guān)鍵步驟在普通半導(dǎo)體硅片內(nèi)部嵌入氧化物隔離層，從而制備 SOI 硅片。SIMOX 適合于制作薄膜全耗盡超大規(guī)模集成電路。Bonding 即鍵合技術(shù)，是通過(guò)將兩片普通半導(dǎo)體硅

28、片氧化、鍵合以及退火加固后，通過(guò)研磨與拋光將其中一個(gè)半導(dǎo)體硅片減薄到所要求的厚度來(lái)制備 SOI 硅片的方法。Sim-bond 即注氧鍵合技術(shù)，通過(guò)在硅材料上注入離子并結(jié)合高溫退火，形成分布均勻的離子注入層作為化學(xué)腐蝕阻擋層，實(shí)現(xiàn)對(duì)最終器件層的厚度及其均勻性的良好控制。 Sim-bond 技術(shù)制備的 SOI 硅片具有優(yōu)越的頂層硅均勻性，同時(shí)也能得到厚的絕緣埋層，因此廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子、硅光子等領(lǐng)域。Smart Cut 即智能剝離技術(shù)，是世界領(lǐng)先的 SOI 制備技術(shù)，通過(guò)氫離子注入實(shí)現(xiàn)硅層的可控轉(zhuǎn)移。氫注入不會(huì)導(dǎo)致硅片晶格的損傷，大幅度提升了頂層硅晶體質(zhì)量，達(dá)到與體硅晶體質(zhì)量相同的水準(zhǔn)。此外，剝離

29、的硅片襯底經(jīng)過(guò)拋光加工后重復(fù)使用，大幅度降低了生產(chǎn)成本；頂層硅厚度可以通過(guò)氫離子的注入能量來(lái)調(diào)節(jié)，可以滿足頂層硅厚度 1.5m 以下各類(lèi) SOI 硅片領(lǐng)域的應(yīng)用。因此廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子、硅光子、射頻前端芯片等領(lǐng)域。圖 9：SOI 四種工藝資料來(lái)源：滬硅股份，申萬(wàn)宏源研究SOI 產(chǎn)品主要應(yīng)用包括數(shù)字 SOI、RF-SOI、功率 SOI、FD SOI、光學(xué) SOI，近年應(yīng)用從數(shù)字向射頻、功率等領(lǐng)域拓展。數(shù)字 SOI 用于處理器芯片和連接 SoC；RF SOI 應(yīng)用于射頻應(yīng)用，目前已經(jīng)成為智能手機(jī)的開(kāi)關(guān)和天線調(diào)諧器的最佳解決方案；POWER SOI 用于智能功率轉(zhuǎn)換電路，主要應(yīng)用于汽車(chē)、工業(yè)、家電消

30、費(fèi)類(lèi)等高可靠性高性能場(chǎng)景；FD SOI具有減少硅幾何尺寸同時(shí)簡(jiǎn)化制造工藝的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、5G、汽車(chē)等對(duì)于高可靠性、高集成度、低功耗、低成本的應(yīng)用領(lǐng)域；光學(xué) SOI 應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算等光通信領(lǐng)域2。圖 10：SOI 在手機(jī)、汽車(chē)、云計(jì)算、IoT 的應(yīng)用2 參考來(lái)源：SOITEC。資料來(lái)源：SOITEC，申萬(wàn)宏源研究按應(yīng)用場(chǎng)景分為正片、陪片和刻蝕電極從硅片在晶圓廠的應(yīng)用場(chǎng)景角度來(lái)看，硅片可以分為正片（Prime Wafer）和陪片。陪片又按功能分為測(cè)試片（Test Wafer）、擋片（Dummy Wafer）和控片（Monitor Wafer），測(cè)試片與控片的用途也有所重

31、疊。測(cè)試片主要用于實(shí)驗(yàn)及檢查等用途，也用于制造設(shè)備投入使用初期以提高設(shè)備穩(wěn)定性；擋片用于新產(chǎn)線調(diào)試以及晶圓生產(chǎn)控制中對(duì)正片的保護(hù)；控片多用于正式生產(chǎn)前對(duì)新工藝測(cè)試、監(jiān)控良率，同時(shí)為監(jiān)控正式生產(chǎn)過(guò)程中的工藝精度及良率，需要在晶圓正片生產(chǎn)過(guò)程中插入控片增加監(jiān)控頻率。擋片和控片一般是由晶棒兩側(cè)品質(zhì)較差段切割出來(lái)。另外，部分擋控片可重復(fù)使用。由于擋控片作為輔助生產(chǎn)使用且用量巨大，晶圓廠通常會(huì)回收用過(guò)的擋片，經(jīng)研磨拋光，重復(fù)使用數(shù)次；而控片則需具體情況具體對(duì)待，用在某些特殊制程的控片無(wú)法回收使用，可以回收重復(fù)利用的擋控片又被稱(chēng)為可再生硅片?？涛g用硅材料，13-19 英寸大硅片的細(xì)分市場(chǎng)。除作為直接生產(chǎn)材

