半导体材料系列报告（二）：半导体硅片篇半导体硅片高景气，国产硅片厚积薄发

证券研究报告 半导体材料系列报告（二）：半导体硅片篇 半导体硅片高景气，国产硅片厚积薄发 电子 行业评级：强于大市（维持） 平安证券研究所电子团队 付强S1060520070001（证券投资咨询）邮箱（FUQIANG021@pingan.com.cn） 张晶S1060522030002（证券投资咨询）邮箱（ZHANGJINGN53@pingan.com.cn）徐勇S1060519090004（证券投资咨询）邮箱（XUYONG318@pingan.com.cn） 2022年08月17日 投资要点 硅片是芯片的起点，2021年全球半导体硅片市场规模达140亿美元，行业高度集中，CR5市场份额接近90%。硅片是用量最大的半导体材料，90%以上半导体产品使用硅片制造。随着5G、新能源、AIoT的快速渗透，2021年半导体行业迎来超级景气周期，硅片需求持续旺盛，全球半导体硅片出货面积达142亿平方英寸，同比增长14%，市场规模达140亿美元。半导体行业周期性波动导致硅片需求周期性波动，硅片行业并购 整合不断，行业竞争格局高度集中，前5大厂商市场份额接近90%。 硅片新增产能释放需到2024年，短期供需有望持续偏紧，长期LTA有助稳量稳价。硅片扩产周期在2年以上，全球12英寸硅片在2020年之前主要依靠原有厂房进行产能扩充，新建厂房产能释放的高峰将在2024年之后，2022和2023年全球12英寸硅片仍将处于供不应求的状态。本次产能扩张，下游晶圆厂与硅片厂商积极绑定，通过长期合约（Long-termAgreements）保障供应链稳定。 国产硅片扩产、客户验证及导入全面提速。随着中芯国际等晶圆厂龙头开启新一轮扩产周期、技术升级、晶圆产能向大陆转移以及国内政策的大力支持，我国半导体硅片市场迎来新一轮上升周期。长期来看半导体等核心技术的国产化需求凸显，国内产业链企业有也意调整供应链以分散风险，给国产硅片企业更多机会，国内硅片企业积极扩产，国产替代有望加速。 投资建议：可积极关注早有技术积累、已实现产品量产或客户认证进度较快的企业，特别是技术壁垒较高的12英寸大硅片的突破放量。建议 关注外延技术领先，12英寸重掺外延片突破放量的立昂微、国内12英寸大硅片龙头沪硅产业、大直径硅材料技术积累深厚的神工股份。 2 风险提示：1）宏观经济波动风险；2）产品验证不及预期；3）硅片生产设备交期推迟，扩产不及预期；4)国内晶圆厂投资不及预期。 目录CONTENTS 基石：芯片的起点，最重要的半导体材料 周期：行业周期波动，市场高度集中 供需：产能持续偏紧，LTA有助稳量稳价 破局：百舸争流，国产替代有望加速 投资建议：关注国产大硅片放量 3 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。在众多半导体原材料中，硅具有明显的优势，硅熔点高、禁带宽度大，可广泛运用于高温、高压器件。此外，硅具有天然优质绝缘氧化层，在晶圆制造时可减少沉积绝缘体工序， 从而减少了生产步骤并降低了生产成本。硅在自然界中的储量丰富，在地壳中约占27%，硅材料的成本显著低于其他类型半导体材料。由于硅的技术和成本优势，硅片成为了目前产量最大、应用范围最广的半导体材料，占据全部产品的90%以上，是半导体产业链基础性的一环。 半导体材料 半导体支撑产业 硅片是半导体产业链重要一环 半导体行业 光刻胶 分立器件 电子气体 传感器 硅片 光电器件 靶材 集成电路 … 设计 半导体设备 … 光刻机 制造 刻蚀机 封测 资料来源：平安证券研究所 4 离子注入 手机 下游应用 通信 医疗 工业 … 硅片支撑起2万亿美元电子信息市场 电子：20000亿美元 芯片：5000亿美元 硅片：140亿美元 形貌及平整度检测 微粒检测 外延生长（外延片） 包装 资料来源：SKSiltron、平安证券研究所 5 半导体硅片的生产流程复杂，涉及工艺众多，主要生产环节包含晶体生长、硅片成型、外延生长等工艺。