揭秘硅片产业，季度出货超30亿平方英寸，国产高端晶圆不断突破

　　硅片因其技术成熟、成本稳定、应用广泛等特点，是目前用于制造半导体器件的主流材料。据SEMI统计，2020年全球晶圆制造材料市场总额达349亿美元，其中硅片的销售额占比最高，达到36。64，是半导体制造最核心的原材料，硅片的供需情况与价格趋势也很大程度反映半导体行业的景气度。
　　2020年下半年起，全球半导体行业景气度持续高涨，上游硅片市场亦不例外，全球半导体硅片大厂自2020年底纷纷表示涨价意愿。2020年12月，环球晶圆率先提出提高现货市场硅晶圆价格的意向；2021年3月，全球第一大半导体硅片厂商信越化学宣布从4月起对其所有硅产品价格提高1020，这也是信越化学自2018年1月以来的首度涨价。
　　来源信达证券
　　原标题：
　　《全球硅片景气上行，国产厂商加速破局》
　　作者：方竞李少青01。硅片，半导体产业核心材料
　　半导体硅片是半导体器件的主要载体。硅片是半导体产业的上游原料，下游产业通过对硅片进行光刻、刻蚀、离子注入等加工，可将硅片制成各类半导体器件用于后续加工，如集成电路、二极管、功率器件等。硅片作为半导体材料绝缘性好，制成的半导体器件稳定性高，因而已被半导体产业所广泛使用。
　　半导体硅片所处的产业链环节
　　据SEMI统计，2020年全球晶圆制造材料市场总额达349亿美元。其中，硅片和硅基材料的销售额占比达到36。64，销售额约为128亿元。半导体硅片在晶圆制造材料市场中占比最高，是半导体制造的核心材料。
　　2020年全球半导体制造材料销售额（亿美元）
　　半导体制造材料销售结构
　　光伏行业对硅片纯度要求低，仅需达到99。9999，而用于半导体器件加工的硅片对纯度有着极高要求，需达到99。999999999。此外，半导体硅片还对硅片的平整度、光滑度有较高要求。正因如此，半导体硅片的提纯和加工技术门槛极高，全球的半导体硅片市场形成高度垄断。据Siltronic统计，2020年全球前五大硅片制造商为日本信越、SUMCO、环球晶圆、SKSiltron和世创，他们共同占据着半导体硅片市场87的份额。
　　全球硅片前五大公司的市场份额
　　我国硅片产业起步较晚，技术积累不及海外。目前国内的半导体硅片企业主要生产6英寸及以下的半导体硅片，少数企业具有8英寸和12英寸半导体硅片的生产能力，在2017年以前，12英寸半导体硅片几乎全部依赖进口。2018年，沪硅产业集团子公司上海新昇作为中国大陆首家实现12英寸硅片规模化销售的企业，打破了12英寸半导体硅片国产化率几乎长期为0的局面。
　　近年来，国内厂商加快了半导体硅片的研发投入和建设，已经多家厂商实现了从8英寸到12英寸半导体硅片的突破，目前半导体硅片的国产替代空间巨大，未来国内厂商有望充分受益半导体硅片的国产化。
　　随着半导体行业的发展，半导体器件的终端需求量不断提升。作为半导体行业的核心原材料，硅片的尺寸和技术生产水平也在持续进步，产品种类也丰富起来。对于半导体硅片，目前可以依照尺寸、应用场景等做进一步分类。
　　硅片尺寸遵循摩尔定律不断增大。1965年，2英寸（50mm）直径的硅片首次量产，随后30年里，4英寸（100mm），6英寸（150mm），8英寸（200mm）硅片相继问世，再到2000年12英寸（300mm）硅片实现量产。
　　硅片直径的提升使得硅片面积平方级增长，进而使得单块晶圆能产出的芯片数量也翻倍增长。硅片直径越大，芯片的平均生产成本越低，进而提供更经济的规模效益。但与此同时，生产更大直径的硅片，其所需要的生产工艺改进成本、设备性能提升，也将在投产初期给厂商带来更高的固定成本投入。
　　半导体硅片尺寸发展历程
　　硅片的尺寸越大，芯片单位成本越低，因而目前8英寸、12英寸的大尺寸硅片是行业主流，其中12英寸硅片格外受欢迎，出货面积连年保持增长。据SEMI统计，2019年12英寸硅片的出货面积达79。3亿平方英寸，占全部半导体硅片出货面积的67。2。根据ICInsights预测，2021年12英寸硅片产能占比有望提升至71。2。
　　全球不同尺寸半导体硅片出货面积（亿平方英寸）
　　全球不同尺寸半导体硅片出货面积占比
