半导体材料专题报告：硅片，集成电路大厦之基石
硅片——半导体行业之基石
硅片是半导体产业最重要的基础材料
硅片是由高纯结晶硅为材料制造的圆片，一般作为集成电路和半导体器件的载体。与其他材料相比，结晶 硅的分子结构非常稳定，很少有自由电子产生，因此其导电性极低。硅基半导体材料产量大、易获取、应用广， 其应用覆盖了 90%以上的半导体产品。硅是除了氧元素之外第二丰富的元素，以多样的形式大量存在于沙子、 岩石、矿物中，相较于其他半导体材料更加易于获取。
硅片主要用于半导体和光伏两大领域，半导体硅片更值得关注。二者差异主要体现在硅片类型、纯度、平 整度、光滑度及洁净度等特性上。硅片在 IC 制造和太阳能电池领域均作为基底材料，为满足相应的电学特性， 半导体级硅晶圆都是单晶硅，而太阳能电池用的硅晶圆则单晶硅与多晶硅皆有。半导体硅片纯度标准要求为 99.999999999%以上（业内简称 11N），而光伏硅片纯度要求较低，约为 99.9999%左右。研磨、倒角、抛光、 清洗等工艺都是制作硅片的必备流程，以保证半导体大硅片表面的平整度和光滑度被控制在 1nm 以内。由于半 导体硅片制造较难、下游应用广泛、市场价值较高，因此也是硅片核心市场。
半导体硅片制造需经过一系列物理和化学操作，高纯和高精度是关键。通常将 95-99%纯度的硅称为工业硅；纯度达 99.9999999%至 99.999999999%（9-11 个 9）的称为超纯多晶硅；在获得超纯多晶硅之后，掺入硼（P）、 磷（B）等元素改变其导电能力，放入籽晶确定晶向，制成半导体领域常用的单晶硅，切片、研磨、蚀刻、抛光、 外延（如有）、键合（如有）、清洗等步骤之后，即可制成半导体硅片。在获得单晶硅的过程中，熔体温度、 提拉速度、籽晶/石英坩埚的旋转速度以及熔体中的硼（P）、磷（B）等杂质元素浓度都起到决定性的作用。最 后，在半导体硅片上布设晶体管和多层互联线，从而制成具有特定功能的集成电路或半导体器件。
大硅片制造难度随芯片制程提高而快速提升。硅片作为基础衬底，必须具备高纯净度、平整度、清洁度和 低杂质污染度，才能完美保持芯片原本设计的功能。半导体芯片最新工艺节点已达 5nm，随着制程微缩，芯片 制造对硅片缺陷密度与缺陷尺寸的容忍度不断降低，质量控制更严格。随尺寸增加，硅片质量控制和制造难度 也倍数增加，难度主要体现在拉晶环节对速度和温度的精准把控，以及制造设备对晶圆工艺腔体均匀性的处理。
硅片正朝大尺寸和先进工艺发展，并衍生出多品类的需求结构
硅片（或硅基半导体）是目前产量最大、应用最广的半导体材料，远高于其他元素半导体或化合物半导体。常见半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）等元素半导体及砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等化合物半导体。相较于锗，硅的熔点为 1415℃，高于锗的熔点 937℃，较高的熔点使硅可以广泛用于高温加工工艺；硅的禁带 宽度大于锗，更适合制作高压器件。相较于砷化镓，硅安全无毒、对环境无害，而砷元素为有毒物质；并且锗、 砷化镓均没有天然氧化物，在晶圆制造时还需要在表面沉积多层绝缘体，这会导致下游晶圆制造生产步骤增加 从而使生产成本提高。根据 SEMI 统计数据，全球 95%以上的半导体器件和 99%以上的集成电路采用硅作为衬 底材料，而化合物半导体市场占比在 5%以内。由此可见，在半导体领域，硅片占据了半导体衬底的核心地位。
单晶硅片与多晶硅片
