评级（增持）半导体系列报告之四：半导体硅片：摩尔定律演进，半导体硅材料历久弥新

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报告名称 ：半导体系列报告之四：半导体硅片：摩尔定律演进，半导体硅材料历久弥新
评级 ：增持
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证券研究报告 | 2022年03月08日

半导体系列报告之四：半导体硅片 超 配

摩尔定律演进，半导体硅材料历久弥新

行业壁垒高企，借力收购兼并，产业 CR2 达 50%。半导体硅片产业起始于美 国，随着 IC 产业重心转移，日本厂商后来居上，韩国和中国台湾企业也在 全球占有一席之地。经过多次收购，2020 年日本信越和 SUMCO 市占率分别为 28%、22%，中国台湾环球晶圆市占率 15%，德国世创电子市占率 11%，韩国 SK Siltron 市占率 11%。半导体硅片制造流程复杂、前期投资额大，具有显 著的技术壁垒、认证壁垒、资金壁垒、人才壁垒，先发优势和规模效应突出。

小尺寸半导体硅片需求稳定，8 英寸需求旺盛，12 英寸紧缺有望到 2026 年。基于成本考虑，分立器件继续沿用小尺寸，集成电路逐步向大尺寸迁移。根 据 Omdia 的数据，从出货面积来看，2021 年 12 英寸占比 70.9%，8 英寸占比 22.6%，小尺寸占比 6.5%；预计 2021 至 2025 年小尺寸需求保持稳定，8 英 寸和 12 英寸需求增加。由于半导体硅片厂商 12 英寸产线的扩产进度落后于 需求增加，SUMCO 预计 12 英寸硅片供不应求有望延续至 2026 年；环球晶圆

资料来源：Wind、国信证券经济研究所整理

本土半导体硅片产业供需两旺，国内大厂加速崛起。根据 SEMI 的预计，2020-2024 年全球将新增 25 座 8 英寸晶圆厂和 60 座 12 英寸晶圆厂，其中中 国大陆分别新增 14 和 15 座，是新增量最多的地区。在国际关系紧张的情况 下，高端 12 英寸硅片技术被限制出口，而我国 12 英寸硅片国产率低于 10%，为保证供应链安全，自中美贸易摩擦以来本土晶圆厂积极导入国产硅片，AIoT 时代的新增需求叠加国产率提高为国内半导体硅片企业带来成长机会。

投资建议：关注大尺寸量产企业及细分市场占主导地位的企业。结合 SUMCO 和环球晶圆的历史走势，半导体硅片企业的估值、业绩均与行业景气度强相 关，考虑到国内半导体产业在国产替代背景下处于中长期景气上行周期，率 先量产 12 英寸产品的硅片企业具有先发优势，未来也有望主导并购整合，代表企业有沪硅产业、立昂微、中环股份、超硅半导体（未上市）等。另一 方面，小尺寸硅片企业由于前期投资额较小且已实现规模化销售，盈利能力 突出，代表企业有中晶科技、麦斯克（未上市）、有研硅（未上市）等。

风险提示：1、需求不及预期；2、国产化进程不及预期；3、竞争加剧等。

重点公司盈利预测及投资评级

资料来源：Wind、国信证券经济研究所预测（截止日期：2022 年 3 月 7 日，无评级公司 EPS 来自 Wind 一致预期）

《半导体行业 3 月投资策略及环球晶圆复盘-关注晶圆代工和受 益本土扩产的上游设备》 ——2022-03-07
《电子行业周报：4Q21 荣耀国内市占率跻身第二》 ——
2022-02-20
《半导体系列报告之三：前道设备：国内前道设备迎本土扩产东 风》 ——2022-02-15
《电子行业周报：vivo 折叠机即将发布，Pico 春节热销》 ——2022-02-14
《LCD 行业月报：1 月 LCD 价格跌幅收敛，IT 面板需求依旧旺盛》——2022-02-09

请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容

内容目录

硅晶圆是重要的半导体材料，规模超百亿美元..............................................................................5

硅晶圆是需求量最大的半导体材料.................................................................................................................. 5 半导体硅片根据不同参数的分类...................................................................................................................... 6 半导体硅片行业具有周期性，2021 年市场规模 126 亿美元.........................................................................8

半导体硅片制造工序繁多，行业壁垒较高......................................................................................9

半导体硅片制造流程复杂，拉单晶是关键环节..............................................................................................9 半导体硅片行业壁垒较高，先发优势和规模效应突出................................................................................14

12 英寸供不应求，国际环境加速国产替代...................................................................................15

半导体硅片发展历史：起始于美国，日本后来居上....................................................................................15 竞争格局：本土供应需求强烈，市场集中度有望下降................................................................................16 8 英寸和 12 英寸硅片需求增加，小尺寸硅片需求稳定...............................................................................17 12 英寸半导体硅片需求旺盛，供求紧张态势有望持续至 2026 年.............................................................18

本土半导体硅片供需两旺，国内大厂加速崛起............................................................................20

国内积极投入晶圆厂建设，为本土半导体硅片厂商创造机遇....................................................................20 为了抓住产业机遇，国内半导体硅片厂商积极扩产....................................................................................21 国内半导体硅片产业正迎来前所未有的发展机遇期....................................................................................22 中国半导体行业中长期景气上行，为硅片产业带来投资机遇....................................................................23 投资建议：关注大尺寸量产企业及细分市场占主导地位的企业................................................................24

风险提示............................................................................................................................................25

免责声明............................................................................................................................................26

