半導體行業系列報告之四：半導體硅片摩爾定律演進半導體硅材料歷久彌新-220308（25頁）.pdf

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1、請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告 | | 20222022年年0303月月0808日日超配超配半導體系列報告之四：半導體硅片半導體系列報告之四：半導體硅片摩爾定律演進，半導體硅材料歷久彌新摩爾定律演進，半導體硅材料歷久彌新核心觀點核心觀點行業研究行業研究行業專題行業專題電子電子半導體半導體市場走勢資料來源：Wind、國信證券經濟研究所整理相關研究報告半導體行業 3 月投資策略及環球晶圓復盤-關注晶圓代工和受益本土擴產的上游設備 2022-03-07電子行業周報：4Q21 榮耀國內市占率躋身第二 2022-02-20半導體系列報告之三：前道設備：國內前道設備迎

2、本土擴產東風 2022-02-15電子行業周報：vivo 折疊機即將發布，Pico 春節熱銷 2022-02-14LCD 行業月報： 1 月 LCD 價格跌幅收斂， IT 面板需求依舊旺盛2022-02-09硅晶圓是需求量最大的半導體材料，硅晶圓是需求量最大的半導體材料，20212021 年市場規模年市場規模 126126 億美元。億美元。半導體硅片也稱硅晶圓，是全球90%以上半導體器件的基石性材料。半導體硅片企業負責將半導體級多晶硅材料制造成半導體硅片，其中拉單晶是最核心的工藝。 半導體硅片的市場規模隨半導體行業的景氣度波動， 具有明顯的周期性。根據SEMI的數據， 2021年全球半導體硅片

3、銷售額約126億美元(YoY12.5%)，出貨面積約142億英寸(YoY14.2%)， 2011-2021年的CAGR分別為2.4%、 4.6%。行業壁壘高企，借力收購兼并，產業行業壁壘高企，借力收購兼并，產業CR2CR2 達達50%50%。半導體硅片產業起始于美國，隨著IC 產業重心轉移，日本廠商后來居上，韓國和中國臺灣企業也在全球占有一席之地。 經過多次收購， 2020年日本信越和SUMCO 市占率分別為28%、22%，中國臺灣環球晶圓市占率 15%，德國世創電子市占率11%，韓國SK Siltron市占率11%。半導體硅片制造流程復雜、前期投資額大，具有顯著的技術壁壘、認證壁壘、 資金壁

4、壘、人才壁壘，先發優勢和規模效應突出。小尺寸半導體硅片需求穩定小尺寸半導體硅片需求穩定，8 8 英寸需求旺盛英寸需求旺盛，1212 英寸緊缺有望到英寸緊缺有望到 20262026 年年?；诔杀究紤]，分立器件繼續沿用小尺寸，集成電路逐步向大尺寸遷移。根據Omdia 的數據，從出貨面積來看，2021 年12英寸占比70.9%，8 英寸占比22.6%，小尺寸占比 6.5%；預計 2021 至2025 年小尺寸需求保持穩定，8 英寸和12 英寸需求增加。由于半導體硅片廠商12 英寸產線的擴產進度落后于需求增加，SUMCO 預計12 英寸硅片供不應求有望延續至2026 年；環球晶圓也表示訂單能見度到2

5、024 年，預計2022 年產線繼續滿載且價格將提高。本土半導體硅片產業供需兩旺，國內大廠加速崛起。本土半導體硅片產業供需兩旺，國內大廠加速崛起。根據 SEMI 的預計，2020-2024 年全球將新增25座8 英寸晶圓廠和60 座12英寸晶圓廠， 其中中國大陸分別新增14 和15座，是新增量最多的地區。在國際關系緊張的情況下， 高端12 英寸硅片技術被限制出口， 而我國12英寸硅片國產率低于10%，為保證供應鏈安全，自中美貿易摩擦以來本土晶圓廠積極導入國產硅片，AIoT 時代的新增需求疊加國產率提高為國內半導體硅片企業帶來成長機會。投資建議：關注大尺寸量產企業及細分市場占主導地位的企業。投資

6、建議：關注大尺寸量產企業及細分市場占主導地位的企業。結合SUMCO和環球晶圓的歷史走勢，半導體硅片企業的估值、業績均與行業景氣度強相關，考慮到國內半導體產業在國產替代背景下處于中長期景氣上行周期，率先量產12 英寸產品的硅片企業具有先發優勢，未來也有望主導并購整合，代表企業有滬硅產業、立昂微、中環股份、超硅半導體（未上市）等。另一方面，小尺寸硅片企業由于前期投資額較小且已實現規?；N售，盈利能力突出，代表企業有中晶科技、麥斯克（未上市）、有研硅（未上市）等。風險提示：風險提示：1、需求不及預期；2、國產化進程不及預期；3、競爭加劇等。重點公司盈利預測及投資評級重點公司盈利預測及投資評級公司公司