硅片分为单晶硅和多晶硅，半导体行业使用单晶硅。根据晶胞排列是否有序，硅片可分为单晶硅和多晶硅。二者在力学、光学与电学等物理性质上存在着差异，单晶硅的电学性质通常优于多晶硅。通常由于单晶硅的硅 片内部只由一个晶料粒构成，基本完整的结构使得其光电转换效率更高，在 18%~24%左右，而多晶硅片的光电 转换效率在 15%~19%左右。由于多晶硅片制造工艺简单、价格低廉，更高的性价比使其在硅片市场中更受下游 生产商青睐。同时，目前随着单晶硅片生产技术的进步以及规模化生产效应的影响，其成本实现了一定程度上 的降低，市场价格的下调也开始使得单晶硅片市场份额不断增加。
不同尺寸规格的硅片
可按照尺寸规格对硅片分类，硅片制造随着尺寸增大对设备和工艺的要求有所提高。以直径计算，半导体 硅片的尺寸规格主要有 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）。为了与摩尔定律同步，即集成电路上的晶体管数量每隔 18 个月提升一倍，相应 集成电路性能增强一倍，成本下降一半，芯片制造厂商需要不断改良技术，提升单个硅片可生产的芯片数量、 降低单个硅片的制造成本。而硅片尺寸越大，单个硅片上可制造的芯片数量就越多，单位芯片的成本随之降低。因此厂商们纷纷向大尺寸硅片发展。
在摩尔定律的影响下，硅片正不断向着大尺寸方向发展。为提高生产效率并降低成本，向大尺寸演进是半 导体硅片的发展方向。硅片尺寸变大，单位芯片的成本随之降低。硅片边缘处的一些区域通常无法被利用，造 成浪费，这是因为需要在圆形硅片上制造矩形的芯片。而当硅片的尺寸变大，硅片边缘损失就会越小，芯片成 本从而降低。300mm 硅片的可使用面积超过 200mm 硅片的两倍以上，可使用率（衡量单位晶圆可生产的芯片 数量的指标）是 200mm 硅片的 2.5 倍左右。
12 英寸硅片是目前业内主流，18 寸硅片尚未成熟。根据 SEMI 统计数据，2018 年全球 12 英寸硅片出货面 积约占硅片总出货量的 63%，其次是 8 英寸，约占 26%。12 英寸硅片的下一站是 18 英寸（450mm）硅片，但 由于 12 英寸硅片可满足当前生产需求，且 18 英寸硅片设备研发难度极大，面临资金和技术双重压力。据 SEMI 估算，一个 18 英寸晶圆厂的耗资将高达 100 亿美元，远超出 12 英寸晶圆厂的投入成本，且其只能使芯片单位 面积价格下降 8%，因此晶圆厂向 18 英寸转移的速度较缓，预计到 2020 年以后 18 英寸硅片才可能初步量产。
工艺制程的不断精进也提升了对硅片的技术要求。硅片的工艺制程与尺寸并行发展，每一制程阶段与硅片 尺寸相对应，制程的提升对硅片尺寸的增大提出了要求。随着半导体芯片量产制程达到 7nm 甚至更精细，18 英 寸等更大尺寸的硅片有望在未来获得需求。具体来看两者的需求逻辑如下：
制程进步→晶体管缩小→晶体管密度成倍增加→性能提升。
晶圆尺寸增大→每片晶圆产出芯片数量更多→效率提升→成本降低。
不同用途的硅片
根据用途分类，半导体硅片可分为抛光片、退火片、外延片、结隔离片和以 SOI 硅片为代表的高端硅片。其中，抛光片是用量最大的产品，其他的硅片产品都是在抛光片的基础上二次加工产生的。
抛光片是最基础、应用范围最广的硅片。抛光片(PW-Polished Wafer)可直接用于制作半导体器件，广泛应 用于存储芯片与功率器件等，也可作为外延片、SOI 硅片等其他类型硅片的衬底材料。随着集成电路特征线宽 的不断缩小，光刻精度日益精细，硅片上极其微小的不平整都会造成集成电路图形的形变和错位，硅片制造技 术面临越来越高的要求和挑战。硅片表面颗粒度和洁净度对半导体产品的良率也有直接影响。因此，抛光工艺 对提高硅片表面的平整度和清洁度至关重要，主要原理为通过去除加工表面残留的损伤层，实现半导体硅片表 面平坦化，减小粗糙度。
