半导体大硅片国产替代序幕已开启，终端市场逐渐回暖
半导体产品被广泛应用于各类电子产品中，其重要性不言而喻。半导体材料作为制造基础，至今已发展到第三代。根据发展历史，第一代半导体是“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。得益于第一代半导体材料应用，集成电路产业得以快速发展。第二代半导体材料是化合物半导体，以砷化镓、磷化铟和氮化镓等为代表，其促成信息产业崛起；而第三代半导体材料主要V n L T - $ e A包括碳化硅、氮化镓、金刚石等，其具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高U u I = / x y键合能等优/ c ` ~ # b点，成为下一代信息技术的关键之一O + . P。虽然半导体材料已经发展到第三代，但由于M N R ) O . s制备工艺、后续加{ 0 G ]工及原料来源等因素影响，硅材料依然是主流半导体材料。
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硅极少以单质的形式存在于自然界中，但在岩石、砂砾、尘土之中其以硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在。在地壳中，硅是第二丰富的元素，其构成地壳总质量的26.4%。所` | H % E u 5 以，硅来源较为广泛，在生产中较为容易获取，进而解决硅片制备所需原料的问题。目前，多晶硅纯度从99.9999%至99.999999999%（6-11个9）不等，根据使用场景对于纯度要求有所差异，其中太阳能光伏级多晶硅纯度要求较低，而电子级多晶硅纯度则要求较高。多晶硅经过进一步加工制造可制得单晶硅，单晶硅是硅片上游材料。
硅片在晶4 D N ] ~ ~圆制造材料中占比I V k +最大。晶圆制造是半导体产业中重要一环，生产过程中会涉及多种材料。据SEMI,2018年全球半导体材料销售额达到519亿美元，增长10.6%，其中晶圆制造材料和封装材料的销售额分别为322亿美元和197亿美元，同比增长率分别为15.9%和3.0%。根据细分产品销售情况，2018年硅片占晶圆制造材料市场比值为38%，比重为相关材料市场第一位。所以 C o E T l，硅片作为半导体生产重要原材料之一，硅片制备技术将对半导体产业发展产生一定的影响。
根据硅片生产流程，首先通过提纯硅氧化得到多晶硅，其后通过单晶硅生长工艺得到硅片原始材料单晶锭，再通过切片、研f 3 U Y L D T磨、抛光等硅片制造工艺得到抛光硅片。通过对抛光硅片进行特殊工艺处理，可得到退火片、外延片等具备特殊性能硅片。
直拉f J o j B p G法生G + Z d v 9 | N长技术是目前较为主流长晶工艺。单晶硅是由单一籽晶生长的单晶体硅材料t v _ % ^ ~ h，它具有晶格完整、缺陷和杂质很少等特点。根据单晶硅生长方式进行分类，可将其分为z 6 i X * & [ $区熔单晶硅- S Z 9 b p（FZ-Si）Y E w / 5 }和直e U X G f V 2 u x拉单晶硅（CZ-Si），其中所涉及的工艺为区熔R d 9 U r j o h `法和直拉法。相较于区熔法，直拉法能支持12英寸等大尺寸硅片生产，而区熔法则用于8英寸及以下尺寸硅片生产。所以，直拉法是目前较为主流长晶工艺。
直拉法主要工艺包括多晶硅e l -原料装料、多晶硅融化、种晶、缩颈、放肩Z | S、等径生长和收尾等。直拉法制备工艺是通过加热放置于坩埚内的多晶硅原料使其成为溶液，并通过安置在6 7 V B y J X =炉体上方的籽晶轴，使得单晶晶种能与硅溶液进行接触。? y W p l通过籽晶轴转动和上下移动，硅液会沿着籽晶表面凝{ f X b结和生长，最终形成单晶锭。随着直拉法工艺不断深入，基于基础工艺的新工艺在持续开发，目前已开发出磁控直拉单晶生长、连续加料直拉单晶硅生长和重装% ? h Y D 2料直拉单晶生长等工p F }艺。