7、公司公司投資投資收盤收盤價價總市值總市值EPSEPSPEPE代碼代碼名稱名稱評級評級（元）（元）（億億元）元）20202222E E20202323E E20202222E E20202323E E688126.SH 滬硅產業-U增持22.796200.080.10285228605358.SH 立昂微無評級113.375182.032.735642002129.SZ 中環股份無評級46.0214871.591.962924003026.SZ 中晶科技買入60.49602.102.982920688233.SH 神工股份無評級79.901281.812.354434資料來源：Wind、國信證券

8、經濟研究所預測（截止日期：2022 年 3 月 7 日，無評級公司 EPS 來自 Wind 一致預期）請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告2內容目錄內容目錄硅晶圓是重要的半導體材料，規模超百億美元硅晶圓是重要的半導體材料，規模超百億美元.5 5硅晶圓是需求量最大的半導體材料.5半導體硅片根據不同參數的分類.6半導體硅片行業具有周期性，2021 年市場規模 126 億美元.8半導體硅片制造工序繁多，行業壁壘較高半導體硅片制造工序繁多，行業壁壘較高.9 9半導體硅片制造流程復雜，拉單晶是關鍵環節.9半導體硅片行業壁壘較高，先發優勢和規模效應突出.141212 英寸供

9、不應求，國際環境加速國產替代英寸供不應求，國際環境加速國產替代.1515半導體硅片發展歷史：起始于美國，日本后來居上.15競爭格局：本土供應需求強烈，市場集中度有望下降.168 英寸和 12 英寸硅片需求增加，小尺寸硅片需求穩定.1712 英寸半導體硅片需求旺盛，供求緊張態勢有望持續至 2026 年.18本土半導體硅片供需兩旺，國內大廠加速崛起本土半導體硅片供需兩旺，國內大廠加速崛起.2020國內積極投入晶圓廠建設，為本土半導體硅片廠商創造機遇.20為了抓住產業機遇，國內半導體硅片廠商積極擴產.21國內半導體硅片產業正迎來前所未有的發展機遇期.22中國半導體行業中長期景氣上行，為硅片產業帶來投

10、資機遇.23投資建議：關注大尺寸量產企業及細分市場占主導地位的企業.24風險提示風險提示.2525免責聲明免責聲明.2626請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告3圖表圖表目錄目錄圖1： 半導體材料分類.5圖2： 各代半導體材料在功率器件中的應用.5圖3： 硅晶圓是晶圓制造過程中占比最大的材料（2018 年）.6圖4： 半導體硅片分類.6圖5： 全球各尺寸半導體硅片出貨面積占比（2020 年）.7圖6： 退火片.7圖7： 外延片.7圖8： 結隔離硅片.8圖9： SOI 硅片.8圖10： 全球半導體硅片銷售額.9圖11： 全球半導體硅片出貨面積及單價.9圖12： 半

11、導體硅片所處產業鏈位置.9圖13： 半導體硅片制造流程.10圖14： 直拉法拉單晶. 10圖15： 區熔法拉單晶. 10圖16： 半導體硅片制造流程：拉單晶（直拉法）.11圖17： 半導體硅片制造流程：拉單晶（區熔法）.12圖18： 半導體硅片制造流程：切片.12圖19： 半導體硅片制造流程：研磨.13圖20： 半導體硅片制造流程：拋光.13圖21： 半導體硅片制造流程：清潔和檢查.13圖22： 半導體硅片行業的主要壁壘.15圖23： 半導體硅片行業的發展歷史.16圖24： 全球五大半導體硅片廠商并購史.16圖25： 全球半導體硅片行業由分散到集中.16圖26： 2020 年全球半導體硅片集中

12、度下降.17圖27： 2020 年全球半導體硅片市占率.17圖28： 電子系統中半導體含量提升.17圖29： 各尺寸半導體硅片需求量（百萬片/月）.17圖30： 半導體各尺寸出貨量占比.18圖31： 半導體各尺寸硅片出貨面積占比.18圖32： 12 英寸半導體硅片需求驅動力.19圖33： 高性能計算對 12 英寸半導體硅片的需求量.19圖34： DRAM 對 12 英寸半導體硅片需求量.19圖35： NAND 對 12 英寸半導體硅片的需求量.19圖36： 晶圓廠的資本開支計劃（十億美元）.19圖37： 12 英寸外延片和拋光片需求預期（千片/月）.19請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有

13、內容證券研究報告證券研究報告4圖38： 12 英寸半導體硅片需求驅動力.20圖39： 2020-2024 年新增晶圓廠數量.21圖40： 2021 和 2022 年新建晶圓廠數量.21圖41： 晶圓制造企業對半導體硅片廠商的認證過程.22圖42： 國內半導體硅片企業毛利率偏低.22圖43： SUMCO 的收入及凈利潤.23圖44： SUMCO 和環球晶圓的毛利率及凈利率.23圖45： SUMCO 市值隨行業周期性波動.24圖46： 環球晶圓市值隨行業周期性波動.24表1： 半導體硅片的種類和比較.8表2： 集成電路用大直徑硅拋光片的技術參數要求.14表3： 半導體硅片投資金額較大.14表4：

