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1、半导体硅片技术壁垒分析一、 半导体硅片技术壁垒半导体硅片行业属于技术高度密集型行业，涵盖微电子学、物理学、材料学等诸多学科知识，需要有能综合运用各学科知识的能力。半导体硅片生产过程中涉及到拉晶、研磨、抛光、外延等众多工序，每一道工序涉及到的技术也不同，技术专业化程度高。此外，半导体行业的飞速发展对半导体硅片的尺寸、杂质含量、晶体缺陷、表面平整度等方面提出更高的要求，生产企业须具备相应的综合技术水平和研发能力才能跟市场发展需求。因此，技术构成了本行业的进入壁垒之一。二、 半导体硅片行业概况半导体硅片是制造芯片的载体，因原材料为硅，又称为硅晶片。规划和无经理硅提炼、提纯、单晶硅生产、晶圆成型等工艺
2、后，才能进入芯片单路蚀刻等后续环节，是制造芯片的最重要的前置工艺。该概念主要包含：研发及制造半导体晶圆、硅片以及抛光片等产品的公司。按照工艺类型分类，可以分为抛光片、外延片和SOI硅片。其中抛光片和外延片是市场主流产品，市场规模约130亿美元，SOI硅片主要用射频前端等特殊应用领域，市场规模约为10亿美元。抛光片：是将纳米级二氧化硅颗粒与高效粘合剂混合后，均匀地涂覆于聚酯薄膜的表面，经干燥和固化反应而成。外延片：外延是半导体工艺当中的一种。在bipolar工艺中，硅片最底层是P型衬底硅（有的加点埋层）；然后在衬底上生长一层单晶硅，这层单晶硅称为外延层；再后来在外延层上注入基区、发射区等等。最后
3、基本形成纵向NPN管结构：外延层在其中是集电区，外延上面有基区和发射区。外延片就是在衬底上做好外延层的硅片。SOI：全称为Silicon-On-Insulator，即绝缘衬底上的硅，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。一般以硅片的直径来区分规格，通常有6英寸、8英寸和12英寸。目前半导体硅片的尺寸一直在向大尺寸不断发展。直径大的半导体硅片可以降低单位芯片的平均生产成本，从而提供更高的规模经济规模。但是大尺寸硅片由于纯度高，技术研发与规模化生产难度高，需要对生产工艺改进并且对设备性能进行提升。随着5G手机、高性能计算、汽车电动化及智能化、物联网等行业的驱动下，8英寸硅片和12英寸硅片
4、已经成为主流。2021年Q4，8英寸硅片出货600万片/月，12英寸硅片出货量超过750万片/月。根据硅片应用场景，硅片可以分为正片、陪片和时刻电极。正片可以在晶圆制造中直接使用。陪片按功能又可以分为测试片、挡片和控片。测试片是用来实验和检查制造设备运行初期的状态，以改善其稳定性。挡片是用于新生产线的调试以及在晶圆生产的过程中对正品进行保护。控片是在正式生产前对新工艺测试和监控良率。三、 半导体硅片产业链半导体硅片是重要的上游行业。半导体制造企业通过加工晶体硅原料后，得到半导体硅片产品。半导体硅片产品提供给中游生产光伏电池、光伏组件的中游企业。最后中游企业再提供给主营业务为光伏应用产品的下游企
5、业。晶圆代工行业遵循摩尔定律当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。行业内存在IDM和垂直分工两种商业模式。从设计到制造、封测以及销售自有品牌IC都一手包办的半导体公司，被称为IDM公司。国外IDM代表有：英特尔（Intel）、SK海力士、美光、NXP、英飞凌、索尼、德州仪器（TI）、三星（Samsung）、东芝（Toshiba）、意法半导体（ST）等。大陆IDM厂商主要有：华润微电子、士兰微、扬杰科技、苏州固锝、上海贝岭等。有的半导体公司仅做IC设计，没有芯片加工厂（Fab），通常被称为Fabless，例如华为、ARM、NVIDIA和高
