新材料行业半导体材料系列之一：技术迭代拉动硅片市场国内产业布局曙光初现-20200420-中信证券-51页.pdf

证券研究报告 请务必阅读正文之后的免责条款 技术迭代拉动硅片市场，国内产业布局曙光初现技术迭代拉动硅片市场，国内产业布局曙光初现 新材料行业半导体材料系列之一2020.4.20 中信证券研究部中信证券研究部 核心观点核心观点 袁健聪袁健聪 首席新材料分析师 S1010517080005 徐涛徐涛 首席电子分析师 S1010517080003 弓永峰弓永峰 首席电新分析师 S1010517070002 硅片是集成电路制备的重要材料，逐步向大尺寸发展，目前已经发展到以硅片是集成电路制备的重要材料，逐步向大尺寸发展，目前已经发展到以 12英寸为主流尺寸。预计在逻辑芯片、存储芯片等拉动下英寸为主流尺寸。预计在逻辑芯片、存储芯片等拉动下，2023 年全球年全球 12 英寸英寸硅片需求达到硅片需求达到 797 万片万片/月，月，8 英寸硅片需求英寸硅片需求 604 万片万片/月。目前全球硅片市场月。目前全球硅片市场份额被海外垄断，国内硅片市场快速扩张亟需国产硅片填补空白。份额被海外垄断，国内硅片市场快速扩张亟需国产硅片填补空白。国内厂商借国内厂商借鉴海外龙头优秀企业的发展路径，通过政府支持、水平收购、垂直整合等手段鉴海外龙头优秀企业的发展路径，通过政府支持、水平收购、垂直整合等手段发展壮大。发展壮大。建议关注即将上市的建议关注即将上市的硅产业硅产业集团集团。硅片是集成电路制备的重要材料。硅片是集成电路制备的重要材料。硅片是制作集成电路的重要材料，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。全球 95%以上的半导体器件采用硅作为衬底材料，从目前来看，硅片仍将维持主流半导体材料的地位。为了增加硅片上制作芯片的数量，提高硅片利用率，硅片正在不断向大尺寸发展，目前硅片以 12 英寸作为主流尺寸。下游应用需求上升有望持续带动硅片产量增长下游应用需求上升有望持续带动硅片产量增长。12 英寸硅片：英寸硅片：主要用于生产逻辑、存储芯片等高端产品，2018年 12寸硅片下游应用中，2D NAND和 3D NAND占比分别为 13%、20%，合计占比达到 33%。预计 3D NAND 有望取代 2D NAND成为驱动 12 寸硅片产能增长的主要因素。预计全球 2019-2023 年 12 寸硅片下游需求有望从 641 万片/月增长至 797 万片/月；8 英寸英寸硅片：硅片：主要用于生产模拟芯片及功率分立器件，受益汽车电子、5G 通信等领域的快速发展，预计2019-2023 年 8 寸硅片下游需求有望从 567 万片/月增长至 604 万片/月，推动 8寸硅片市场向好。硅片全球市场份额现阶段被国外垄断硅片全球市场份额现阶段被国外垄断，国内硅片市场快速扩张亟需国产硅片填，国内硅片市场快速扩张亟需国产硅片填补空白补空白。据硅产业招股说明书数据，据硅产业招股说明书数据，全球前五大半导体硅片供应商占据高达92.8%的产能。其中信越化学、日本胜高、德国世创、台湾环球晶圆与 SK-Siltron占比分别为 28.4%、25.1%、14.8%、14%、10.5%。2016-2018 年中国大陆晶圆产能增速达到 28%，远高于全球其他国家和地区。同期中国大陆半导体硅片销售额从 5.0 亿美元上升至 9.9 亿美元，年均复合增长率约 40%，远高于同期全球半导体硅片的 26%。我们认为国内硅片需求快速增长，迫切需要国产硅片厂商发展壮大填补空白。中国大陆企业中国大陆企业有望有望借鉴借鉴国际国际龙头发展经验扬帆起航。龙头发展经验扬帆起航。中国大陆硅片厂商主要包括上海硅产业、有研半导体以及天津中环股份等。其中硅产业集团通过借鉴行业新晋龙头中国台湾环球晶圆发展路径，通过持续并购增强技术产能储备和下游客户关系。公司通过并购上海新昇、新傲科技、Okmetic 补充 12 英寸大硅片和 SOI硅片等相关技术，实现了在半导体硅片领域多产品线战略布局。风险因素：风险因素：硅片下游行业景气度不及预期；半导体国产替代进程不及预期；国内硅片厂商业绩不及预期。投资策略：投资策略：硅片作为集成电路制备的重要材料，逐步向大尺寸发展，目前已经发展到以 12 英寸为主流尺寸。预计在逻辑芯片、存储芯片等拉动下硅片需求快速上升。目前全球硅片市场份额被海外垄断，国内硅片市场快速扩张亟需国产硅片填补空白。建议关注即将上市的硅产业集团，公司通过多次并购增强技术产能储备与下游客户关系，现已成为 12 英寸大硅片和 SOI 硅片的领先制造商。