半导体设备和材料行业深度报告x.docx

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半导体设备和材料行业深度报告x

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目录硅片是市场规模最大的一类半导体材料1硅片行业规模主要受价格影响，全球供给高度集中6需求短期受疫情影响，中长期应用领域正在拓展6通信、汽车电子的发展是拉动需求的主要力量8行业呈现高集中度、长周期的特征11国产替代空间巨大，产能规划宏大14国内半导体产业的发展将全面带动上游材料的需求14进口替代与产业安全视角下，半导体硅片迎来发展期16国内大硅片产能规划宏大16业务建议及风险分析19业务建议19风险分析19图目录图1：

半导体和集成电路市场规模结构1图2：

集成电路三大核心环节介绍1图3：

半导体硅片产业链及市场规模（20xx年）2图4：

20xx年全球半导体材料市场结构2图5：

半导体硅片（抛光片及外延片）制作流程4图6：

半导体硅片尺寸演进4图7：

8寸片与12寸片可使用面积对比4图8：

半导体硅片出货面积5图9：

半导体硅片份额：

按尺寸5图10：

不同尺寸产品、工艺制程及主力晶圆尺寸5图11：

硅片按工艺分类6图12：

全球半导体市场规模和硅片出货面积7图13：

全球半导体硅片价格7图14：

12寸硅片客户库存水平8图15：

20xx年12寸硅片下游应用占比9图16：

4G手机与5G手机芯片用量对比9图17：

4G手机与5G手机单机硅片面积对比9图18：

5G手机换代对硅片需求的拉动（等效为12寸片）10图19：

8寸片下游直接应用10图20：

8寸片终端应用场景10图21：

汽车自动驾驶系统市场规模11图22：

自动驾驶对硅片需求的拉动11图23：

全球半导体硅片市占率11图24：

SUMCO营业收入及营业利润12图25：

合晶科技营业收入及营业利润（合晶科技主营8寸及以下尺寸硅片）12图26：

12寸片月度产能（kwafer/month）13图27：

8寸片月度产能（kwafer/month）13图28：

海外企业12寸硅片扩产计划13图29：

20xx年Siltronic资本开支计划较20xx年明显缩减14图30：

中国大陆芯片制造产能分布14图31：

中国大陆晶圆厂项目情况14图32：

半导体工艺发展：

摩尔定律与超越摩尔定律15图33：

8寸晶圆厂每1万片月产能所需设备数量明显低于12寸产线15图34：

20xx年中国MOSFET销售额占比18表目录表1：

国内半导体硅片产线梳理（包含规划中产线）17表2：

国内可用于功率器件制造的晶圆产能集中在8寸及以下18附录附录1：

近年新建及规划的主要晶圆厂（不含现厂扩产）一览1硅片是市场规模最大的一类半导体材料半导体设备和材料的市场规模都在百亿美元级别，但支撑着10倍于自身规模的半导体制造，而半导体制造又是发展电子信息通讯等各个产业的关键。

20xx年全球半导体销售额4121亿美元，其中集成电路（IC）产业销售额占比超过80%，是半导体产业的核心。

半导体设备和材料广泛应用于IC、LED、MEMS、分立器件等领域，其中IC领域应用占比和难度最大。

图1：

半导体和集成电路市场规模结构资料来源：

全球半导体贸易统计组织（WSTS），IC产业技术工艺复杂，尤其随着先进制程的发展，工艺精细度要求越来越高，这使得几十年发展下来，形成了高度专业化的分工，不仅有IC设计、晶圆制造和封装测试三大核心环节，这三大环节也有进一步分工，并延伸出了相应的产业链。

例如IC设计的上游有专业的IP和EDA公司，晶圆制造和封测也需要配套的各类设备和材料供应商。

半导体硅片就是典型的制造材料。

图2：

集成电路三大核心环节介绍资料来源：

硅产业，图3：

半导体硅片产业链及市场规模（20xx年）资料来源：

Siltronic，作为百亿美元级别的行业，半导体材料的市场规模不算很大，但其内部材料种类繁多，单一产品市场规模小、技术要求高、子行业之间差异较大。

全球范围来看，不存在纯粹只提供半导体材料的龙头公司，规模较大的材料企业除半导体材料外，主营业务往往还涉及其他化学品领域。

不同细分行业的龙头企业之间竞争关系也比较弱，例如硅晶圆和光刻胶的代表企业信越化学和杜邦公司，半导体材料都只是他们业务的一部分。

在主要制造材料中（即硅片、光刻胶及配套化学品、电子气体、光掩模、抛光材料、湿法化学品与溅射靶材），硅片的市场份额约36%，是规模最大的一类半导体材料。

图4：

20xx年全球半导体材料市场结构溅镀靶材2?

