大硅片专题报告：半导体“画布”，国内龙头逐步突破.pdf

请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 Table_Industry 证券研究报告 /专题研究报告 2020 年 6 月 8 日 化工 大硅片 专题报告 ： 半导体 “画布” ， 国内龙头 逐步 突破 Table_Main Table_Title 评级： 买入 （维持） 分析师：谢楠 执业证书编号： S0740519110001 Email： xienanr.qlzq 分析师： 张波 执业证书编号 ： S0740520020001 S0740520020001 Email： zhangbor.qlzq Table_Profit 基本状况 上市公司数 334 行业总市值 (百万元 ) 29837.3 行业流通市值 (百万元 ) 24309.3 Table_QuotePic 行业 -市场走势对比 公司持有该股票比例 Table_Report 相关报告 Table_Finance 重点公司基本状况 简称 股价 (元 ) EPS PE 评级 2019 2020E 2021E 2022E 2019 2020E 2021E 2022E 沪硅产业 28.39 -0.05 0.00 0.03 0.06 - 22423 1041 485 - 中环股份 19.02 0.32 0.52 0.71 0.91 59 37 27 21 - 备注 盈利预测 采用 wind 一致预期 Table_Summary 投资要点 大硅片 ： 半导体画布 。 硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料。 目前，全球市场主流的 硅片 产品是 300mm 和 200mm 直径的半导体硅片 。其中， 300mm 主要应用在 智能手机、计算机、云计算、人工智能、 SSD（固态存储硬盘）等较为高端领域，出货面积占比 60%以上。 200mm 硅片主要应用在 移动通信、汽车电子、物联网、工业电子等领域，目前出货面积 20%以上 。 根据制造工艺分类，半导体硅片主要可以分为抛光片、外延片与以 SOI 硅片 ，抛光片为主流 半导体硅片 。 半导体市场放量 ， 带动全球 硅片 市场不断增长 。 在大数据、云计算、人工智能、新能源汽车、区块链等新兴终端应用的带动下， 全球半导体市场 持续增长 ， 2012-2018 年复合增速 8.23%。 硅片 材料在半导体制造材料中占比 33%，为占比最大的材料。 2019 年全球硅片材料市场规模达到112 亿美元 ， 出货面积 11810 百万平方英寸 。其中，全球 12 寸硅片出货面积量达到 470 万片 /月， 全球 8 寸硅片出货量达到 430 万片 /月。 全球硅片市场寡头垄断 。 由于半导体硅片行业具有技术难度高、研发周期长、资本投入巨大、客户认证周期长等特点，全球半导体硅片行业集中度较高。 2018 年，全球前五大半导体硅片企业信越化学、 SUMCO、 Siltronic、环球晶圆、 SK Siltron 合计销售额占全球半导体硅片行业比重高达 93%。 国内大硅片有望发力。 在国家相关政策 以及产业基金 的大力支持下，我国大硅片业务迎来快速发展期 。 国内首条 12 英寸半导体硅片生产线由杭州中芯晶圆于 2017 年 12 月建成。 2018 年 11 月，上海新 昇 成为国内第一个实现 300mm 硅片大规模量产的企业。目前 国内 已投产的 12英寸晶圆产线已超 20 条，宣布在建的有 8 条，建成后产能将超 65 万片 /月。在国产替代的大趋势之下，国产 12 英寸硅片 有望迎来快速发展。 投资建议 。 随着 下游 半导体 行业持续往中国转移， 相关 硅片材料企业行业有望打破国外垄断 快速放量， 建议关注 沪硅产业 、 立昂微电、中环股份 。 风险提示事件： 硅片 材料 研发不及预期， 硅片 材料 下游客户认证不 及预期 。 