6、通等。另外还有的公司只做代工，不做设计，称为代工厂（Foundry），代表企业有台积电、格罗方德、中芯国际、台联电等。四、 半导体硅片行业特征12英寸硅片技术水平要求更高，产线投资更大。12英寸硅片用于更窄线宽制程，故对单晶微缺陷、硅片平整度、表面颗粒物、表面沾污等技术指标要求更加细化和严格，与8英寸相比，晶圆厂对12英寸硅片增加了硅片边缘局部平整度、高度径向二阶导数、纳米形貌等指标要求。厂商需要掌握更复杂的生产工艺流程及成套的特殊控制技术才能生产出合格的产品。受益于全球半导体需求的高景气，根据SUMCO统计，全球8英寸硅片2022Q1出货量约600万片/月，12英寸硅片2022Q1出货量接近
7、800万片/月，创历史新高。硅片的扩产周期在2年以上，全球硅片产能至少至2023年下半年才会有明显增长。根据Sumco的数据，全球12英寸硅片在2020年之前主要依靠原有厂房进行产能扩充，新建厂房在2021年之后逐渐释放产能，产能释放的高峰期将在2024年之后，2022和2023年全球12英寸硅片仍然将处于供不应求的状态。晶圆代工在12英寸产能占比持续提升，有助减少硅片价格波动。全球12英寸产能存储最高，前5名中三星、镁光、海力士和东芝（现在的铠侠）均为存储厂商。以台积电为代表的晶圆代工持续扩充12英寸产能，2014年全球前10大12英寸产能中晶圆代工仅占比197%，2020年提升至24%。晶
8、圆代工厂的客户众多，对晶圆的需求更加稳定，有助于稳定硅片的需求和价格。国内晶圆厂商中芯、华虹等主要晶圆代工厂及士兰微、华润微、闻泰、长江存储等IDM厂商积极扩产，12英寸逻辑扩产主要集中于28nm及以上的成熟制程，预计到2023年形成产能1065万片/月，相较2020年产能提升270%。3DD预计从2020年的5万片/月扩产至2023年的275万片/月。DRAM从2020年的4万片/月扩产至25万片/月。五、 半导体硅片驱动因素国内晶圆厂商中芯，华虹等主要晶圆代工厂及士兰微、华润微、闻泰、长江存储等IDM厂商积极扩产，12英寸逻辑扩产主要集中于28nm及以上的成熟制程，预计到2023年形成产能
9、1065万片/月，相较2020年产能提升370%。3DD预计从2020年的5万片/月扩产到2023年的275万片/月。DRAM从2020年的4万片/月扩产到25万片/月。8英寸2023年产能相较2020年产能提升50%。国家为推动半导体材料行业的发展，从减轻税收、建立投资基金、明确产业发展路径等多个方面推动半导体材料行业的发展。环保政策和标准日益完善和严格，监管和执法力度不断加大，提高对企业环境整治的要求。半导体硅片企业面临更大环保压力，环保投入增加使得生产成本增加。新环保相关法律实行，政府监管执法愈发严格，对企业环保监管力度和标准提高，社会民众环保意识增强，半导体硅片企业面临巨大环保压力。国
10、家发布超低排放标准，企业环保项目投资将增加，环保投入和运行成本将升高。六、 半导体硅片及下游市场规模5G技术的应用，人工智能的发展，云计算数据量和终端电子产品需求大幅增加，以及新冠肺炎疫情蔓延带动居家办公、居家娱乐等信息化生活方式，促进了消费电子需求回升，各类半导体需求反弹，供需矛盾从芯片制造领域传导至上游硅片环节。据SEMI统计，2021年全球半导体硅片出货面积达到1416亿平方英寸，硅片市场规模达到1262亿美元，创历史新高。SEMI报告显示，全球半导体硅片出货面积有望在2023年攀升至更高水平。2014年起，随着中国各半导体制造商生产线投产、中国半导体制造技术的不断进步与半导体终端产品市
11、场的发展，中国大陆半导体硅片市场步入了发展的快车道。产能方面，据ICInsights统计数据，2018年中国硅晶圆产能243万片/月（等效于8英寸硅片），中国大陆硅晶圆产能占全球硅晶圆产能125%。据ICInsights对未来产能扩张预测，2022年中国大陆晶圆厂硅晶圆产能将达410万片/月，占全球产能1715%，2018至2022年，年复合增长率为2293%。因此，中国半导体硅片的销售额将随着下游晶圆厂的扩产而打开提升空间。根据SEMI数据，2015年中国半导体硅材料市场规模为1016亿元，2021年增长至2505亿元，2015年至2021年复合增长率达到162%。国内半导体硅材料生产企业技