图表目录

图1： 半导体材料分类............................................................................................................................................... 5 图2： 各代半导体材料在功率器件中的应用...........................................................................................................5 图3： 硅晶圆是晶圆制造过程中占比最大的材料（2018 年）..............................................................................6 图4： 半导体硅片分类............................................................................................................................................... 6 图5： 全球各尺寸半导体硅片出货面积占比（2020 年）......................................................................................7 图6： 退火片............................................................................................................................................................... 7 图7： 外延片............................................................................................................................................................... 7 图8： 结隔离硅片....................................................................................................................................................... 8 图9： SOI 硅片............................................................................................................................................................ 8 图10： 全球半导体硅片销售额................................................................................................................................. 9 图11： 全球半导体硅片出货面积及单价.................................................................................................................9 图12： 半导体硅片所处产业链位置......................................................................................................................... 9 图13： 半导体硅片制造流程................................................................................................................................... 10 图14： 直拉法拉单晶............................................................................................................................................... 10 图15： 区熔法拉单晶............................................................................................................................................... 10 图16： 半导体硅片制造流程：拉单晶（直拉法）...............................................................................................11 图17： 半导体硅片制造流程：拉单晶（区熔法）...............................................................................................12 图18： 半导体硅片制造流程：切片.......................................................................................................................12 图19： 半导体硅片制造流程：研磨.......................................................................................................................13 图20： 半导体硅片制造流程：抛光.......................................................................................................................13 图21： 半导体硅片制造流程：清洁和检查...........................................................................................................13 图22： 半导体硅片行业的主要壁垒.......................................................................................................................15 图23： 半导体硅片行业的发展历史.......................................................................................................................16 图24： 全球五大半导体硅片厂商并购史...............................................................................................................16 图25： 全球半导体硅片行业由分散到集中...........................................................................................................16 图26： 2020 年全球半导体硅片集中度下降..........................................................................................................17 图27： 2020 年全球半导体硅片市占率..................................................................................................................17 图28： 电子系统中半导体含量提升.......................................................................................................................17 图29： 各尺寸半导体硅片需求量（百万片/月）.................................................................................................17 图30： 半导体各尺寸出货量占比........................................................................................................................... 18 图31： 半导体各尺寸硅片出货面积占比...............................................................................................................18 图32： 12 英寸半导体硅片需求驱动力..................................................................................................................19 图33： 高性能计算对 12 英寸半导体硅片的需求量.............................................................................................19 图34： DRAM 对 12 英寸半导体硅片需求量............................................................................................................19 图35： NAND 对 12 英寸半导体硅片的需求量........................................................................................................19 图36： 晶圆厂的资本开支计划（十亿美元）.......................................................................................................19 图37： 12 英寸外延片和抛光片需求预期（千片/月）........................................................................................19

图38： 12 英寸半导体硅片需求驱动力..................................................................................................................20 图39： 2020-2024 年新增晶圆厂数量....................................................................................................................21 图40： 2021 和 2022 年新建晶圆厂数量................................................................................................................21 图41： 晶圆制造企业对半导体硅片厂商的认证过程...........................................................................................22 图42： 国内半导体硅片企业毛利率偏低...............................................................................................................22 图43： SUMCO 的收入及净利润................................................................................................................................ 23 图44： SUMCO 和环球晶圆的毛利率及净利率........................................................................................................23 图45： SUMCO 市值随行业周期性波动....................................................................................................................24 图46： 环球晶圆市值随行业周期性波动...............................................................................................................24

表1： 半导体硅片的种类和比较...............................................................................................................................8 表2： 集成电路用大直径硅抛光片的技术参数要求.............................................................................................14 表3： 半导体硅片投资金额较大.............................................................................................................................14 表4： 半导体硅片各尺寸对应的制程和半导体产品.............................................................................................18 表5： 国内半导体硅片产能不完全统计（8 英寸和 12 英寸）........................................................................... 21 表6： 国内主要半导体硅片企业概览.....................................................................................................................24 表7： 半导体硅片企业经营数据对比.....................................................................................................................25

硅晶圆是重要的半导体材料，规模超百亿美元

硅晶圆是需求量最大的半导体材料

半导体材料是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间）、可用来 制作半导体器件和集成电路的电子材料，是半导体工业的基础。半导体材料的研 究始于 19 世纪，至今已发展至第四代半导体材料，各个代际半导体材料之间互 相补充。

第一代半导体：以硅（Si）、锗（Ge）等为代表，是由单一元素构成的元素 半导体材料。硅半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和 整个信息产业的飞跃。

第二代半导体：以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等为代表，也包括三元化 合物半导体，如 GaAsAl、GaAsP，还包括一些固溶体半导体、非静态半导体 等。随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会信息化的发展，第二 代半导体材料显示出其优越性，砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系 统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。

第三代半导体：以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）为代表的 宽禁带半导体材料。具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐 射能力等优异性能，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件，在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域有广阔的应用前景。

第四代半导体：以氧化镓（Ga2O3）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）为代表的 超宽禁带半导体材料，禁带宽度超过 4eV；以及以锑化物（GaSb、InSb）为 代表的超窄禁带半导体材料。超宽禁带材料凭借其比第三代半导体材料更宽 的禁带，在高频功率器件领域有更突出的特性优势；超窄禁带材料由于易激 发、迁移率高，主要用于探测器、激光器等器件的应用中。

图1：半导体材料分类

资料来源：半导体联盟，国信证券经济研究所整理

图2：各代半导体材料在功率器件中的应用

资料来源：Flosfia，国信证券经济研究所整理

硅材料制造全球绝大部分的半导体产品，也是占比最大的半导体制造材料。在 1950 年代初期，锗是主要的半导体材料。但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能 较差，到 1960 年代逐渐被硅材料取代。由于硅器件的漏电流要低得多，且二氧化 硅是一种高质量的绝缘体，很容易作为硅器件的一部分进行整合，至今半导体器 件和集成电路仍然主要用硅材料制成，硅产品构成了全球绝大部分半导体产品。根据 SEMI 的数据，在硅晶圆制造过程中，半导体硅片（硅晶圆）也是占比最大的 原材料，2018 年约 38%。

