半导体硅片行业深度报告：半导体硅片高景气，国产替代进程加速

半导体晶圆制造核心材料，是行业景气度之最大宗产品：半导体硅片是全球应用最广泛、最重要的半导体基础材料，是制造芯片的基本衬底材料，也是唯一贯穿各道芯片前道制程的半导体材料，目前全球半导体市场中，90%以上的芯片和传感器都是基于硅材料制造而成，其在晶圆制造材料中占比最大。 半导体终端市场需求旺盛，驱动半导体硅片需求增长：自2020年下半年以来，在自动驾驶汽车、人工智能、高性能计算和5G通信等新兴领域等行业的驱动下，全球半导体需求持续旺盛，直接带动了对上游硅片需求增长。近年来全球增设多家晶圆厂，晶圆厂新增产能逐步进入释放期，国内硅片需求占比持续提升，为国产替代提供了广阔的增量空间。根据SUMCO统计，全球12英寸硅片2021Q4出货超750万片/月，8英寸硅片2021Q4出货约600万片/月，创历史新高。从下游应用来看，5G手机渗透率持续提升，且5G手机平均硅片使用量相比4G手机提升1.7倍，新能源汽车方面，新能源车销量提升带动汽车半导体需求大幅上升，其中对MCU、功率半导体、传感器等半导体器件的需求均有大幅提升，根据SUMCO数据，新能源汽车单车对硅片面积的需求将是内燃机汽车的2倍。 全球半导体硅片行业集中度高，国产替代进程加速。2020年全球前五大硅片厂商合计市场份额达86.6%。其中，日本信越化学市占率为27.53%，SUMCO市占率为21.51%，合计份额超过一半。国内方面，沪硅产业、立昂微、中环股份进入全球十强，其中沪硅产业市占率2.2%，在全球市场占比仍然较低。未来受益于国内半导体厂商在产业支持、资金配套、政策倾斜等多个方面享有优势，目前各大硅片厂商纷纷建厂扩产，国产硅片渗透率有望持续提升，国产替代进程不断加速。 全球硅片行业延续高景气，供需紧张关系有望持续。根据SUMCO预计，2022年和2023年全球12英寸硅片厂商平均产能利用率分别有望达到102%、110%，环球晶圆其硅片预售已至2024年，SUMCO2026年前产能已被售罄，8英寸以及12英寸硅片持续供不应求，半导体硅片已成为卖方市场。价格方面，SUMCO和信越等大厂与客户签订的2022年长期协议涨价，其中8英寸硅片合约价涨价幅度约10%，12英寸硅片合约价涨价幅度为15%。国内硅片厂商产能相对较小，各厂商正在积极扩产，随着下游客户产品验证加速，相关硅片厂商业绩有望迎来爆发期。 投资建议：建议关注沪硅产业、立昂微、中环股份、神工股份、中晶科技。 风险提示：行业竞争加剧风险；晶圆厂产能过剩风险；客户认证风险；大直径硅片国产化进程不达预期的风险；大直径硅片厂商持续亏损的风险。 1.半导体硅片：半导体制造的核心材料 1.1硅片是重要半导体制造材料 半导体材料是指在常温下导电能力介于绝缘体和导体之间的材料，具有热敏特性、光电特性、导电特性、掺杂特性、整流特性等优良的物理化学属性。其发展历程可大致分为三代，第一代半导体材料以硅基、锗基半导体为首，工艺技术成熟，成本稳定，应用广泛。第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表。第三代半导体材料主要包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、硒化锌（ZnSe）等，因其禁带宽度较大，又被称为宽禁带半导体材料。三代半导体材料之间并非替代关系而是在部分运用领域存在相似特性，在运用领域根据产品具体的特性要求，选择的半导体材料也不尽相同，其综合性能及性价比各有所长。 图1：三代半导体材料对比分析 半导体硅片是指由硅单晶锭切割而成的薄片，又称硅晶圆片，是半导体、光伏等行业广泛使用的基底材料。硅元素在地壳中占比约为27%，储量丰富并且价格低廉，故成为全球应用最广泛、产量最大的半导体基础材料，目前90%以上的半导体产品使用硅基材料制造。 通过对硅片进行光刻、离子注入等手段，可将其制作成集成电路和各种半导体器件。