在直拉单晶生长过程中需要添加不同元素以满足不同需求。为满足不同器件C n e s制备的要求，在晶体生长时需要掺入微量电学性的杂质（掺杂剂）。其中P型半导体，硼（B）是最常用的掺杂剂；而对于Ns n C n l r d型半导体，磷（P）、砷（As）和锑（Sb）都可以作为掺杂剂。除掺杂剂外，一般情况下在直拉过程中需要避免杂质引入，否则将影响单晶硅、器件的性能和质量。由于单晶硅生长情况对于硅片生产影响较大，所以单晶硅生长技术在硅片生产中是关键技术之一。
总结：单晶锭是硅片生产原料，目前生产单晶锭以直拉法为主。在生产过程中通过添加不同的掺杂剂以制备具有不同性能的半导体，但需要对其他杂质进行严格管控，否则成品质量将受到影响。所以，单晶硅生长技术在硅片生产中是关键技术之一。
硅片制造工艺实现从“锭”到“片”转换。当完成单晶硅生长工艺后，需要通过硅片制造技术来实现硅片生产。根据生产流程，单晶硅锭需要通过切断、切片、研磨、抛光、清洗五大步骤从而得到抛光硅片。其中，通过切断得到适合切片的晶棒；切片是将晶棒切成具有一定厚度和平整度的硅片；研磨工艺，可去除硅片切片表面残留的损伤层，并使硅片具有一定的几何精b S K 2 ) }度；抛光工艺，通过化学和机械作用，去除硅片表面残留的微缺陷和损伤E H E P y @层，获得硅抛v A (光片；硅片清洗是去除硅片表面各种沾污。通过这一系列加工工艺后，可得到抛光硅片。
通过: 5 1 } [ X对抛光硅片进行特定工艺处理可得到具有特殊性能硅片。抛光硅片是目前应6 @ G F t T ! ; X用范围最广、最基础的硅片，以抛光片为基础进行二次加工可P o n )得到具有特殊性能的硅片。退火片制作工艺是一个升温再降温的过程，通过将抛光片置于氢或氩气中加热，随即进入到退火过程。与抛光片相比，其表面含氧量大幅减少，从而拥有更好的晶体完整性。外延片通常采? Z M o { U F $用化学气相沉积（CVD）技术，反应原理为硅的气r X @ 2 M Y态化合物在硅片表面发生反应，并以单晶薄膜的形态沉积在硅衬底表面。SOI硅片具有三层结构，自上而下分别为顶层硅片（SOI层）、氧化层和硅^ = B s l K C ! ;衬底；目前，氢注入剥离键合技术（Smart-Cut）、硅片直接键合技术（SDB）和注氧隔离技术（SIMOX）是三个最具有竞争力的SOI制备技术；由于SOI硅片具有氧化层，从而减少硅片的寄生电容以及漏电现象。具有特殊性能的硅片能满g y }足不同应用场景需求，是半导体产业中不可或缺的一部分。
大硅片成为发展趋势。随着单晶硅制造技术提升，硅片的 5 i Q / T尺寸在逐步提升。硅片尺寸从最初2英寸，到4英寸，X 7 @ Y L5英寸，6英寸，8英寸，再到12英寸，其尺寸在持续增加4 n u 2 t X。目前，硅片发展史具有多种表述。其中，据SEMI相关产品数据，4英寸硅片产生于1986年，6英寸产生于1992年，8英寸产生于1997，12英寸产生于2005年。而行业内根据各尺寸硅片市场占比情况进行划分，4英寸、6英寸和8英寸分别为1980年代、1990年代和2000年代占据主流位置；而12英寸硅片产线是英特尔和IBM于2002年首先A F # 8 & 2 u建成，而到R 0 9 O ( G k $2005年12英寸产品市场占比达到20%且市场占比持续增大。根据硅片发展路径，大尺寸8 X G f L V C *硅片将是行业发u F i @ G L 1 F r展趋势。