图3：硅晶圆是晶圆制造过程中占比最大的材料（2018 年）

资料来源：SEMI，国际电子商情，国信证券经济研究所整理

半导体硅片根据不同参数的分类

半导体硅晶圆（Semiconductor Silicon Wafer）是制造硅半导体产品的基础，可 根据不同参数进行分类。

图4：半导体硅片分类

资料来源：立昂微招股书，SUMCO，国信证券经济研究所整理

根据尺寸（直径）不同，半导体硅片可分为 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），在摩尔定律影响下，半导体硅片正在不断向大尺寸的方向发展，目前 8 英寸和 12 英寸是主流产品，合计出货面积占比超过 90%。

图5：全球各尺寸半导体硅片出货面积占比（2020 年）

资料来源：Omdia，国信证券经济研究所整理

根据掺杂程度不同，半导体硅片可分为轻掺和重掺。重掺硅片的掺杂元素掺入量 大，电阻率低,一般用于功率器件等产品；轻掺硅片掺杂浓度低，一般用于集成电 路领域，技术难度和产品质量要求更高。由于集成电路在全球半导体市场中占比 超过 80%，全球对轻掺硅片需求更大。

根据工艺，半导体硅片可分为研磨片、抛光片及基于抛光片制造的特殊硅片外延 片、SOI 等。研磨片可用于制造分立器件；轻掺抛光片可用于制造大规模集成电 路或作为外延片的衬底材料，重掺抛光片一般用作外延片的衬底材料。相比研磨 片，抛光片具有更优的表面平整度和洁净度。

在抛光片的基础上，可以制造出退火片、外延片、SOI 硅片和结隔离硅片等。退 火片在氢气或氩气环境下对抛光片进行高温热处理，以去除晶圆表面附近的氧气，可以提高表面晶体的完整性。外延片是在抛光片表面形成一层气相生长的单晶硅，可 满 足 需 要 晶 体 完 整 性 或 不 同 电 阻 率 的 多 层 结 构 的 需 求 。 SOI 硅 片（Silicon-On-Insulator）是在两个抛光片之间插入高电绝缘氧化膜层，可以实 现器件的高集成度、低功耗、高速和高可靠性，在活性层表面也可以形成砷或砷 的扩散层。结隔离硅片是根据客户的设计，利用曝光、离子注入和热扩散技术在 晶圆表面预形成 IC 嵌入层，然后再在上面生长一层外延层。

图6：退火片 图7：外延片

资料来源：SUMCO，国信证券经济研究所整理

资料来源：SUMCO，国信证券经济研究所整理

资料来源：SUMCO，国信证券经济研究所整理

资料来源：SUMCO，国信证券经济研究所整理

根据应用场景不同，半导体硅片可分为正片、假（陪）片。正片（Prime Wafer）用于半导体产品的制造，假片（Dummy Wafer）用来暖机、填充空缺、测试生产设 备的工艺状态或某一工艺的质量状况。假片一般由晶棒两侧品质较差部分切割而 来，由于用量巨大，在符合条件的情况下部分产品会回收再利用，回收重复利用 的硅片称为可再生硅片（Reclaimed Wafer）。据观研网数据，65nm 制程的晶圆 代工厂每 10 片正片需要加 6 片假片，28nm 及以下制程每 10 片正片则需要加 15-20 片假片。

表1：半导体硅片的种类和比较

资料来源：《芯片用硅晶片的加工技术》，国信证券经济研究所整理（价格数据非最新价格）

半导体硅片行业具有周期性，2021 年市场规模 126 亿美元

半导体硅片的市场规模随着全球半导体行业景气度波动，单位面积价格在 2016 年触底后回升。根据 SEMI 数据，全球半导体硅片销售额由 2005 年的 79 亿美元增 长到 2021 年的 126 亿美元，其中出货面积由 66.45 亿平方英寸增加到 141.65 亿 英寸，单位面积价格先降后升，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。作为半导体产品最重要的主 要原材料，全球半导体硅片的市场规模的波动方向基本与全球半导体销售额一致，且波动幅度更大，具有明显的周期性。

图10：全球半导体硅片销售额

资料来源：SEMI，SIA，国信证券经济研究所整理

图11：全球半导体硅片出货面积及单价

资料来源：SEMI，国信证券经济研究所整理

半导体硅片制造工序繁多，行业壁垒较高

半导体硅片制造流程复杂，拉单晶是关键环节

半导体硅片的上游是半导体级多晶硅材料，下游是半导体产品。硅元素在自然界 中以二氧化硅为主要存在形式，通过化学还原生成多晶硅材料，之后再进行提纯。光伏用多晶硅材料纯度要求为 6~9 个“9”之间（99.9999%-99.9999999%），半导 体用纯度要求 11 个“9”以上（99.999999999%)。制作完成的半导体硅片被晶圆 厂用作衬底制造出各类半导体产品，并最终应用于手机、电脑等终端产品中。