14、半導體硅片各尺寸對應的制程和半導體產品.18表5： 國內半導體硅片產能不完全統計（8 英寸和 12 英寸）. 21表6： 國內主要半導體硅片企業概覽.24表7： 半導體硅片企業經營數據對比.25請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告5硅晶圓是重要的半導體材料硅晶圓是重要的半導體材料， 規模超百億美元規模超百億美元硅晶圓是硅晶圓是需求需求量最大的半導體材料量最大的半導體材料半導體材料是一類具有半導體性能（導電能力介于導體與絕緣體之間）、可用來制作半導體器件和集成電路的電子材料，是半導體工業的基礎。半導體材料的研究始于 19 世紀，至今已發展至第四代半導體材料，各個代

15、際半導體材料之間互至今已發展至第四代半導體材料，各個代際半導體材料之間互相補充相補充。第一代半導體：以硅（Si）、鍺（Ge）等為代表，是由單一元素構成的元素半導體材料。硅半導體材料及其集成電路的發展導致了微型計算機的出現和整個信息產業的飛躍。第二代半導體：以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等為代表，也包括三元化合物半導體，如 GaAsAl、GaAsP，還包括一些固溶體半導體、非靜態半導體等。隨著以光通信為基礎的信息高速公路的崛起和社會信息化的發展，第二代半導體材料顯示出其優越性，砷化鎵和磷化銦半導體激光器成為光通信系統中的關鍵器件，同時砷化鎵高速器件也開拓了光纖及移動通信的新產業。第三代半

16、導體：以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導體材料。具備高擊穿電場、高熱導率、高電子飽和速率及抗強輻射能力等優異性能，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率電子器件，在半導體照明、新一代移動通信、能源互聯網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域有廣闊的應用前景。第四代半導體：以氧化鎵（Ga2O3）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）為代表的超寬禁帶半導體材料，禁帶寬度超過 4eV；以及以銻化物（GaSb、InSb）為代表的超窄禁帶半導體材料。超寬禁帶材料憑借其比第三代半導體材料更寬的禁帶，在高頻功率器件領域有更突出的特性優勢；超窄禁帶材料由于易激發、遷移率高

17、，主要用于探測器、激光器等器件的應用中。圖1：半導體材料分類圖2：各代半導體材料在功率器件中的應用資料來源：半導體聯盟，國信證券經濟研究所整理資料來源：Flosfia，國信證券經濟研究所整理請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告6硅材料制造全球絕大部分的半導體產品，也是占比最大的半導體制造材料。硅材料制造全球絕大部分的半導體產品，也是占比最大的半導體制造材料。在1950 年代初期，鍺是主要的半導體材料。但鍺半導體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到 1960 年代逐漸被硅材料取代。由于硅器件的漏電流要低得多，且二氧化硅是一種高質量的絕緣體，很容易作為硅器件的一部分進行

18、整合，至今半導體器件和集成電路仍然主要用硅材料制成，硅產品構成了全球絕大部分半導體產品。根據 SEMI 的數據，在硅晶圓制造過程中，半導體硅片（硅晶圓）也是占比最大的原材料，2018 年約 38%。半導體硅片根據不同參數的分類半導體硅片根據不同參數的分類半導體硅晶圓（Semiconductor Silicon Wafer）是制造硅半導體產品的基礎，可根據不同參數進行分類。根據尺寸根據尺寸（直徑直徑）不同不同，半導體硅片可分為 2 英寸（50mm）、3 英寸（75mm）、4英寸（100mm）、5 英寸（125mm）、6 英寸（150mm）、8 英寸（200mm）、12 英寸（300mm），在摩爾

19、定律影響下，半導體硅片正在不斷向大尺寸的方向發展，目前8 英寸和 12 英寸是主流產品，合計出貨面積占比超過 90%。圖3：硅晶圓是晶圓制造過程中占比最大的材料（2018 年）資料來源：SEMI，國際電子商情，國信證券經濟研究所整理圖4：半導體硅片分類資料來源：立昂微招股書，SUMCO，國信證券經濟研究所整理請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告7根據摻雜程度不同，半導體硅片可分為輕摻和重摻。根據摻雜程度不同，半導體硅片可分為輕摻和重摻。重摻硅片的摻雜元素摻入量大，電阻率低,一般用于功率器件等產品；輕摻硅片摻雜濃度低，一般用于集成電路領域，技術難度和產品質量要求更