光刻胶5?

湿法化学品6?

其他11?

硅片37?

抛光材料7?

光刻胶配套化学品7?

光掩模12?

电子气体13?

资料来源：

SEMI，第一代半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）；第二代半导体材料包括砷化镓（GaAs）锑化铟（InSb）；GaAsAl、GaAsP等化合物半导体；第三代半导体材料包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带材料。

在材料领域第一、第二和第三代的分类并不代表“后一代优于前一代”，第三代半导体正在高速发展中，第一、二代材料也仍在产业中大规模应用。

目前90%以上的IC产品和太阳能产品是由硅基材料制作。

作为衬底材料，硅片主要应用于太阳能与半导体两大领域，在半导体行业中硅片也被称为硅晶圆，应用于这两大领域的硅片的主要差异有：

1、外观差异，硅晶圆为圆片，一般以直径区分规格，具体从50.8mm到450mm不等，通常被称为6寸片、8寸片（200mm）、12寸片（300mm）、18寸片（450mm）。

太阳能硅片为了便于定型和安装，外观为方片或准方片，一般以边长区分规格，具体有M2（156.75mm）、G1（158.75mm）、M6（166mm）、M10（182mm）G12（210mm）等。

2、原料差异，生产半导体硅片需要用到电子级多晶硅，电子级多晶硅料的纯度至少要求9个9，部分工艺甚至要求12个9及以上。

太阳能级多晶硅纯度6-9个9即可。

此外电子级硅料对杂质控制有苛刻要求，例如三氯氢硅除硼就是国内电子级多晶硅材料生产的技术瓶颈之一。

3、衡量半导体硅片的参数更多，硅晶圆不仅在平整度、光滑度、洁净度方面比光伏硅片要求更高，还由于半导体产品的多样性，客户会根据产品特点对硅晶圆的参数提出偏定制化的要求。

制作方面硅晶圆需要经过抛光、反复清洗等环节，部分特殊工艺的硅晶圆制造过程还需要外延等进一步加工。

半导体硅片的制造过程大致为：

超纯多晶硅熔化后，掺入硼（P）、磷（B）等元素改变导电能力，放入籽晶经过单晶生长制成单晶硅锭，单晶硅锭经过切片、研磨、蚀刻、抛光、外延（如有）、键合（如有）、清洗等工艺步骤，制造成为半导体硅片。

芯片制造的过程是通过在硅片上反复循环光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积等前道工艺，改变材料的导电性和构建电晶体结构，最终形成半导体器件，因此硅片的各项参数和品质对芯片质量和良率会产生直接影响。

图5：

半导体硅片（抛光片及外延片）制作流程资料来源：

硅产业招股说明书，半导体硅片一般按照尺寸、工艺和使用场景分类。

半导体硅片的尺寸（以直径计算）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）等规格。

尺寸方面，大尺寸是硅片制造技术进步的方向。

半导体硅片的直径越大，在单片硅片上可制造的芯片数量就越多，分摊的单位成本下降。

此外在圆形的硅片上制造矩形的芯片会使硅片边缘一些区域无法被利用，而大直径硅片可以有效减少边缘区域，进而提高可使用率，在同样的工艺条件下，12寸片的可使用率（衡量单位晶圆可生产的芯片数量的指标）是8寸片的2.5倍左右。

图6：

半导体硅片尺寸演进图7：

8寸片与12寸片可使用面积对比资料来源：

《芯片制造》，资料来源：

联华电子官网，目前8寸片与12寸片是市场主流产品。

20xx年全球硅片出货量中8寸和12寸片占比分别为26%、64%，晶圆制造产线的制程和尺寸这两个参数一旦确定下来一般无法更改，8寸和12寸晶圆针对的主力产品不同，但部分需求也有交叉。

12寸作为最主流的晶圆尺寸，主要用于制造CPU、逻辑IC、存储器、高性能FPGA与ASIC等高性能芯片。

8英寸则应用于特色技术或差异化技术，产品主要是模拟芯片、电源产品、摄影/指纹识别等传感器、MCU等。

26.6066.20图8：

半导体硅片出货面积图9：

半导体硅片份26.6066.207.3012寸片8寸片其他资料来源：

硅产业招股说明书，SEMI，（不包含SOI硅片）

资料来源：

SEMI，图10：

不同尺寸产品、工艺制程及主力晶圆尺寸资料来源：

SMIC，18寸片（450mm）是大尺寸方向下一阶段的目标。

早在20xx年全球五大半导体厂商台积电、IBM、英特尔、三星和GlobalFoundries就共同成立了450mm联盟（G450C），表态要推进450mm的应用，全球范围内还有EEMI450，Metro450等推动18寸晶圆的计划。