图12：半导体硅片所处产业链位置

资料来源：《芯片用硅晶片的加工技术》，国信证券经济研究所整理

半导体硅片制造流程复杂，主要包括拉单晶和硅片的切磨抛外延等工艺。半导体 硅片的生产流程复杂，涉及工序较多。研磨片工序包括拉单晶、截断、滚圆、切 片、倒角、研磨等，抛光片是在研磨片的基础上经边缘抛光、表面抛光等工序制 造而来；抛光片经外延工艺制造出硅外延片，经退火热处理制造出硅退火片，经 特殊工艺制造出绝缘体上硅 SOI。硅片制造过程中需要经过多次清洗，在销售给 客户之前还需要经过检验和包装。

图13：半导体硅片制造流程

资料来源：立昂微招股书，国信证券经济研究所整理

步骤一：拉单晶。电子级高纯度多晶硅通过单晶生长工艺可拉制成单晶硅棒，常 用方法有直拉法（Czochralsk，CZ 法）和区熔法（Float-Zone，FZ 法）两种。FZ 法纯度高，氧含量低，电阻率较高，能耐高压，但工艺难度大，大尺寸硅片制备 困难且成本高，因此主要以 8 英寸及以下尺寸为主，主要用于中高端功率器件。CZ 法氧含量高，更容易生产出大尺寸单晶硅棒，工艺也已成熟，成本较低，因此 目前半导体行业主要采用 CZ 法拉制单晶硅棒。拉单晶技术直接决定了位错、COP（crystal originated pit,晶体原生凹坑）、旋涡等晶体原生缺陷的密度及电 阻率、电阻率梯度、氧、碳含量等晶体技术指标的好坏，是半导体硅片生产工序 中最为核心的技术。

图14：直拉法拉单晶 图15：区熔法拉单晶

资料来源：SUMCO，国信证券经济研究所整理

直拉法加工工艺：

资料来源：中晶科技招股书，国信证券经济研究所整理

装料：将多晶硅和掺杂剂放入单晶炉内的石英坩埚内，掺杂剂的种类依所需

生长的电阻率而定，主要有生长 P 型的硼和生长 N 型的磷、砷、锑等。

熔化，挥发一定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。

引晶：当温度稳定后，将籽晶与熔体接触，然后具有一定转速的籽晶按一定 速度向上提升，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，称为“引晶”或“下种”。

缩颈：在引晶后略微降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其 目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般 要长于 20mm。

放肩：缩颈工艺完成后，通过逐渐降低提升速度及温度调整，使晶体直径逐 渐变大到所需的直径为止。在放肩时可判别晶体是否是单晶，否则要将其熔 掉重新引晶。

等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度 和拉速不变。单晶硅片取自于等径部分。

收尾：在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么效应力将使 得晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径 慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为收尾阶段。长完的 晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。

图16：半导体硅片制造流程：拉单晶（直拉法）

资料来源：《芯片用硅晶片的加工技术》，国信证券经济研究所整理

区熔法加工工艺：

在真空或稀有气体环境下的炉室中，利用电场给多晶硅棒加热，直到被加热 区域的多晶硅融化，形成熔融区。

用籽晶接触熔融区，并融化。

使多晶硅上的熔融区不断上移，同时籽晶缓慢旋转并向下拉伸，逐渐形成单 晶硅棒。

图17：半导体硅片制造流程：拉单晶（区熔法）

资料来源：《半导体硅片制备技术及产业现状》，国信证券经济研究所整理

步骤二：切片。单晶硅棒磨成相同直径，然后根据客户要求的电阻率，用内径锯 或线锯将晶棒切成约 1mm 厚的薄片，形成晶圆。根据目前的工艺、技术水平，为 了降低硅材料的损耗、提高生产效率和表面质量，一般采用线切割方法进行切片。

图18：半导体硅片制造流程：切片

资料来源：SUMCO，国信证券经济研究所整理

步骤三：倒角：硅片倒角加工的目的是消除硅片边缘表面经切割加工所产生的棱 角、裂缝、毛刺、崩边或其他的缺陷以及各种边缘表面污染，从而降低硅片边缘 表面的粗糙度，增加硅片边缘表面的机械强度、减少颗粒的表面沾污。

步骤四：研磨。在研磨机上用磨料将切片抛光到所需的厚度，同时提高表面平整 度。研磨的目的是为了去除在切片工序中，硅片表面因切割产生的深度约 20~25um 的表面机械应力损伤层和表面的各种金属离子等杂质污染，并使硅片具有一定的 平坦表面。

图19：半导体硅片制造流程：研磨

资料来源：SUMCO，国信证券经济研究所整理

步骤五：蚀刻和抛光。通过化学蚀刻去除前面步骤对晶圆表面造成的机械损伤，然后采用硅溶胶机械化学抛光法使晶圆表面更加平整和光洁。

图20：半导体硅片制造流程：抛光

资料来源：SUMCO，国信证券经济研究所整理

步骤六：清洁和检查。清洁后，对产品进行严格的质量检查，合格后销售给客户。也可进一步用来制作 SOI、外延片等特殊硅片。

图21：半导体硅片制造流程：清洁和检查

资料来源：SUMCO，国信证券经济研究所整理

半导体硅片行业壁垒较高，先发优势和规模效应突出

技术壁垒：半导体硅片技术参数要求高，各工艺环节需要长期积累。半导体硅片 核心工艺包括单晶工艺、切片工艺、研磨工艺、抛光工艺、外延工艺等，技术专 业化程度较高，其中单晶工艺是最为核心的技术，其决定了硅片尺寸、电阻率、纯度、氧含量、位错、晶体缺陷等关键技术指标，在单晶生长过程中，需要注意 温度控制和提拉速率等。晶圆研磨、抛光工艺决定硅片的厚度、表面平整度、表 面洁净度、表面颗粒度、翘曲度等指标。外延工艺的重点是保证外延层厚度的均 匀性和外延层电阻率的片内均匀性。随着工艺制程不断向前推进，对硅片性能指 标要求也越来越高，比如前沿的 12 英寸硅片需要达到的部分参数如下：