20、高。由于集成電路在全球半導體市場中占比超過 80%，全球對輕摻硅片需求更大。根據工藝根據工藝，半導體硅片可分為研磨片半導體硅片可分為研磨片、拋光片及基于拋光片制造的特殊硅片外延拋光片及基于拋光片制造的特殊硅片外延片、片、SOISOI 等。等。研磨片可用于制造分立器件；輕摻拋光片可用于制造大規模集成電路或作為外延片的襯底材料，重摻拋光片一般用作外延片的襯底材料。相比研磨片，拋光片具有更優的表面平整度和潔凈度。在拋光片的基礎上，可以制造出退火片、外延片、在拋光片的基礎上，可以制造出退火片、外延片、SOISOI 硅片和結隔離硅片等。硅片和結隔離硅片等。退火片在氫氣或氬氣環境下對拋光片進行高溫熱處理，

21、 以去除晶圓表面附近的氧氣，可以提高表面晶體的完整性。 外延片是在拋光片表面形成一層氣相生長的單晶硅，可 滿 足 需 要 晶 體 完 整 性 或 不 同 電 阻 率 的 多 層 結 構 的 需 求 。 SOI 硅 片（Silicon-On-Insulator）是在兩個拋光片之間插入高電絕緣氧化膜層，可以實現器件的高集成度、低功耗、高速和高可靠性，在活性層表面也可以形成砷或砷的擴散層。結隔離硅片是根據客戶的設計，利用曝光、離子注入和熱擴散技術在晶圓表面預形成 IC 嵌入層，然后再在上面生長一層外延層。圖5：全球各尺寸半導體硅片出貨面積占比（2020 年）2 英寸3 英寸4 英寸5 英寸6 英寸8

22、 英寸12 英寸50mm75mm100mm125mm150mm200mm300mm資料來源：Omdia，國信證券經濟研究所整理圖6：退火片圖7：外延片資料來源：SUMCO，國信證券經濟研究所整理資料來源：SUMCO，國信證券經濟研究所整理請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告8根據應用場景不同，半導體硅片可分為正片、假（陪）片。根據應用場景不同，半導體硅片可分為正片、假（陪）片。正片（Prime Wafer）用于半導體產品的制造，假片（Dummy Wafer）用來暖機、填充空缺、測試生產設備的工藝狀態或某一工藝的質量狀況。假片一般由晶棒兩側品質較差部分切割而來，由

23、于用量巨大，在符合條件的情況下部分產品會回收再利用，回收重復利用的硅片稱為可再生硅片（Reclaimed Wafer）。據觀研網數據，65nm 制程的晶圓代工廠每 10 片正片需要加 6 片假片， 28nm 及以下制程每 10 片正片則需要加 15-20片假片。表1：半導體硅片的種類和比較項目項目使用目的使用目的使用量使用量（以正品用量當作（以正品用量當作 100100）8 8 英寸價格英寸價格（日元）（日元）1212 英寸價格英寸價格（日元）（日元）正片正片成品正片10080005000080000假（陪）片假（陪）片假（陪）片test 或 flow check2010030004000可再

24、生硅片可再生硅片假（陪）片test 或 flow check20100150020003000050000資料來源：芯片用硅晶片的加工技術，國信證券經濟研究所整理（價格數據非最新價格）半導體硅片行業具有周期性，半導體硅片行業具有周期性，20212021 年市場規模年市場規模 126126 億美元億美元半導體硅片的市場規模隨著全球半導體行業景氣度波動，單位面積價格在半導體硅片的市場規模隨著全球半導體行業景氣度波動，單位面積價格在 2012016 6年觸底后回升年觸底后回升。 根據 SEMI 數據， 全球半導體硅片銷售額由 2005 年的 79 億美元增長到 2021 年的 126 億美元，其中出

25、貨面積由 66.45 億平方英寸增加到 141.65 億英寸，單位面積價格先降后升，由 2005 年的 1.19 美元/英寸降至 2016 年的 0.67美元/英寸，之后回升至 2021 年的 0.89 美元/英寸。作為半導體產品最重要的主要原材料， 全球半導體硅片的市場規模的波動方向基本與全球半導體銷售額一致，且波動幅度更大，具有明顯的周期性。圖8：結隔離硅片圖9：SOI 硅片資料來源：SUMCO，國信證券經濟研究所整理資料來源：SUMCO，國信證券經濟研究所整理請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告9半導體硅片制造工序繁多，行業壁壘較高半導體硅片制造工序繁多，

26、行業壁壘較高半導體硅片制造流程復雜，拉單晶是關鍵環節半導體硅片制造流程復雜，拉單晶是關鍵環節半導體硅片的上游是半導體級多晶硅材料半導體硅片的上游是半導體級多晶硅材料，下游是半導體產品下游是半導體產品。硅元素在自然界中以二氧化硅為主要存在形式，通過化學還原生成多晶硅材料，之后再進行提純。光伏用多晶硅材料純度要求為 69 個“9”之間（99.9999%-99.9999999%），半導體用純度要求 11 個“9”以上（99.999999999%)。制作完成的半導體硅片被晶圓廠用作襯底制造出各類半導體產品，并最終應用于手機、電腦等終端產品中。半導體硅片制造流程復雜半導體硅片制造流程復雜，主要包括拉單晶