多晶硅经过熔化，接入籽晶，再通过旋转拉晶或者区域熔融的方式得到高纯度的单晶硅棒。单晶硅棒经过切、磨、抛等步骤形成抛光片，抛光片还可以进一步加工形成外延片。 硅片生产流程 高纯多晶硅 单晶硅棒滚圆 切片 边沿打磨 单晶生长（直拉法/区熔法） 研磨使表面平滑 湿刻去除表面损伤 双面研磨去除小凸起 抛光 清洗去除杂质 长晶是硅片生产最核心的环节，单晶制备阶段决定了硅片的直径、晶向、掺杂导电类型、电阻率范围及分布、碳氧浓度、晶格缺陷等技术参数。 单晶硅制备方法包括直拉法（CZ法）和区熔法（FZ法）两类，直拉法市占率高。直拉法的原理是将高纯度的多晶硅原料放置在石英坩埚中，在高纯惰性气体的保护下加热熔化，再将单晶硅籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体找寻到熔化点后，随着籽晶的提拉晶体逐渐生长形成单晶硅棒；区熔法是把多晶硅棒放在熔炉里，放入一个籽晶，然后用高频加热线圈加热籽晶与多晶接触区域生长单晶硅，区熔法因为没有坩埚的污染，生产的硅片纯度较高，碳、氧含量较低，耐高压性能好，区熔硅片代表产品 有高压整流器、探测器等。直拉法是最常用的制备工艺，采用直拉法的硅单晶约占85%，12英寸硅片只能用直拉法生产。 直拉法区熔法 对比项目 直拉法 区熔法 长晶炉 直拉炉 区熔炉 工艺 有坩埚，电阻加热 无坩埚，高频加热 直径 能拉450mm单晶 能拉200mm单晶 纯度 氧、碳含量较高，纯度易受坩埚影响 纯度较高 电阻率 中低电阻 高电阻 应用 晶体管、集成电路 高压整流器、探测器 按照硅片尺寸分类，可分为6英寸及以下硅片、8英寸硅片和12英寸硅片，8英寸硅片和12英寸硅片是市场主流产品。 按照产品工艺分类，主要可分为硅抛光片、外延片和SOI硅片。硅抛光片按照掺杂程度不同分为轻掺硅抛光片和重掺硅抛光片，掺杂元素的掺入量越大，硅抛光片的电阻率越低。轻掺硅抛光片广泛应用于大规模集成电路的制造，也有部分用作硅外延片的衬底材料，重掺硅抛光片一般用作硅外延片的衬底材料。根据衬底片的掺杂浓度不同，分为轻掺杂衬底外延片和重掺杂衬底外延片，前者通过生长高质量的外延层，可以提高CMOS栅氧化层完整性、改善沟道漏电、提高集成电路可靠性，后者结合了重掺杂衬底片和外延层的特点，在保证器件反向击穿电压的同时又能有效降低器件的正向功耗。在芯片制造过程中，除上述抛光片、外延片等正片外，还有少量用于辅助生产的测试片和挡片，测试片和挡片占正片的比例在10%左右。 硅片 尺寸分类 工艺分类 6 英寸及以下 8 英寸 12 英 寸 抛光片 外延片 SOI 硅 片 硅片分类 硅片种类结构特点应用全球市场规模 抛光片 分为轻掺和重掺抛光片 衬底硅上面生长 重掺通常作为外延片、SOI硅片的衬底材料 更低的缺陷密度、含碳量和 存储芯片与功率器件等 通用处理器芯片、 130亿美元 外延片 SOI硅片 一层高质量的单晶外延薄膜 顶层硅和衬底之间引入了一层埋氧化层 氧含量 寄生电容小、短沟道效应小、低压低功耗、集成密度高、速度快 图形处理器芯片等 射频前端芯片、功率器件、汽车电子、传感器以及星载芯片 10亿美元 8英寸、12英寸硅片占据90%以上的市场份额，12英寸硅片市场占有率不断提升。硅片尺寸的提升提高了硅片的利用率，但6英寸和8英寸晶圆制造产线大部分建设时间较早，设备折旧已经完毕，芯片制造成本偏低，综合成本具有一定优势，未来仍会是各尺寸硅片市场共存的状态。 •6英寸硅片：在中高压环境中使用的功率器件以及耐高压特性的芯片，适用于500nm以上的较大线宽。 •8英寸硅片：8英寸抛光片主要用于传感器和低制程驱动芯片；8英寸外延片用于功率器件、PMIC和CIS。 