退火片相较于抛光片而言，其表面的完整性更好，常用于 CMOS 元件制造以及 DRAM 制造。抛光片的缺 点随着制程技术的不断发展和工艺线宽的不断缩小而逐渐暴露出来。在此背景下，退火片(AW-Annealed Wafer) 应运而生。通过将抛光片置于充满氩气或氧气的高温环境中，按照一定的程序进行升温、降温过程，大幅减少 抛光片表面的氧气含量，得到退火片。其目的是消除氧对于硅片电阻率的影响，提高芯片良率。因此相较于普 通的抛光片，退火片表面拥有更好的晶体完整性，可满足更高的半导体蚀刻需求。退火片主要应用于一般 CMOS 元件制造以及 DRAM 制造。
外延片的表面比切割得来的抛光片更为平滑，常用于处理器芯片、图形处理器芯片等先进的逻辑制程 IC。随着应用场景不断增加，标准硅片已不能满足某些产品的要求，因此外延片(EW-Epitaxial Wafer)得以出现。外 延是通过化学气相沉积的方式在抛光面上生长一层或多层，掺杂类型、电阻率、厚度和晶格结构都符合特定要 求的新硅单晶层。外延可减少硅片中的单晶缺陷，具有更低的缺陷密度和氧含量，提高栅氧化层的完整性，改 善沟道漏电，从而提升 IC 可靠性。外延片常在通用处理器芯片、图形处理器芯片等 CMOS 电路中使用。
SOI 硅片又称绝缘体上硅，是常见先进硅材之一，主要受 5G 射频和物联网等下游应用驱动。SOI (Silicon-on-Insulator)硅片有独特的优势，可实现全介质隔离，减少硅片的寄生电容和漏电现象，消除闩锁效应。这主要通过顶层硅和衬底之间的氧化物绝缘埋层实现。SOI 硅片适用于耐高压、耐恶劣环境、低功耗、高集成 IC。
硅片制备：直拉法 vs 区熔法
硅片的制备包括一系列物理和化学工艺步骤。概括来说，硅片的制造步骤首先由普通硅砂拉制提炼，进而 氯化并经蒸馏后制成电子级高纯度多晶硅，该步骤主流工艺为改良西门子法；再经一系列措施制成单晶硅棒， 单晶硅棒经过切片、抛光之后，便得到单晶硅圆片，也即硅片。通常意义上的晶圆制造环节包括制成高纯硅后 的“拉晶-切片-磨片-倒角-刻蚀-抛光-清洗-检测”等步骤，而不包含芯片设计、制造、封装和测试等下游环节。
拉晶之后还需更多操作。拉晶结束后，单晶硅棒进行滚磨外径以达到较精确的尺寸，随后进行切片，获取 一定厚度的薄晶圆片，并进行倒角以增加机械强度，减少颗粒沾污。接下来进行研磨和抛光，去除硅表面损伤 层，使硅片达到微米级别的平整度并得到抛光片。抛光结束后，外延片则需要额外的外延环节，之后对抛光片 和外延片进行清洗、检测、包装出货等。SOI 硅片则在抛光片的基础上进行 Smart-cut、BESOI 或 SIMOX 工艺。
硅片制造产业链中配套材料和设备至关重要
硅片上游材料：高纯多晶硅为主要原材料，主要被美德日企业垄断
半导体硅片上游原材料主要包括电子级多晶硅、封装材料、石英坩埚、研磨轮、衬底片等，其中电子级多 晶硅（Semiconductor-Grade）为生产所需的主要原材料。
电子级多晶硅与光伏级多晶硅相比，对产品纯度、杂质控制的要求更为苛刻。多晶硅纯度需达到 99.999999999%（11N）以满足单晶硅纯度要求。虽然硅片厂商在单晶硅中添加并调整硼和磷的含量以使其具有 携带电子的特性，但当硼或磷作为杂质存在于多晶硅中时，这一含量难以控制，因此需要极高的多晶硅纯度。制造电子级多晶硅的过程中氯硅烷的分离提纯工艺是关键步骤，而三氯氢硅除硼一直是国内电子级多晶硅材料 领域的技术瓶颈。2017 年前高纯度硅料稀缺，并被外资厂商垄断，导致国产硅片成本居高不下。包括德国瓦克、 韩国 OCI、美国 HSC、挪威 REC、日本德山、美国 SunEdison 等在内的全球几大厂商常年垄断这一技术。
