电子元器件行业深度分析：硅片供需缺口持续，国产替代前景可期

硅片需求持续增长，国内占比持续提高：硅片是体量最大的半导体材料，占据晶圆制造材料35%的份额，2020年全球市场规模为112亿美元，预计2021年可达125亿美元，同比增长12%。在5G、物联网、汽车电子、云计算等需求的带动下，半导体景气持续高涨，半导体硅片市场持续向好。根据SEMI，预计2021年全球硅片出货增幅将达13.9%至140亿平方英寸，创历史新高，预计2022年/2023年/2024年出货量增幅达6.4%/4.6%/2.9%至148.96/155.81/160.33亿平方英寸。 从国内的市场来看，2020年中国大陆半导体硅片市场规模13亿美元 ，2016-2020年均复合增长率为29.17%， 远高于同期全球的11.68%，中国大陆半导体硅片市场规模占比持续提高。 硅片大厂扩产滞后下游需求，供需缺口有望持续：半导体行业高景气带动晶圆厂加大资本开支，提高产能，根据ICInsights数据，预计2022年集成电路行业产能增长8.7%达到2.64亿片（约当8寸），产能利用率93.0%，基本与2021年持平，晶圆产能的提高将带动上游半导体材料如硅片等市场需求增长。从上游的硅片厂商情况来看，行业龙头日本盛高、环球晶圆、Siltronic、SK Siltron等均提出了不同规模的扩产计划，其中日本盛高计划斥资2287亿日元加快生产12英寸硅片，预计2023下半年开始陆续投产；环球晶圆将在现有工厂和新厂逐步扩产，总金额最高达1000亿台币，预计2023年下半年开始逐季度增加。硅片大厂目前基本处于满产满销状态，新增产能要从2023年下半年开始才陆续释放，滞后于下游晶圆厂的扩产节奏，行业供需缺口有望持续扩大。 海外巨头长期垄断硅片市场，国产替代前景可期：目前全球半导体硅片大部分被海外厂商垄断，根据IC Insights数据，2020年日本的信越化学 ， 日本盛高 （SUMCO） ， 中国台湾的环球晶圆 ， 德国的Siltronic以及韩国的SK Siltron合计市场份额超过85%。大陆半导体硅起步较晚，国产化率低，特别是12寸硅片，国内应用于先进制程的12寸半导体硅片几乎全部依赖于进口。目前，国内厂商部分厂商如沪硅、立昂微、中环股份等已经具备12寸硅片国产替代能力，通过国内主流晶圆厂验证，产能快速释放，国产替代加速推进。 投资建议：推荐国内12寸半导体硅片龙头立昂微、沪硅产业、中环股份，建议关注国内8寸硅片厂商神工股份、中小尺寸硅片厂商中晶科技以及拟通过资产重组布局半导体外延材料的凤凰光学。 风险提示：市场竞争加剧；下游需求衰减；国产替代不及预期。 1.硅片为制造芯片的核心载体材料 1.1硅片是芯片制造的核心原材料，技术壁垒高 硅片是半导体制造核心原材料：半导体硅片是生产集成电路、分立器件、传感器等半导体产品的关键材料，是半导体产业链基础性的一环，其核心工艺包括单晶工艺、成型工艺、抛光工艺、外延工艺等，技术专业化程度颇高。通过对硅片进行光刻、离子注入等手段，可以制成各种半导体器件，目前90%以上的半导体产品使用硅基材料制造。半导体硅片行业属于技术密集型行业，具有研发投入高、研发周期长、研发风险大的特点，同时半导体硅片也是我国半导体产业链与国际先进水平差距最大的环节之一。 图1：半导体行业产业链 硅片的质量直接决定下游晶圆生产的良率。晶圆的加工是整个半导体产业的第二环节，而硅片的质量决定了下游IDM和Fountry厂商所生产的晶圆的良率，因此硅片厂商想要进入IDM和Fountry厂商的供应链需要经过较长时间的验证且一经确定后不会被轻易替代。晶圆加工完成后再经过封测环节及可得到芯片。而芯片按照用途不同主要可以分为传感器类芯片、计算类芯片、存储类芯片、连接器类芯片和模拟芯片等。 图2：芯片制作的其他环节及下游应用 硅片制备流程复杂，技术难度高。半导体产业使用的是单晶硅片，其生产流程为，首先从硅矿中制备多晶硅，多晶硅在单晶炉内的培育生长生成单晶硅棒，单晶硅棒经过切割、倒角、研磨、刻蚀、抛光、清洗等环节，得到硅片成品。