下一代产品- 8 [ G s ^竞争力不足，12英寸硅片市场份额将有望保T e M q H $ ,持。根据市场占比情况，在2017a J @ 6 6 /年12英寸硅片市场份额为66.1%且其份~ x f A j W | | y额在持续增大。自2005年起12英寸硅片被大规模使用以来至今已超过10年，在硅片向大尺寸发展的背景下，硅片产品理应进行迭代。18英寸硅片是下一代技术节点，以英特尔、台积电等厂商和学校为首的相关研发专案d W = 5 z f已经取得了一定进展，但因不具备生产效益而有所搁置。所以，12英寸硅片尚未 i 1 U i受到产品迭代所带来的影响，有望在. p F ?较长一段时间内保持市场地位。
生产成本等成为推动大硅片发展的重要推力。目前，集成电路发展两条技术主线是硅片尺寸扩大和芯片制程技术提升。其中，硅片尺寸扩大能有效降低成本，而这也成为硅片向大尺寸发展的重要o = X推力。以8英寸和r t A l K12英寸硅片为例，1k n E e2英寸硅片较8英寸在面积上提升约2.25倍。由于可用生产面积扩大，使P i 2 I g得单硅片芯片产出数量也有所差异，其中，8英寸硅片产出约为88块，而12英寸硅片产b X @ r ( %出约为232块，12v % O / P英寸硅片产出较8英寸硅片提升L [ 7 g g ~ ,约2.64倍，产出增长较硅片面积增长更多。此外，由于边缘芯片减少，产品成品率将上升，使得产出会更高。在芯片生产过程中由于产出更高，使得设备使用率提升。所以，无论是从产量，还是从设备使用率角度，大硅片能使芯片生产成本下降，使得晶圆代工厂利润增厚，从而间接推动硅片向大尺寸发展。
各种需求促生对不同尺寸硅E ; o L @ Y片需求。不同尺寸硅片在应有场景中@ G e P D有所差异，下游对于硅片需求主要集中在8、12英寸。目前，12英寸硅片主要应用于制造智能终端中逻辑芯片和存储芯片等1 y / k | D i，而8英寸硅片主要应用于汽车电子、工业自动化和指纹识别等集成电路制造领域，6英寸及以下尺寸硅片主要应用于[ i Q { a低端产品。所以，在不同领域应用不同尺寸的硅片，从而形成不同的需求。
硅片是晶圆制造上游材料，晶圆厂产能情况对硅片需求将产生影响。根据SEMI数据，硅片出货量存在一定周期性, v L 8 n a }，2019年硅片出货量有所下滑，但情况有望得到好转。受消费升级和数据流量爆发等因素诱发，终端市场持续向好，而需求沿着产业链向上游传递。在硅片向大尺寸发展的趋势中，8英寸和12英寸硅片作为主流硅片产品，在终端市场带动下需求将持续扩大。据IC insights预计，2020年半导体总发货量将增长7％，达到10,363亿个，这将是有史以来@ b } ` ; F O r半导体~ j P + T Q 1 总发货量第二次超过一万x P 0 ` # B S亿个单位。而在2020年半导体出货量中，预计光电器件、传感器和分立器这三项占69％，集成电路占31％。此外，2020年增长率最高的半导体细分领域场景包括智能手机、汽车电子以及人工智能、云和“大数据”系统、深度学习应用程序。
目前，12英寸硅片在下游产业中广泛应用，产品大多使用于制( A k @造消费电子芯片。根据R . G J k N u L12英寸晶圆制造精度进行分类，可分为先进制程和成熟制程。随着晶圆厂制程不断提升，将增加高质量12英寸大硅片需求。除晶圆制程提升外，终端市场向好是拉动硅片需求上升的动力。
手: ~ K c机换机潮和数据流量爆h @ _ ! ? ? V A发增加对NAND Fla= 2 { t 8 psh需求。由r b B 0 { d z对于5G网络建设都较为重视。而对于普通消费者而言，4G手机无法支持5G网络，若想使用5G网络其需要对终端设备进行升级。所以，在通信升级时代将会出现手机换机潮。IDC预计，2020年5G智d a l能手机出货量将占智能手机总出货量的8.9%，到2023年，这一比例将增长至28.1%。根据目前各大手机厂商所推出5t n 3 U W = xG产 6 m % C a品数据，大部分手机NAND容量为128G起，容量较4G手U ` P Q g机有一倍的提升。