新材料新材料行业行业半导体材料系列之一半导体材料系列之一2020.4.20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 目录目录 硅片是集成电路制造的核心原材料，向大尺寸化发展硅片是集成电路制造的核心原材料，向大尺寸化发展.1 硅是第一代半导体材料，是集成电路制造的基石.1 硅片对纯度有极高要求，晶体生长是核心工艺环节.2 芯片制程和硅片尺寸并行发展.6 硅片价格及成本.8 硅片应用领域及需求预测硅片应用领域及需求预测.11 受益全球半导体行业增长，硅片市场持续扩张.11 12 英寸硅片主要用于逻辑、存储芯片，预计2023 年全球需求为797 万片/月.13 8 英寸硅片主要用于模拟芯片、分立器件，预计 2023 年全球需求为 604 万片/月.20 总结：预计 2023 年全球及中国大陆硅片规模分别为 173 亿美元和 50 亿美元.23 硅片市场格局硅片市场格局.25 全球行业整体格局.25 晶圆产能转向国内，催化国内硅片市场迅速扩张.26 硅片生产工艺复杂，国内追赶仍存在较大挑战.27 国外半导体硅片龙头企业国外半导体硅片龙头企业.29 全球硅片制造商竞争格局.29 信越化学：综合性化工企业，硅片领域龙头供应商.29 胜高集团：半导体硅片专营企业，硅片技术龙头.31 德国世创：欧洲半导体硅片龙头，产能排名领先.33 环球晶圆：凭借一系列收购活动实现技术与产能崛起.34 SK Siltron（SK 硅）：垂直收购受益，具有稳定的客户关系.36 他山之石，可以攻玉值得借鉴的国外龙头硅片企业发展路径.37 国内硅片国内硅片企业企业.38 国内硅片制造商竞争格局.38 风险因素风险因素.39 投资建议投资建议.39 硅产业集团：12 英寸大硅片与 SOI 硅片的领先制造商.40 有研半导体.42 金瑞泓科技.43 超硅半导体.44 其他公司.44 pOtQtNvMqRmMqPpMoRnRqR6M8QbRoMoOnPmMiNqQmQkPnPnN8OtRnMMYmRtRMYpOqO 新材料新材料行业行业半导体材料系列之一半导体材料系列之一2020.4.20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 插图目录插图目录 图 1：单晶硅棒.1 图 2：硅晶圆片.1 图 3：半导体晶圆材料的基本框架.2 图 4：硅片加工工艺及应用.3 图 5：主流改良西门子法生产多晶硅工艺流程.3 图 6：多晶硅采用直拉法得到单晶硅棒的工艺流程.4 图 7：区熔法示意图.5 图 8：区熔法工艺流程图.5 图 9：晶圆成型工艺流程.5 图 10：硅片按加工工序分类.6 图 11：摩尔定律下芯片制程和硅片尺寸并行发展.6 图 12：半导体硅片技术演进史.7 图 13：全球晶圆代工厂各制程市场规模.8 图 14：制程阶段与晶圆尺寸相对应.8 图 15：2009-2019 硅片价格走势.9 图 16：全球半导体设备销售额.9 图 17：硅片价格指数随技术升级倍数增.9 图 18：12 寸硅片单位成本及占比.10 图 19：8 寸及以下硅片（含 SOI 片）单位成本及占比.10 图 20：多晶硅采购单价以及占原材料比重.10 图 21：全球与中国半导体行业销售额.11 图 22：全球半导体材料销售额.11 图 23：国内半导体材料销售额.11 图 24：2011-2018 年全球半导体制造材料.12 图 25：2018 年全球半导体制造材料市场结构.12 图 26：全球硅片市场规模.12 图 27：中国大陆硅片市场规模.12 图 28：全球不同尺寸半导体硅片出货面积.13 图 29：全球不同尺寸半导体硅片出货面积占比.13 图 30：2018 年 12 英寸硅片下游应用占比.14 图 31：2019 年全球芯片制造行业各类半导体产能增速.14 图 32：2018 年存储 IC 市场结构.14 图 33：全球 DRAM、NAND 历年市场规模.14 图 34：3D NAND 是当前 NAND 的主流工艺.15 图 35：3D 闪存存储容量趋势.15 图 36：NAND Flash 下游产品占比.15 图 37：NAND 需求及预测.15 图 38：2018 年 DRAM 下游需求占比.17 图 39：DRAM 需求及预测.17 图 40：2018 年 DRAM 各厂商市场份额.17 图 41：DRAM 制程市占率.17 图 42：DARM 行业供需关系分析.18 图 43：2010-2018 年全球逻辑 IC 市场规模及增速.18 新材料新材料行业行业半导体材料系列之一半导体材料系列之一2020.4.20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 