32、料，半導(dǎo)體硅材料還可用于刻蝕設(shè)備的電極。集成電路刻蝕用單晶硅材料，經(jīng)硅電極制造商機(jī)械加工為硅電極，用于芯片制造刻蝕機(jī)中的反應(yīng)腔中，是晶圓制造刻蝕環(huán)節(jié)所必需的核心耗材?？涛g用硅電極半導(dǎo)體，直徑大于正片，目前主流晶體尺寸覆蓋 13-19 英寸以適用不同型號(hào)刻蝕設(shè)備，全球范圍內(nèi)已實(shí)現(xiàn)商用的最大尺寸可達(dá) 19 英寸?？涛g用硅材料全球市場(chǎng)規(guī)模約 15 億元，屬于半導(dǎo)體級(jí)單晶硅材細(xì)分市場(chǎng)。圖 11：刻蝕用單晶硅用于電極材料資料來(lái)源：神工股份，申萬(wàn)宏源研究12 寸晶圓出貨面積占比逾六成跟隨摩爾定律演進(jìn)，集成電路制造所用的主流晶圓直徑從 4 英寸、6 英寸、8 英寸到 12 英寸。直徑越大的圓片，所能刻制的集

33、成電路越多，芯片的單位成本越低，因此晶圓持續(xù)向大尺寸發(fā)展。尺寸演變節(jié)奏上，1980 年代以 4 英寸硅片為主流，1990 年代是 6 英寸占主流，2000 年代 8 英寸占主流，2002 年英特爾與IBM 首先建成 12 英寸生產(chǎn)線，到 2005年 12 英寸硅片的市場(chǎng)份額已占 20%，2008 年升至 30%，2008 年以來(lái) 12 寸成為晶圓主要尺寸，2017 年繼續(xù)上升至 66.01%。據(jù) SEMI 統(tǒng)計(jì)，2019 年，全球 12 英寸半導(dǎo)體硅片出貨面積占全部半導(dǎo)體硅片出貨面積的 67.22%。為什么 450mm 晶圓投產(chǎn)節(jié)奏一再低于預(yù)期？晶圓尺寸歷史上約 10 年升級(jí)一次，從 2011

34、 年起，業(yè)界即預(yù)測(cè)在摩爾定律的驅(qū)動(dòng)下，18 英寸晶圓將于 2017 年投產(chǎn)，隨著 18 寸硅片的生產(chǎn)技術(shù)逐漸成熟，原本預(yù)計(jì) 12 英寸未來(lái)也將朝著 18 英寸過(guò)渡，但 18 英寸晶圓未如期而至。大尺寸晶片對(duì)材料、技術(shù)、設(shè)備投資的要求也越高，高額的投資成本是主因。 SEMI 曾預(yù)測(cè)每個(gè) 450mm 晶圓廠將耗資 100 億美元，但單位面積芯片成本只下降 8%。目前，市場(chǎng)預(yù)期 18 英寸晶圓預(yù)計(jì)于最早也將于 2022 年后才得以推進(jìn)，并且三大 IC 制造巨頭將投資轉(zhuǎn)向 EUV，18 英寸的前途更加不明朗。圖 12：晶圓直徑尺寸從 100mm 增至 450mm資料來(lái)源：Wafer Pro，申萬(wàn)宏源研

35、究8 英寸與 12 英寸晶圓適應(yīng)產(chǎn)品領(lǐng)域略有差異，12 英寸為成長(zhǎng)主力。8 英寸主要用于成熟制程及特種制程，在應(yīng)用端，對(duì) 8 英寸晶圓代工的強(qiáng)勁需求主要來(lái)源于功率器件、電源管理 IC、影像傳感器、指紋識(shí)別芯片和顯示驅(qū)動(dòng) IC 等；12 英寸主要適用于 28nm 以下的先進(jìn)制程，主要成長(zhǎng)動(dòng)力來(lái)自于存儲(chǔ)和邏輯芯片。SUMCO 預(yù)計(jì) 2018-2022 年，12 寸硅片需求量 CAGR 達(dá) 4.1%。8 英寸晶圓在成熟制程及特殊制程具有優(yōu)勢(shì)，需求占比預(yù)計(jì)將維持 20%以上。8 英寸產(chǎn)線因折舊完畢具有成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在模擬電路、高功率等晶圓生產(chǎn)具有優(yōu)勢(shì)。據(jù) SEMI最新報(bào)告，2019 年底有 15 個(gè)新