手机对于存储芯片需求将会逐步显现。此外，数据流量爆发将增/ b E h f加数据中心需求，根据IDC数据显示，2016-2y ` w # k 2 { c X021年全球数据中心流量复合增速将达25%；而云数据中心流量增速将会更快，年复合增长率为27%。数据流量爆发使得相关厂商会加大对服务器等基础设a } - w Y施投入。由于服务器等基础设施中需要使用到固态硬盘，而硬盘是NAND Flash重要应用场景之一，所以这将会激发NANDFlash需求上升。Gartner预计NAND复苏将在2020年继续，这是由于固态硬盘的强劲需求以及5G智能手机的大量增加使低位供应增长所致。
存储芯片推动12寸硅片需求。除NAND Fl0 D t % 1 ! *ash外，DRAM作为存储的一种，前期受到市_ v Z E B 7 4 q 8场需求不振影困扰，但这种情况自2019年下半年已有所X ? / z p *改善。Du d ` ( $RAM作为电子产品重要组件之一，在AI和5G两大应用的拉动下，景气度有望持续好转。根据22 B ` 8 C ) J 9018年6 % 5 _12英寸硅片下游应用占比数据，存储芯片（DRAM、2DNAND、3D NAND）占比已超过50%。所以，无论是NAND Flash，还是DRAM，在终端E D s设备需求持续向好将会沿产业链传导到存储芯片，从而使得晶圆厂对硅片需求上升。
小结：存储芯片作为电子产c : %品中不可或缺的一部分，其需求将会随着终端v M 2 B h T :产品出货量和单体4 N 0 3 O使用量上升而增加。此外，r $ n p L { 5 r #存储芯片在12英寸硅片下游应用中k t w应用以来，其每月需求量总体保持上升趋势。其中，2005年月需^ l ] v 9 ; C n求量约为1百万片，而2018年已超过6百万片。与其他尺寸硅片相比，12英寸硅片在2008年出货量首次超过8寸硅片，2009年即超过其他尺寸硅片出货面积之和。2016年到2018年，由于~ 3 ? qAI、云计算、区块链等新兴市场的蓬勃发展，12寸硅片年复合增长率为a e 4 9 @8%。目前受到消费升级等因素刺激，对于12t ( 1 O t英寸硅片需求将有望持续扩大。
总结：由于受消费升级和数据流量爆发等因素催化，终端设备和基础配套设备需求将会上升。除存储芯片外w $ [ 6 e z y ^ H，电子设备中还包含CPU、GPU等高端逻辑芯片，而这些芯片大多数都依赖于12英寸晶圆制造。所以，在终端市场持续向好背景下，12英寸硅片需求有望持续增加。
12英寸晶圆厂g g % _ } #进入门槛较高，对于环境和设备等要求较为苛刻，所以其产品主要为精密制程的电子产品。而在制程等要求较低或Y J ( % d Y _ b对成本较为敏感的产品，一般使V Y E t A m u +用8英寸或O 5 A - ? z6英寸硅片进行生产。但随着6英寸产品逐步向( m B l s Z a *8英寸转移，8英寸晶圆厂z P A V A将承接部分产品生产需求。此外，由于8英寸晶圆已具备成熟特种工艺，在小尺寸晶粒模拟内容容量或高电压支持具备优势，所L w Y a j c *以对于具z $ . 动力车，则在传G x = 3 7统内燃汽车基础上新增的功率半导体价值为354美元，占据新增总价值的76%;在纯电动车上，功率半导体价值为387美元，占据车用半导体总价值的55%。根据相关数据测算，传统汽车和纯电车车用半导体价值分别约为338美元和703美元。所以，除功率半导体价值^ O d U不可少。由于自动化、机器人等设施在我国制造业中渗透率不高，所以对基础设施升级将是第一步。此外，工业互联网还会涉及到其他配套设l K Z J 0 U / * G备和生产控制等。所以，工业互联网中会涉及多种工业半导体产品，如传感器、功率器件等，从而激发对工业半导体产品需求。s 6 j U j V ( ( ` F $ 升的趋势下，8英寸晶圆厂扩产将致使8英寸硅片需求增G U @ { P加。