　　18寸（450mm）硅片是12寸（300mm）硅片发展的下一阶段，技术上目前已成功突破。但由于目前8寸和12寸的硅片已可以较好地满足目前的市场需求，且18寸硅片涉及的生产设备量产难度大，所需的固定成本投入高，产业链上下游对升级18寸硅片产线的动力非常有限。在可预期的将来，市场的主流硅片尺寸仍将保持在8英寸和12英寸。
　　从硅片在晶圆厂的应用场景来看，硅片可以分为挡片（DummyWafer）、控片（MonitorWafer）以及正片（PrimeWafer）。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1520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，但挡片的循环次数有限，一旦超过门限值，则只能报废处理或当作光伏硅片使用。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（reclaimedwafer）。
　　按应用场景对硅片的分类
　　半导体材料发展至今共有三代。第一代半导体以硅基、锗基半导体为首，技术成熟，应用广泛。第一代半导体材料的出现取代了电子管，引领了以集成电路为核心的微电子工业的发展和IT行业的飞跃。
　　第二代半导体以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表。一方面，第二代半导体的电子迁移率较硅基半导体更快，因此适用于高频传输，在无线通讯如手机、无线局域网、卫星定位等方面有应用。另一方面，第二代半导体具有直接带隙，因此可适用发光领域，如发光二极管（LED）、激光二极管（LD）、光接收器（PIN）及太阳能电池等产品。
　　第三代半导体材料，主要包括SiC、GaN、金刚石等，因其禁带宽度（Eg）大于或等于2。3电子伏特（eV），又被称为宽禁带半导体材料。第三代半导体材料目前研究重点多集中于碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）技术，其中SiC技术进展最快，意法半导体目前已实现8英寸SiC的量产，预计在2022年，8英寸的SiC将会大批量出货。
　　第一、二、三代半导体材料的总结与对比
　　硅基半导体始终是市场首选。三代半导体材料之间并非替代关系，而是根据不同的特性，彼此相互补充，各自具有不同的应用场景。硅片主要用于制造各类集成电路，技术成熟，成本稳定，应用广泛，是目前市场的主流选择。以SiC、GaN为首的第三代半导体材料在高温、高功率、高频和抗辐射等环境里表现更好，目前在射频器件、功率器件等方面得到广泛应用。
　　据Yole数据，2020年以SiC、GaN的第三代半导体的市场规模为14。93亿美元，但据MordorIntelligence数据，2020年半导体硅片的市场规模已达到107。9亿美元。从市场规模来看，硅片仍是半导体材料的绝对主流。
　　半导体硅片和SiC、GaN市场规模对比（亿美元）02。终端需求旺盛，赋能硅片成长动力
　　全球硅片需求主要由半导体行业需求带动。硅片是半导体行业最重要的原材料，在硅基板上的生产的半导体器件应用于各种消费电子产品、汽车电子及工业控制领域，根据Gartner统计，半导体行业下游市场主要可分为计算、无线通信、消费电子、汽车电子、工业电子、存储、有线通信七大类，2020年占比分别为30。8、27。5、10。5、10。5、8。3、7。4、4。8，预计2021年全年销售额增速为9。5。
　　2020年半导体细分下游市场占比
　　分器件来看，用8英寸晶圆与12英寸晶圆生产的半导体器件有所不同。由于先进制程工艺主要在12英寸Fab厂进行生产，12英寸晶圆主要用于生产高算力的逻辑器件、DRAM存储器、3DNAND存储器、CMOS图像传感器等；8英寸晶圆主要用于生产CMOS图像传感器、功率分立器件、MCU、模拟器件、电源管理芯片、显示驱动芯片等成熟制程芯片。
　　2020年12英寸晶圆下游分器件占比
　　2020年8英寸晶圆下游分器件占比
　　由于用8英寸晶圆和12英寸晶圆所生产的半导体器件不同，其终端应用领域也有较大差别。从终端应用市场规模来看，8英寸晶圆下游主要应用领域为汽车、工业、智能手机、白色家电、IoT等，其中汽车占比为33，工业占比为27，智能手机占比为19；12英寸晶圆下游主要应用领域为智能手机、PC、平板电脑、服务器、游戏、汽车、工业等，其中智能手机占比最大，达到32，PC、服务器分别占比为20、18。