中短期内，国内半导体硅片仍将依赖海外多晶硅供应。参考目前的调查结果，我们认为短期内国产电子级 多晶硅尚未具备大规模量产能力和技术水平，硅片供应目前仍需依靠几家海外多晶硅供应商。
长期看，电子级多晶硅国产化势在必行。随着 2017 年以来黄河水电、鑫华半导体、新特能源、亚洲硅业、 昆明冶研等国内厂商突破电子级高纯硅的量产制备技术，国产高纯硅正从依赖进口转向批量出口，国外大厂垄 断的局面得到缓解。我们认为国产硅片正在电子级多晶硅环节降低对外依赖度，并有望在 2021 年后实现国产化。
多晶硅价格持续下跌，多晶硅对硅片成本占比日益减小。另外我们注意到，近年来光伏级多晶硅价格持续 下跌，但高纯度多晶硅仍面临供不应求局面，部分光伏多晶硅制造商向半导体用多晶硅转移产能以扭亏为盈。我们认为，国内厂商的迅速崛起将持续冲击国际高纯度多晶硅市场，原材料价格在硅片成本中的影响减弱。
硅片制造设备：配套设备至关重要，是硅片制造商成功的重要资源
硅片生产与制造设备关联紧密，设备厂商深度参与硅片工艺细节的制定和完善。这意味着硅片产线建设较 大程度受制于设备供给，新工艺的量产进度与之强相关；而旧工艺由于存在一定数量的二手设备和机器库存， 硅片产线投入较为顺畅。以中环领先为例，设备厂商晶盛机电斥资 5 亿参股，并与中环股份签订合作协议，使 新建产线仅用时一年半便实现投产。我们认为，只有通过与设备商保持密切合作，硅片制造商方能获得资金和 时间上的优势，因此设备在产业链中的重要性日益显现，也成为硅片制造商成功的重要资源。
大硅片制造设备长期被美德日韩等国厂商控制。其中日本企业尤为突出，在切、磨、抛设备及浆料、切削 油等材料方面占据主导地位。以上海新阳为例，其 12 英寸大硅片生产线所用的拉晶炉主要采购自韩日德，切割、 研磨、抛光设备主要采购自日本，部分非关键设备采购自韩国、台湾。相比之下，国产设备虽已覆盖各个环节， 但长久以来质量和精度与进口设备差距较大。所幸部分厂商已突破关键设备研制，国产设备采用率明显提升。
晶盛机电是国内大硅片设备龙头。公司是目前国内硅片设备产品线覆盖最齐全的供应商，硅片设备产线覆 盖率近 80%。公司和中环股份合作建立无锡大硅片项目，作为共同出资方，晶盛机电多项设备在中环的产 线得到验证；公司与硅片制造商的技术合作发挥协同效应，是国产大硅片产业链中设备领域的关键角色。
南京晶能的 CZ 单晶炉可用于 8 英寸和 12 英寸硅片生产，技术节点在国内相当靠前，单晶炉已在国内大硅 片产线上验证，实现部分国产替代。
北方华创具备单晶炉和热处理设备，是国内半导体前道设备和光伏设备龙头；目前直拉法单晶炉产品主要 用于光伏领域，具备向半导体硅片延伸的技术基础和可能性。
需求向好叠加产业东移，大硅片国产化加速
取决于制程要求，8/12 英寸应用场景决定需求结构
硅片厂商作为最靠近上游的半导体原材料供应商，绝大多数情况下并不直接关联终端产品制造商。因此， 芯片、分立器件、传感器等下游需求的变动对硅片环节的传导有一定延迟，但对硅片未来趋势有指导意义。此 外，硅片厂商既有竞争也有合作，由于分工不同（如提供半成品或代工服务等）可能存在同业中上下游关系。
芯片作为半导体领域最活跃且市场占比最大的应用，其发展方向往往决定硅片需求。芯片制程进步带来晶 体管密度成倍增加进而提升性能，但同时良率也随之下降，阻碍先进制程量产。另一方面，光刻机等设备成本 昂贵，短期内厂商难以降低芯片价格以获得商用价值。大尺寸硅片的出现是迎合先进制程良率低和成本高所做 出的选择。大硅片应用于前道工艺可带来稳定的出货量和较低的单位成本，制程提升越高所要求晶圆尺寸越大。