但由于18寸晶圆的设备研发难度大，产线投资额极高，设备和制造厂商推动力度并不充足。

目前从下游客户的情况来看，12寸片也基本可以满足制造工艺的需求，其主力尺寸的地位仍将延续。

按工艺分类，半导体硅片除了基础的抛光片（PolishWafer）之外，还有退火片（AnnealedWafer）、外延片（EpitaxialWafer）、SOI片（Silicon-On-InsulatorWafer）等特色工艺产品。

目前主流厂商可以批量供应的包括12寸/8寸抛光片、退火片、外延片，少部分企业可以供应SOI片。

图11：

硅片按工艺分类资料来源：

SUMCO，硅产业招股说明书，按场景分类，硅片可以分为正片和测试片/挡控片，其中只有正片是直接用于晶圆制造，测试片作为过渡性产品主要用来测试机台、监控良率等。

挡控片的出现主要是因为晶圆制造企业对精度和良率要求越来越高，因此越是先进制程的产线越需要挡控片的应用。

65nm制程每投10片正片，需要加6片挡控片，而28nm及以下制程，每10片正片需要加15-20片挡控片。

尽管挡控片耗费量很大，但价格远低于正片，晶圆厂还可以回收利用挡控片，作为过渡产品的挡控片市场规模实际有限。

但对于新进入的硅片供应商，一般会先为客户提供挡控片做测试样片，其后才能逐步导入正片产品。

硅片行业规模主要受价格影响，全球供给高度集中需求短期受疫情影响，中长期应用领域正在拓展硅片的市场需求与半导体行业景气高度相关，而半导体行业的景气度又与全球GDP增速息息相关。

由于制程的演进，硅片出货面积的增速并不完全匹配半导体市场的增速。

先进制程的发展发会使得芯片的特征尺寸不断减小，进而缩小芯片面积，降低对硅片的需求量。

所以从量的角度来看，摩尔定律的持续推进，会使得硅片销售面积增速低于芯片出货量增速，但二者的景气趋势高度一致。

20xx年全球半导体销售额4122亿美元同比下降12.0%，根据世界半导体贸易统计协会（WSTS）最新公布的预测，20xx年半导体销售额同比增长3.3%至4259.66亿美元。

由于终端需求平淡，预计全球硅片出货面积也难有增长。

图12：

全球半导体市场规模和硅片出货面积5000亿美元百万平方英寸140004000300020001000

120001000080006000400020000020xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx全球半导体销售额（左轴）硅片出货面积（右轴）资料来源：

SEMI，由于出货面积的表现相对平稳，硅片行业的市场规模受价格影响很大。

20xx-20xx年，全球半导体硅片的市场规模从72亿美元增长到了114亿美元，增幅58%，同期硅片出货面积由10738百万平方英寸增长到12732百万平方英寸，增幅19%。

可见由供需关系导致的ASP的上涨对硅片市场规模的扩大起到了显著拉动作用。

图13：

全球半导体硅片价格1.210.80.6

美元/平方英寸11.04

1.09

0.96

0.83

0.760.69

0.67

0.74

0.950.890.40.2020xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx资料来源：

硅产业，20xx年硅片价格难以上涨。

今年在全球疫情影响下，全年半导体的需求并不明朗。

硅片价格方面，一方面主流企业的大量长期合约锁价，对现货价格有锚定作用；同时行业整体还呈现略微供过于求的局面；并且根据SUMCO的跟踪，今年一季度晶圆厂的硅片库存基本达到了20xx年以来的最高水平，因此即使下半年终端需求恢复，晶圆厂也有比较充足的库存应对，短期供需情况改善对硅片价格的支撑作用也较弱。

展望未来两年，由于半导体产品的应用领域还在持续拓宽，在行业景气度较高，硅晶圆扩产相对有限的情况下（不考虑中国大陆产能），硅晶圆价格有上涨的可能。

2021年日系主流厂家会与主要客户签订下一期长单协议，对中期价格有一定的指引作用。

图14：

12寸硅片客户库存水平资料来源：

SUMCO，（数据为SUMCO指数化之后的水平）通信、汽车电子的发展是拉动需求的主要力量未来几年，对半导体产品及硅片需求会形成有效拉动的主要趋势包括5G通讯技术、消费电子产品和汽车电子化的发展。