图 44：全球大型逻辑 IC 公司分类.18 图 45：12 寸硅片下游需求增速.19 图 46：12 寸硅片下游需求结构.19 图 47：全球 12 寸硅片产能供给需求预测.19 图 48：2018 年 8 寸硅片下游应用需求结构预测.20 图 49：8 寸晶圆下游产品占比变化情况.20 图 50：2018 年模拟电路下游应用金额占比.21 图 51：2017-2022E 集成电路各行业复合增长率.21 图 52：功率半导体器件分类.21 图 53：全球功率半导体器件市场规模.21 图 54：基站数目快速提升.22 图 55：5G 智能手机射频前端价值量预计为 25 美元.22 图 56：射频前端电路市场规模及增速.22 图 57：电动汽车功率器件价值量（单车 ASP）翻倍.23 图 58：全球汽车功率半导体市场规模.23 图 59：全球 8 寸晶圆产能.23 图 60：8 寸硅片下游应用领域供需预测.23 图 61：全球 8 寸、12 寸硅片需求.24 图 62：中国大陆 8 寸、12 寸硅片需求.24 图 63：全球及国内硅片需求规模预测.24 图 64：2016-2018 全球半导体硅片市场竞争格局变化.25 图 65：2018 年半导体硅片企业市场占比.25 图 66：半导体产业链.26 图 67：2018 年全球晶圆产能市场份额.26 图 68：2016-2018 年全球晶圆产能增速排名.26 图 69：全球半导体材料销售额.27 图 70：国内半导体材料销售额.27 图 71：中国集成电路行业进出口金额.27 图 72：国外龙头对比分析.29 图 73：信越化学公司各业务部的市场排名.30 图 74：2016-2018 年信越化学各业务部营业利润占比.30 图 75：信越化学半导体硅片事业部销售收入.30 图 76：信越化学半导体硅片事业部营业利润.30 图 77：信越化学半导体硅片产品.31 图 78：信越化学的业务协同关系.31 图 79：SUMCO2018 年销售收入.31 图 80：2014-2018 年 SUMCO 公司销售收入.32 图 81：2014-2018 年 SUMCO 公司营业利润.32 图 82：SUMCO 的主要硅片产品.32 图 83：SUMCO 在半导体硅片领域的专利情况.33 图 84：SUMCO 的 Top10 下游客户净销售额.33 图 85：2014-2018 年 Siltronic AG 公司销售收入.33 图 86：2014-2018 年 Siltronic AG 公司营业利润.33 图 87：德国世创公司生产基地.34 图 88：德国世创下游客户.34 图 89：环球晶圆并购路径.34 新材料新材料行业行业半导体材料系列之一半导体材料系列之一2020.4.20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 图 90：2015-2019 年环球晶圆营业收入.35 图 91：2015-2019 年环球晶圆税前营业利润.35 图 92：环球晶圆公司下游客户分布.35 图 93：环球晶圆公司硅片产品.36 图 94：2017-2019 年 SK Siltron 销售.37 图 95：2017-2019 年 SK Siltron 营业利润.37 图 96：国内硅片制造商竞争格局.38 图 97：硅产业集团发展历史.40 图 98：近四年硅产业集团的营业收入与净利润.40 图 99：硅产业集团下属子公司及产品.40 图 100：环球晶圆的并购路径.41 图 101：硅产业集团的并购路径.41 图 102：硅产业集团 8 英寸硅片验证客户数.41 图 103：硅产业集团 12 英寸硅片验证客户数.41 图 104：硅产业集团硅片产能.42 图 110：有研半导体材料硅片产品.43 图 111：合资硅片商的股权架构.45 图 112：合资硅片商产能比较.45 表格目录表格目录 表 1：不同半导体材料性能比较.2 表 2：直拉法、区熔法制作的硅片产品和应用领域.4 表 3：制程-尺寸对应半导体产品细分.7 表 4：NAND Flash 原厂晶圆产能情况.16 表 5：2019-2023 全球及大陆硅片相关需求预测.24 表 6：国内半导体材料企业发展借鉴.37 表 7：国内大硅片产能规划总览.38 表 8：金瑞泓科技硅片产品.44 新材料新材料行业行业半导体材料系列之一半导体材料系列之一2020.4.20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 1 硅片是集成电路制造的核心原材料，向大尺寸化发展硅片是集成电路制造的核心原材料，向大尺寸化发展 硅硅是第一代半导体材料，是集成电路制造的基石是第一代半导体材料，是集成电路制造的基石 硅是第一代半导体材料硅是第一代半导体材料，半导体材料是制作半导体元件的核心，是芯片和电子设备制半导体材料是制作半导体元件的核心，是芯片和电子设备制造工业的基础造工业的基础。