27、和硅片的切磨拋外延等工藝主要包括拉單晶和硅片的切磨拋外延等工藝。半導體硅片的生產流程復雜，涉及工序較多。研磨片工序包括拉單晶、截斷、滾圓、切片、倒角、研磨等，拋光片是在研磨片的基礎上經邊緣拋光、表面拋光等工序制造而來；拋光片經外延工藝制造出硅外延片，經退火熱處理制造出硅退火片，經特殊工藝制造出絕緣體上硅 SOI。硅片制造過程中需要經過多次清洗，在銷售給客戶之前還需要經過檢驗和包裝。圖10：全球半導體硅片銷售額圖11：全球半導體硅片出貨面積及單價資料來源：SEMI，SIA，國信證券經濟研究所整理資料來源：SEMI，國信證券經濟研究所整理圖12：半導體硅片所處產業鏈位置資料來源：芯片用硅晶片的加工

28、技術，國信證券經濟研究所整理請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告10步驟一：拉單晶。步驟一：拉單晶。電子級高純度多晶硅通過單晶生長工藝可拉制成單晶硅棒，常用方法有直拉法（Czochralsk，CZ 法）和區熔法（Float-Zone，FZ 法）兩種。FZ法純度高，氧含量低，電阻率較高，能耐高壓，但工藝難度大，大尺寸硅片制備困難且成本高，因此主要以 8 英寸及以下尺寸為主，主要用于中高端功率器件。CZ 法氧含量高，更容易生產出大尺寸單晶硅棒，工藝也已成熟，成本較低，因此目前半導體行業主要采用 CZ 法拉制單晶硅棒。拉單晶技術直接決定了位錯、拉單晶技術直接決定了位錯

29、、COPCOP（crystalcrystal originatedoriginated pit,pit,晶體原生凹坑）、旋渦等晶體原生缺陷的密度及電晶體原生凹坑）、旋渦等晶體原生缺陷的密度及電阻率阻率、電阻率梯度電阻率梯度、氧氧、碳含量等晶體技術指標的好壞碳含量等晶體技術指標的好壞，是半導體硅片生產工序是半導體硅片生產工序中最為核心的技術。中最為核心的技術。直拉法加工工藝直拉法加工工藝：裝料：裝料：將多晶硅和摻雜劑放入單晶爐內的石英坩堝內，摻雜劑的種類依所需生長的電阻率而定，主要有生長 P 型的硼和生長 N 型的磷、砷、銻等。熔化：熔化：裝料結束后，加熱至硅熔化溫度（1420）以上，將多晶硅和

30、摻雜劑圖13：半導體硅片制造流程資料來源：立昂微招股書，國信證券經濟研究所整理圖14：直拉法拉單晶圖15：區熔法拉單晶資料來源：SUMCO，國信證券經濟研究所整理資料來源：中晶科技招股書，國信證券經濟研究所整理請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告11熔化，揮發一定時間后，將籽晶下降與液面接近，使籽晶預熱幾分鐘，俗稱“烤晶”，以除去表面揮發性雜質同時可減少熱沖擊。引晶：引晶：當溫度穩定后，將籽晶與熔體接觸，然后具有一定轉速的籽晶按一定速度向上提升，隨著籽晶上升硅在籽晶頭部結晶，稱為“引晶”或“下種”?？s頸：縮頸：在引晶后略微降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細的

31、部分。其目的是排除接觸不良引起的多晶和盡量消除籽晶內原有位錯的延伸。頸一般要長于 20mm。放肩：放肩：縮頸工藝完成后，通過逐漸降低提升速度及溫度調整，使晶體直徑逐漸變大到所需的直徑為止。在放肩時可判別晶體是否是單晶，否則要將其熔掉重新引晶。等徑生長：等徑生長：當晶體直徑到達所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩后保持晶體直徑不變，就是等徑生長。此時要嚴格控制溫度和拉速不變。單晶硅片取自于等徑部分。收尾：收尾：在長完等徑部分之后，如果立刻將晶棒與液面分開，那么效應力將使得晶棒出現位錯與滑移線。于是為了避免此問題的發生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到成一尖點而與液面分開。這一過

32、程稱之為收尾階段。長完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時間后取出，即完成一次生長周期。區熔法加工工藝：區熔法加工工藝：在真空或稀有氣體環境下的爐室中，利用電場給多晶硅棒加熱，直到被加熱區域的多晶硅融化，形成熔融區。用籽晶接觸熔融區，并融化。使多晶硅上的熔融區不斷上移，同時籽晶緩慢旋轉并向下拉伸，逐漸形成單晶硅棒。圖16：半導體硅片制造流程：拉單晶（直拉法）資料來源：芯片用硅晶片的加工技術，國信證券經濟研究所整理請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告12步驟二：切片。步驟二：切片。單晶硅棒磨成相同直徑，然后根據客戶要求的電阻率，用內徑鋸或線鋸將晶棒切成約 1mm 厚的薄片