大趋势来看，5G通信技术将带动数据流量爆发式增长，而今年年初以来，受疫情影响远程办公、授课等网上业务的常态化发展也会带来数据流量快速增长，从而全面拉动数据存储的需求。

存储芯片是12寸硅片主要的应用方向。

根据20xx年的数据，12英寸硅片的下游应用中，DRAM、2DNAND、3DNAND为代表的存储芯片占比已超过50%。

在数据流量和存储需求快速增长的背景下，不论是NANDFlash，还是DRAM，终端设备的增长都将传导至上游拉动存储芯片的需求，进而提升对硅片的需求。

图15：

20xx年12寸硅片下游应用占比逻辑芯片DRAM3DNAND2DNAND其他资料来源：

SEMI，消费电子方面，除新机的拉动外，5G手机单机硅片使用面积也明显增加，5G手机渗透率提升将有效带动12寸片的需求。

12寸片主要应用在手机中的CIS、逻辑芯片、NAND和DRAM，手机从4G升级到5G伴随各项性能的提升，芯片用量也将增长，根据SUMCO数据，5G手机单机硅片使用面积是4G的1.7倍。

随着5G手机销量的提升，等效为12寸片，2023年手机对硅片的需求将提升至53.3万片/月。

图16：

4G手机与5G手机芯片用量对比图17：

4G手机与5G手机单机硅片面积对比3平方英寸/单机1.7x1.7x104Gandothers5GDRAMNANDLogicCIS资料来源：

SUMCO，资料来源：

SUMCO，图18：

5G手机换代对硅片需求的拉动（等效为12寸片）资料来源：

SUMCO，8寸片的下游应用主要是模拟芯片、分立器件、MEMS和部分逻辑芯片。

随着大量12寸先进晶圆产能投产，8寸存储芯片的产能陆续切换向了12寸。

这使得8寸晶圆厂的需求中，模拟芯片、分立器件和逻辑芯片（主要为MCU、指纹识别芯片、CMOS等）、MEMS的占比已超过50%。

8寸产线特种工艺成熟，设备和设计等环节有成本优势，进行多元化、小批量的生产能更快实现盈利，因此8寸产线仍将长期是制造非存储产品的中坚力量。

5?

8?

10?

23?

16?

21?

17?

图19：

8寸片下游直接应用5?

8?

10?

23?

16?

21?

17?

模拟芯片MOS逻辑光电分立器件微逻辑存储芯片传感器

18?

33?

25?

19?

5?

汽车工业PC/服务器智能手机其他18?

33?

25?

19?

5?

资料来源：

SEMI，资料来源：

SEMI，终端应用场景来看，汽车电子和自动驾驶的发展是拉动8寸及以下尺寸硅片的重要驱动力。

电动汽车渗透率提升、传统车辆电子化功能升级扩展以及自动驾驶技术日趋成熟，使得汽车电子成为了未来几年半导体应用重要的增长领域，20xx年全球汽车电子市场规模约2500亿美元，预计到2030年规模将增长至4500亿美元以上，并且产业链也会进一步向亚洲集中。

对应到硅片环节，汽车电子芯片主要采用8寸及以下抛光片和SOI硅片，车规级芯片的发展会对8寸及以下尺寸的硅晶圆形成有效拉动。

图21：

汽车自动驾驶系统市场规模图22：

自动驾驶对硅片需求的拉动300万片/月200100020xx20xx2022E6英寸8英寸12英寸资料来源：

SUMCO，资料来源：

SUMCO，行业呈现高集中度、长周期的特征全球半导体硅片市场份额高度集中。

日本信越（Shinetus）、日本胜高（SUMCO）、德国世创（Siltronic）、环球晶圆（中国台湾）、韩国SK五大厂商全球市占率超过90%，其中前两家日本企业信越和SUMCO占比就超过一半。

12寸大硅片的主要参与者也是上述企业，但由于工艺难度大，集中度更高，前五家厂商囊括了95%的市场份额。

图23：

全球半导体硅片市占率信越化学SUMCOSiltronic环球晶圆SKSiltronSOITEC合晶科技资料来源：

SEMI，行业此前经历了长达8年的低谷期。

20xx-20xx年基于对半导体市场尤其是DRAM需求的乐观预期，各大硅片厂均开启了扩产计划，20xx年全球12寸硅片产能159万片/月，到20xx年产能迅速提升至420万片/月。

但是20xx年金融危机爆发后电子产业受到重创，此外Vista销量严重不及预期对DRAM和12寸片的需求造成了巨大冲击，多重因素叠加之下，硅片行业供需失衡明显，产品价格、开工率全面下滑，甚至一线企业SUMCO都在20xx年关停了2座工厂。