晶体缺陷：硅原子对称排列，5 亿个硅原子中只有 1 个缺陷；

表面平整度：硅片表面的高度落差小于 10nm；

表面洁净度：硅片表面微颗粒尺寸在 10nm 以内；

无杂质污染：要求表面杂质含量小于百亿分之一。

表2：集成电路用大直径硅抛光片的技术参数要求

资料来源：《芯片用硅晶片的加工技术》，国信证券经济研究所整理

客户认证壁垒：芯片制造企业对于引入新供应商态度谨慎且认证周期长。半导体 硅片是芯片制造企业生产半导体产品的重要原材料，芯片制造企业对于引入新供 应商态度谨慎，为了保证产品质量的稳定性和一致性，需要经过很长时间的认证 周期。通常，芯片制造企业会要求硅片供应商先提供一些硅片供其试生产，待通 过内部认证后，芯片制造企业会将产品送至下游客户处，获得其客户认可后，才 会对硅片供应商进行认证，最终正式签订采购合同。

资金壁垒和规模壁垒：半导体硅片行业是一个资金密集型行业，且需要达到一定 销售规模才能盈利。半导体硅片要形成规模化生产，所需投资金额较大，如一台 关键生产设备价值达数千万元，大尺寸硅片生产线的投资金额以十亿元计。同时，由于前期固定资产投资额大，半导体硅片企业需要形成一定的规模销售后才能盈 利，前期经营压力较大，毛利率可能为负。

表3：半导体硅片投资金额较大

资料来源：各公司公告，国信证券经济研究所整理

人才壁垒：半导体硅片企业需要复合型人才。半导体硅片的研发和生产过程较为 复杂，涉及固体物理、量子力学、热力学、化学等多学科领域交叉，因此需要具 备综合专业知识和丰富生产经验的复合型人才。

图22：半导体硅片行业的主要壁垒

资料来源：立昂微招股说明书，国信证券经济研究所整理

12 英寸供不应求，国际环境加速国产替代

半导体硅片发展历史：起始于美国，日本后来居上

半导体硅片起始于美国，MEMC 曾引领技术发展并创下多个全球第一。半导体产业 发源于美国，半导体硅片亦如此。1956 年，美国孟山都化学公司成立孟山都电子 材料公司（MEMC Electronic Materials，MEMC）,负责生产制造晶体管和整流器 的硅片。在之后的几十年里，MEMC 为行业技术发展、行业标准等都做出了极大贡 献，突破的技术包括化学机械研磨 CMP、外延层的生长、零错位晶体、氧控制等；同时公司也是全球第一家量产 4 英寸、8 英寸的硅片厂商。作为行业领导者，MEMC 在 20 世纪 60 年代获得 80%的市场份额。但后期由于连续亏损，孟山都在 1989 年 将 MEMC 卖给了德国化工企业，并于 2016 年被中国台湾的环球晶圆收购。

随着本土半导体的崛起，日本硅片厂商后来居上，韩国和中国台湾企业也在全球 占有一席之地。20 世纪 50 年代末，日本公司通过技术引进，开始布局硅晶圆产 业。在超大规模集成电路研究计划（VLSI，1976-1980）的推动下，日本半导体产 业快速发展，其中存储器在 20 世纪 80 年代超过美国，硅片厂商也在此期间获得 黄金发展期，最终经过整合并购形成信越化学和 SUMCO 两家国际半导体硅片巨头，2001 年信越化学在全球率先量产 12 英寸半导体硅片。日本半导体硅片产业从 20 世纪 90 年代超过美国后，至今仍在全球占据主导地位。20 世纪 90 年代半导体产 业从日本向韩国和中国台湾转移，韩国和中国台湾硅片企业得以成长，并在全球 占有一席之地。

图23：半导体硅片行业的发展历史

资料来源：半导体供应链研究，各公司官网，国信证券经济研究所整理

竞争格局：本土供应需求强烈，市场集中度有望下降

半导体硅片产业的发展伴随着整合收购，竞争格局由分散走向集中。半导体硅片 产业发展早期由美国 MEMC 主导，之后众多企业参与竞争，1998 年市场格局极度 分散，全球主要市场参与者超过 25 家。但随着硅片尺寸越来越大，所需投资额大 幅提高，规模效应是企业盈利的关键，在众多硅片厂商出现连续亏损的情况下收 购兼并不断发生。通过不断的整合收购，全球半导体硅片行业由分散走向集中，2019 年全球前五大硅片厂商合计市占率超过 90%。

图24：全球五大半导体硅片厂商并购史

资料来源：各公司官网，国信证券经济研究所整理

图25：全球半导体硅片行业由分散到集中

资料来源：Capital IQ，国信证券经济研究所整理

国际环境加速国产替代，全球市场集中度有望下降。在国际关系紧张的情况下，半导体供应链安全成为各国政府和企业的关注重点，半导体硅片作为核心原材料，本土供应需求强烈，2022 年中国台湾环球晶圆收购德国世创电子因未获德国审核 通过而宣告失败。在以中国大陆半导体硅片厂商为代表的供给影响下，半导体硅 片行业的竞争格局有望发生改变，全球市场集中度有望下降。根据 SEMI 的数据，2020 年全球前三大半导体硅片厂商合计市占率由 2019 年的 68.2%下降至 63.8%；前五大厂商合计市占率由 92.6%下降至 86.6%。

