1、半导体硅片行业供需分析报告2018年半导体硅片行业供需分析报告正文目录图目录一、硅片产业简介1.1 硅片是半导体生产的重要原材料硅片是生产集成电路所用的载体，作为晶圆厂最重要的上游原材料，硅片供需情况与价格趋势能充分反映半导体行业的景气度。2017年，全球晶圆制造材料市场规模259.8亿美元，其中硅片市场规模75.8亿美元。占比29.17%，往后分别是电子气体，掩膜，其他材料，光刻胶配套试剂，CMP材料，光刻胶，工艺化学品，靶材，SOI。图1 2017年全球晶圆制造材料市场（亿美元）1.2 半导体硅片的生产流程半导体硅片对产品质量及一致性要求极高，其纯度须达99.9999999%（9个9）以上
2、，而最先进的工艺甚至需要做到99.999999999%（11个9）。而光伏级单晶硅片仅需5个9即可满足应用需求。所以半导体生产所用硅片的制备难度远大于光伏级硅片。硅片生产工序主要包括：长晶，径向研磨，定位边研磨，抛光，切片，倒角，研磨，硅片刻蚀，抛光，检查等步骤。经过上述步骤生产出的硅片即为最通用的抛光片。我们下文中的硅片价格默认为抛光片。图2 抛光片生产工序在抛光片生产过程中，长晶是最为核心的工序。长晶技术路线主要分为直拉法（CZ），区熔法（FZ）。其中直拉法是目前市场的主流，可支持12寸硅片生产，而区熔法则相对简单，仅可支持8寸及以下尺寸硅片生产。直拉法最早由Czochralski于191
3、8年首创，故亦称为CZ法，其原理是将多晶硅加热至熔化，再将单晶晶种和硅溶液表面接触。接触后，由于温度差异，硅溶液开始在晶种表面凝固并生长和相同晶体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋转，最终形成单晶晶棒。该方案可以在拉晶过程中观察晶体的生长情况，但容易受到机械扰动的影响。图3 直拉法生产原理1.3 硅片分类介绍（1）通过加工工序分类：除了最普通的抛光片外，硅片还有较多特色工艺产品，主要包括退火片（AnnealedWafer），外延片（Epitaxial Wafer），绝缘体上硅（Silicon-On-Insulator Wafer）等。退火片（Annealed Wa
4、fer）是将抛光片置于退火炉中，在氢或氩气氛中进行高温退火，随着此过程去除晶片表面附近的氧气，可以改善抛光片表面特性。图4 退火片生产原理外延片的生产流程是将抛光片在外延炉中加热到1200左右。通过汽化的四氯化硅（SiCl4）和三氯硅烷（SiHCl3）生长气相外延。它具有抛光片所不具有的某些电学特性并消除了许多在晶体生长和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。图5 外延片生产原理绝缘体上硅即SOI硅片，SOI是一种三明治结构，最上面是顶层硅，中间是掩埋氧化层（BOX），下方是硅衬底。制备SOI材料的技术主要有注氧隔离（SIMOX）、键合减薄（BESOI）和智能剥离（Smart-Cut）等，
5、当前最主流的技术是智能剥离。SOI的优势在于可以通过氧化层实现高电绝缘性，这将大大减少硅片的寄生电容以及漏电现象。随着半导体制程工艺不断演进，SOI方案的优势逐渐凸显。在28nm以下先进制程中，FD-SOI（全耗尽SOI）具有明显的低功耗，防辐射，耐高温的性能优势，同时采用SOI方案可以大大减少工序，降低成本。根据Marketsand Markets 最新预估，SOI市场在20172022年期间平均复合成长率将达29.1，2022年市场价值将有望达到18.6亿美元。图6 SOI智能剥离方案生产原理通过产业链调研，我们了解到SOI目前主要的应用场景有功率器件，射频开关，硅光芯片，高端MEMS等。