　　2020年12英寸晶圆终端应用市场规模占比
　　2020年8英寸晶圆终端应用市场规模占比
　　从晶圆面积需求来看，终端需求的旺盛将带动半导体行业对晶圆面积需求的长期增长。根据Siltronic统计数据，2020年12英寸晶圆面积需求最大的终端市场为智能手机市场，占比25，其次为PC、工业、服务器、汽车市场。对晶圆面积需求最大的半导体器件为逻辑器件，占比34，其次为3DNAND存储器、DRAM存储器、功率等其他器件。
　　自2020年下半年以来，全球缺芯潮带动了半导体行业景气度高涨，直接带动了行业对上游硅片需求增长。SEMI发布报告称，2021年第二季度全球硅晶圆出货面积再创新高，达到3534百万平方英寸，同比增长12。在多种终端应用的推动下，全球硅片的供需仍将保持紧张趋势，我们认为，5G手机、汽车电动化、ADAS、数据中心、IoT等行业趋势将带动半导体行业需求结构性改善，从而带动硅片需求的长期增长。据SUMCO统计，2Q21全球12英寸硅片需求超过710万片月。
　　20142021年全球12英寸晶圆需求趋势（万片月）
　　根据SUMCO发布的全球12英寸晶圆需求预测数据，2021年全球12英寸晶圆需求将达到720万片月，到2025年将达到910万片月，其中需求占比最大的终端应用为智能手机，其次为数据中心、PC平板电脑、汽车，数据中心和汽车对12英寸晶圆的需求增长最为快速。
　　20212025年全球12英寸晶圆分终端需求预测（万片月）
　　根据SUMCO数据显示，2Q21全球8英寸晶圆需求达到590万片月，受上述产业趋势的带动，模拟器件、功率分立器件、CMOS图像传感器等细分市场规模将稳步增长，为8英寸硅片需求增长提供长期稳定的驱动力。
　　从下游晶圆厂产能扩张来看，由于8英寸晶圆设备供应不足、二手设备难寻、晶圆厂扩张8英寸产能意愿不强等因素，全球8英寸晶圆产能扩产力度较小。我们根据SEMI2019年2月份对全球8英寸晶圆产能展望，预计2021年全球8英寸晶圆产能将达到620万片月，2022年达到640万片月。
　　全球8英寸晶圆需求趋势（万片月）
　　全球8英寸晶圆产能及预测（百万片月）
　　1、智能手机
　　智能手机市场对硅片需求增长的驱动力来自5G手机替换潮。随着5G通信的商业化应用铺开，5G手机的市场渗透率也不断提高。相比4G手机而言，5G手机拥有更快的数据传输速度、更高的计算性能、更大的存储容量、更优秀的高清视频处理能力等优势，在处理器SoC、DRAM存储器、NANDFlash存储器、CMOS图像传感器、基带处理器、射频前端、电源管理芯片等芯片的性能需求上有较大的提升。据SUMCO数据显示，5G手机比4G手机单机硅片面积需求量提升了70，带动了智能手机市场对硅片的需求大幅增长。
　　5G手机对12英寸硅片面积需求变化
　　5G手机市场渗透率不断提升将带动硅片需求长期增长。2020年是5G手机大规模普及的元年，但由于疫情影响，全球智能手机销量有所下降，5G手机的普及速度也不及预期，全年渗透率不及20。但随着全球手机市场回暖、5G手机渗透率的不断提升，预计今年全球5G智能手机渗透率将提升至40，智能手机市场将长期驱动硅片需求增长。据SUMCO预测，2022年全球智能手机市场对12英寸硅片的需求将超过150万片月。
　　20192024年全球智能手机销量预测（百万台）
　　20192024年智能手机对12英寸晶圆需求（百万片月）
　　2、PC数据中心
　　疫情引起宅经济，催动PC、平板电脑需求增长。2020年的疫情使得人们的学生、生活方式发生了一定改变，人们对远程居家办公、在线教育、线上娱乐的需求带动了PC、平板电脑需求增长，自2Q20起，全球PC、平板电脑的销量逐步提升，4Q20全球PC销量达9159万台，平板电脑销量达5220万台，均创近年来历史记录。虽然由于PC市场季节性影响，1Q21出货量环比下降8。3，但此次为2012年以来第一季度跌幅最小的一次。
　　2020年2季度起PC销量大幅提升（百万台）
　　20年2季度起平板电脑销量大幅提升（百万台）