需求端总结：在5G通信等因素加M ^ S z Q S N U ;持下y l . ? w e S l P，应用端均有较大发展空间。所以，下游需求将会沿着产业链向上游传递，无论是12英寸硅片，还是8英寸硅片，其需求量都会有所上升。
根据SEMI，受到多方因素影响全球硅片销售额自2011年从高位回落，但这种情况自2% : b i017年起开始好转，且在2018年有较大增长。虽然2019年销售额有所回落，但在终端市场持续向好推动下，销售额有望扭转跌势。从市场份额来看，2017年全球五大硅晶圆供货商为日本信越（市占率27.58%d , Q s 0 . c 6 D）、日本胜高（市占率240 D ; ,.33%），台湾环b ) e球晶圆（市占率16.28%）、德国Silitronic（市占率14.22%）、韩国SK Siltron（市占率10.16%），前五大公司市占率超过90%。由于硅片具有较高技术壁垒，所以导致硅片市场集中度较高且硅片尺寸越大，市场集中度越高。
在2006年，Windows推出新系统，对于存储要求有提升，使得对存储需求m 9 n Z L S加大。而这种需求沿产业链向硅片厂商传递，使得硅片厂商扩产意愿强烈。根据SUMCO，2Y ) C r r - c007年全球@ _ $ ^ & m 4硅片厂规划中产能达到140万片/月；而2008年规划产能进一步提升F 3 0 !，达到166万片/月。但2008年金融危机发生后，受到多方需求下降影响，硅片实际出货量与客户需求指引出现较大幅度偏差。虽然部分硅片厂商在2009年取消12英寸扩张计划，但由于前期已实施扩产计划，产能在逐步落地过程中，但实际出货量并未达到预期，12英寸硅片. d , H H @产能进入产能过剩v , _ / - q Q阶段。
随着半导体景气度持续向好，自2014年起12英寸产能利用率达到90%以上且持续攀升，并在2017年达到满产状态。此外，受供求关系改变影响，12英寸硅片价格自2017年初开始回升。在下游需求刺激下，硅片厂商在2017年宣布扩产11R } G . Z d j e万片/月。目o | X ! a a前，硅片厂商扩产方式包括新t p R * F D f建厂房扩产（GreenField）和使用当前厂房增加生产设备（BrownField）两种方式，其主要区别是前者从兴建到投产时间为2-3年，而后者可以快速进行部署并投产。据SUMCO对2018-2022 年12英寸硅片需求年复合增长率进行测算，若按购买力平价GDP预测值为3.9%；若按客户需求预测值为4.1%。b Z %由于从规划到落地需要一P A d / k &定时间，目前12英寸硅片产能利用率保持在高位。此外，根据预测，2023年产能利用率超过100%。所以，12英寸硅片供不应求的情况或将持续。
根据各尺寸硅片出货量占比情况，8英寸硅片出货量虽然排名第二，但份额远远落后于12英寸硅片。与此同时，半导体制程等因素促使硅片向大尺寸产品迭代。所以，这将对硅片厂投资8英寸硅片产线产生影响。此外，由于大y u L部分硅片厂8寸硅片产品已亏损多年，致使其在? # X相关产品价格上涨的情况下扩产意愿仍旧不强。面对一个持续向好的市场，国内外部分企业也在积极D m &新建产线以完成扩产。但由于产线从新建到投产需要一定时间，F S r r O x 3致使产能无法快速提升。
总结：目前，硅片市场景气度持续提升，虽然在供e @ V给端硅片厂商有扩产计划，但从计划到产能释放需要一定时间。所以，在硅片产能持续保持在高位情况下，硅片供给量在短期难以有较大幅度提升。
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小编：痴冬