36、 Fab 廠開(kāi)工建設(shè)，總投資金額達(dá) 380 億美元，其中約有一半用于 8 英寸晶圓尺寸。IC Insights 預(yù)計(jì)未來(lái) 2 年，8 寸晶圓產(chǎn)能預(yù)計(jì)維持 23%左右市占率。新興需求迭起，8 寸晶圓廠出現(xiàn)階段性產(chǎn)能緊張。8 寸硅片目前主要用于指紋識(shí)別芯片、電源管理芯片、功率器件、微控制器等半導(dǎo)體產(chǎn)品的生產(chǎn)。2016 年以來(lái)，隨著存儲(chǔ)計(jì)算、邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新應(yīng)用的興起帶動(dòng)了 NOR Flash、指紋識(shí)別芯片、電源芯片等產(chǎn)品對(duì) 8 寸晶圓的需求，汽車(chē)電子興起帶動(dòng)功率器件需求，市場(chǎng)隨之出現(xiàn)供應(yīng)緊張狀態(tài)。2017Q2起，8 寸硅片的需求開(kāi)始超過(guò)產(chǎn)能，8 寸硅片的供給開(kāi)始趨緊。圖 13：全球晶圓 12

37、寸占 70%，8 寸占 23%，6 寸以下占 6%資料來(lái)源：IC Insights，申萬(wàn)宏源研究注：截至 12 月的月產(chǎn)能份額（200mm 當(dāng)量）硅晶圓的技術(shù)與投資壁壘硅晶圓生長(zhǎng)工藝及技術(shù)壁壘將多晶硅拉制成單晶硅主要有直拉法和區(qū)熔法兩種工藝。1947 年，俄國(guó)人切克勞爾斯基發(fā)明了拉制金屬單晶的直拉 CZ 法工藝。1951 年，美國(guó)人蒂爾和利特把 CZ 法移植到硅單晶生長(zhǎng)工藝上來(lái)，拉出了100mm 的單晶。1952 年，美國(guó)人普凡采用高頻感應(yīng)加熱發(fā)明了硅單晶生長(zhǎng)的無(wú)坩堝懸浮區(qū)域熔煉FZ 法。此后，CZ 法和FZ 法的工藝與設(shè)備不斷發(fā)展，使之成為現(xiàn)代硅單晶生產(chǎn)的主要技術(shù)。大部分半導(dǎo)體硅片使用直拉法

38、生產(chǎn)。硅區(qū)熔單晶硅(FZ-Si)主要用于制作電力電子器件 (SR、SCR、GTO 等)、射線探測(cè)器、高壓大功率晶體管等；直拉單晶硅(CZ-Si)主要用于制作集成電路、晶體管、傳感器及硅光電池等。目前，90以上的單晶硅采用直拉法生產(chǎn)。直 拉 法 生 產(chǎn) 過(guò) 程 ： 半 導(dǎo) 體 用 單 晶 硅 片 純 度 在 9N （ 99.9999999% ）-11N(99.999999999%)左右，純度要求最低是光伏單晶硅片的 1000 倍以上，原材料使用的多晶硅純度通常為 8-9 個(gè) 9。首先將多晶硅和摻雜劑放入單晶爐內(nèi)的石英坩堝中，將溫度升高至 1420以上，得到熔融狀態(tài)的多晶硅。其中，通過(guò)調(diào)控放入摻雜

39、劑的種類(lèi)（B、P、 As、Sb）及含量，可以得到不同導(dǎo)電類(lèi)型及電阻率的硅片。待多晶硅溶液溫度穩(wěn)定之后，將籽晶緩慢下降放入硅熔體中（籽晶在硅融體中也會(huì)被熔化），然后將籽晶以一定速度向上提升進(jìn)行引晶過(guò)程。隨后通過(guò)縮頸操作，將引晶過(guò)程中產(chǎn)生的位錯(cuò)消除。當(dāng)縮頸至足夠長(zhǎng)度后，通過(guò)調(diào)整拉速和溫度使單晶硅直徑變大至目標(biāo)值，然后保持等徑生長(zhǎng)至目標(biāo)長(zhǎng)度。最后為了防止位錯(cuò)反延，對(duì)單晶錠進(jìn)行收尾操作，得到單晶錠成品，待溫度冷卻后取出。圖 14：直拉法生產(chǎn)單晶硅棒示意圖資料來(lái)源：SUMCO，申萬(wàn)宏源研究長(zhǎng)晶技術(shù)主要體現(xiàn)在爐內(nèi)溫度的熱場(chǎng)和控制晶體生長(zhǎng)形狀的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)能力。單晶爐由爐體、熱場(chǎng)、磁場(chǎng)、控制裝置等部件組成，硅料