　　根据SUMCO预测数据，2021年全球PC平板电脑出货量将达未来五年峰值水平，PC出货量将超过3亿台，带动PC平板电脑对全球12英寸硅片需求将在2021年有大幅增长，达到超过900万片月，其中NAND存储器在PC中的需求增长最大。但随着3DNAND存储器的堆叠层数不断提高，单位晶圆面积的存储容量也将不断提升，因此后续PC市场NAND存储器对12英寸硅片需求贡献度将有小幅下滑。
　　全球PC平板电脑12英寸硅片需求预测（万片月）
　　数据中心需求增长是12英寸硅片需求长期增长的另一大动力。短期来看，2020年疫情影响，在线会议、在线网课等需求带动全球服务器出货量在2020年Q2快速攀升，同比增长达18。
　　下半年随着疫情好转，服务器市场进入去库存阶段，出货量同比持平且略有下滑。长期来看，随着云服务、5G通信、AI、IoT等产业趋势的快速发展，全球数据流量呈现爆发式增长，据SUMCO与CISCO预测，2022年全球IP流量将达到2019年的2倍。
　　数据中心需求增长是12英寸硅片需求长期增长的另一大动力。短期来看，2020年疫情影响，在线会议、在线网课等需求带动全球服务器出货量在2020年Q2快速攀升，同比增长达18。下半年随着疫情好转，服务器市场进入去库存阶段，出货量同比持平且略有下滑。
　　长期来看，随着云服务、5G通信、AI、IoT等产业趋势的快速发展，全球数据流量呈现爆发式增长，据SUMCO与CISCO预测，2022年全球IP流量将达到2019年的2倍。
　　硅片增长的另一大来源是汽车电动化趋势。相较于传统内燃机汽车，新能源汽车对MCU、传感器、功率半导体等器件的需求大增，尤其是功率半导体器件增量最大。汽车内部的电力输出需要通过MOSFET等功率器件转换实现，另外，IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用，是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件。
　　根据StrategyAnalytics和英飞凌统计，48V轻混动汽车单车功率器件价值量约为90美金，而全插电混合动力汽车和纯电动汽车（BEV）中功率器件的单车价值量约为330美金，是前者的接近4倍。
　　3、汽车电子
　　汽车智能化程度的提升对汽车芯片性能提出了更高要求。随着汽车智能化及车联网的发展，ADAS、座舱娱乐、V2X都对汽车芯片的运算能力和连接能力有更高的要求，因为自动驾驶技术需要处理大量图像信号、雷达信号等并在极短的时间内进行数据的运算、融合、决策，座舱娱乐需要智能手机、平板电脑级的处理器芯片，V2X需要汽车在极短的延迟时间内与其他车辆或路端、云端进行实时连接。自动驾驶级别的增长要求算力指数级别的增长和传感器等感知芯片的数量增长，从而带动汽车所需芯片面积的增长。
　　全球自动驾驶汽车出货量预测（万辆）03。海外厂商主导，国产替代空间广阔
　　全球硅片出货量2008年至今整体呈波动上涨趋势。2008年经济危机使得硅片产业受挫，2009年全球硅片出货量同比下滑17。57。20102013年全球经济逐渐复苏，支撑硅片产业反弹，但由于全球经济仍然低迷，四年来出货量维持相对稳定水平。
　　2014年至今，受到下游新兴应用领域崛起及12英寸半导体硅片技术的普及，出货量整体逐步攀升，2018年达到127。33亿平方英寸。2019年全球硅片出货量同比下降7。25至118。1亿平方英寸，主要由于存储器市场疲软和库存正常化所致，2020年市场出货量同比上升5。06。
　　全球硅片出货面积（亿平方英寸）
　　2017年开始硅片价格重回上升通道。20092011年在后金融危机影响下，全球主要硅片制造商取消扩产计划导致供给端收缩，因此硅片价格呈小幅上升趋势。但2012年开始，硅片价格开始不断下滑，硅片价格由2012年的0。96美元平方英寸下降至2016年的0。67美元平方英寸，主要由于制造商扩产计划顺利实施使得硅片市场产能过剩。在经历了六年的持续下滑后，硅片价格在2017年重回上升通道，20172019年硅片价格由0。74美元平方英寸上涨至0。95美元平方英寸，主要由于新能源汽车等新兴市场快速发展、5G手机的快速渗透带来半导体终端市场需求强劲，市场供需结构发生变化。
　　全球半导体硅片价格（美元平方英寸）
　　2020年下半年以来，全球半导体行业景气度持续高涨，上游硅片市场亦不例外。受益于下游需求持续旺盛，全球半导体硅片大厂自2020年底纷纷表示涨价意愿。2020年12月，环球晶圆率先提出提高现货市场硅晶圆价格的意向，并表示公司12英寸、8英寸、6英寸晶圆生产线均处在满负荷运行。