硅片是制作集成电路的重要材料，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。硅储量丰富，在自然界多以二氧化硅的形式存在，提纯与拉晶工艺也非常成熟，并且氧化形成的二氧化硅薄膜绝缘性能好，使得器件稳定性可靠性大为提高，因而硅已经成为应用最广的一种半导体材料。图 1：单晶硅棒 图 2：硅晶圆片 资料来源：新华网 资料来源：广州硅峰电子科技官网 硅片作为主流材料趋势不变硅片作为主流材料趋势不变。晶圆材料经历了 60 余年的技术演进和产业发展，形成了当今以硅为主、新型半导体材料为补充的产业局面。Si 的物理性质限制了其在光电子和高频、高功率器件上的应用，于是发展出了 SiC、GaN 等化合物半导体满足了电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求。化合物半导体多用于射频器件、光电器件、功率器件等制造，具有很大发展潜力；硅器件则多用于逻辑器件、存储器等，相互之间具有不可替代性质。且从半导体器件产值来看，全球 95%以上的半导体器件采用硅作为衬底材料，从目前来看，硅片仍将维持主流半导体材料的地位。新材料新材料行业行业半导体材料系列之一半导体材料系列之一2020.4.20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2 图 3：半导体晶圆材料的基本框架 资料来源：半导体行业观察，中信证券研究部 表 1：不同半导体材料性能比较 硅硅 GaN SiC 禁带宽度 eV 1,1 3.4 3 熔点 1420 2500 2540 电子迁移率 cm/(Vs)1500 1000 400 空穴迁移率 cm/(Vs)600 200 50 电阻率 10 0.2 1.5 击穿电场 108 V/m 0.3 5 4 介电常数 11.8 5.5 9.7 频率 GHz 2 以下 2-300 2-300 资料来源：半导体行业观察，中信证券研究部 硅片硅片对纯度有极高要求，晶体生长是核心工艺环节对纯度有极高要求，晶体生长是核心工艺环节 半导体级硅片对纯度要求极高，对工艺制作提出更高要求半导体级硅片对纯度要求极高，对工艺制作提出更高要求。硅片主要用于半导体和光伏两大领域；其中，半导体硅片制造技术较难、下游应用广泛、市场价值较高，为硅片主要应用领域。光伏领域相对要求较低，纯度标准为 4-6N，半导体硅片纯度要求较高，标准为 11N 以上，并且半导体大硅片表面的平整度、光滑度以及洁净度要控制在 1nm 以内，因此需要通过更加精密且严谨的工艺才能制作完成。新材料新材料行业行业半导体材料系列之一半导体材料系列之一2020.4.20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 3 图 4：硅片加工工艺及应用 资料来源：SUMCO 公告，中国光伏产业发展路线图（中国光伏行业协会），中信证券研究部 硅片制备流程第一步是要对硅进行提纯。硅片制备流程第一步是要对硅进行提纯。目前，全球前十大多晶硅生产企业均采用三氯氢硅改良西门子法进行多晶硅生产。具体工艺流程是氯化氢和工业硅粉在沸腾炉内合成制备三氯氢硅，通过利用各种氯化物的挥发性差别，精馏制备得到高纯三氯氢硅，然后在1100左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上，得到的就是电子级多晶硅（纯度高达 99.999999999%）。图 5：主流改良西门子法生产多晶硅工艺流程 资料来源：大全新能源公告，中信证券研究部 拉晶工艺是硅片制作最核心的工艺步骤，决定了硅片的质量和纯度。拉晶工艺是硅片制作最核心的工艺步骤，决定了硅片的质量和纯度。按照拉晶工艺，可将硅片分类：直拉法制得的单晶硅，称为 CZ 硅（片）;磁控直拉法制得的单晶硅，称为MCZ 硅（片）；悬浮区熔法制得的单晶硅，称为 FZ 硅（片）。直拉法生产出的单晶硅多用于生产低功率的集成电路元件，而区熔法生产出的单晶硅则主要用来生产高功率器件。直 新材料新材料行业行业半导体材料系列之一半导体材料系列之一2020.4.20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 4 拉法含氧量较高、机械强度大、硅片尺寸大，适用于一般集成电路应用。