40、經(jīng)過(guò)提煉提純成為高純度的多晶硅后，在單晶爐中長(zhǎng)成單晶硅棒，集成電路刻蝕用單晶硅材料在生產(chǎn)中需要對(duì)熱場(chǎng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，精確控制原材料和摻雜劑配比，持續(xù)動(dòng)態(tài)控制晶體的固液共存界面形狀、晶體成長(zhǎng)速度、旋轉(zhuǎn)速率、腔體溫度場(chǎng)分布及氣流氣壓等諸多生產(chǎn)參數(shù)并實(shí)現(xiàn)上述生產(chǎn)參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)匹配，技術(shù)難度較高，且隨著產(chǎn)品尺寸增加，對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)難度也成倍增長(zhǎng)。直拉法單晶硅生長(zhǎng)工藝的挑戰(zhàn)：?jiǎn)尉Ч枭L(zhǎng)對(duì)生長(zhǎng)爐內(nèi)熱場(chǎng)設(shè)置要求很高，實(shí)際生產(chǎn)中熱場(chǎng)復(fù)雜且不容易實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量和控制；生長(zhǎng)爐內(nèi)包含硅熔體和氣體復(fù)雜的對(duì)流與傳熱作用，導(dǎo)致硅晶體的生長(zhǎng)過(guò)程難以預(yù)測(cè)，并且對(duì)流會(huì)影響缺陷分布，影響晶體的質(zhì)量；直拉法生產(chǎn)周期較長(zhǎng)、能耗較大且成品率

41、低，因此生產(chǎn)方案的設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、成本影響差別很大。圖 15：直拉法生產(chǎn)晶棒示意圖 圖 16：電子級(jí)晶體生長(zhǎng)爐資料來(lái)源：半導(dǎo)體制造技術(shù)，申萬(wàn)宏源研究資料來(lái)源：晶盛機(jī)電，申萬(wàn)宏源研究單晶硅生長(zhǎng)技術(shù)決定了硅片的主要質(zhì)量參數(shù)。當(dāng)高純度多晶硅在石英坩堝內(nèi)熔化后，由于硅元素與其他元素的結(jié)晶效率存在差異，部分雜質(zhì)元素進(jìn)入硅單晶體的難度較大，部分雜質(zhì)元素將隨著時(shí)間的推移逐漸沉積到多晶硅熔液底部并形成殘留物，生長(zhǎng)成單晶硅材料產(chǎn)品的純度高于原材料多晶硅的純度。由于長(zhǎng)晶過(guò)程中使用石英坩堝和加熱元件，仍然會(huì)形成碳和氧雜質(zhì)。硅拋光晶圓的主要技術(shù)指標(biāo)包括直徑、晶體工藝、摻雜劑、晶向、電阻率、厚度等，其他質(zhì)量指標(biāo)包括缺陷

42、密度、氧含量、碳含量、翹曲度等，其中大部分參數(shù)由長(zhǎng)晶技術(shù)決定。下游芯片制程的技術(shù)節(jié)點(diǎn)越先進(jìn)，對(duì)應(yīng)的硅片上述指標(biāo)控制越嚴(yán)格，不同的技術(shù)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)控制參數(shù)會(huì)有相差。產(chǎn)業(yè)鏈下游的半導(dǎo)體芯片制造通常采用不同工藝制程完成，不同的芯片制程工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于半導(dǎo)體硅片不同的純度、晶體原生缺陷和雜質(zhì)控制水平、硅片表面和邊緣平整度、翹曲度、厚度均勻性等指標(biāo)要求。伴隨半導(dǎo)體廠商晶圓制程朝細(xì)微化前進(jìn)，對(duì)上游硅晶圓表面的潔凈度要求更為嚴(yán)苛，因此硅晶圓制程中拉晶工程技術(shù)(例：氧濃度及微缺陷多寡)的提升及制程上的支持就愈顯得重要。表 2：拋光片核心技術(shù)參數(shù)參數(shù)直徑2-12 英寸晶體CZ，MCZ，F(xiàn)Z,NTD摻雜劑磷

43、，硼，砷，銻晶向,電阻率0.001-1000 ohm.cm厚度200-1200um資料來(lái)源：環(huán)球晶圓，申萬(wàn)宏源研究晶碇經(jīng)成型工藝加工成片。切片，將單晶晶棒通過(guò)切片設(shè)備切成合適厚度的硅片；邊緣倒角是使晶圓邊緣圓滑的機(jī)械工藝，將硅片邊緣修正成圓弧狀，改善硅片的機(jī)械強(qiáng)度，減少應(yīng)力集中造成的硅片缺陷；磨片是磨料研磨工藝，它的主要目的是去除切片工程殘留的表面損傷，同時(shí)改善硅片的總平坦度、翹曲度；化腐，硅片經(jīng)過(guò)切片和磨片后，其表面因加工應(yīng)力會(huì)形成一層損傷層，腐蝕則是利用混酸蝕刻硅片去除表面損傷層，使整片硅片維持高質(zhì)量的單晶特性；拋光，拋光制程使用拋光漿與拋光布，搭配適當(dāng)?shù)臏囟?，壓力與旋轉(zhuǎn)速度，可消除前制程