制备过程的技术重难点包括硅片纯度、氧含量、表面颗粒、晶体缺陷、表面/体金属含量、翘曲度、平整度、体电阻率等参数的控制。最终产出的硅片需要达到高纯度、低杂质含量、高平坦度的要求，并且具有特定的电学性能。 图3：硅片制备基本流程 单晶硅片是单晶硅棒经由一系列工艺切割而成的，目前制备单晶硅的方法主要有直拉法（CZ法）和悬浮区熔法（FZ法）；该技术的重点在于保证拉制出的硅锭保持极高纯度水平（纯度至少为99.999999999%）的同时，有效控制晶体缺陷的密度。 直拉法：在一个直筒型的热系统用石墨电阻加热，将装在高纯度石英坩埚中的多晶硅熔化，并保持略高于硅熔点的温度，然后将籽晶插入熔体表面进行熔接，同时转动籽晶，再反转坩埚，籽晶缓慢向上提升，经过引晶、放大、转肩、等径生长、收尾等过程，得到单晶硅。 图4：直拉法基本流程 悬浮区熔法的原理是将圆柱形硅棒固定于垂直方向，利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，这两个棒朝相反方向旋转；然后将在多晶棒与籽晶间只靠表面张力形成的熔区沿棒长逐步向上移动进行单晶生长，单晶棒的直径主要由顶部和底部的相对旋转速率控制。相比悬浮区熔法，直拉法成本更低，生长速率较快，更适合大尺寸（12英寸）单晶硅棒的拉制，目前约85%单晶硅片皆由直拉法制成，主要应用在逻辑、存储器芯片中。悬浮区熔法很适合制作电力电子器件（因为产出的硅片电阻率较高），悬浮区熔法制备的单晶硅占有的市场份额较小（约15%）。 图5：悬浮区熔法单晶生长示意图 按单晶硅棒后续处理的不同工艺，硅片可分为抛光片、外延片、SOI硅片等。 抛光片（PW）：由单晶硅棒经过切割、研磨、抛光等工艺而产出。抛光片应用广泛，目前半导体行业所使用的硅片70%都为抛光片，既可直接用于制作存储芯片与功率器件等半导体器件，又可作为外延片、SOI片的衬底材料。 外延片（EW）：以抛光片为衬底，沿着原来的结晶方向生长出一层新单晶层（外延层）而产出，即外延片=衬底+外延层。随着半导体制造工艺的进步，外延片应用增加，占比逐渐上升， 28nm 以上的制程都需要使用外延技术，故未来外延片将占据主流。外延片被大规模应用于对稳定性、缺陷密度、高电压及电流耐受性等有高要求的半导体器件中，主要包括MOSFET、晶体管等功率器件，以及CIS、PMIC等模拟器件，终端应用包括汽车、高端装备制造、能源管理、通信、消费电子等。 绝缘体上硅（SOI）：在两个抛光片之间夹一层具有高电绝缘性的氧化物层，再将其粘合在一起而产出。SOI共有三层结构：底层起支撑作用；顶层用于蚀刻电路；氧化层起到保护芯片上的晶体管，减小晶体管的静电电容，加快晶体管的状态切换，提高器件运行速度等作用。SOI具有寄生电容小、短沟道效应小、低压低功耗、集成密度高、速度快、工艺简单、抗宇宙射线粒子的能力强等优点，适用于耐高压、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、汽车电子芯片、传感器以及星载芯片等。 图6：外延片结构 图7：SOI硅片结构 1.2大尺寸化、制程升级为行业趋势，12寸硅片占比持续提高 硅片大尺寸化是大势所趋，12寸占比有望持续提高。硅片尺寸越大，在单片硅片上制造的芯片数量就越多，同时硅片圆形边缘的相对损失越小，有利于降低单位芯片的成本。并且芯片制造时遇到硅片缺陷的概率变低，可提高芯片良率。从2008年起，12寸硅片市场份额超过8英寸硅片成为主流。2020年12英寸硅片出货面积达到84.76亿平方英寸，占全年全球市场出货总面积的69.15%。IC Mtia预测，2021年12英寸出货面积将占总面积的75%以上。未来，随着落后产能的不断退出，小尺寸硅片产能将逐步转向8寸转移，而8寸产能将逐步转向12寸，大尺寸硅片的占比将持续上升。 图8：全球不同半导体硅片出货面积 图9：不同尺寸硅片的出货比例（按面积计算） 芯片制程不断缩小是行业的另一个趋势。