随着晶棒尺寸变大，为了提高晶棒良率和品质，在 CZ 法中加入磁场转化为温度控制系统的 MCZ 法成为新选择。表 2：直拉法、区熔法制作的硅片产品和应用领域 硅晶圆尺寸（英寸）终端应用领域 6 6 8 12 退火硅片 记忆体、液晶显示驱动晶片、类比/逻辑集成电路 外延硅片 功率元件、车用电子、微处理器/微控制器、影像感测器 抛光硅片 通信器件、功率原件、类比/逻辑集成电路、记忆体 扩散硅片 车用电子、电源管理、航太 非抛光硅片 分离式原件 区熔硅片 医疗设备、风力涡轮机、高速铁路、车用电子 绝缘硅片（SOI)高伏功率原件、微机电感测器、互补金属氧化物半导体、射频原件、光电通信 碳化硅硅片 车用电子、高伏功率原件、高速铁路、风力涡轮机 氮化嫁/硅基板氮化镓/碳化硅 光伏变流器、电源供应器、射频元件 资料来源：环球晶圆，中信证券研究部 全球全球 85%的硅片由直拉法制备，可用于制作的硅片由直拉法制备，可用于制作 8、12 英寸硅片。英寸硅片。高纯度的多晶硅放在石英坩埚中，并用外面围绕着的石墨加热器不断加热，温度维持在大约 1400，炉中的空气通常是惰性气体。为了形成单晶硅，还需要控制晶体的方向：坩埚带着多晶硅熔化物在旋转，把一颗籽晶浸入其中，并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转，同时慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。熔化的多晶硅会粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不断地生长上去。因此所生长的晶体的方向性是由籽晶所决定的，在其被拉出和冷却后就生长成了与籽晶内部晶格方向相同的单晶硅棒。图 6：多晶硅采用直拉法得到单晶硅棒的工艺流程 资料来源：SUMCO 公告 全球全球 15%的硅片由区熔法制备，拉出的单晶硅尺寸主要为的硅片由区熔法制备，拉出的单晶硅尺寸主要为 8 英寸、英寸、6 英寸，是制作整英寸，是制作整流器、流器、IGBT 等大功率器件的主流技术。等大功率器件的主流技术。区熔法利用高频线圈在多晶硅棒靠近籽晶一端形成一个熔化区，熔化区靠表面张力不流淌，移动硅棒或线圈使熔区朝晶体生长方向不断移动，向下拉出得到单晶硅棒。这种方法较直拉法而言，制备晶体时不使用坩埚，因此避免了来自坩埚的污染。区熔法制成的单晶硅机械性质较 CZ 硅片差，因而限制了其在集成电路 IC 制程上的应用，但由于其具有纯度高、含氧量低、污染度低、电阻率高（杂质分凝和蒸发效应）、耐高压的特性，在功率器件市场仍然扮演者重要的角色。新材料新材料行业行业半导体材料系列之一半导体材料系列之一2020.4.20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 5 图 7：区熔法示意图 图 8：区熔法工艺流程图 资料来源：Siltronic 公告 资料来源：Siltronic 公告 得到单晶硅棒后，最后一步是晶圆成型得到单晶硅棒后，最后一步是晶圆成型。将得到的单晶硅棒按适当的尺寸进行切片，然后进行研磨，将凹凸的切痕磨掉，再用化学机械抛光工艺进一步去除加工表面残留的损伤层，最后对晶圆进行清洗。图 9：晶圆成型工艺流程 资料来源：SUMCO 公告 硅片中最基础和常见的种类为抛光片，占比达到硅片中最基础和常见的种类为抛光片，占比达到 70%。抛光片可经专业化处理，进一步加工为退火片、外延片与 SOI 硅片。抛光片在氢气或氩气中进行高温退火后，以除去晶片表面附近的氧气。所得退火片可更进一步提高表面的结晶品质。一般用于 CMOS 元件制造及 DRAM。外延片是外延生长形成的具有单晶薄膜的衬底晶片，外延产品主要应用于CMOS 产品、微处理器、逻辑芯片以及 NAND FLASH 和 DRAM 等存储器，分立元件。SOI 硅片即绝缘体上硅，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 硅片适合应用在要求耐高压、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、汽车电子、传感器以及星载芯片等。新材料新材料行业行业半导体材料系列之一半导体材料系列之一2020.4.20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 6 图 10：硅片按加工工序分类 资料来源：SUMCO 公告，中信证券研究部 芯片制程和硅片尺寸并行发展芯片制程和硅片尺寸并行发展 硅片尺寸的扩大和芯片制程的减小是集成电路行业技术进步的两条主线。