44、所留下的機(jī)械傷害層，改善硅片表面粗糙度，并且得到表面平坦度極佳的硅片，避免客戶曝光制程中遭遇的聚焦問(wèn)題。圖 17：?jiǎn)尉Ч璋艏皰伖馄庸ち鞒藤Y料來(lái)源：環(huán)球晶圓，申萬(wàn)宏源研究半導(dǎo)體技術(shù)密集度高，其制程技術(shù)與產(chǎn)品產(chǎn)出良率決定生產(chǎn)成本高低。而研發(fā)人才與制程技術(shù)具有密切關(guān)系，但研發(fā)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)及延攬不易。我國(guó)半導(dǎo)體硅片產(chǎn)業(yè)起步較晚，國(guó)內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)人才非常稀缺。加上產(chǎn)品需經(jīng)過(guò)客戶認(rèn)證后方能取得訂單，客戶認(rèn)證周期長(zhǎng)，一個(gè)新供應(yīng)商的認(rèn)證周期至少需要 9-18 個(gè)月，造成新競(jìng)爭(zhēng)者有較高之進(jìn)入門(mén)坎。硅晶圓廠商資金壁壘高除了技術(shù)壁壘高、人才壁壘高，半導(dǎo)體硅片行業(yè)具有資金壁壘高的特點(diǎn)，行業(yè)準(zhǔn)入門(mén)檻較高。2018 年前，

45、300mm 半導(dǎo)體硅片僅由前五大硅晶圓供應(yīng)商提供，國(guó)內(nèi)擁有 300mm半導(dǎo)體硅片供應(yīng)能力的企業(yè)較少。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是資本與技術(shù)高度密集的工業(yè)，由于生產(chǎn)機(jī)臺(tái)昂貴且產(chǎn)品技術(shù)變化快速，需要投入之資本支出越發(fā)龐大。硅晶圓與晶圓廠類(lèi)似，均為重資產(chǎn)行業(yè)，硅晶圓大廠 SUMCO、Siltronic、環(huán)球晶圓的固定資產(chǎn)周轉(zhuǎn)率通常小于 2，2016 年最低點(diǎn)小于 1。參考國(guó)內(nèi)硅晶圓代表企業(yè)滬硅產(chǎn)業(yè)近幾年的成本結(jié)構(gòu)：直接材料占比 40-50%，直接人工占比 10-15%，制造費(fèi)用占比 40-50%。硅晶圓生產(chǎn)原材料主要包括電子級(jí)多晶硅、石英坩堝、石墨坩堝、切割線、拋光液等。參考滬硅產(chǎn)業(yè) 2018 年直接材料構(gòu)成，多晶

46、硅占比 31%，襯底片（用于外延及 SOI 晶圓生產(chǎn)）占比 21%，石英坩堝占比 9%，其他材料合計(jì)占比 22%。圖 18：硅晶圓龍頭固定資產(chǎn)周轉(zhuǎn)率僅約 2 倍 圖 19：滬硅產(chǎn)業(yè)硅晶圓成本結(jié)構(gòu)資料來(lái)源：Wind，申萬(wàn)宏源研究資料來(lái)源：滬硅產(chǎn)業(yè)，申萬(wàn)宏源研究硅晶圓十年周期復(fù)盤(pán)硅晶圓制造業(yè)產(chǎn)業(yè)于整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)架構(gòu)中材料供應(yīng)角色，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)硅晶圓材料之需求亦急速增加。半導(dǎo)體行業(yè)呈周期性波動(dòng)和螺旋式上升的趨勢(shì)，半導(dǎo)體硅片行業(yè)的市場(chǎng)波動(dòng)基本同步于整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的波動(dòng)周期。圖 20：2013-2019，全球 12”硅晶圓月出貨量從 4KK 提升到 6KK資料來(lái)源：SUMCO，申萬(wàn)宏源研

47、究2009-2019 年間，硅晶圓市場(chǎng)規(guī)模高增時(shí)段為 2010 年、2014 年、2016-2018 年；顯著下降期為 2011-2013 年。圖 21：全球半導(dǎo)體及硅片市場(chǎng)規(guī)模（億美元）資料來(lái)源：Semi，WSTS，申萬(wàn)宏源研究2009-2010 年，金融危機(jī)的半導(dǎo)體市場(chǎng)與硅片市場(chǎng)快速?gòu)?fù)蘇。2008 年，受金融危機(jī)影響，半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)自 2008 年 9 月起大幅下滑，直到 2009Q1 觸底反彈，隨后緩慢復(fù)蘇。2009-2010 年間，經(jīng)濟(jì)刺激政策促進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇，半導(dǎo)體市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)。2011-2013 年，日元連續(xù)大幅貶值，硅片市場(chǎng)與半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模趨勢(shì)背離。2011-2013年間，受益于