每一制程阶段与晶圆尺寸相对应，部分制程在相邻尺寸的晶圆上也有产出。目前 6 英寸硅片基本用于低端 产品，8 英寸硅晶圆则主要应用于 90nm 以上的成熟制程，而 5nm 至 0.13μm 则采用 12 英寸晶圆，其中 28nm 为分界区分了先进制程与成熟制程，主要原因是 28nm 以后引入 FinFET 等新设计、新工艺，晶圆制造难度大大 提升。因此，下游芯片 28nm 制程可大致区分 8 英寸与 12 英寸的应用范围。随着量产制程达到 7nm 甚至更短距 离，18 英寸等更大尺寸的硅片有望在未来获得主流需求。
12 英寸硅片为先进制程的主流方案。制程 20nm 以下的芯片性能强劲，主要用于移动设备、高性能计 算等领域，包括智能手机主芯片、计算机 CPU、GPU、高性能 FPGA、ASIC 等。制程 14nm-32nm 的 芯片则应用于 DRAM、NAND Flash 存储芯片、中低端处理器、影像处理器、数字电视机顶盒等产品。
45-90nm 中高端产品中，12 英寸也逐渐成为首选。制程 45-90nm 的芯片主要用于性能略低，而对成本 和生产效率要求高的领域，例如手机基带、WiFi、GPS、蓝牙、NFC、ZigBee、NOR Flash、MCU 等。
目前来看，8 英寸较 12 英寸在中端产品上更具成本优势而被更多采用。制程 90nm 至 0.15μm 主要应 用于 MCU、指纹识别芯片、影像传感器、电源管理芯片、液晶驱动 IC 等。
0.18μm-0.25μm 制程芯片需求量最大，应用场景丰富，8 英寸硅片广泛应用于中低端产品。制程 0.18μm-0.25μm 主要有非易失性存储如银行卡、SIM 卡等，0.35μm 以上主要为 MOSFET、IGBT 等功 率器件。
下游半导体产品层次决定上游晶圆需求结构。全球集成电路产品销售额中，存储（Memory）芯片占比约 27.8%，逻辑（Logic）芯片占比 33%，微处理器芯片（Micro）和模拟电路（Analog）分别占 21.9%和 17.3%。存储芯片主要包括 NAND（约 32%）和 DRAM（约 54%），平均售价远低于逻辑芯片，贡献最多晶圆需求，包 括 NAND、DRAM 在内用于存储市场的 12 英寸晶圆需求约占总需求 35%，8 英寸晶圆需求则约占总需求 27%。用于逻辑芯片的 12 英寸晶圆需求约占 17%，中低端应用的逻辑芯片用 8 英寸次之。除集成电路外，分立元件 （Discrete）和传感器（Sensor）也提供少量需求。从近年来的增量来看，高端设备采用的逻辑芯片、DRAM 和 NAND 等存储芯片提供 12 英寸的主流需求，通讯（移动终端、基础设施）、物联网(IoT)、汽车电子等领域采 用的逻辑芯片提供 8 英寸的主流需求。
全球半导体蓬勃发展，中国晶圆代工持续扩张，本土硅片需求迎来爆发
2019 年半导体市场略有下滑，2020 年有望恢复增长。根据 WSTS 的分类标准，半导体芯片主要可分为集 成电路、分立器件、传感器与光电子器件四种类别。其中，集成电路包括存储器、模拟芯片、逻辑芯片与微处 理器。2019 年，全球半导体销售额 4089.88 亿美元，其中，集成电路、光电子器件、分立器件和传感器销售额 分别为 3303.5 亿美元、410.56 亿美元、239.6 亿美元和 136.23 亿美元。
需求侧来看，目前手机、计算机等仍是半导体行业最大的应用市场。2018 年全球手机和基站、计算机用芯 片销售分别为 487 亿美元、280 亿美元，在半导体市场的占比分别为 36%、21%。200mm 及以下的抛光片与 SOI 硅片的需求主要由汽车电子市场规模的不断扩张而拉动。与此同时，工业电子需求同样拉动着对特定芯片及其 上游原材料的需求。根据 Gartner 的数据，工业电子 2017-2022 年期间五年复合增长率约达 12%，智能制造转型 是工业电子需求增长的主要动力。上述提及的汽车电子和工业电子作为增速最快的半导体应用领域，将成为未 来行业增长的主要下游驱动力。
