半导体材料系列：硅片：全球供需紧张窗口期，国产替代加速

下游晶圆厂扩产逐步落地，全球硅片需求大幅提升。台积电、中芯国际、三星等纯代工厂或IDM厂商自2021年以来资本开支跨越式增长，随着设备的逐步投放，晶圆代工产能将迎来加速上行，直接推动硅片需求激增。智能手机和数据中心用存储和逻辑芯片是12英寸硅片的主要需求驱动力，根据SUMCO，全球12英寸抛光片2021年到2025年月产能将由443.9万片增长到555.4万片，CAGR 5.8%，外延片由236.9万片增长至268.2万片，CAGR 3.2%。物联网、汽车电动化等趋势带动CIS、模拟IC、功率器件对8英寸硅片需求的大幅增长，中国大陆厂商是8英寸晶圆扩产主力军，从集微网统计的国内晶圆厂产能及扩产计划来看，国内8英寸2020年产能约74万片/月，未来总计划产能或达到135万片/月。 行业高度集中，新增产能有限，下游硅片库存连续下降。根据SEMI，2020年全球前五大半导体硅片企业合计营收占比达89.45%。从当前全球半导体硅片实际供应量来看，SUMCO估计2021Q4全球8英寸硅片月出货量约600万片，12英寸硅片月出货量接近800万片。在下游需求非常旺盛的情况下，硅片出货量在2021年三四季度呈现持平，反映全球硅片产量当前几乎达到顶点，少有新增产能贡献。而从客户12英寸硅片库存来看，2021年硅片库存已连续12个月下降，SUMCO估计2021Q4客户库存天数已下降到仅1个月。 龙头硅片公司：已陆续开始扩产，涨价仍将继续。全球前五大家扩产计划于2021年下半年才陆续推出，新增产能至少2023年下半年才能开出。供需失衡背景下，SUMCO法说会提及2021年全年公司12英寸硅片价格提升约10%，12英寸Greenfield的长协订单价格至2024年将阶梯式上升，至2026年的产能已全部售罄。得益于ASP增加及产品结构优化，环球晶圆2021年全年营收创历史新高，公司预计2022年ASP进一步提升。 我们认为，当前或再现2016-2018年上一轮全球半导体硅片需求和供给的“剪刀差”。上一轮硅片供需失衡在2016-2018年，根据SEMI数据，彼时硅片单位面积价格上涨了33.5%，半导体硅片厂商营收及盈利水平实现了快速提升。我们认为此轮行业供需失衡有望再现上一轮硅片供需“剪刀差”带来的硅片涨价，硅片龙头厂商近期营收及业绩预期强劲，当前新增产能有限背景下，涨价是重要营收驱动因素。同时海外龙头新增产能均预计在2023年下半年才能陆续开始爬坡，行业长协订单比重增加，我们判断当前硅片行业供需失衡将至少持续至2023年底。从中国台湾硅片进口数据也可以看到，2021年12月12英寸及以上硅片进口ASP较2021年1月提升了5.1%，进入2022年价格提升更加明显，2022年2月ASP较2021年12月13.2%。考虑到台积电目前主要晶圆厂均位于中国台湾，其作为全球晶圆代工龙头议价能力较强，因此估计全球硅片价格提升具有较高的确定性。 供需失衡窗口期，内资硅片厂商加速国产替代，叠加行业供不应求涨价，中国大陆半导体硅片厂商迎来高速增长。我国12寸硅晶圆需求大量依靠进口满足，国产化进程严重滞后，成为我国半导体产业链与国际先进水平差距最大的环节之一。目前以沪硅产业、立昂微、中环股份等为代表的厂商已逐步突破12英寸半导体硅片，此外神工股份、上海超硅、中晶科技、有研半导体等在硅材料各领域也有突破，我们有望看到行业高景气下，国产厂商持续扩产，加速导入下游客户，实现营收业绩高速增长。 建议关注：沪硅产业、中环股份、立昂微、神工股份、中晶科技、有研硅（未上市）、上海超硅（未上市）。 风险提示：硅片扩产进展不及预期、客户认证不及预期。 一、硅片——半导体芯片之基石 硅片是制造芯片的最核心基础材料，高纯度要求下工序流程极为复杂、设备参数要求高。 半导体硅片全部为单晶硅，硅片制备工艺主要有直拉法与区熔法。