硅片尺寸的扩大和芯片制程的减小是集成电路行业技术进步的两条主线。（1）制程越小,意味着晶体管的缩小，晶体管密度的成倍增加，从而使性能得到大幅度提升。（2）一般来说，硅片尺寸越大，每片晶圆产出芯片数量更多，用于生产半导体的生产效率越高，单位耗用原材料越少，成本就越低。半导体遵循一代芯片、一代硅片原则。随着半导体技术进步，芯片在材料、结构、工艺上皆有升级，硅片价值量也将持续迭代。图 11：摩尔定律下芯片制程和硅片尺寸并行发展 资料来源：SUMCO 公告 按直径可将硅片划分为按直径可将硅片划分为 4 英寸、英寸、6 英寸、英寸、8 英寸、英寸、12 英寸等，目前已发展到英寸等，目前已发展到 18 英寸英寸。英寸是晶圆直径的简称，分别对应 100mm、150mm、200mm、300mm 和 450mm。为了在一个硅片上经一次工艺循环可制作的集成电路芯片数越多，硅片正在不断向大尺寸发展，但是尺寸越大，同时会对半导体硅片的生产技术、设备、材料、工艺的要求也越高，目前已研发出 18 英寸，预计在 2020 年左右将开始投入使用。但由于成本较高，尚不具备经济价值，因此未来几年的先进制程芯片预计持续以 12 英寸作为主流尺寸。新材料新材料行业行业半导体材料系列之一半导体材料系列之一2020.4.20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 7 图 12：半导体硅片技术演进史 资料来源：芯片制造（Peter Van Zant，中国工信出版集团），中信证券研究部 不同制程应用领域不同不同制程应用领域不同。20nm 以下先进制程主要用于高性能计算领域，如智能手机主芯片、计算机 CPU、GPU、高性能 FPGA 等。20nm-32nm 先进制程主要应用于存储和中低端微处理器，包括 DRAM、NAND Flash 等存储芯片、中低端处理器芯片、影像处理器等。45-90nm 的成熟制程主要用于性能需求略低，对成本和生产效率要求高的领域，例如手机基带、WiFi、GPS、蓝牙、NFC、NOR Flash 芯片等。90nm 至 0.15m 主要应用于模拟芯片、光电传感。0.18m-0.25m 主要有非易失性存储（NVM）如银行卡、sim 卡等，0.35m 以上主要为 MOSFET、IGBT 等功率分立器件。表 3：制程-尺寸对应半导体产品细分 尺寸尺寸 制程制程 半导体产品半导体产品 12 英寸先进制程 7nm 高端智能手机处理器；高性能计算（个人电脑、服务器 CPU、矿机）10nm 高端智能手机处理器；高性能计算（个人电脑、服务器、矿机）16/14nm 高端显卡；智能手机处理器；个人电脑 CPU；服务器处理器；矿机芯片；FPGA 芯片等 20nm-22nm 存储（DRAM、NAND Flash）；低端智能手机处理器；个人电脑 CPU；FPGA 芯片；矿机芯片；数字电视、机顶盒处理器；移动端影像处理器 12 英寸成熟制程 28nm-32num WiFi 蓝牙芯片；音效处理芯片；存储芯片；FPGA 芯片；ASIC 芯片；数字电视、机顶盒；低电压、低功耗物联网芯片等 45nm-65nm DSP 处理器；影像传感器(CIS)；射频芯片；WiFi、蓝牙、GPS、NFC、ZigBee 等芯片；传感器中枢；非易失性存储 65nm-90nm 物联网 MCU 芯片、射频芯片、功率器件等 8 英寸 90nm-0.13m 物联网 MCU 芯片；汽车 MCU 芯片；射频芯片；基站通讯设备 DSP、FPGA、功率器件等 0.13m-0.15m 指纹识别芯片、影像传感器、通信 MCU、电源管理芯片、功率器件、液晶驱动 IC、传感器芯片等 0.18-m-0.25m 影像传感器、嵌入式非易失性存储芯片（银行卡、SIM 卡、身份证等）6 英寸 0.35m-0.5m MOSFET 功率器件、汽车用 IGBT 等 0.5m-1.2m MOSFET 功率器件、IGBT、MEMS、二极管等 资料来源：半导体行业观察，中信证券研究部 新材料新材料行业行业半导体材料系列之一半导体材料系列之一2020.4.20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 8 12 英寸硅片主要用来生产先进制程。英寸硅片主要用来生产先进制程。根据 IHS 数据预测，28nm 及以上旧节点市场需求相对稳定，全球纯晶圆代工市场的增量空间主要来自高性能计算应用持续向最先进制程迁移，现在已经发展到了 5nm，预计今年得到量产应用。在半导体材料选择上，半导体芯片制造厂商会综合生产效率、工艺难度及生产成本等多项因素，使用不同的硅片来匹配各种规格的半导体产品。