芯片制程亦称为节点或特征线宽，即晶体管栅极宽度的尺寸，用来衡量半导体芯片制造的工艺水准。随着芯片制造企业工艺水平的不断提升和加工成本的不断优化，芯片对先进制程的需求也在不断增加。遵循摩尔定律，半导体芯片的制程已经从上世纪70年代的1μm、0.35μm、0.13μm逐渐发展至当前的 90nm 、65nm 、 45nm 、 22nm 、 16nm 、 10nm 、 7nm 乃至 5nm 。跟据IC Insights预计，2024年采用 20nm 以下制程的芯片产品市场份额将达到56.1%，较2019年提升12.9%。目前，90nm 及以下的制程主要使用12英寸半导体硅片， 90nm 以上的制程主要使用8寸或更小尺寸的硅片。 图10：不同制程芯片的市场占有率 2.半导体硅片景气高涨，供需缺口有望持续扩大 2.1半导体景气高涨，带动上游材料市场需求扩张 在5G、物联网、汽车电子、云计算等需求的带动下，半导体市场需求持续增长。2020年尽管受到疫情的影响，全球半导体市场规模依然同比增长6.8%，达到了4404亿美元，预计2021年、2022年全球半导体市场规模分别为5530亿美元、6015亿美元，同比分别增长25.6%、8.8%。从分地区来看，2021年和2022年亚太市场规模增速将高于全球平均，分别为26.7%、8.4%，在全球市场的占比分别为62.11%、61.90%。 表1：半导体市场规模及预测 半导体行业高景气，带动在晶圆厂大幅扩张资本开支，提高产能。2019-2021年全球集成电路产能（约当8英寸）分别为2.10亿片、2.24亿片、2.43亿片，同比分别+4.1%、+6.5%、+8.5%，产能利用率分别为85.8%、85.5%、93.8%，预计2022年集成电路行业产能增长8.7%达到2.64亿片，产能利用率93.0%，接近2021年水平。2022年新增产能主要来自于今年计划新增的10座300mm晶圆厂（比2021年新增少3座）。 表2：2016-2022F IC行业产能趋势（约当8英寸） 半导体材料直接销售的下游客户为各大晶圆厂，受益于半导体产能持续扩张，上游材料市场景气高涨。根据SEMI数据，受半导体产业整体大环境影响，2015-2019年全球半导体材料行业市场规模呈波动变化趋势，2018年在晶圆制造厂和封装厂出货增长和先进工艺发展的推动下，全球半导体材料市场首次超过500亿美元，在全球半导体产品的强烈需求的影响下，2020年全球半导体材料市场的规模达到了554.8亿美元，同比增长6.41%，2021年达到了642.7亿美元，同比增长15.84%，增速进一步提高。 图11：全球半导体材料市场规模及同比 中国大陆半导体材料市场规模从2016年起逐年增长，2017年达到76亿美元，2020年增长至97.83亿美元，2017-2020年复合增长率为7.8%；2020年中国大陆半导体材料市场规模超过韩国成为全球第二，同比增速为19.45%，是全球仅有的两个增长市场之一，2021年中国大陆半导体材料市场规模达到119亿美元，同比增长21.94%。 图12：中国半导体材料市场规模及同比 2.2半导体硅片是占比最高的材料，长期受益于大数据、汽车电子发展 从半导体材料的市场结构来看，可以分为晶圆制造材料和封装材料，根据SEMI数据，2020年晶圆制造材料占比为63%，封装材料占比37%，晶圆制造材料占比较高。 硅片是份额最大的晶圆制造材料。硅片又称硅晶圆，是以硅为材料制成的圆形薄片，是目前产量最大、应用最广的半导体材料，目前90%以上的芯片需要使用半导体硅片制造。根据SEMI数据，2020年硅片市场份额约为晶圆制造材料的35%，是占比最高的半导体材料。 在全球晶圆出货量持续提高的带动下，上游硅片市场规模持续增长，从2015年的72亿美元增长至2020年的112亿美元。根据SEMI统计，预计2021年全球半导体硅片市场规模140亿美元，同比增长25%，增速