33、，形成晶圓。根據目前的工藝、技術水平，為了降低硅材料的損耗、提高生產效率和表面質量，一般采用線切割方法進行切片。步驟三：倒角：步驟三：倒角：硅片倒角加工的目的是消除硅片邊緣表面經切割加工所產生的棱角、裂縫、毛刺、崩邊或其他的缺陷以及各種邊緣表面污染，從而降低硅片邊緣表面的粗糙度，增加硅片邊緣表面的機械強度、減少顆粒的表面沾污。步驟四：研磨。步驟四：研磨。在研磨機上用磨料將切片拋光到所需的厚度，同時提高表面平整度。 研磨的目的是為了去除在切片工序中， 硅片表面因切割產生的深度約 2025um的表面機械應力損傷層和表面的各種金屬離子等雜質污染，并使硅片具有一定的平坦表面。圖17：半導體硅片制造流程

34、：拉單晶（區熔法）資料來源：半導體硅片制備技術及產業現狀，國信證券經濟研究所整理圖18：半導體硅片制造流程：切片資料來源：SUMCO，國信證券經濟研究所整理請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告13步驟五：蝕刻和拋光。步驟五：蝕刻和拋光。通過化學蝕刻去除前面步驟對晶圓表面造成的機械損傷，然后采用硅溶膠機械化學拋光法使晶圓表面更加平整和光潔。步驟六步驟六：清潔和檢查清潔和檢查。清潔后，對產品進行嚴格的質量檢查，合格后銷售給客戶。也可進一步用來制作 SOI、外延片等特殊硅片。圖19：半導體硅片制造流程：研磨資料來源：SUMCO，國信證券經濟研究所整理圖20：半導體硅片

35、制造流程：拋光資料來源：SUMCO，國信證券經濟研究所整理圖21：半導體硅片制造流程：清潔和檢查資料來源：SUMCO，國信證券經濟研究所整理請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告14半導體硅片行業壁壘較高，先發優勢和規模效應突出半導體硅片行業壁壘較高，先發優勢和規模效應突出技術壁壘技術壁壘：半導體硅片技術參數要求高半導體硅片技術參數要求高，各工藝環節需要長期積累各工藝環節需要長期積累。半導體硅片核心工藝包括單晶工藝、切片工藝、研磨工藝、拋光工藝、外延工藝等，技術專業化程度較高，其中單晶工藝是最為核心的技術，其決定了硅片尺寸、電阻率、純度、氧含量、位錯、晶體缺陷等關

36、鍵技術指標，在單晶生長過程中，需要注意溫度控制和提拉速率等。晶圓研磨、拋光工藝決定硅片的厚度、表面平整度、表面潔凈度、表面顆粒度、翹曲度等指標。外延工藝的重點是保證外延層厚度的均勻性和外延層電阻率的片內均勻性。隨著工藝制程不斷向前推進，對硅片性能指標要求也越來越高，比如前沿的 12 英寸硅片需要達到的部分參數如下：晶體缺陷：硅原子對稱排列，5 億個硅原子中只有 1 個缺陷；表面平整度：硅片表面的高度落差小于 10nm；表面潔凈度：硅片表面微顆粒尺寸在 10nm 以內；無雜質污染：要求表面雜質含量小于百億分之一。表2：集成電路用大直徑硅拋光片的技術參數要求參數參數要求要求直徑300mm直徑公差0

37、.2mm厚度775um厚度公差25um翹曲度 Warp10um總厚度偏差 TTV0.1um局部平整度 SFQR（線寬 100nm)101nm邊緣扣除距離2mm直徑300mm資料來源：芯片用硅晶片的加工技術，國信證券經濟研究所整理客戶認證壁壘客戶認證壁壘：芯片制造企業對于引入新供應商態度謹慎且認證周期長芯片制造企業對于引入新供應商態度謹慎且認證周期長。半導體硅片是芯片制造企業生產半導體產品的重要原材料，芯片制造企業對于引入新供應商態度謹慎，為了保證產品質量的穩定性和一致性，需要經過很長時間的認證周期。通常，芯片制造企業會要求硅片供應商先提供一些硅片供其試生產，待通過內部認證后，芯片制造企業會將產

38、品送至下游客戶處，獲得其客戶認可后，才會對硅片供應商進行認證，最終正式簽訂采購合同。資金壁壘和規模壁壘資金壁壘和規模壁壘：半導體硅片行業是一個資金密集型行業半導體硅片行業是一個資金密集型行業，且需要達到一定且需要達到一定銷售規模才能盈利。銷售規模才能盈利。半導體硅片要形成規?；a，所需投資金額較大，如一臺關鍵生產設備價值達數千萬元，大尺寸硅片生產線的投資金額以十億元計。同時，由于前期固定資產投資額大，半導體硅片企業需要形成一定的規模銷售后才能盈利，前期經營壓力較大，毛利率可能為負。表3：半導體硅片投資金額較大項目項目規劃產能（萬片規劃產能（萬片/ /月）月）投資額（億元）投資額（億元）單位投