6 英寸、8 英寸硅片生产设备普遍折旧完毕，生产成本更低，且已具备了成熟的特种工艺，这种特种工艺技术能使尺寸较小的晶粒包含更多的模拟内容或支持较高电压，故主要用来生产 90nm 以上的成熟制程。随着半导体技术进步，芯片在材料、结构、工艺上皆有升级。半导体遵循一代芯片、一代硅片原则，硅片工艺同步芯片技术节点向前推进，且大尺寸晶圆产出效率高，故主要用来生产 5nm-0.13m 的制程。其中，5nm-28nm 是先进制程，28nm-130nm 是成熟制程，28nm 为分界区分了先进制程与成熟制程，主要原因是 28nm 以后引入 FinFET 等新设计、新工艺，晶圆制造难度大大提升。图 13：全球晶圆代工厂各制程市场规模（单位：十亿美元）图 14：制程阶段与晶圆尺寸相对应 资料来源：IHS（含预测），中信证券研究部 资料来源：前瞻产业研究院，中信证券研究部 硅片硅片价格及成本价格及成本 受益受益 5G、AI，硅片价格近年来持续上涨。，硅片价格近年来持续上涨。2009-2011 年，由于智能手机的兴起，带动硅片价格持续上涨。之后随着硅片库存提高及手机销量的下滑，硅片价格随之下滑，从2011 年的 1.09 美元/平方英寸跌至 2016 年的 0.67 美元/平方英寸。随着 2016 年人工智能的兴起，硅片需求持续提升，进入新一轮涨价周期，2019 年 5G 进入商用阶段，硅片价格涨至 0.94 美元/平方英寸。02040608090nm及以上65/55nm40nm28nm20nm16/14nm10nm7nm5nm 新材料新材料行业行业半导体材料系列之一半导体材料系列之一2020.4.20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 9 图 15：2009-2019 硅片价格走势（单位：美元/平方英寸）资料来源：SEMI 半导体技术节点迭代升级对硅片提出更高要求。半导体技术节点迭代升级对硅片提出更高要求。新型终端产品的创造和原有产品的迭代不断产生，硅片价值量向上迭代。从功率类、到逻辑、再到存储，从130/90nm、到 40/28nm、再到 7/5nm，大硅片工艺和加工难度伴随产品和工艺升级具备同步升级效应，硅片价格同步倍增。受 5G、lot、AI 等新技术驱动，半导体行业技术工艺不断改进，进而引发新一轮半导体设备需求。2018 年，全球半导体设备销售额达到 644 亿美元。与此同时，上游硅片企业也具备较高产品创新和升级空间。图 16：全球半导体设备销售额（单位：亿美元）图 17：硅片价格指数随技术升级倍数增长(TSMC 为例)资料来源：SEMI（含预测），超级工程，中信证券研究部 资料来源：TSMC，IC Knowledge，中信证券研究部 12 寸寸硅片成本主要为硅片成本主要为原材料原材料、设备折旧费设备折旧费，8 寸寸硅片成本主要硅片成本主要为原材料和人工费用为原材料和人工费用。据沪硅产业招股说明书数据，12 寸硅片中，原材料占成本比重分别为 27.0%、43.0%及38.9%，设备折旧费用分别为 33.2%、26.0%、30.5%（2017-2019 年 1-9 月），原材料和折旧合计占成本超过 60%；8 寸硅片中，原材料成本比重分别为 30.5%、28.9%、27.6%和 25.2%，人工费用分别为 25.7%、26.7%、28.8%、30.3%（2016-2019 年 1-9 月），原材料和人工占比合计超过 50%。总体看 12 寸硅片成本中原材料和折旧占比较大，8 寸硅片成本中原材料和人工费用占比较大。11.041.090.960.830.760.690.670.740.890.940.00.20.40.60.81.01.21.41.62009201020112012201320142015201620172018201901002003004005006007008002001200220032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019E2020E2021E0.01.02.03.04.05.06.07.0130nm90nm65nm40nm28nm20nm16nm10nm7nm5nm130 nm至 5nm 大硅片成本提升近10倍大硅片价格指数5G AI loT 手机、平板电脑 0.13m 45nm 14nm 5nm PC 0.13m 45nm 14nm 5nm 新材料新材料行业行业半导体材料系列之一半导体材料系列之一2020.4.20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 10 图 18：12 寸硅片单位成本及占比（单位：元）图 19：8 寸及以下硅片（含 SOI 片）单位成本及占比（单位：元）资料来源：沪硅产业招股说明书，中信证券研究部 资料来源：沪硅产业招股说明书，中信证券研究部 硅片原材料多晶硅采购单价近年来呈现下降趋势。