48、智能手機(jī)與平板電腦普及，半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模溫和上漲，但美元對(duì)日元匯率分別上漲 12.8%、21.4%、13.7%，且從整體供應(yīng)廠商結(jié)構(gòu)來(lái)看，日廠占整體硅晶圓比重五成以上，致硅晶圓市場(chǎng)規(guī)模連續(xù)下滑。從下游看來(lái)，智能手機(jī)與平板市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)，個(gè)人電腦市場(chǎng)增長(zhǎng)緩慢，其他消費(fèi)電子產(chǎn)品需求熄火。微處理器、功率半導(dǎo)體產(chǎn)量下降，8 寸硅片需求迅速下降。2013-2015H1，中低端智能手機(jī)普及，半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模再次成長(zhǎng)。受惠于智能手機(jī)與平板計(jì)算機(jī)等手持裝置需求提升，尤其是中低階手機(jī)下半年出貨量高于高階機(jī)種，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)景氣自 2013 年起逐漸復(fù)蘇。2014 年在行動(dòng)智能裝置出貨量持續(xù)呈現(xiàn)成長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，特別是中低階市場(chǎng)的

49、拉抬，且汽車(chē)電子需求也呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)，以及對(duì)全球宏觀經(jīng)濟(jì)情勢(shì)改善的預(yù)期之下，2014 年全球半導(dǎo)體銷(xiāo)售額成長(zhǎng)道亦有所增強(qiáng)。內(nèi)存、處理器及通訊芯片等 IC零組件持續(xù)供不應(yīng)求，讓各半導(dǎo)體廠的產(chǎn)能利用率居高不下，也間接使得半導(dǎo)體材料持續(xù)成長(zhǎng)，尤其半導(dǎo)體 12 吋硅晶圓需求更為顯著；8 吋晶圓的需求中電源管理、指紋辨識(shí)、LCD驅(qū)動(dòng)和車(chē)用電子等，目前沒(méi)有向上升級(jí)到 12 吋必要，也導(dǎo)致需求大增。在這樣快速增長(zhǎng)的情況下，全球的大硅片依然顯得供不應(yīng)求。2013-2015Q2，硅片同比出貨量均維持了高景氣度，全球 12 寸硅晶圓出貨量從 2013Q1 約 3.6KK/M，增至 2015Q2 出貨量 5.2KK/

50、M，增長(zhǎng)約 40%。但硅晶圓廠 2013 年度開(kāi)工率環(huán)比下降 1pct，且 DRAM、NAND 均大幅降價(jià)，因此 2013-2015H1 半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模及硅晶圓市場(chǎng)規(guī)模僅發(fā)生微小變化。2015H2-2016H1，硅晶圓市場(chǎng)需求盤(pán)整期。NAND 價(jià)格于 2015 年觸底反彈，DRAM價(jià)格直到 2016 年 5 月才有起色。2016 年，由于功率組件(MOSFET、Schottky)等產(chǎn)品需求強(qiáng)勁，中小尺寸產(chǎn)品全年皆維持近乎滿產(chǎn)能生產(chǎn)，但全球智能型手機(jī)及 PC 并未見(jiàn)明顯成長(zhǎng)，因此大尺寸(8&12)產(chǎn)品表現(xiàn)持平。2016H2-2018 年，半導(dǎo)體與硅晶圓市場(chǎng)再度成長(zhǎng)，硅晶圓大廠盈利均顯著改善。20

51、16Q2 智能手機(jī)庫(kù)存調(diào)整結(jié)束，晶圓廠景氣復(fù)蘇；自 2016Q4 起，8”及 12”硅晶圓庫(kù) 存均快速下調(diào)，硅晶圓需求增長(zhǎng)顯著。2018 年初，主要硅片廠商紛紛將價(jià)格上調(diào)了 1020%， SUMCO 將 12 英寸硅片價(jià)格上調(diào)了 20%，相比 2016 年底增幅達(dá) 60%。2016-2018 年在 此背景下，硅晶圓大廠營(yíng)業(yè)利潤(rùn)率連續(xù)攀升。圖 22：硅晶圓大廠營(yíng)業(yè)利潤(rùn)率歷史波動(dòng)（%）資料來(lái)源：Wind，申萬(wàn)宏源研究半導(dǎo)體市場(chǎng)在 2019 年受到內(nèi)存市場(chǎng)需求不振與平均售價(jià)(ASP)下滑等因素影響，加上貿(mào)戰(zhàn)爭(zhēng)及地緣政治帶來(lái)的不確定性，使得全球總體經(jīng)濟(jì)與半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模萎縮。從產(chǎn)品角度，2019 年邏輯