39、資額（億元單位投資額（億元/ /萬片每月）萬片每月）立昂微立昂微 8 8 英寸產線英寸產線10.007.040.70立昂微立昂微 1212 英寸產線英寸產線15.0034.602.31滬硅產業滬硅產業 1212 英寸產線英寸產線30.0046.041.53資料來源：各公司公告，國信證券經濟研究所整理請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告15人才壁壘：半導體硅片企業需要復合型人才。人才壁壘：半導體硅片企業需要復合型人才。半導體硅片的研發和生產過程較為復雜，涉及固體物理、量子力學、熱力學、化學等多學科領域交叉，因此需要具備綜合專業知識和豐富生產經驗的復合型人才。121

40、2 英寸供不應求，國際環境加速國產替代英寸供不應求，國際環境加速國產替代半導體硅片發展歷史：起始于美國，日本后來居上半導體硅片發展歷史：起始于美國，日本后來居上半導體硅片起始于美國半導體硅片起始于美國，MEMCMEMC 曾引領技術發展并創下多個全球第一曾引領技術發展并創下多個全球第一。半導體產業發源于美國，半導體硅片亦如此。1956 年，美國孟山都化學公司成立孟山都電子材料公司（MEMC Electronic Materials，MEMC）,負責生產制造晶體管和整流器的硅片。在之后的幾十年里，MEMC 為行業技術發展、行業標準等都做出了極大貢獻，突破的技術包括化學機械研磨 CMP、外延層的生長

41、、零錯位晶體、氧控制等；同時公司也是全球第一家量產 4 英寸、 8 英寸的硅片廠商。 作為行業領導者， MEMC在 20 世紀 60 年代獲得 80%的市場份額。但后期由于連續虧損，孟山都在 1989 年將 MEMC 賣給了德國化工企業，并于 2016 年被中國臺灣的環球晶圓收購。隨著本土半導體的崛起隨著本土半導體的崛起，日本硅片廠商后來居上日本硅片廠商后來居上，韓國和中國臺灣企業也在全球韓國和中國臺灣企業也在全球占有一席之地。占有一席之地。20 世紀 50 年代末，日本公司通過技術引進，開始布局硅晶圓產業。在超大規模集成電路研究計劃（VLSI，1976-1980）的推動下，日本半導體產業快速

42、發展，其中存儲器在 20 世紀 80 年代超過美國，硅片廠商也在此期間獲得黃金發展期， 最終經過整合并購形成信越化學和 SUMCO 兩家國際半導體硅片巨頭，2001 年信越化學在全球率先量產 12 英寸半導體硅片。日本半導體硅片產業從 20世紀 90 年代超過美國后，至今仍在全球占據主導地位。20 世紀 90 年代半導體產業從日本向韓國和中國臺灣轉移，韓國和中國臺灣硅片企業得以成長，并在全球占有一席之地。圖22：半導體硅片行業的主要壁壘資料來源：立昂微招股說明書，國信證券經濟研究所整理請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告16圖23：半導體硅片行業的發展歷史資料來

43、源：半導體供應鏈研究，各公司官網，國信證券經濟研究所整理競爭格局：本土供應需求強烈，市場集中度有望下降競爭格局：本土供應需求強烈，市場集中度有望下降半導體硅片產業的發展伴隨著整合收購半導體硅片產業的發展伴隨著整合收購，競爭格局由分散走向集中競爭格局由分散走向集中。半導體硅片產業發展早期由美國 MEMC 主導，之后眾多企業參與競爭，1998 年市場格局極度分散，全球主要市場參與者超過 25 家。但隨著硅片尺寸越來越大，所需投資額大幅提高，規模效應是企業盈利的關鍵，在眾多硅片廠商出現連續虧損的情況下收購兼并不斷發生。通過不斷的整合收購，全球半導體硅片行業由分散走向集中，2019 年全球前五大硅片廠

44、商合計市占率超過 90%。圖24：全球五大半導體硅片廠商并購史圖25：全球半導體硅片行業由分散到集中資料來源：各公司官網，國信證券經濟研究所整理資料來源：Capital IQ，國信證券經濟研究所整理請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告17國際環境加速國產替代，全球市場集中度有望下降。國際環境加速國產替代，全球市場集中度有望下降。在國際關系緊張的情況下，半導體供應鏈安全成為各國政府和企業的關注重點， 半導體硅片作為核心原材料，本土供應需求強烈，2022 年中國臺灣環球晶圓收購德國世創電子因未獲德國審核通過而宣告失敗。在以中國大陸半導體硅片廠商為代表的供給影響下，半

