揭秘硅片产业：全球硅片景气上行，国产厂商加速破局
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转自：智东西
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。
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。
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、SK Siltron 和世创，他们共同占据着半导体硅片市场 87%的份额。
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。
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 IC Insights预测，2021 年 12 英寸硅片产能占比有望提升至 71.2%。
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（Dummy Wafer）、控片（Monitor Wafer）以及正片（Prime Wafer）。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 15-20 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（reclaimed wafer）。
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。
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。
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%。
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、3D NAND 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。
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%。
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 3D NAND 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。
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。
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 SEMI 2019 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。
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、NAND Flash 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。
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。
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 3D NAND 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。
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 Strategy Analytics 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%。2010-2013 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%。
2017 年开始硅片价格重回上升通道。2009-2011 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，2017-2019 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。
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 10%-20%，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，2018-2020 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。
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 130-140 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 CPU/GPU 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 IC Insights 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，IC Insights 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%。
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 5-10 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。
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。
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