此后20xx-20xx年全球硅片产能没有增长，20xx-20xx年也仅有小幅扩产。

直至20xx年硅片价格时隔8年再度上涨，行业景气度开始回升。

回顾来看，上一轮的大幅扩产叠加需求不振，导致了硅片行业从20xx-20xx年经历了漫长且严重的产能过剩，SUMCO作为一线企业甚至出现了负毛利率的情况。

图24：

SUMCO营业收入及营业利润40000百万元美元/平方英寸1.23000020000100000-10000

10.80.60.40.220xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx220xx20xx20xx20xx20xx20xx资料来源：

wind，图25：

合晶科技营业收入及营业利润（合晶科技主营8寸及以下尺寸硅片）400百0万元美元/平方英寸1.23000120000.80.610000.400.2-1000020xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx20xx资料来源：

wind，近年来海外硅片企业展开了新一轮扩产，但扩产规模有限。

截止20xxQ1全球12寸片月产能约600万片，全球8寸片月产能约500万片。

根据SUMCO的预测，到2022年，全球12寸片的产能大约能提升至700万片/月（但SUMCO的预测没有包含中国大陆的硅片扩产计划），增长幅度约120万片/月，可见经历了此前的低谷期，主流厂商尽管开启了新一轮扩产，但扩产计划相对谨慎。

图26：

12寸片月度产能（kwafer/month）图27：

8寸片月度产能（kwafer/month）资料来源：

SUMCO，资料来源：

SUMCO，图28：

海外企业12寸硅片扩产计划资料来源：

SUMCO，GreenField：

新建厂房扩产，达产周期约2-3年;BrownField：

基于现有厂房，新增设备或工艺改进扩产，达产周期快图29：

20xx年Siltronic资本开支计划较20xx年明显缩减400百万欧元300200100020xx-20xx20xx20xx20xx20xxE资料来源：

Siltronic，国产替代空间巨大，产能规划宏大国内半导体产业的发展将全面带动上游材料的需求目前国内有大量在建和规划中的芯片制造产能。

根据芯思想统计，截止20xx年底我国12英寸晶圆制造厂装机产能约90万片，较20xx年增长50%；8英寸晶圆制造厂装机产能约100万片，较20xx年增长10%；6英寸晶圆制造厂装机产能约230万片，6英寸以下尺寸也还有不少产能。

目前国内在建与规划中的芯片厂投资额已经超过万亿规模，对硅片的需求也将从20xx年的276万片增长至20xx年460万片（折合8寸）。

从结构来看，预计今年中国大陆12寸硅片的需求约105万片/月，8寸片接近100万片/月，往后几年，8寸和12寸片将是主要的增长方向。

图30：

中国大陆芯片制造产能分布图31：

中国大陆晶圆厂项目情况40座30201012寸8寸6寸012寸8寸6寸5寸4寸资料来源：

Gartner，资料来源：

，半导体行业的工艺发展呈现着两大趋势，一是基于摩尔定律，不断追求先进制程，缩小芯片特征尺寸，目前存储芯片、CPU、逻辑芯片等产品延续着这一趋势，代表企业包括台积电、三星、英特尔、中芯国际。

二是超越摩尔定律，包括开发新一代半导体材料，在物理结构和电路设计方面实现突破，模拟电路、传感器、电源管理等产品比较明显的符合这一趋势，代表企业包括联电、格罗方德、华虹等。

图32：

半导体工艺发展：

摩尔定律与超越摩尔定律资料来源：

ITRS，由于两大工艺趋势的差异，先进制程产线上广泛应用12寸片，而在特种工艺和多样性这个方向下，成熟制程和8寸片也有长期的应用空间。

仅从制造方面考虑，8寸晶圆制造厂的优势主要包括：

1）投资强度较低，即使面向细分领域进行偏定制化的小批量生产，也有可能实现盈利。

投资回报方面，8寸产线较12寸产线的优势既是因为设备投资、光罩及设计服务等成本低，也因为8寸工艺相对易掌握，良率容易提高。

图33：

8寸晶圆厂每1万片月产能所需设备数量明显低于12寸产线80608寸线成熟12寸线先进12寸线40200资料来源：

《台积电（南京）有限公司12吋晶圆厂与设计服务中心一期项目环境影响专项分析》，台积电，天津市环境保护局，中芯国际，长江证券，2）8寸产线已经形成了部分成熟的特种工艺，适宜于模拟电路、功率器件等产品的制造。

从近年的情况来看，由