图26：2020 年全球半导体硅片集中度下降

资料来源：SEMI，国信证券经济研究所整理

图27：2020 年全球半导体硅片市占率

资料来源：SEMI，国信证券经济研究所整理

8 英寸和 12 英寸硅片需求增加，小尺寸硅片需求稳定

半导体含量提升推动硅片出货面积增加，2021 年全球硅片出货面积创历史新高。历史上半导体行业的年均增速高于电子系统整体市场，主要驱动力是电子系统中 使用的半导体的含量不断增加。比如随着全球手机、汽车和个人电脑出货量增长 趋于成熟和放缓，电子系统市场 2011-2021 年的年均复合增长率为 3.5%，而半导 体行业 2011-2021 年的年均复合增长率为 6.5%。根据 IC Insights 的数据，2021 年电子系统中的半导体含量提高到了 33.2%，创历史新高，同时预期终值将超过 40%。在半导体含量推动作用下，硅片出货面积曾上升趋势，根据 SEMI 的数据，2021 年全球硅片出货面积 141.65 亿平方英寸，创历史新高。

图28：电子系统中半导体含量提升

资料来源：IC Insights，国信证券经济研究所整理

图29：各尺寸半导体硅片需求量（百万片/月）

资料来源：Omdia，国信证券经济研究所整理

半导体硅片新增需求集中在 8 英寸和 12 英寸，6 英寸及以下尺寸硅片需求稳定。根据 Omdia 的数据，6 英寸及以下尺寸的半导体硅片需求量在 2000 年到 2015 年 之间呈下降趋势，2015 年后基本保持稳定；12 英寸硅片从 2001 年商业化生产后，需求量持续攀升；8 英寸硅片需求量波动相对较少。Omdia 预计 2021 至 2025 年，8 英寸和 12 英寸半导体硅片需求量将增加，6 英寸及以下尺寸硅片需求保持平稳。从出货片数来看，2021 年 12 英寸占比 47.7%，8 英寸占比 34.3%，小尺寸占比 18.0%；从出货面积来看，2021 年 12 英寸占比 70.9%，8 英寸占比 22.6%，小尺寸占比 6.5%。

图30：半导体各尺寸出货量占比

资料来源：Omdia，国信证券经济研究所整理

图31：半导体各尺寸硅片出货面积占比

资料来源：Omdia，国信证券经济研究所整理

基于成本考虑，分立器件继续沿用小尺寸，集成电路向大尺寸迁移。分立器件由 于价格偏低，生产厂商对于投资大尺寸产线动力不足，目前仍以 6 英寸及以下硅 片为主。集成电路使用大尺寸硅片带来的经济效益明显，比如 12 英寸硅片的面积 是 8 英寸的 2.25 倍，可使用率是 8 英寸的 2.5 倍左右，单片可产出的芯片数量增 加，单个芯片的成本随之降低。若硅片尺寸增大带来的成本节约可以弥补投资大 尺寸晶圆制造产线的成本，厂商便有向大尺寸迁移的动力。目前商用的最大半导 体硅片尺寸是 12 英寸，18 英寸（450mm）硅片由于工艺和技术难度较大，目前还 没有看到量产的可能。

表4：半导体硅片各尺寸对应的制程和半导体产品

资料来源：沪硅产业招股书，国信证券经济研究所整理

12 英寸半导体硅片需求旺盛，供求紧张态势有望持续至 2026 年

远程办公、汽车半导体、元宇宙等新需求推动 12 英寸半导体硅片需求增加。根 据 SUMCO 2022 年 2 月的预测，12 英寸半导体硅片的需求量将在远程办公、线上 会议、自动驾驶、元宇宙等新需求的推动下增加，其中全球数据量将从每年 13ZB 增加到 160ZB，数据的计算和存储需求旺盛。SUMCO 预计 2021-2025 年高性能计算 和 DRAM 对 12 英寸半导体硅片需求量的 CAGR 分别为 14.7%和 10%。

图32：12 英寸半导体硅片需求驱动力

资料来源：SUMCO，国信证券经济研究所整理

图34：DRAM 对 12 英寸半导体硅片需求量

资料来源：SUMCO，国信证券经济研究所整理

图33：高性能计算对 12 英寸半导体硅片的需求量

资料来源：SUMCO，国信证券经济研究所整理

图35：NAND 对 12 英寸半导体硅片的需求量

资料来源：SUMCO，国信证券经济研究所整理

下游晶圆厂积极投资扩产，增加对 12 英寸半导体硅片的需求。为了满足下游终 端需求，晶圆厂正在加大资本开支扩充产能，预计 2022 年投资总额约 1500 亿美 元，其中第三方代工厂在先进制程方面尤为积极，2020-2025 年的 CAGR 为 8.1%，IDM 的 CAGR 为 4.6%。在高额资本开支下，预计全球 12 英寸抛光片需求量将从 2020 年 375.1 万片/月增加到 2025 年的 555.4 万片/月，外延片将从 229.2 万片/月增 加到 268.2 万片/月；晶圆代工厂所需 12 英寸硅片量将从 2020 年的 159.3 万片/ 月提高到 2025 年的 274.8 万片/月。

图36：晶圆厂的资本开支计划（十亿美元）

资料来源：SUMCO，国信证券经济研究所整理

图37：12 英寸外延片和抛光片需求预期（千片/月）

资料来源：SUMCO，国信证券经济研究所整理

扩产进度落后于需求增加，12 英寸半导体硅片供不应求。根据 SUMCO 2 月的最新 预测，2021-2026 年 12 英寸硅片需求量的 CAGR 为 8.4%。由于 12 英寸半导体硅片 新建厂房的大规模投产需要等到 2024 年，扩产进度落后于需求增加，2022、2023 年 12 英寸硅片供应缺口将比 2021 年更大，预计从 2022 年至 2026 年全球 12 英寸 硅片厂商的产能利用率均将保持在 100%以上。另外，8 英寸及以下硅片供不应求 的状态也将在 2022 年持续。基于此，各大半导体硅片厂商进入 2022 年后，在 2021 年涨价的基础上再次涨价。