6、先进制程里，汽车电子相关的I.MAX处理器，ADAS芯片亦有采用FD-SOI。（2）通过应用场景分类：从硅片在晶圆厂的应用场景角度来看，硅片可以分为挡片（Dummy Wafer），控片（Monitor Wafer）以及正片（Prime Wafer）。其中挡片和控片一般是由晶棒两侧品质较差处所切割出来，用于调试机台、监控良率。随着晶圆厂制程的推进，基于精度要求及良率的考量，需要在生产过程中增加监控频率。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。挡控片的用量巨大，为了避免浪费，晶圆厂往往会回收用过的挡片，经研磨抛光，重复使用，但挡片的
7、循环次数有限，一旦超过门限值，则只能报废处理或当做光伏硅片使用。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，那些可以回收重复利用的挡控片又被称为可再生硅片（reclaimed wafer）。图7硅片可以分为挡控片及正片（3）通过硅片尺寸分类：伴随着半导体行业的发展，硅片的尺寸也逐步提升。从最早在1965年诞生的2英寸直径硅片（50mm），到4英寸（100mm），5英寸（125mm），6英寸（150mm），8英寸（200mm），再到2000年面世的12英寸（300mm）硅片。每次硅片直径的提升，都会使得单片晶圆产出的芯片数量呈几何倍数增长，从而在生产过程中提供显著的规模经济效
8、益。图8 硅片尺寸发展史12寸硅片的下一站是18寸（450mm）硅片。2011年，全球五大半导体厂商IBM、英特尔、三星电子、台积电和Global Foundries共同成立全球450mm联盟（G450C），用于推动18寸硅片发展，除此之外，还有EEMI450，Metro450等联盟在协同运作。但由于12寸硅片可以满足当前的生产需求，且18寸硅片设备研发难度极大，产业链上下游厂商对18寸硅片的推动力度不足。从各尺寸硅片的出货面积比例来看，12寸业已成为业内主流，2017年占全球硅片出货量的56.1%。所以下文中的分析将主要围绕12寸硅片展开。图9 12寸硅片占比持续提升（等效8寸片）1.4 半
9、导体硅片的主流厂商目前在全球半导体材料产业链中国外巨头占据了主要的市场份额。其中日本信越（4063.T），SUMCO（3436.T），台湾环球晶圆（6488.TW）三家更是占据了硅片70%的市场份额，且集中度持续提升，紧扼全球晶圆制造的咽喉。图10 2016年全球硅片厂市占率 图11 2017年全球硅片厂市占率根据芯思想统计，截止2017年11月，我国12寸硅片需求量为45万片（包括三星西安、SK海力士无锡、英特尔大连、联芯厦门），随着晶合集成、台积电南京和格芯成都的陆续投产，加上紫光南京、长鑫合肥、晋华集成三大存储芯片厂的建成，预估到2020年我国12寸硅片月需求量为80-100万片。抛开外
10、资晶圆厂（三星西安、SK海力士无锡、英特尔大连、联芯厦门、台积电南京、格芯成都）的产能，国内的月需求量约为40-50万片。目前我国12英寸硅片主要依赖进口，但规划中的月产能已经达到120万片，后续如均能顺利量产，可基本满足国内需求。其中，中环股份（002129.SZ）于2017年10月13日和无锡市签署战略合作协议，共同在宜兴市建设集成电路用大硅片生产与制造项目。项目总投资约30亿美元，一期投资约15亿美元；上海新阳（300236.SZ）参股的上海新昇目前已经实现了挡片的批量供货，正片也有小批量样片实现销售，目前产能4-5万片/月，预计2018年产能可达10万片/月；重庆超硅的12寸硅片开发进
11、展也较为顺利；其他厂商，如宁夏银和、金瑞泓、合晶郑州、奕斯伟西安、江苏协鑫等也建议关注。表1 大陆硅片企业产能规划8寸硅片方面，据芯思想统计，截止至2016年底，我国具备8英寸硅片和外延片生产能力的公司合计月产能为23.3万片/月，实际产能利用率不足50%，2016年全年我国仅仅产出120万片8寸硅片，只满足国内的10%的需求。从目前已经公布的产能来看，8寸硅片月产能已经达到140万片，合计超过160万片，远远超过我国8寸硅晶圆的月需求80万片的规模。而SOI硅片则由于它的特殊性，所以其供应商和主流的硅片厂商不同。目前国际上最大的SOI供应商为法国Soitec，上海硅产业投资有限公司已收购其1