请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 2 - 专题研究报告 内容目录 硅片：半导体产业链的“画布” . - 5 - 硅片概况 . - 5 - 半导体硅片分类 . - 6 - 硅片制作工艺 . - 8 - 下游应用带动硅片市场不断增长 . - 10 - 硅片终端应用逐渐多元化 . - 10 - 芯片产能投放拉动硅片需求 . - 11 - 大硅片市场规模持续发展 . - 11 - 十二英寸硅片为主流方向 . - 13 - 全球寡头垄断，中国逐步发力 . - 18 - 全球硅片寡头垄断 . - 18 - 政策大力支持 . - 19 - 国内大硅片蓄势待发 . - 20 - 海外巨头各有所长 . - 22 - 信越化学：全球硅片龙头 . - 22 - 胜高集团：专注半导体硅片龙头 . - 23 - 环球晶圆：并购助力公司快速发展 . - 23 - 德国世创：欧洲硅片龙头 . - 24 - SK Siltron：韩国硅片龙头 . - 24 - 国产企业快速发展 . - 25 - 沪硅产业：国内十二寸大硅片龙头 . - 25 - 立昂微电：横跨半导体分立器件和半导体硅材料 . - 26 - 中环股份：从光伏进军半导体 . - 26 - 有研半导体 . - 27 - 超硅半导体 . - 28 - 风险提示 . - 29 - 请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 3 - 专题研究报告 表目录 图 1：半导体硅片 . - 5 - 图 2：硅片产业链 . - 5 - 图 3：半导体硅片技术演进史 . - 6 - 图 4： 200mm 硅片与 300mm 硅片 . - 6 - 图 5： 200mm 及 300mm 硅片下游应用 . - 6 - 图 6：全球不同尺寸半导体硅片出货面积 . - 7 - 图 7：全球不同尺寸半导体 硅片出货面积占比 . - 7 - 图 8：抛光片、外延片、 SOI 硅片制造流程 . - 7 - 图 9：抛光片、外延片、 SOI 硅片比较 . - 8 - 图 10：硅片制作流程 . - 9 - 图 11：直拉法（ CZ）原理示意图 . - 9 - 图 12：悬浮区熔法 (FZ)原 理示意图 . - 9 - 图 13：半导体终端应用市场概况 . - 10 - 图 14：全球与中国芯片产能及增速 . - 11 - 图 15：全球半导体硅片出货面积及增速 . - 11 - 图 16：全球半导体市场及增速 . - 11 - 图 17：国内半导体行业发展迅速 . - 11 - 图 18：全球各地区半导体材料市场占比 . - 12 - 图 19：半导体制造材料占比 . - 12 - 图 20：全球硅片市场规模及增速 . - 12 - 图 21：全球半导体硅片出货面积及增速 . - 12 - 图 22：全球半导体硅片单价 . - 13 - 图 23：国内硅片市场规模及增速 . - 13 - 图 24： 2018 年十二英寸硅片下游应用 . - 13 - 图 25：智能手机对十 二英寸硅片的需求 . - 13 - 图 26：全球 DRAM 下游需求占比 . - 14 - 图 27：全球 DRAM 需求预测（十亿 Gb） . - 14 - 图 28：全球 DRAM 各厂商份额 . - 14 - 图 29：全球 DRAM 制程 市占率 . - 14 - 图 30：全球 NAND 下游需求占比 . - 15 - 图 31：全球 NAND 需求（十亿 Gb） . - 15 - 图 32：全球 NAND 各厂商份额 . - 15 - 图 33：全球 3D 及 2D NAND 市占率 . - 15 - 请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 4 - 专题研究报告 图 34：全球逻辑芯片销售额及增速 . - 16 - 图 35：全球芯片制造产能分布（按制程） . - 16 - 图 36：全球 12 寸硅片产能供需（千片 /月） . - 16 - 图 37：全球 12 寸硅片客户库存 . - 17 - 图 38：全球大硅片市场格局 . - 18 - 图 39：全球前五大硅片供应商 . - 18 - 图 40：全球半导体硅片行业主要企业经营情况 . - 19 - 图 41：全球大硅片市场格局 . - 19 - 图 42：相关政策扶植大硅片落地 . - 19 - 图 43：国际及国内大硅片进展 . - 20 - 图 44：中国 8/12 英尺大硅片规划产能情况（千片 /月） . - 21 - 图 45：信越化学营业收入及增速 . - 22 - 图 46：信越化学归母净利润及增速 . - 22 - 图 47：信越化学营业收入占比 . - 22 - 图 48：信越化学营业利润占比 . - 22 - 图 49：胜高集团营业收入及增速 . - 23 - 图 50：胜高集团归母净利润及增速 . - 23 - 图 51：环球晶圆营业收入 及增速 . - 23 - 图 52：环球晶圆归母净利润及增速 . - 23 - 图 53：沪硅产业营业收入及增速 . - 25 - 图 54：沪硅产业归母净利润及增速 . - 25 - 图 55：公司硅片业务发展 历程 . - 25 - 图 56：立昂微电营业收入及增速 . - 26 - 图 57：立昂微电归母净利润及增速 . - 26 - 图 58：中环股份营业收入及增速 . - 27 - 图 59：中环股份归母净利润及增速 . - 27 - 图 60：有研半导体主要产 品 . - 27 - 请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 5 - 专题研究报告 硅片：半导体产业链的 “画布” 硅片概况 常见的半导体材料包括硅（ Si）、锗（ Ge）等元素半导体及砷化镓（ GaAs）、氮化镓（ GaN）等化合物半导体。相较于锗，硅的熔点为 1415，高于锗的熔点 937，较高的熔点使硅可以 广泛应用于高温加工工艺中；硅的禁带宽度大于锗，更适合制作高压器件。相较于砷化镓，硅安全无毒、对环境无害，而砷元素为有毒物质；并且锗、砷化镓均没有天然的氧化物，在晶圆制造时还需要在表面沉积多层绝缘体，这会导致下游晶圆制造的生产步骤增加从而使生产成本提高。 硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料， 90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的。 硅在地壳中占比约 27%，是除了氧元素之外第二丰富的元素，硅元素以二氧化硅和硅酸盐的形式大量存在于沙子、岩石、矿物中，储量丰富并且易于取得。通常将 95-99%纯度 的硅称为工业硅。沙子、矿石中的二氧化硅经过纯化，可制成纯度 98%以上的硅；高纯度硅经过进一步提纯变为纯度达 99.9999999%至99.999999999%（ 9-11 个 9）的超纯多晶硅；超纯多晶硅在石英坩埚中熔化，并掺入硼（ P）、磷（ B）等元素改变其导电能力，放入籽晶确定晶向，经过单晶生长，制成具有特定电性功能的单晶硅锭。熔体的温度、提拉速度和籽晶 /石英坩埚的旋转速度决定了单晶硅锭的尺寸和晶体质量，而熔体中的硼（ P）、磷（ B）等杂质元素的浓度决定了单晶硅锭的电特性。 单晶硅锭经过切片、研磨、蚀刻、抛光、外延 （如有）、键合（如有）、清洗等工艺步骤，制造成为半导体硅片。 在生产环节中，半导体硅片需要尽可能地减少晶体缺陷，保持极高的平整度与表面洁净度，以保证集成电路或半导体器件的可靠性。 在半导体硅片上可布设晶体管及多层互联线，使之成为具有特定功能的集成电路 或半导体器件产品，下游主要包括手机与平板电脑、物联网、汽车电子、人工智能、工业电子、军事太空等领域。 图 1： 半导体硅片 图 2： 硅片 产业链 资料来源： 半导体行业观察 、中泰证券研究所 资料来源： 沪硅产业 招股说明书 、中泰证券研究所 请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 6 - 专题研究报告 半导体硅片分类 根据尺寸分类，半导体硅片的尺寸（以直径计算）主要有 50mm（ 2 英寸）、 75mm（ 3 英寸）、 100mm（ 4 英寸）、 150mm（ 6 英寸）、 200mm（ 8 英寸）与 300mm（ 12 英寸）等规格。 1965 年，戈登 摩尔提出摩尔定律：集成电路上所集成的晶体管数量，每隔 18 个月就提升一倍，相应的集成电路性能增强一倍，成本随之下降一半。对于芯片制造企业而言，这意味着需要不断提升单片硅片可生产的芯片数量、降低单片硅片的制造成本以便与摩尔定律同步。