SUMCO 大额扩产满足长约需求，环球晶圆收购失败后亦宣布扩产。SUMCO 已与客 户签订从 2022 到 2026 年的 5 年长约，为了满足客户需求，SUMCO 计划投资 2287 亿日元（约 125 亿人民币）在 Imari 和 Omura 新建厂房扩产，这是自 2008 年以来 首度投资建设新的工厂。两个新厂房将于 2022 年动工，2023 年下半年开始投产，并分别于 2Q25、2023 年底满产，这些新增产能已包含在长约中。环球晶圆收购世 创电子失败后，也于 2022 年 2 月宣布了扩产计划，将于 2022 年至 2024 年投入 1000 亿新台币（约 228 亿人民币），用于扩充现有厂区以及兴建新厂，新产线预 计 2023 年下半年开始投产。

图38：12 英寸半导体硅片需求驱动力

资料来源：SUMCO，国信证券经济研究所整理

本土半导体硅片供需两旺，国内大厂加速崛起

国内积极投入晶圆厂建设，为本土半导体硅片厂商创造机遇

中国是全球新建晶圆厂数量最多的国家，增加对 8 英寸和 12 英寸硅片的需求。根据 SEMI 的预计，2020 年至 2024 年间将有众多晶圆厂上线，包括 25 座 8 英寸 晶圆厂和 60 座 12 英寸晶圆厂，其中中国是新增数量最多的国家，中国大陆新增 14 座 8 英寸和 15 座 12 英寸，中国台湾新增 2 座 8 英寸和 15 座 12 英寸，在新建 8 英寸晶圆厂方面，中国大陆的数量远远超过其他国家/地区。2021、2022 年中国 大陆新建数量分别为 5 座和 3 座，新增晶圆厂的投产将带动对半导体硅片的需求。

图39：2020-2024 年新增晶圆厂数量

资料来源：SEMI，国信证券经济研究所整理

图40：2021 和 2022 年新建晶圆厂数量

资料来源：SEMI，国信证券经济研究所整理

为了抓住产业机遇，国内半导体硅片厂商积极扩产

政策资金推动下，国内半导体硅片企业纷纷投资扩产。发展半导体产业已成为国 家战略，国家和地方政府加大支持政策力度。同时，在国产化大趋势下，大量资 金涌入半导体产业。在两者推动下，国内半导体行业进入蓬勃发展期，半导体硅 片作为关键原材料，各厂商相继宣布投资扩产计划。

半导体硅片厂建设主体多，区域分散。由于国内大尺寸半导体硅片企业处于发展 早期，尚未形成垄断格局。各企业和各地政府为了抓住发展机遇，积极建设硅片 厂，呈现出建设主体多且区域分散的格局。从日本半导体硅片行业的发展史来看，在产业发展早期，多项目齐头并进；随着产业发展成熟，基于规模效应和盈利能 力考虑，并购整合是最优选择。

表5：国内半导体硅片产能不完全统计（8 英寸和 12 英寸）

资料来源：各公司公告，亚化咨询，国信证券经济研究所整理（部分数据来自新闻报道，与公司当前实际产能可能存在差异）

国内半导体硅片产业正迎来前所未有的发展机遇期

与海外半导体硅片企业相比，国内企业进入半导体硅片行业时间较晚，规模化量 产时间落后十年以上。其中 8 英寸半导体硅片海外量产时间为 1984 年，我国立昂 微量产时间为 2009 年；12 英寸半导体硅片海外量产时间为 2001 年，我国上海新 昇量产时间为 2018 年。由于起步晚，国内半导体硅片企业面临较高的行业进入壁 垒，包括资金壁垒、人才壁垒、技术壁垒、认证壁垒以及规模壁垒等。但是在国 家政策和资本支持下，资金壁垒已基本解决；同时，良好的创业环境和待遇也吸 引了优秀的海外人才回流及本土人才加入，半导体硅片领域的人才梯队正在建立。

本土客户加速验证，部分企业已跨过认证壁垒。新进半导体硅片厂商要成为客户 主要供应商一般需要 5 年以上的认证过程：2 年左右的产品流片评估——1 年左右 的陪片和测试片稳定供应——低价格低数量订单正片供应 1 年——正常价格订单 的 B 类和 C 类供应商——主要供应商。为了保证产品的质量，在有成熟供应商的 情况下，晶圆厂导入新硅片供应商的意愿较低，但在国际关系紧张的情况下，国 内晶圆制造企业对于硅片本土化需求增加，更愿意为国内企业提供认证机会，在 此背景下，国内部分硅片企业已成功完成认证，进入批量供货阶段，随着经验的 积累，国内企业将有更多的机会导入海外客户。

图41：晶圆制造企业对半导体硅片厂商的认证过程

资料来源：《半导体硅片制备技术及产业现状》，国信证券经济研究所整理

量产初期盈利能力较弱，待规模提升后有望改善。半导体硅片行业前期固定资产 投资金额较大，在规模出货前容易亏损，规模效应是企业的竞争优势之一。国内 企业进入时间较短，规模效应还未形成，相比海外大厂，前期盈利能力较弱，尤 其是 12 英寸产线。以沪硅产业为例，2020 年沪硅产业整体毛利率为 13.10%，8 英寸及以下尺寸产品毛利率为 21.76%，12 英寸产品毛利率则为-34.82%。随着产 能和销量爬坡完成后，规模效应有助改善企业盈利能力。