硅锭生长是一个将多晶硅制成单晶硅的工序，将多晶硅加热成液体后，通过精密控制热环境成长出高品质的单晶，而单晶硅由于能够保证硅片各位置电学特性一致性，半导体硅片全部采用单晶硅。硅片制备工艺主要有直拉法和区熔法，直拉法（CZ法）由柴可拉斯基发明，半导体工业更普遍采用直拉法，根据SK Siltron，约85%的硅片由直拉法生产，15%的硅片由区熔法（FZ法）生产。 按应用分，直拉法工艺成熟更容易生长出大直径单晶硅，主要用于生产集成电路元件；区熔法熔体不与容器接触，不易污染，纯度较高，适用于大功率电子器件生产，但较难生长出大直径单晶硅，一般仅用于8寸或以下直径，主要用于功率半导体。 图表1：直拉法 图表2：区熔法 从单晶硅棒至成品硅片需经多道复杂工艺。从单晶硅棒开始，到包装付运结束，一般需要经历径长滚磨、切断、线切、激光标识、倒角、磨片、腐蚀、边缘镜面抛光、预热清洗、退火、背封、最终抛光、检查前清洗、几何参数检测、最终清洗、激光检查、包装付运。每道工艺步骤都有其目的，主要可以归为三类：修正物理性能、减少不期望的表面损伤、消除表面玷污及颗粒。 图表3：硅片制造流程 按制造工艺看，硅片主要包括：抛光片、退火片、外延片、节隔离片和绝缘体上硅片（SOI）等。其中抛光片用量最大，广泛应用于存储芯片与功率器件等，也可作为外延片、SOI硅片的衬底材料。外延片缺陷密度更低，常用于通用处理器芯片、CIS及IGBT等。SOI硅片的特性使其适用在要求耐高压、耐恶劣环境、低功耗、集成度高的芯片上，如射频前端芯片、功率器件、传感器以及硅光子器件等芯片产品。 硅片向大尺寸迁移是大势所趋，12寸硅片占比不断提高。首先，大尺寸硅片生产效率更高，12寸硅片面积为8寸硅片的2.25倍，以硅片面积粗略估算DPW（die per wafer）将提升约125%；其次，大尺寸硅片单位成本更低，英飞凌估算从8寸迁移至12寸将带来较强的成本优势，12寸相较8寸，尺寸为2.25倍，原料成本为2.8倍，设备成本为1.7倍，人工成本随着自动化率提升，仅为0.8倍，其他成本为1.5倍，综合来看，相较于8寸，12寸晶圆单位面积成本将改善20-30%。受益存储芯片、高性能运算逻辑芯片、基带芯片需求持续提升，12寸硅片需求自2001年来持续提升，根据SEMI，2021年12英寸硅片出货面积占比已超过60%。 图表4：大尺寸晶圆单位成本更低 图18：全球不同尺寸半导体硅片出货面积（百万平方英尺） 图19：全球不同尺寸半导体硅片出货面积占比 二、“第四次硅含量提升周期”，全球硅片需求大幅提升 2021年半导体市场规模超预期增长，且未来随着晶圆厂逐步投产，行业产值有望在2030年超过万亿美元市场。从需求端来看，以汽车、工业、物联网、5G通讯等代表的需求驱动驱动全球半导体产业进入“第四次半导体硅含量提升周期”。根据SEMI，2021年全球半导体产值有望超过5500亿美元，达到历史新高，且在2022年根据SEMI对于行业资讯机构的统计，平均对于2022年的增长预期将达到9.5%，即2022年市场规模有望突破6000亿美元（此为平均值）。此外随着全球8寸及12寸晶圆新产能逐步的在2022年至2024年的投放，至2024年全球将会有25家8寸晶圆厂投产，60座12寸晶圆厂投放。随着该85座晶圆厂的投放，至2030年全球半导体晶圆市场将有望达到万亿美元市场，实现年复合增长率约7%。 2021年全球半导体材料市场规模创新高，中国大陆需求占比18.6%。根据SEMI，强劲的下游需求及晶圆产能的扩张驱动2021年全球半导体材料市场规模同比增长15.9%达到643亿美金新高。其中晶圆制造材料和封装材料市场规模分别为404亿美金和239亿美金，同比增长15.5%和16.5%。晶圆制造环节中的硅片、化学品、CMP和光掩膜环节是增速最快的几大领域，而硅片也是晶圆制造中成本占比最高的环节，市场规模超过130亿美金。 