适用于集成电路行业的半导体硅片对产品质量有极高的要求，纯度必须达到99.9999999%（9个9）以上，最先进的工艺则需要达到99.999999999%（11个9），光伏行业对单晶硅片的需求是99.9999%（6个9），制备难度远远小于半导体硅片。 半导体产业链可分为半导体材料与设备、半导体制造以及下游应用终端三个环节，具有投资规模大、技术难度高、产业链长、更新迭代快、终端应用广泛的特点。半导体硅片行业属于产业链的上游，是半导体制造关键性的材料，是半导体行业的基石。下游终端应用涵盖移动通信、人工智能、汽车电子、物联网、工业电子、大数据等多个行业。 图2：半导体硅片产业链概况 1.2硅片常见三种分类方式 根据硅片尺寸分类，一般以直径区分规格，通常有6英寸、8英寸、12英寸等。从1965年首次生产2英寸硅片到2000年12英寸硅片实现量产，半导体硅片向大尺寸方向不断发展。半导体的生产成本和效率与硅片尺寸直接相关，硅片直径的提升可降低单位芯片的平均生产成本，进而提供更高的规模经济效益。但大尺寸硅片由于纯度较高，技术研发与规模化生产难度高，需要对生产工艺改进并且对设备性能进行提升，同样会给生产商带来更高的成本投入。 上世纪80年代4英寸硅片是主流，90年代主流为6英寸硅片，2000年代主流为8寸硅片。当前全球硅片市场最主流的产品是8英寸硅片和12英寸硅片。2020年，8英寸与12英寸硅片占硅片总体市场份额分别为23.94%和69.15%，占比合计超过90%。 图3：半导体硅片尺寸分类 根据硅片应用场景分类，硅片主要可分为正片、陪片和刻蚀电极。陪片按功能又分为测试片、挡片和控片。 正片可以在晶圆制造中直接使用；测试片是用来实验和检查制造设备运行初期的状态，以改善其稳定性；挡片是用于新产线的调试以及在晶圆生产过程中对正片的保护；控片是在正式生产前对新工艺测试和监控良率。 挡片和控片是由晶棒两侧品质较差部分切割来的，用于暖机、填充空缺、测试生产设备的工艺状态或某一工艺的质量状况。为了提高产品质量、监控正式生产过程中的工艺精度及良率，需要在晶圆正片生产过程中插入控片增加监控频率。 65nm 制程中每投10片正片需要加6片挡控片， 28nm 及以下制程中每投10片正片需要加15-20片挡控片。由于挡控片作为辅助生产材料耗费量巨大，晶圆厂将其经过抛光研磨等工序后再利用。挡片的重复使用次数有上限，一旦超过门限值就只能用作光伏级硅片使用。控片情况较为特殊，用在某些特殊制程工艺中的控片直接报废，不可重复利用。可重复回收利用的挡控片又称可再生硅片。 图4：半导体硅片按应用场景分类 根据制造工艺分类，半导体硅片主要可以分为抛光片、外延片与以SOI硅片为代表的高端硅基材料。单晶硅锭经过切割、研磨和抛光处理后得到抛光片。抛光片经过外延生长形成外延片，抛光片经过氧化、键合或离子注入等工艺处理后形成SOI硅片。 抛光片是在研磨片的基础上经过双面抛光、边缘抛光、表面抛光等工序制造而来，抛光工艺可去除加工表面残留的损伤层，实现半导体硅片表面平坦化，并进一步减小硅片的表面粗糙度以满足芯片制造工艺对硅片平整度和表面颗粒度的要求；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器件要求的新硅单晶层；退火片是指将抛光片置于退火炉中，经退火热处理制造出硅退火片；SOI硅片即绝缘体上硅，是常见的硅基材料之一，其核心特征是在顶层硅和支撑衬底之间引入了一层氧化物绝缘埋层。SOI硅片的优势在于可以通过绝缘埋层实现全介质隔离，这将大幅减少硅片的寄生电容以及漏电现象，并消除了闩锁效应。 图5：退火片 图6：外延片 图7：结隔离硅片 图8：SOI晶片（绝缘体上晶） 1.3半导体硅片制备工艺复杂，流程繁多 半导体硅片制造流程复杂，主要分为脱氧提纯、提炼多晶硅、单晶硅棒制备、滚磨、切片、研磨、抛光、清洗、测试、包装等。 硅元素以二氧化硅和硅盐酸的形式大量存在于沙子、岩石、矿物质中，将沙子、矿石中的二氧化硅经过高温纯化后可得到纯度为98%以上的冶金级硅。