52、器件需求已穩(wěn)定，存儲(chǔ)仍在調(diào)庫(kù)存。2019Q4 季度，8”及 12”硅晶圓市場(chǎng)需求均見(jiàn)底，自 2020Q1 起 200mm/300mm 需求穩(wěn)步回升。2020 受疫情影響，硅晶圓需求存在不確定性。WSTS 原預(yù)期 2020 年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)將達(dá) 4,330 億美元，較 2019 年成長(zhǎng) 5.9%。但新型冠狀病毒疫情持續(xù)擴(kuò)散，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)銷(xiāo)售規(guī)模預(yù)計(jì)受影響，即使有客戶增加安全庫(kù)存，達(dá)到 WSTS 成長(zhǎng)預(yù)測(cè)值概率較小。綜上，硅晶圓市場(chǎng)周期性存在以下主要特點(diǎn): 1)12“硅晶圓需求景氣主要由手機(jī)、PC、 Tablet 等消費(fèi)電子產(chǎn)品創(chuàng)新周期驅(qū)動(dòng)，8”硅晶圓需求由汽車(chē)電子、功率、指紋識(shí)別等產(chǎn)品需求。2

53、）由于下游電子產(chǎn)品對(duì)硅片需求不斷增長(zhǎng)，全球 12 英寸出貨量呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢(shì)。 2013-2019，全球 12”硅晶圓月出貨量從 4KK 提升到 6KK。3）硅晶圓行業(yè)價(jià)格受開(kāi)工率、客戶庫(kù)存以及終端產(chǎn)品價(jià)格等因素影響，由于重資產(chǎn)屬性，硅晶圓代表企業(yè)盈利能力也受波動(dòng)影響。4）由于硅晶圓供應(yīng)商約 65%集中于日本，而半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相對(duì)分散于全球，因此日元匯率也是造成硅晶圓與半導(dǎo)體市場(chǎng)周期背離的重要原因。硅材料競(jìng)爭(zhēng)格局分析CR5 維持 90%市占率近 20 年近 20 年，半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)均由日、德、韓寡頭企業(yè)壟斷，前 5 大企業(yè)市占率達(dá) 94%。上世紀(jì) 90 年代末，日本、德國(guó)和韓國(guó)資本控制的 8 大硅

54、片公司的銷(xiāo)量占世界硅片銷(xiāo)量的 90%以上。根據(jù) SEMI 提供的 2002 年世界硅材料生產(chǎn)商的市場(chǎng)份額顯示，Shin-Etsu、 SUMCO、Wacker、MEMC、Komatsu 等 5 家公司占市場(chǎng)總額的比重達(dá)到 89%，壟斷地位已經(jīng)形成；硅片市場(chǎng)經(jīng)過(guò)多次并購(gòu)重組，集中度進(jìn)一步提升。Gartner 數(shù)據(jù)顯示，2018 年全球半導(dǎo)體硅片銷(xiāo)售額前 5 家企業(yè)為Shin-Etsu日（ 28%）、SUMCO日（25%）、Global Wafer臺(tái)（17%）、Siltronic德（15%）、SK Siltron韓（9%），前兩大廠商信越、SUMCO 占全球晶圓營(yíng)業(yè)額近 50%以上，前五大廠份額達(dá)到

55、 94%。2018 年全球五大硅晶圓供貨商總銷(xiāo)售額 109 億美元，較 2017 年前五大供應(yīng)商的銷(xiāo)售額 87 億美元成長(zhǎng) 25.29%。其他所有供貨商紛爭(zhēng) 6%的市場(chǎng)份額，競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。中國(guó) 12 英寸硅片幾乎全部依賴進(jìn)口，8 英寸硅片也只有少數(shù)廠商可以供應(yīng)。8 英寸硅片及外延片的國(guó)內(nèi)供應(yīng)商有浙江金瑞泓、昆山中辰(臺(tái)灣環(huán)球晶圓)、北京有研、河北普興、南京國(guó)盛、中電科 46 所以及上海新傲等。圖 23：2007 全球半導(dǎo)體硅片行業(yè)格局 圖 24：2018 年半導(dǎo)體硅片行業(yè)格局資料來(lái)源：Gartner，申萬(wàn)宏源研究資料來(lái)源：Gartner，申萬(wàn)宏源研究硅晶圓主要上市公司信越化學(xué)日本信越化學(xué)工業(yè)株

56、式會(huì)社（Shin-Etsu）是日本最大的化工廠商之一，成立于 1926年，主營(yíng)業(yè)務(wù)包括 PVC（聚氯乙烯）、有機(jī)硅塑料、纖維素衍生物、半導(dǎo)體硅片、磷化鎵、稀土磁體、光刻膠等，目前在全球擁有員工 2.2 萬(wàn)人。信越化學(xué)采取多元化發(fā)展戰(zhàn)略，在多個(gè)產(chǎn)品領(lǐng)域均全球領(lǐng)先。信越目前包括六大事業(yè)部：半導(dǎo)體硅材料業(yè)務(wù)（全球第一）；電子功能材料業(yè)務(wù)（稀土、封裝材料、LED 涂層、光致抗蝕劑及配套試劑、光掩膜、合成石英、氧化物單晶等，全球第二）；有機(jī)硅業(yè)務(wù)（全球第四）；特種化學(xué)品業(yè)務(wù)（纖維素衍生物、金屬硅、聚乙烯醇等，全球第二）；PVC/氯堿業(yè)務(wù)（全球第一）和多元化經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)等。信越化學(xué)的半導(dǎo)體材料業(yè)務(wù)發(fā)展歷程。信