半导体硅片的直径越大，在单片硅片上可制造的芯片数量就越多，单位芯片的成本随之降低。在摩尔定律的影响下，半导体硅片正在不断向大尺寸的方向发展。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， 300mm 半导体硅片的可使用面积超过 200mm 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 200mm 硅片的 2.5 倍左右。 图 3：半导体 硅片技术演进史 图 4： 200mm 硅片与 300mm 硅片 资料来源： 芯片制造 、中泰证券研究所 资料来源： 台湾联华电子官网 、中泰证券研究所 图 5： 200mm 及 300mm 硅片下游应用 尺寸 下游应用 终端应用领域 200mm 及以下 功率器件、电源管理器、非易失性存储器、 MEMS、显示驱动芯片与指纹识别芯片、高精度模拟电路、射频前端芯片、嵌入式存储器、 CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器、高压 MOS 等 移动通信、汽车电子、物联网、工业电子 300mm 存储芯片、图像处理芯片、通用处理器芯片、高性能 FPGA（现场可编程门阵列）与 ASIC（专用集成电路） 智能手机、计算机、云计算、人工智能、 SSD（固态存储硬盘）等较为高端领域 资料来源： 沪硅产业 招股说明书 、中泰证券研究所 目前，全球市场主流的产品是 300mm 和 200mm 直径的半导体硅片 。终端应用领域来看， 300mm 主要应用在 智能手机、计算机、云计算、人工智能、 SSD（固态存请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 7 - 专题研究报告 储 硬盘）等较为高端领域， 目前出货面积占比 60%以上。 200mm 硅片主要应用在 移动通信、汽车电子、物联网、工业电子等领域 ，目前出货面积 20%以上 。 图 6： 全球不同尺寸半导体硅片出货面积 图 7： 全球不同尺寸半导体硅片出货面积占比 资料来源： 沪硅产业招股说明书 、中泰证券研究所 资料来源： 沪硅产业招股说明书 、中泰证券研究所 根据制造工艺分类，半导体硅片主要可以分为抛光片、外延片与以 SOI 硅片为代表的高端硅基材料。单晶硅锭经过 切割、研磨和抛光处理后得到抛光片。抛光片经过外延生长形成外延片，抛光片经过氧化、键合或离子注入等工艺处理后形成 SOI 硅片。 图 8： 抛光片、外延片、 SOI 硅片制造流程 资料来源： 沪硅产业 招股说明书 、中泰证券研究所 请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 8 - 专题研究报告 图 9： 抛光片、外延片、 SOI 硅片比较 种类 核心优势 应用 抛光片 硅片表面平坦化，并进一步减小硅片的表面粗糙度以满足芯片制造工艺对硅片平整度和表面颗粒度的要求 直接用于制作半导体器件，广泛应用于存储芯片与功率器件等 。 作为外延片、 SOI 硅片的衬底材料 外延片 含氧量、含碳量、缺陷密度更低，提高了栅氧化层的完整性，改善了沟道中的漏电现象，从而提升了集成电路的可靠性。 硅衬底的低电阻率可降低导通电阻，高电阻率的外延层可以提高器件的击穿电压。外延片提升了器件的可靠性，并减少了器件的能耗 常在 CMOS 电路中使用，如通用处理器芯片、图形处理器芯片等 二极管、 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等功率器件的制造 SOI 硅片 通过绝缘埋层实现全介质隔离，这将大幅减少硅片的寄生电容以及漏电现象，并消除了闩锁效应。 SOI 硅片具有寄生电容小、短沟道效应小、低压低功耗、集成密度高、速度快、工艺简单、抗宇宙射线粒子的能力强 耐高压、耐恶劣环境、低功耗、集成度高的芯片上，如射频前端芯片、功率器件、汽车电子、传感器以及星载芯片等 资料来源： 沪硅产业 招股说明书 、中泰证券研究所 硅片 制作 流程 半导体硅片的生产流程包括拉晶 滚磨 线切割 倒角 研磨 腐蚀 热处理 边缘抛光 正面抛光 清洗 检测 外延等步骤。