图表5：全球半导体销售市场规模 图表6：全球半导体材料市场规模 图表7：2020及2021年分地区半导体材料市场营收（亿美元） 图表8：半导体晶圆制造材料分布 12英寸硅片主要用于 65nm 以下节点，也是台积电千亿资本开支主要投资领域。12英寸硅片主要用于制程节点较为先进的产品，根据SUMCO估计，目前12英寸硅片需求中接近80%都是用于 65nm 以下较为先进的制程。从硅片的直接下游晶圆厂来看，台积电2021年4月宣布的三年千亿美金资本开支，其中2021年的超300亿美金资本开支中，80%用于先进制程，包括 3/5/7nm ；2022年CaPex指引400-440亿美金，其中70-80%用于先进制程，包括 2/3/5/7nm 。中芯国际表示，公司2022年12英寸产能增长将远远超过2021年。联电2021年起的三年计划投资1500亿新台币（约合54.1亿美元）用于台湾省12A厂P5、P6的扩产。华虹三座8英寸厂2021年全年满产，无锡12英寸厂产能持续爬坡，2022年月产能预计由年初的6.5万片提升至年底9.5万片。 图表9：不同节点的12寸硅片需求 图表10：部分晶圆厂季度CAPEX对比（百万美元，右轴为台积电） 逻辑芯片和存储是12英寸需求增长主要驱动力。根据SUMCO估计，按终端应用领域来看，智能手机和数据中心是12英寸硅片需求的两个最大来源，同时也是到2025年12英寸硅片需求绝对值增长最大的部分。5G、远程办公等数字化需求使得全球产生的数据量发生爆炸式增长，从而推动了智能手机和数据中心对存储和逻辑芯片需求的增长。 图表11：按终端应用领域分的12英寸硅片需求（千片/月） 智能手机方面，我们认为4G到5G射频全段数量增加、CIS“大底”等增加晶圆消耗以及存储容量的提升增加了对12寸晶圆的需求，根据SUMCO，2020年至2025年智能手机对12寸硅片需求增加超过100万片/月。 高性能计算方面，2021年HPC已成为台积电营收占比第二大的领域，同时也是营收增速第二高的领域（yoy+34%），台积电法说会也多次提到其最先进节点的N3产品，目前来看下游HPC、手机客户参与度高、需求强劲。高性能计算需求主要来源于处理数据量、数据中心CPU/AI芯片、5G及智能手机应用处理器以及自动驾驶CPU需求的大幅增长。根据SUMCO，2020年至2025年HPC对12寸外延片的需求从80万片/月提升到150万片/月。 图表13：高性能计算（HPC）中先进制程芯片对12英寸硅片的需求（千片/月） 图表12：智能手机对12英寸硅片需求及预测（千片/月） 图表14：台积电2021年按终端领域的营收占比及同比增速 存储方面，SUMCO预计2020-2025年DRAM比特增长率CAGR约20%，但其中容量增加只能贡献10%，所以仍有10%来源于晶圆消耗量的增加。SUMCO曾认为NAND对硅片消耗量变化不大，比特增长主要依靠容量增长，但以长江存储为代表供应商正在采用一种新的技术路线——将控制单元和存储单元捆绑，这种方式可以加快数据传输速度，同时也会增加NAND对硅片（主要是抛光片）的消耗量。 图表15：DRAM对12英寸硅片需求预测 图表16：NAND对12英寸硅片需求预测 图表17：DRAM按制程节点的12寸硅片需求（万片/月） 图表18：3DNAND按制程节点的12寸硅片需求（万片/月） 因此SUMCO预测，全球12英寸抛光片2021年到2025年月产能将由443.9万片增长到555.4万片，CAGR 5.8%，外延片由236.9万片增长至268.2万片，CAGR 3.2%。 图表19：全球12英寸抛光片及外延片需求（千片/月） 物联网、汽车电动化等趋势带动8英寸硅片需求增长。按照产品来分，全球8英寸晶圆代工产能中CIS占比最高，达到22%，模拟芯片及功率分立器件分列二、三位，占比分别为19%、16%，此外显示驱动芯片（占比11%）、MCU（占比10%）与指纹识别传感器（占比6%）同样占据重要地位。基于上述芯片的需求预测，在不考虑主要产品大规模转移至12英寸平台的假设下，预计2