将粉碎的冶金级硅与气态氯化氢进行化学反应，生成液态的硅烷，再通过蒸馏和化学还原工艺，最终得到纯度达99.9999999%（9个9）以上的电子级多晶硅。硅晶圆厂商再将电子级多晶硅加工成硅片，主要包括拉单晶和硅片的切磨抛外延等工艺。 图9：半导体抛光片、外延片工艺制备流程图 单晶生长是抛光片生产中最核心的一环工序，决定了硅片的质量和纯度，其技术主要分为直拉法（CZ）和区熔法（FZ）。直拉法生产的单晶硅多用于生产低功率的集成电路元，区熔法制得的单晶硅主要用来生产高功率器件。 直拉法加工工艺：将金属杂质浓度数高纯度化至ppb以下(1ppb=十亿分之一)的多晶硅与硼酸(b)和磷(p)一起放入石英坩埚中，在约1420℃下熔融。加入的微量硼酸和磷等杂质是为了调整最终完成的半导体的电阻，决定其特性。在坩埚内熔化的硅的液面上蘸上籽晶硅棒，一边旋转一边拉起，就完成了与籽晶原子排列相同的单晶锭。 图10：直拉法单晶生长 图11：CZ炉构造图 区熔法加工工艺：多晶硅棒首先在真空或稀有性气体的情况下使用电场对其进行加热，直至多晶硅在受热区内融化，从而形成熔融区。然后将种籽晶与熔融区接触，使之融化。 在籽晶缓慢转动、向下伸展的情况下，熔融区继续向上移动，最终形成了单晶硅棒。 图12：区熔法单晶生长 硅片加工的五个工序： 1）切片：采用先进的线切割机与工艺，将单晶晶棒切割成适当的厚度。 图13：半导体硅片制造流程：切片 2）粗研磨：将晶片两面调整为平行，同时用氧化铝研磨材料将切片抛光到所需的厚度，研磨的目的是为了去除在切片工序中因切割产生的表面机械应力损伤层和表面的各种金属离子等杂质污染，从而在硅片上形成一个平整的表面。 图14：半导体硅片制造流程：研磨 3）蚀刻：硅片经过切片和磨片后，由于工艺压力，会在硅片的表面形成一层破坏层，化学蚀刻是利用混酸消除前一工序之前在晶片表面上附着的机械加工造成的损伤，使整片硅片维持高质量的单晶特性。 4）抛光：将硅片通过抛光及洗净操作，得到电阻率、几何参数及颗粒数据等符合客户规范的抛光片成品。 图15：半导体硅片制造流程：抛光 5）清洗检查：洗净的目的在于去除硅片经过抛光后表面残留的有机物、颗粒、金属等，以确保硅片表面的洁净度，使之达到后道工序的品质要求。 图16：半导体硅片制造流程：清洗检查 1.4半导体硅片行业壁垒深厚 （1）技术壁垒 半导体硅片在尺寸、纯度、电阻率、翘曲度、弯曲度、表面洁净度等指标有很高的要求。 芯片制造工艺对硅片缺陷尺寸与缺陷密度容忍度极低，技术节点越先进，特征尺寸越小，对上述指标的控制越严格，技术壁垒越高。 （2）设备壁垒 制造硅片的核心设备是单晶炉。国际主流厂商的单晶炉都是自己制造研发，或者购买独立的单晶炉供应商产品，签有严格的保密协议，其他厂商无法购买。国内厂商进入全球主流供应商首先需要解决设备问题。 （3）认证壁垒 晶圆生产商对硅片质量有着严苛的要求，对供应商的选择非常谨慎，进入其供应商名单具有较高的要求，并且具有一定的客户粘性。为了保证产品质量的稳定性和一致性，芯片制造企业会要求硅片厂商提供一些硅片供其试生产，大多用在测试片，待通过生产认证后，会将产品送至下游客户处，获得客户认可后才会对硅片厂商进行最终认证。硅片加入芯片制造商的供应链需要经历较长的时间，对于新供货商最短的周期也要9-18个月，终端用于航空航天、汽车电子等领域的硅片认证周期更久，通常是3-5年。 （4）资金壁垒 由于半导体硅片的制造工艺非常复杂，需要购买昂贵先进的生产设备，亦需要根据客户需求不断进行修改或调试，前期固定资产投入量大。 （5）人才壁垒 半导体硅片的生产研发过程较为复杂，需要复合型人才，涉及物理、热力学、量子力学、化学等多学科交叉。 2.硅片市场再添暖意，下游需求保持旺盛 2.1半导体需求高增长，拉动产业链景气上行 全球半导体规模持续扩张，5G、汽车、工业等下游应用拉动产业链需求上升。2000年以来全球半导体销售额整体呈向上趋势，2021年在全