下游市场需求驱动，全球硅片市场增速稳定。分析过往的市场情况，我们可以发现半导体行业是典型的周 期性行业，与宏观经济密切相关。在 2017 年之前，全球半导体硅片行业经历了经济危机期间的低迷，智能手机 放量带来的反弹，以及全球经济缓慢复苏期间的低速发展。2017 年以来，受益于汽车电子、物联网等下游应用 高速发展带来的半导体需求，硅片市场增长提速，于 2018 年突破百亿美元大关。从 2019 年开始，中美贸易摩 擦给全球硅片市场带来波动，但目前已有所回暖，我们预期硅片国产替代将加速。
全球半导体硅片最主流规格为 8/12 英寸，8 英寸市占率稳定，12 英寸占比持续上升。从 2011 年开始，8 英寸硅片市占率稳定在 25-27%之间。2016-2017 年间，全球 12 英寸硅片出货面积同比增长 14.68%，主要原因 是汽车电子、智能手机用指纹芯片、液晶显示器需求快速增长。2018 年，8 英寸硅片在已有基础上继续增长， 出货面积同比增长 6.25%，主要因为汽车电子、工业电子、物联网、功率器件、传感器等下游应用需求高速增 长。
12 英寸半导体硅片需求增加，出货面积不断上升。2008 年，12 英寸硅片出货量首次超过 8 英寸硅片；2009 年，12 英寸硅片出货面积超过其他尺寸半导体硅片出货面积之和。2000 年至 2018 年，由于移动通信、计算机 等终端市场持续快速发展，12 英寸硅片出货面积从 0.94 亿平方英寸扩大至 80.05 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。2016 至 2018 年，由于人工智能、区块链、 云计算等新兴终端市场的蓬勃发展，12 英寸半导体硅片出货面积年均复合增长率达到了 8.36%。
2019 年全球晶圆代工市场略有下滑，中国成晶圆代工唯一增长地区，产业转移趋势明显。根据 IC Insights 统计，受益于中国近年来 IC 设计公司的数量增长和规模扩张，中国晶圆代工企业业务规模有所扩大。2019 年， 受半导体下游需求端景气度影响，全球晶圆代工市场略有下滑，而中国大陆晶圆代工市场规模为 113.57 亿美元， 同比增长 6%，为全球所有地区中晶圆代工市场规模增速唯一为正的地区；美洲地区为 308.13 亿美元，同比下 降 2%；欧洲地区为 35.95 亿美元，同比下降 11%；日本为 29.87 亿美元，同比下降 13%。全球晶圆产能向中国 大陆转移趋势明显，这势必将带动中国市场对上游半导体材料，尤其是大尺寸硅片的需求。
中国芯片制造产能增长迅速，拉动本土半导体硅片需求。近年来，芯片制造产业东迁，大陆芯片制造产能 在全球范围为最高，这也带动着中国对于半导体硅片的需求持续增长。SEMI 数据显示，2017-2020 年，全球 8 英寸芯片制造产能从 1985 万片/月增长至 2407 万片/月，年均复合增长率 6.64%；中国芯片制造产能从 276 万片 /月增长至 460 万片/月，年均复合增长率 18.50%。在中国大陆，主要的芯片制造厂商如中芯国际、华力微电子、 长江存储、华虹宏力等持续扩产，虽然目前 12 英寸芯片制造产能较 8 英寸较低，但预计 2020 年 12 英寸产能将 超过 8 英寸产能。
供需与库存共同影响，大硅片进入涨价周期
扩产节奏无关短期供求关系，设备紧俏影响产能爬坡