57、越化學(xué) 1926 年創(chuàng)立之初名為“信越氮肥料株式會(huì)社”，最早產(chǎn)品是碳化物和石灰氮。1949 年，公司在東京證券交易所上市，隨后 1953年和 1960 年分別開(kāi)始生產(chǎn)有機(jī)硅、高純硅。早在 2001 年，信越化學(xué)即開(kāi)始大規(guī)模量產(chǎn) 300mm 半導(dǎo)體硅片。目前信越化學(xué)已是全球排名第一的半導(dǎo)體硅片制造商，半導(dǎo)體硅片產(chǎn)品類(lèi)型包括 300mm 半導(dǎo)體硅片在內(nèi)的各尺寸硅片，市占率逾 30%。在通常的硅晶圓之外，子公司信越半導(dǎo)體也面向功率半導(dǎo)體和高頻半導(dǎo)體，開(kāi)發(fā)及銷(xiāo)售 Silicon on Insulator（SOI）晶圓及 GaN on Silicon 晶圓等基板。圖 25：信越化學(xué)發(fā)展歷程資料來(lái)源：信越

58、化學(xué)，申萬(wàn)宏源研究根據(jù) FY2019 財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)，信越半導(dǎo)體硅事業(yè)部收入為 3,876 億日元，為集團(tuán)第二大事業(yè)部，半導(dǎo)體硅晶圓約占公司營(yíng)收 25%，營(yíng)業(yè)利潤(rùn)占比 35%，為第一大利潤(rùn)中心。圖 26：信越化學(xué)硅晶圓營(yíng)業(yè)利潤(rùn)率升至 37%（十億日?qǐng)A，%）資料來(lái)源：信越化學(xué)，申萬(wàn)宏源研究SUMCOSUMCO 前身 Osaka Special Steel Manufacturing Co.成立于 1937 年，主要做特殊金屬制造業(yè)務(wù)。1999 年，SMI（住友金屬工業(yè)）、MMC（三菱材料）和 MMSC（三菱硅材料）合資成立 SUMC（株式會(huì)社聯(lián)合硅制造），開(kāi)始 300mm 半導(dǎo)體硅片的研發(fā)和生產(chǎn)。 2

59、002 年，聯(lián)合硅制造和三菱硅材料合并，同時(shí)整并住友金屬工業(yè)的硅制造業(yè)務(wù)，更名三菱住友硅株式會(huì)社。2005 年，商號(hào)變更為株式會(huì)社 SUMCO，并于東京證券交易所上市。2006年并購(gòu)原屬小松制作所的小松電子金屬，2008 年小松電子金屬改組為 SUMCO Techxiv 子公司。SUMCO 主營(yíng)業(yè)務(wù)為半導(dǎo)體硅片制造和銷(xiāo)售，目前主要的產(chǎn)品類(lèi)型包括高純單晶硅錠、高質(zhì)量硅拋片、AW 高溫退火晶片、EW 外延片、JIW 結(jié)隔離硅片、SOI 絕緣體上單晶硅片、 RPW 再生拋光硅片等。其中，高純硅拋光片、退火晶片和外延片等可以提供 100-300mm大硅片，SOI 硅片為 200mm 尺寸產(chǎn)品。SUMC

60、O 是全球排名第二的半導(dǎo)體硅片制造商，2018 年市占率 28%。公司長(zhǎng)期服務(wù)于全球前十大晶圓廠商，海外銷(xiāo)售占比 80%。2019 年底，SUMCO 擁有約 3400 項(xiàng)專(zhuān)利，位列行業(yè)第一。圖 27：SUMCO 發(fā)展歷程資料來(lái)源：SUMCO，申萬(wàn)宏源研究環(huán)球晶圓中國(guó)臺(tái)灣環(huán)球晶圓公司的前身是中美硅晶制品股份有限公司的半導(dǎo)體事業(yè)處。中美硅晶于 1981 年成立于中國(guó)臺(tái)灣新竹科學(xué)工業(yè)園區(qū)，是中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)最大的 12 英寸半導(dǎo)體硅片的供應(yīng)商。2011 年 10 月，中美硅晶完成了企業(yè)體制的獨(dú)立分割，將半導(dǎo)體事業(yè)處正式成立為環(huán)球晶圓。環(huán)球晶圓成立之后，進(jìn)行多項(xiàng)企業(yè)收購(gòu)兼并活動(dòng)，行業(yè)排名躍至第三。2012