12、4.5%股份。其他供应商为日本信越，Sumco等。而国内的供应商主要为上海新傲，也是上海硅产业集团的子公司。产能方面，目前Soitec位于法国Bernin 2工厂以及新加坡Pasir Ris工厂主要生产300mm晶圆，未来最大产能将达200万片，而Bernin1和新傲科技的200mm晶圆厂最大产能将达100万片。图12 上海新傲技术路线图二、需求端：12寸硅片市场需求及驱动力分析2.1 硅片出货面积与半导体市场规模有一定关联度根据SEMI的数据统计，全球硅片市场在2017年共计出货118.1亿平方英寸，由于8寸硅片面积为50.24平方英寸，12寸硅片面积为113.04平方英寸，则2017年全球
13、硅片出货量为2.35亿片等效8寸硅片，1.04亿片等效12寸硅片，同比增长9.99%。图13 2000年-2017年 硅片出货面积硅片作为半导体产业的最重要原材料，其市场需求会受到半导体产业景气度影响。通过对比硅片出货面积增速以及半导体市场规模增速，我们可以发现二者高度相关，但无法完全拟合，根据SIA的数据统计，2017年全球集成电路销售额为4122亿美元，同比增长21.63%，而硅片出货面积在2017年同比增速为9.99%，二者差距较大，所以不能简单用半导体的市场规模增速判断硅片出货面积增速。图14 硅片出货面积增速和半导体市场规模增速相关半导体市场规模和硅片出货面积两项数据无法拟合的主要原
14、因有：（1）半导体的市场规模受芯片ASP影响较大，2017年，DRAM和NAND价格高涨使得芯片ASP有了较大幅度提升，再加之芯片出货量亦有提升，使得2017年的半导体行业市场规模创下自2010年起的行业最高增速。但这一增速是在ASP增速的推动下实现的，无法体现半导体行业对硅片的需求量增速。图15 半导体ASP和销量在2017年双升（2）硅片出货量则和制程进展相关，随着制程的演进，从Poly到Hi-K，再到14nm的Finfet，以及尚处于实验室中的5nm工艺GAA，先进制程的开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。所以随着摩尔定律的持续推进，硅片需求增速会慢于
15、芯片出货量增速。图16 半导体制程进展，从Poly到GAA2.2通过购买力平价GDP模型判断12寸硅片市场需求具体到12寸硅片，据SUMCO的数据统计，其市场需求逐年稳步提升，2015年，2016年及2017年的同比增速分别为7.33%，3.79%及6.58%。而2018年Q1全球需求量为580万片/月，同比提升7.4%。预计2018年Q2市场需求和Q1持平。图17 2012年-2018年 12寸硅片需求（万片/月）不过仅仅通过订单判断未来一个季度的出货量是不够的。我们需要一个更加长效的需求预测模型。我们知道，半导体行业已经深入生活的方方面面，所以当全球经济景气的时候，半导体行业也将在电子行业
16、的带动下有较大程度的增长，而经济萧条时，半导体行业也将面临下滑。同时，随着电子化的进展，越来越多的产业将和半导体挂钩，使得半导体行业与GDP密不可分。那么作为半导体的核心上游原材料，硅片的出货量和GDP的关联度如何呢？通过比较12寸硅片出货量以及当年的购买力平价GDP，我们发现自2000年起，这两大数据高度拟合。拟合优度判定系数高达 0.9528。体现了极强的关联度，故在硅片行业中，通常会采用购买力平价GDP模型来判断12寸硅片的市场需求。据IMF预测，2017年-2022年的全球购买力平价GDP复合增长率为4.3%，那么根据模型，12寸晶圆需求的复合增长率将同样为4.3%。图18 2000年以来，12寸硅片需求量和购买力平价GDP高度