在市场动态平衡中，下游需求和工艺成熟度并非影响供给的唯一逻辑，配套设备、投资回报率和确定性的 长期订单通常决定厂商的扩产节奏。新建大尺寸晶圆产线通常需要 18~24 月才可完工达产，客户的晶圆库存水 平也会影响实际需求量，投产大尺寸晶圆厂意味着中短期内较大的成本投入和经营风险。因此，我们认为，配 套设备、投资回报率和确定性的长期订单才是决定厂商扩产节奏的核心因素。
晶圆设备厂倾向投入利润更高、技术更先进的大尺寸晶圆设备，这与晶圆制造商的投产逻辑并非完全一致。根据 SEMI 统计，2020 年全球 8 英寸晶圆厂预计有 189 个，而 2007 年为 199 家，国际大厂正逐步将重点转移到 12 英寸上，然而 8 英寸晶圆面临短缺，12 英寸供过于求的局面或将延续至 2021 年。我们观察到厂商扩产 8 英 寸晶圆的意愿随着 2018 年后 MEMS、功率器件需求的持续火热而回升，且 8 英寸设备成本较低，技术成熟， 但设备不足提升了扩产难度。大陆硅片厂扩产大多以 12 英寸为主，较少参与不具备优势的 8 英寸产线。
长期合同提供安全边际，高库存水平推迟反弹周期
LTA 有助于对冲供需波动风险。在价格和毛利率下降趋势中，仍有部分厂商不进行价格调整，并逆势进行 产线扩张。我们认为，各家晶圆厂商与顾客签订的长期合同（LTA，Long Term Agreement）不同程度地影响其 对未来投资回报的预期，厂商与客户缔结的 LTA 的比例越高，业务越具有稳定性。
近年来各家晶圆厂都与其客户缔结了 LTA，虽然合同内容有若干偏差，但还是以固定供货数量、供货价格 为客户提供晶圆。信越化学在 2019 年订单中，有 95%来自 LTA。日本 SUMCO 的子公司台湾环球晶圆主要与 客户缔结即期合同（Spot Contract），LTA 占集团公司整体的 80%以上，比例不及信越化学，但据预测以大客 户为中心的需求还会稳定增长。这两家企业均决定不对价格进行调整，未来甚至有调升定价可能。另一方面， 德国 Siltronic 等一部分厂商的 LTA 比例约在 50%以下，即期价格（Spot Price）下跌有可能导致业绩下滑。2018 年 10 月-12 月是各家晶圆厂商的业绩的顶峰时期，随后逐渐下跌，2019 年前三季度呈现疲软的趋势，对业绩的 影响以 LTA 所占比的不同而不同。LTA 比例较低的厂商不得不根据即期价格调整定价，竞争中处于被动地位。
另外，下游需求情况改善不会立即反应到上游硅片厂商的业绩提升，晶圆出货量回升周期滞后 1~2 个季度。晶圆代工客户均储存一定数量的硅片以满足持续生产，减少晶圆供给波动。硅片库存高企通常伴随着需求萎缩、 生产放缓及下游的观望态度。库存出货比是判断市场走势的重要指标，健康库存下硅片价格才能摆脱疲弱区间。
大硅片供不应求，正进入新一轮涨价周期
8/12 英寸硅片需求激增，工艺制程持续提升，硅片价格水涨船高。2016-2019 年，半导体硅片单价从 0.67 美元/英寸上升至 0.94 美元/英寸，年均复合增长 11.95%。5G 等技术革新方兴未艾，大硅片价格可长期维持高位。此外，先进制程不断发展，硅片价格越来越高。例如，12 寸 7nm 硅片价格是 90nm 的 4.5 倍。目前，中国新建 晶圆厂以 12 寸为主，同时中芯国际、华虹等正将制程从 28nm 转移到 16/14nm 制程，提升了整体硅片价格。
海外龙头垄断市场，大硅片国产化势在必行
大硅片行业集中度高，被国际厂商垄断。全球硅片市场被世界前五大厂商所垄断，其中 2019 年全球大硅片 市场日本信越化学市场份额 29%、日本 SUMCO 集团市场份额 23%、中国台湾环球晶圆市场份额 16%、德国世 创 Siltronic AG 市场份额 12%、韩国 SK Siltron 市场份额 12%，前五大厂商总体市场占有率高达 92%。其中，仅 前两家日本企业所占全球份额就超过了 50%。中国大陆方面，沪硅产业和中环股份为国内硅片制造龙头，随着 近年来技术验证的逐渐突破以及国内硅片市场需求的逐步扩大，二者市场占比已超过 3%，未来发展空间广阔。