12、术水平不断提升，中国市场占比维持较高水平。即便如此，中国硅片市场90%左右的市场仍由日本信越化学、SUMCO、德国Siltronic、中国台湾环球晶圆等国际巨头占据，国产化率水平仍旧较低。以直径计算，半导体硅片的尺寸规格主要有2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、5英寸（125mm）、6英寸（150mm）、8英寸（200mm）与12英寸（300mm）等；根据用途分类，半导体硅片可分为抛光片、退火片、外延片、结隔离片和以SOI硅片为代表的高端硅片。其中，抛光片是用量最大的产品，其他的硅片产品都是在抛光片的基础上二次加工产生的。在摩尔定律的影响下，半导体硅片正在不断向大尺寸
13、的方向发展。硅片尺寸越大，在单片硅片上制造的芯片数量就越多，单位芯片的成本随之降低。同时，在圆形的硅片上制造矩形的芯片会使硅片边缘处的一些区域无法被利用，必然会浪费部分硅片。硅片的尺寸越大，相对而言硅片边缘的损失会越小，有利于进一步降低芯片的成本。例如，在同样的工艺条件下，12英寸半导体硅片的可使用面积超过8英寸硅片的两倍以上，可使用率（衡量单位晶圆可生产的芯片数量的指标）是8英寸硅片的25倍左右。半导体硅片尺寸越大，对半导体硅片的生产技术、设备、材料、工艺的要求越高。全球范围内，2008年以前，半导体硅片中8英寸占比最高；2008年12英寸硅片首次超过8英寸硅片的市场份额。得益于移动通信、计
14、算机等终端市场持续快速发展，12英寸硅片出货面积自2000年以来市场份额逐步提高，从9，400万平方英寸扩大至2021年的9598亿平方英寸，市场份额从169%大幅提升至6847%，成为半导体硅片市场主流的产品，预计到2022年市场份额将接近70%。2011年至2019年，8英寸半导体硅片市场占有率稳定在25%至27%之间，其中2016年至2017年，由于汽车电子、智能手机用指纹芯片、液晶显示器市场需求快速增长，8英寸硅片出货面积从2，69000百万平方英寸上升至3，08500百万平方英寸，同比增长1468%；2018年，受益于汽车电子、工业电子、物联网等应用领域需求依旧强劲，以及功率器件、传
15、感器等生产商8英寸产能增加，带动8英寸硅片继续保持增长。2021年8英寸硅片出货面积达到3，443百万平方英寸，增长了1687%。目前，全球市场主流的产品是8英寸、12英寸直径的半导体硅片，占全球半导体硅片出货量的90%以上，下游芯片制造行业的设备投资也与8英寸和12英寸规格相匹配。核心技术方面，为了满足12英寸硅片较高的技术指标要求，厂商需要投入更大的研发成本，在单晶生长、硅片加工及硅片清洗等方面实现技术突破。例如，对于单晶生长相关核心技术，12英寸硅单晶生长需要采用更大尺寸的热场设计、更高磁场强度的超导磁场；对于硅片加工相关核心技术，厂商需要增加掌握磨削工艺及双面抛光等相关核心技术，并调整
16、其与原有工艺的匹配性；对于硅片清洗相关核心技术，12英寸硅片在传统多片清洗技术的基础上开始引入单片清洗技术。生产设备及投资规模方面，12英寸硅片的生产工艺更为复杂，一方面增加了如粗磨削机、精磨削机、双面抛光机等12英寸硅片制造的特需设备，另一方面设备的精度要求比8英寸更高。同时，12英寸加工设备大多采用单片加工方式，与8英寸加工设备大多采用批加工方式相比，同样的产量需要投入更多数量的设备，故设备投资也会较8英寸产线有大幅增加。8英寸硅抛光片主要应用于90nm以上制程范围的模拟电路、功率芯片、CMOS图像传感器、微控制器（MCU）、射频前端芯片、嵌入式存储器等芯片，这些芯片的应用场景包括微机电系统（MEMS）、电源管理、汽车电子、工业控制、物联网等领域；12英寸硅抛光片主要应用于28nm及以下半导体制程范围制造逻辑电路、存储器等高集成度的芯片，这些芯片多在大计算量、大存储量或便携式终端上应用，其中需求占比最大的终端应用为智能手机，其次为数据