45、導體硅片行業的競爭格局有望發生改變，全球市場集中度有望下降。根據 SEMI 的數據，2020 年全球前三大半導體硅片廠商合計市占率由 2019 年的 68.2%下降至 63.8%；前五大廠商合計市占率由 92.6%下降至 86.6%。8 8 英寸和英寸和 1212 英寸硅片需求增加，小尺寸硅片需求穩定英寸硅片需求增加，小尺寸硅片需求穩定半導體半導體含量提升推動含量提升推動硅片硅片出貨面積增加出貨面積增加，20212021 年全球硅片出貨面積創歷史新高年全球硅片出貨面積創歷史新高。歷史上半導體行業的年均增速高于電子系統整體市場，主要驅動力是電子系統中使用的半導體的含量不斷增加。比如隨著全球手機、

46、汽車和個人電腦出貨量增長趨于成熟和放緩，電子系統市場 2011-2021 年的年均復合增長率為 3.5%，而半導體行業 2011-2021 年的年均復合增長率為 6.5%。根據 IC Insights 的數據，2021年電子系統中的半導體含量提高到了 33.2%，創歷史新高，同時預期終值將超過40%。在半導體含量推動作用下，硅片出貨面積曾上升趨勢，根據 SEMI 的數據，2021 年全球硅片出貨面積 141.65 億平方英寸，創歷史新高。圖26：2020 年全球半導體硅片集中度下降圖27：2020 年全球半導體硅片市占率資料來源：SEMI，國信證券經濟研究所整理資料來源：SEMI，國信證券經濟

47、研究所整理圖28：電子系統中半導體含量提升圖29：各尺寸半導體硅片需求量（百萬片/月）資料來源：IC Insights，國信證券經濟研究所整理資料來源：Omdia，國信證券經濟研究所整理請務必閱讀正文之后的免責聲明及其項下所有內容證券研究報告證券研究報告18半導體硅片新增需求集中在半導體硅片新增需求集中在 8 8 英寸和英寸和 1212 英寸，英寸，6 6 英寸及以下尺寸硅片需求穩定英寸及以下尺寸硅片需求穩定。根據 Omdia 的數據，6 英寸及以下尺寸的半導體硅片需求量在 2000 年到 2015 年之間呈下降趨勢，2015 年后基本保持穩定；12 英寸硅片從 2001 年商業化生產后，需求

48、量持續攀升；8 英寸硅片需求量波動相對較少。Omdia 預計 2021 至 2025 年，8 英寸和 12 英寸半導體硅片需求量將增加， 6 英寸及以下尺寸硅片需求保持平穩。從出貨片數來看， 2021年12英寸占比47.7%， 8英寸占比34.3%， 小尺寸占比18.0%；從出貨面積來看， 2021 年 12 英寸占比 70.9%， 8 英寸占比 22.6%， 小尺寸占比 6.5%?；诔杀究紤]基于成本考慮，分立器件繼續沿用小尺寸分立器件繼續沿用小尺寸，集成電路向大尺寸遷移集成電路向大尺寸遷移。分立器件由于價格偏低，生產廠商對于投資大尺寸產線動力不足，目前仍以 6 英寸及以下硅片為主。集成電路

49、使用大尺寸硅片帶來的經濟效益明顯，比如 12 英寸硅片的面積是 8 英寸的 2.25 倍， 可使用率是 8 英寸的 2.5 倍左右，單片可產出的芯片數量增加，單個芯片的成本隨之降低。若硅片尺寸增大帶來的成本節約可以彌補投資大尺寸晶圓制造產線的成本，廠商便有向大尺寸遷移的動力。目前商用的最大半導體硅片尺寸是 12 英寸，18 英寸（450mm）硅片由于工藝和技術難度較大，目前還沒有看到量產的可能。表4：半導體硅片各尺寸對應的制程和半導體產品半導體硅片尺寸半導體硅片尺寸制程制程半導體產品半導體產品6 6 英寸及以下英寸及以下0.35um 及以上二極管、三極管、晶閘管等各類分立器件8 8 英寸英寸9

50、0nm0.35um傳感器芯片、驅動芯片、電源管理芯片、射頻芯片等1212 英寸英寸90nm 及以下CPU、GPU、存儲芯片、FPGA、ASIC 等資料來源：滬硅產業招股書，國信證券經濟研究所整理1212 英寸半導體硅片需求旺盛，供求緊張態勢有望持續至英寸半導體硅片需求旺盛，供求緊張態勢有望持續至 20262026 年年遠程辦公、汽車半導體、元宇宙等新需求推動遠程辦公、汽車半導體、元宇宙等新需求推動 1212 英寸半導體硅片需求增加。英寸半導體硅片需求增加。根據 SUMCO 2022 年 2 月的預測，12 英寸半導體硅片的需求量將在遠程辦公、線上會議、自動駕駛、元宇宙等新需求的推動下增加，其中