12英寸硅片占比持续提升（按销售面积） 8英寸和12英寸硅片发展历史 9.4% 8.5% 7.7% 7.2% 6.7% 6.4% 6.2% 29.5% 28.4% 27.3% 25.8% 25.7% 25.9% 25.4% 61.1% 63.1% 65.0% 67.0% 67.6% 67.7% 68.4% 2014 201520162017 12英寸8英寸 2018 6英寸 2019E2020E •12英寸硅片：12英寸抛光片广泛用于NAND闪存芯片和DRAM内存芯片；12英寸外延片广泛用于CIS、CPU/GPU等逻辑芯片以及MOSFET/IGBT等功率器件。 100% 80% 60% 40% 20% 0% SOI硅片价格远高于同尺寸外延片和抛光片，8英寸外延片主要是功率器件用重掺外延片，外延层较厚，相比抛光片价格更高。 12英寸的外延片的外延层较薄，通常在3um以内，主要用于改善硅片的表面性能，价格是同尺寸抛光片的1.2倍左右。 2018年 1725.63（SOI硅片） 220.66（抛光片） 466.34（外延片）504.00（外延片） 212.67（抛光片） 250.00 287.59 （等效8英寸） 317.28 不同尺寸、类型硅片价格(单位：元) 硅片尺寸时间沪硅产业立昂微上海合晶合舰芯片中芯国际华润微备注 2016年1601.71(SOI硅片)//224.00/205.74 162.47（抛光片） 2017年1588.98（SOI硅片）393.71（外延片）419.84（外延片）232.00230.92 288.66 8英寸及以下 （等效8英寸） 2019年 179.99（抛光片）170.86（抛光片） 1313.57（新傲SOI)466.39（外延片）572.29（外延片）2009.23（OkmeticSOI) 196.61（外延片）208.66（抛光片）213.86（抛光片） 283.03（抛光片） （等效8英寸） / 322.72 （等效8英寸） 313.92 12英寸 2016年/388.27/ （等效12英寸） 2017年283.63（抛光片）468.35517.5 2018年459.61（外延片）591.13647.07 根据产业调研正片：80-100美元挡片：45-55美元 369.45（抛光片） （等效12英寸） 测试片：60-75美元 2019年375.51（外延片）726.12 外延片：120美元以上 304.12（抛光片） （等效12英寸） 2021年全球半导体材料市场规模达643亿美元，同比增长15.9%。其中晶圆制造材料与封装材料市场规模分别为404亿美元和239亿美元，较前一年增长15.5%和16.5%。晶圆制造材料市场以硅片、湿化学品、化学机械研磨及光掩膜等细分市场表现最为强势。 硅片是价值量最高的半导体材料，占整个晶圆制造材料超过33%，全球市场规模达140亿美元。 700 全球半导体材料市场规模（亿美元）硅片是占比最高的晶圆制造材料 600 500 400 300 200 100 硅片光掩模光刻胶 光刻胶配套试剂 电子气体工艺化学品溅射靶材 CMP抛光材料 其他 0 201320142015201620172018201920202021 晶圆制造材料封装材料 目录CONTENTS 基石：芯片的起点，最重要的半导体材料 周期：行业周期波动，市场高度集中 供需：产能持续偏紧，LTA有助稳量稳价 破局：百舸争流，国产替代有望加速 投资建议：关注国产大硅片放量 11 半导体硅片受到下游芯片景气度的影响，具有一定周期性，周期通常为3-4年。2020年随着“疫情经济”以及5G、新能源、AIoT的快速渗透，对芯片的需求的不断提升，对硅片的需求也不断加大，半导体硅片处于景气上行周期，2021年全球硅片出货面积达142亿平方英寸，同比增长14%。 全球半导体硅片季度出货面积（亿平方英寸） 4000190% 3500 140% 3000 90% 2500 200040% 1500 -10% 1000 -60% 500 0-110% 硅片季度出货面