其中拉晶、研磨和抛光是保证半导体硅片质量的关键。 单晶生长技术的重点在于保证拉制出的硅锭保持 极高纯度水平（纯度至少为 99.999999999%）的同时，有效控制晶体缺陷的密度。当前制备单晶硅技术主要分为悬浮区熔法（ FZ 法）和直拉法（ CZ 法）两种。 1）直拉法 该方法可以有效的控制晶体的微缺陷密度，提高晶体质量以满足各技术节点对硅片的技术要求；有效的控制晶体中的杂质含量，特别是氧、碳含量；并最大程度降低对操作工人的依赖，保证拉制晶体质量的重复性、稳定性和一致性。相比悬浮区熔法，直拉法成本更低，生长速率较快，更适合大尺寸（ 12 英寸）单晶硅棒的拉制，目前约 85%单晶硅片皆由直拉法制成，主要应用在逻辑， 存储器芯片中。直拉法的原理是将高纯度的多晶硅原料放置在石英坩埚中加热熔化，再将单晶硅籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便会在籽晶下端生长，并随着籽晶的提拉晶体逐渐生长形成晶棒。 请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 9 - 专题研究报告 图 10： 硅片制作流程 资料来源： 沪硅产业 招股说明书 、 各公司官网 、 中泰证券研究所 2）悬浮区熔法 该法制备的单晶硅的电阻率非常高，特别适合制作电力电子器件。悬浮区熔法制备的单晶硅占有的市场份额较小，目前约 15%的硅片由此法制备。悬浮区熔法的原理是将圆柱形硅棒固定 于垂直方向，用高频感应线圈在氩气气氛中加热，使棒的底部和在其下部靠近的同轴固定的单晶籽晶间形成熔滴，这两个棒朝相反方向旋转。然后将在多晶棒与籽晶间只靠表面张力形成的熔区沿棒长逐步向上移动，将其转换成单晶。 图 11： 直拉法（ CZ）原理示意图 图 12： 悬浮区熔法 (FZ)原理示意图 资料来源： IC Insights、中泰证券研究所 资料来源： Trendforce、中泰证券研究所 请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 10 - 专题研究报告 下游应用带动 硅片 市场不断增长 硅片 终端应用逐渐多元化 目前手机、计算机等仍是半导体行业终端最大的应用市场。 2018 年全球手机和基站、计算机用芯片销售额分别为 487 亿美元、 280 亿美元，在半导体终端市场的占比分别为 36%、 21%。 据 Gartner 预计 ， 2017-2022 年增速最快的半导体终端应用领域是工业电子和汽车电子，将成为未来几年全球半导体行业增长最重要的驱动力。其中，工业电子年复合增长率预计可达 12%。随着工业从规模化走向自动化、智能化，工业与信息化的深度融合、智能制造转型升级将带动工业电子需求的增长。汽车电子 2017-2022 年预计复合增长 率为 11%。汽车电子的增长主要源于传统车辆电子功能的扩展、自动驾驶技术的不断成熟以及电动汽车行业的快速成长。车辆的 ABS（防抱死）系统、车载雷达、车载图像传感系统、电子车身稳定程序、电控悬挂、电动手刹、压力传感器、加速度计、陀螺仪与流量传感器等，均需要使用半导体产品，汽车智慧化的趋势极大地拉动了汽车电子产品的增长。随着电动汽车的普及与车辆电压、电池容量标准的不断提高，电源管理器与分离式功率器件的需求量也将随之上升。通常情况下，汽车电子芯片使用 200mm 及以下抛光片与 SOI 硅片。汽车电子市场规模的 扩大将拉动 200mm 及以下抛光片与 SOI 硅片的需求。 图 13： 半导体终端应用市场概况 资料来源： Gartner、 中泰证券研究所 未来的爆发式增长将会出现在大数据、云计算、人工智能、新能源汽车、区块链等新兴终端应用。半导体硅片行业除了受宏观经济影响，亦受到具体终端市场的影响。例如 2010 年，全球宏观经济增速仅 4%，但由于 iPhone4 和 iPad 的推出，大幅拉动了半导体行业的需求， 2010 年全球半导体行业收入增长达 32%。 2017 年开始，大数据、云计算、人工智能、新能源汽车、区块链等新兴终端应用的出现，半导体行业进入了多种新型需求同时爆发的新一轮上行周期。半导体硅片可应用于多个潜在新兴终端市场，如汽车电子功率器件、 5G 通信设备中的射频芯片等， 有望 爆发式增长。