硅片原材料多晶硅采购单价近年来呈现下降趋势。国内硅片产商原材料多晶硅主要向瓦克集团、Hemlock、丸红株式会社采购。根据沪硅产业招股说明书，2016-2019 年 1-9月多晶硅采购价格指数分别为 100/96/90/81，整体呈现逐渐下降的趋势；2016-2019 年 1-9月 8 英寸及以下硅片里多晶硅占原材料比重分别为 30.36%、31.80%、26.26%及 19.58%，2017-2019年1-9月12英寸半导体硅片（含SOI 片）里多晶硅占原材料比重分别为26.53%、30.20%及 28.78%，多晶硅在原材料占比稳定在 3 成左右。图 20：多晶硅采购单价以及占原材料比重 资料来源：沪硅产业招股说明书，中信证券研究部 0%5%10%15%20%25%30%35%0204060801001202016201720182019年1-9月多晶硅价格指数多晶硅占原材料比重（8寸及以下半导体硅片（含SOI 片）多晶硅占原材料比重(12英寸）新材料新材料行业行业半导体材料系列之一半导体材料系列之一2020.4.20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 11 硅片应用领域及硅片应用领域及需求需求预测预测 受益全球半导体行业增长，硅片市场持续扩张受益全球半导体行业增长，硅片市场持续扩张 全球半导体行业实现稳定增长，我国在半导体行业所占比重日益上升。全球半导体行业实现稳定增长，我国在半导体行业所占比重日益上升。2018 年全球半导体行业销售额 4,687.78 亿美元，同比增长 13.72%；中国半导体行业销售额 1,581.00亿美元，同比增长 20.22%。2008 至 2018 年，中国半导体行业在国家产业政策、下游终端应用市场发展的驱动下迅速扩张，占全球半导体行业的比重从 18.16%上升至 33.73%，在全球半导体行业中的重要性日益上升。图 21：全球与中国半导体行业销售额（单位：亿美元）资料来源：WSTS，中信证券研究部 随着下游半导体行业规模的逐步增长，全球及中国随着下游半导体行业规模的逐步增长，全球及中国半导体材料半导体材料规模规模也在稳步增长也在稳步增长。2018 年全球半导体材料销售额为 519 亿美元，2010-2018 年 CAGR 为 2%。中国（含台湾地区）半导体销售额为 199 亿美元，其中大陆地区为 84 亿美元，8 年 CAGR 为 9%；台湾地区为 115 亿美元，8 年 CAGR 为 2%。图 22：全球半导体材料销售额（单位：亿美元）图 23：国内半导体材料销售额（单位：亿美元）资料来源：Wind，中信证券研究部 资料来源：Wind，中信证券研究部 -20%-10%0%10%20%30%40%50%050010001500200025003000350040004500500020082009201020112012201320142015201620172018全球半导体行业销售额中国半导体行业销售额全球同比中国同比448478471431440433428469519-5%0%5%10%15%20%25%30%35%0100200300400500600销售额YOY-20%-10%0%10%20%30%40%020406080100120140中国台湾中国大陆YOYYOY 新材料新材料行业行业半导体材料系列之一半导体材料系列之一2020.4.20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 12 随着半导体市场规模扩张，硅晶圆材料市场也在逐步增长随着半导体市场规模扩张，硅晶圆材料市场也在逐步增长。在半导体整个产业链中，半导体材料为产业的重要上游基础材料。半导体材料又可以分为半导体晶圆制造材料和封装材料；其中，半导体制造材料里面价值最高、占比最大的是硅片，自 14 年起占比逐渐增加，2018 年占比为 37%。硅片的需求量受益于半导体产品的技术革新和终端电子消费品类增加，在 loT、大数据、AI、5G 的时代，对电子产品的数据存储和数据处理等能力提出了更高的要求，随着新一代电子产品的革新，将会持续带动硅片需求的增长。图 24：2011-2018 年全球半导体制造材料 图 25：2018 年全球半导体制造材料市场结构 资料来源：SEMI，中信证券研究部 资料来源：SEMI，中信证券研究部 近年来，中国近年来，