　　2021年3月，全球第一大半导体硅片厂商信越化学宣布从4月起对其所有硅产品价格提高1020，主要由于硅酮主要原材料金属硅成本上升及中国市场需求的强劲增长导致供应短缺，这也是信越化学自2018年1月以来的首度涨价。
　　在当前硅片制造市场中，以信越、SUMCO等国外及中国台湾环球晶圆为代表的硅片厂商仍占据主要市场份额。根据芯思想和沪硅产业招股说明书统计，20182020年全球前五大硅片制造商近三年合计占比分为别92。57、88和87。但从趋势来看，全球前五大硅片制造商合计占比逐步下降，中国大陆硅片制造商加速扩产挤压头部厂商份额。
　　全球前五大硅片制造商市场份额
　　目前国内晶圆需求端占据全球市场6左右，若包括国外在大陆建厂的晶圆厂商，总体需求占比约为全球晶圆需求的15。根据SUMCO预测，未来需求仍会持续稳定提升。根据芯思想统计，国内对12英寸硅片需求量为每月100万片，预计到2021年12月能达到130140万片。根据SEMI的预测，全球的半导体制造商预计将在2022年前开建29座高产能晶圆厂，其中16家分布在中国大陆和中国台湾，而其中绝大部分将为12英寸晶圆厂，因此晶圆厂对12英寸硅片的需求不断增长。
　　由于硅片面积越大，使用率越高，能有效降低单位成本的特点，大尺寸硅片逐渐成为主流，目前全球硅片供给市场以8英寸和12英寸硅片为主。但国内硅片制造由于受到技术工艺和成本影响，大多企业供应6英寸以下硅片。
　　目前国内硅片厂商中仅有部分企业拥有8英寸和12英寸硅片产能，但长远看整体发展趋势良好。根据芯思想统计，2020年中国内地8英寸抛光片和外延片装机产能分别为206万片月和197。5万片月，预计2021年将分别达到261万片月和215万片月，预计分别同比增长26。7和8。86。
　　国内12英寸硅片产线大部分还未大规模投产使用，但随着12英寸硅片生产技术的逐步成熟及CPUGPU等逻辑芯片和存储芯片的需求增加，未来将逐步向12英寸硅晶圆过渡。
　　国内具备12英寸硅片供应的厂商有沪硅产业（上海新昇）、重庆超硅、西安奕斯伟、中欣晶圆、中环领先、立昂微（金瑞泓）等6家公司，拥有12寸生产线的厂商超过15家。根据芯思想统计，2020年中国内地12英寸抛光片和外延片装机产能分别为41。5万片月和7。5万片月，预计2021年分别达到153。5万片月和23。5万片月，增长迅速。
　　据ICInsights统计数据，2018年中国硅晶圆产能243万片月，中国大陆硅晶圆产能占全球硅晶圆产能12。5。中国政府鼓励半导体材料国产化，支持我国厂商进行研发，使得国内硅片技术不断进步。随着半导体制造硅晶圆产能持续向中国转移，ICInsights预计2022年中国大陆晶圆厂产能将达410万片月，占全球产能17。15。
　　中国硅晶圆产能情况（百万片月）
　　目前全球半导体硅片市场被日本、德国、韩国、中国台湾等国家和地区的五家厂商垄断近九成市场份额。国内半导体硅片行业起步较晚，2017年以前12英寸半导体硅片几乎全部依赖进口。2018年沪硅产业集团子公司上海新昇作为中国大陆率先实现12英寸硅片规模化销售的企业，打破了12英寸半导体硅片国产化率几乎为0的局面。
　　中国大陆硅片整体产能加大投入，目前从事硅片生产的厂商主要有沪硅产业、中环股份、立昂微、中欣晶圆、超硅、神工股份等十余家。各硅片厂商纷纷投产8英寸及12英寸大硅片项目，其中沪硅产业8英寸硅片产能达到45万片月，其中包括外延片及抛光片合计产能40万片月，及SOI硅片5万片月，12英寸硅片达到25万片月；中欣晶圆8英寸和12英寸硅片产能分别达到45万片月和10万片月；中环天津和宜兴工厂8英寸硅片产能合计60万片月，12英寸硅片产能分别为2万片月和510万片月，且江苏基地将启动二期项目，持续为未来大尺寸硅片扩产助力。
　　中国大陆硅片制造厂商
　　智东西认为，在整个半导体产业链中，硅片处于最上游，贯通整个芯片制造的前道和后道工艺，没有硅片半导体行业将为无水之源。2020年以来，大数据、新能源、人工智能等趋势开启了新一代电子产品更新，支撑硅片需求爆发式增长。近来市场出现的缺芯潮，进一步全球硅片市场进入新一轮的增长。在多种因素作用下，现在或是中国硅片产业最好的发展机遇。