硅片行业壁垒较高，客户验证至关重要。由于硅片处于整个半导体产业的最上游，也是唯一贯穿半导体产 业链每一道制程的关键材料，因此硅片质量会直接影响芯片的质量与良率，进而制约整个电子行业的发展。为 了保证芯片质量，一般硅片厂商都需接受下游芯片制造商严格的质量认证，一旦经过了认证，则会形成长期的 稳定合作关系。而硅片厂商往往需要长时间的技术与经验积累才能有效提升产品品质，满足客户需求，获得客 户认可。因此对于同行业竞争者而言，即便技术达标，下游客户的认证依旧是新兴硅片厂商所面临的隐性壁垒。
国内大硅片进口依赖严重，国产替代为当务之急。目前我国大陆企业在 4~6 英寸规格的硅片（含抛光片、 外延片等）产量基本可以满足国内晶圆厂的 4~6 英寸晶圆需求。但是在 8 英寸与 12 英寸的大尺寸硅片方面我国 的自供率仍然较低，特别是 12 英寸大硅片，几乎全部依赖于进口。未来随着硅片供需缺口进一步扩大，为保证 我国半导体芯片制造的基础原材料自主可控，国内有充足的市场需求去倒逼大硅片国产化进程加速。
半导体硅片国际玩家梳理（详见报告原文）
半导体硅片本土企业分析（详见报告原文）
投资建议（详见报告原文）
从需求端来看，8 英寸和 12 英寸晶圆需求目前占据硅片 90%以上市场份额，12 英寸硅片主要用于生产高端 设备采用的逻辑芯片、DRAM 和 NAND 等存储芯片，8 英寸硅片主要应用于通讯（移动终端、基础设施）、物 联网(IoT)、汽车电子等领域。2016 至 2018 年，由于人工智能、区块链、云计算等新兴终端市场的蓬勃发展， 12 英寸硅片需求持续增加，出货面积不断上升。在晶圆代工市场，2019 年全球晶圆代工市场略有下滑，中国成 晶圆代工唯一增长地区，随着中国半导体行业发展持续向好，必将带动中国市场对上游半导体材料，尤其是应 用于高端设备领域的 12 英寸硅片的需求。
从供给端来看，全球硅片市场被信越化学、SUMCO 集团、环球晶圆、世创 Siltronic AG、SK Siltron 五大 厂商所垄断，2019 年总体市场占有率高达 92%。本土厂商目前与海外厂商在工艺技术方面有一定的差距，总体 市场占有率不足 5%。国内大硅片进口依赖严重，目前我国大陆企业在 4~6 英寸规格的硅片（含抛光片、外延片 等）产量基本可以满足国内晶圆厂的 4~6 英寸晶圆需求。但是在 8 英寸与 12 英寸的大尺寸硅片方面我国的自供 率仍然较低，特别是 12 英寸大硅片，几乎全部依赖于进口。
当今国内半导体行业景气度持续上升，国内硅片供不应求，需求缺口持续扩大，硅片进口替代在当下贸易 争端加剧的国际环境下对中国大陆半导体行业有重大战略意义。随着政策助力和国家二期大基金的支持，硅片 国产替代趋势明显，本土硅片厂商有望持续受益。我们认为国产硅片制造厂商的技术水平同海外硅片龙头仍有 一定差距，且短期内难以撼动传统贸易关系中硅片龙头企业与台积电、三星、美光等大客户的长期合约及同盟 关系。但国产厂商中也出现一批实力较为突出的企业有望借助大尺寸硅片产能扩张及国家政策支持而突破目前市场格局。
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（报告观点属于原作者，仅供参考。报告来源：中信建投）
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