图42：国内半导体硅片企业毛利率偏低

资料来源：各公司公告，国信证券经济研究所整理

核心设备逐步国产化，部分厂商已建立设备设计能力。建设一条硅片生产线需要 一系列的设备，包括单晶炉、抛光和清洗设备、切磨设备、检测设备和外延设备 等。虽然目前 12 英寸线生产设备仍以进口设备为主，但已有部分国产设备进入生 产线。另外，设备的设计和改造能力也是半导体硅片企业的核心竞争力之一，以 单晶炉为例，信越和 SUMCO 的单晶炉是由公司独立设计制造或通过控股子公司设 计制造；其他主要硅片厂商也有自己独立的单晶炉供货商，并签有严格的保密协 议。经过多年的发展，国内部分厂商也已建立核心设备设计能力，以上海超硅为 例，公司设有设备技术中心，核心设备单晶炉由公司自主设计制造。

中国半导体行业中长期景气上行，为硅片产业带来投资机遇

半导体硅片企业的业绩和市值与行业周期强相关，签订长约有助缓解业绩波动。从全球半导体硅片大厂 SUMCO 的历史复盘来看，公司业绩和市值波动情况基本一 致，2016-2018 年为上行阶段，2019、2020 年为下行阶段。环球晶圆在 2016-2018 年的阶段与 SUMCO 情形类似，毛利率、净利率大幅提升，市值也大幅上涨；而在 2019、2020 年的下行周期中，环球晶圆因为与客户签订了锁价锁量的长约，毛利 率、净利率波动幅度较小。另外，环球晶圆在 2016 年还进行了两次收购，其中包 括全球第四大半导体硅片厂商，因此环球晶圆 2016-2018 年市值上涨 10 倍左右，远超 SUMCO；2020 年底环球晶圆开始筹划收购世创电子，2022 年初宣告失败。

在国产替代背景下，中国半导体产业进入黄金发展期，为硅片产业带来投资机遇。在国际关系紧张的情况下，中国半导体全产业进入天时、地利、人和的黄金发展 期，从中长期来看景气度将继续上行，晶圆厂进入扩产期。而根据 2019 年底修订 的《瓦森纳协议》，部分高端半导体硅片相关技术受到出口管制，基于供应链安 全考虑，国内晶圆厂对导入国产硅片的配合度增加。根据麦斯克招股书，我国 8 英寸硅片仅 10%左右，12 英寸国产供应刚起步。从日本、韩国、中国台湾半导体 硅片产业的发展史来看，半导体硅片企业的成长是伴随着本土半导体行业的崛起 而发生，并将经历一段收购整合期。我们认为，芯片国产化趋势将助力我国培育 出在全球占有一席之地的半导体硅片企业，当下是投资半导体硅片产业的机遇期。

图43：SUMCO 的收入及净利润

资料来源：公司公告，国信证券经济研究所整理

图44：SUMCO 和环球晶圆的毛利率及净利率

资料来源：公司公告，国信证券经济研究所整理

图45：SUMCO 市值随行业周期性波动

资料来源：Wind，国信证券经济研究所整理

图46：环球晶圆市值随行业周期性波动

资料来源：Wind，国信证券经济研究所整理

投资建议：关注大尺寸量产企业及细分市场占主导地位的企业

国内半导体硅片企业正在积极推动 12 英寸硅片建设，建议关注具有先发优势的 已量产企业。相比于海外，国内半导体硅片企业处于发展的早期，大尺寸硅片技 术积累不足，大部分企业以生产 8 英寸及以下硅片为主。由于 8 英寸以下硅片的 需求稳定，难以支撑企业继续成长，国内硅片企业均在积极布局 8 英寸、12 英寸 产线。12 英寸半导体硅片由于技术资金门槛更高，量产和客户导入难度更大，率 先量产的企业具有明显的先发优势，未来也有望主导国内的并购整合。目前国内 已规模化生产 12 英寸的企业主要有沪硅产业、立昂微、中环股份、超硅半导体等。

国内 6 英寸及以下半导体硅片企业已具有较强的实力，建议关注细分市场占主导 地位的企业。随着海外企业逐步退出 6 英寸及以下小尺寸硅片市场，国内企业在 部分细分市场已占据主导地位。由于前期投资额较小且已实现规模化销售，小尺 寸硅片企业的毛利率明显优于大尺寸硅片企业，盈利能力突出，代表性企业有中 晶科技、麦斯克、有研硅等。

表6：国内主要半导体硅片企业概览

资料来源：各公司公告，国信证券经济研究所整理

表7：半导体硅片企业经营数据对比

资料来源：Wind，国信证券经济研究所整理(市值截止日期：2022 年 3 月 7 日）

风险提示

1、下游需求不及预期。由于疫情反复，电子产品下游需求可能疲弱，从而导致对 半导体硅片的需求减弱。

2、大尺寸半导体硅片国产化进程不及预期。国内半导体硅片企业还处于量产 12 英寸硅片的初期，可能由于技术储备和经验不足，从而导致产品研发进度和质量 不及预期，无法及时满足客户国产化的需求。

3、大尺寸半导体硅片企业持续亏损的风险。目前国内 12 英寸硅片生产线量产规 模较小，还未达到盈利状态，若无法快速上量，则存在持续亏损的风险。

4、产能过剩和行业竞争加剧的风险。目前国内众多企业和地方政府布局半导体硅 片领域，已建和计划建设的半导体硅片产能较多，若全部释放出来，可能存在产 能过剩的风险，为了争取市场份额可能出现价格竞争加剧的风险。

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