半导体硅片行业深度研究：新技术催化景气上行，国产替代空间广阔.pdf

UDAwMDE3MDY3NTIwMjAxMjI3MTAyOTQ5- 1 - 敬请参阅最后一页特别声明 市场数据 (人民币） 市场优化平均市盈率 18.90 国金半导体指数 5815 沪深 300指数 5000 上证指数 3363 深证成指 13916 中小板综指 12397 相关报告 1. 2021年年度策略报告 -2021 2022 年投资展望，六个 .， 2020.1.26 2.半导体行业 2020年三季报综述 -三季度半导体高度景气，盈利指 .， 2020.1.5 3.集成电路扶持政策点评 -全产业链加大扶持力度，分级优惠鼓励做强， 2020.8.5 4.半导体行业深度报告 -服务器芯片逆疫情求生， 2020.4.20 5.模拟芯片行业：长坡厚雪好赛道 -模拟芯片行业：长坡厚雪好赛道， 2020.3.23 赵晋 分析师 SAC执业编号： S1130520080004 zhaojin1 gjzq 郑弼禹 分析师 SAC执业编号： S1130520010001 zhengbiyu gjzq 半导体硅片行业 : 新技术催化景气上行 ,国产替代空间广阔 行业观点 大硅片 国产化战略意义重大： 硅片半导体制造的基石且集中度高，前五大国际厂商掌握全球 90%以上市场，主要由日本信越、日本 SUMCO、中国台湾环球晶圆等供应，有日本断供韩国半导体材料的前车之鉴，硅片国产化战略意义重大。 2019全球硅片市场 112亿美元，预计 2020年全球硅片出货量略增 2.4%， 30m硅片占比达 67%。 半导体硅片的工艺技术难度非常高，研发周期长，认证壁垒高。 半导体硅片行业为技术密集型行业，涉及对热力学、固体物理、化学、计算机仿真 /模拟等多门学科综合运用。生产工艺需要经历拉晶 -切割 -打磨 -抛光 ， 对晶体纯度、无缺陷程度、表 面平整度、颗粒度及洁净度要求 高 ，实现盈利须达到一定良率，需要 know-how经验积累，构成了硅片行业的高壁垒。 供需格局：下游新技术催化， 2021年供需趋于健康。 硅片行业在周期波动中趋势向上，基本同步于整个半导体行业周期。 行业成长驱动力： 5G手机，数据中心，汽车电子等是核心驱动 ， 5G手机的逻辑芯片和存储等应用升级使得单手机硅片使用面积增加到 4G的 1.7倍。 数据流量爆发带来数据中心对于芯片需求增加，数据中心存储需求带动相关的 30m硅片 CAGR(2019-2023)高达 18.4%，汽车电子化电动化 率提升带来半导体特别是 20m硅片需求增加，汽车电子对硅片的需求（为等效20m） CAGR（ 2018-202）达 11%。 供需方面 ：目前 20m硅片全球 需求 约 500万片 /月， 30m约 660万片 /月。我们认为目前晶圆厂产能受限主要是设备限制， 300mm硅片原材料仍有库存，根据 SUMCO预测以及环球晶圆法说会， 2021年硅片供需趋于健康，但是在 5G/AI/IoT 等下游应用持续增长下， 2022-2023年硅片厂可能具备较强的定价能力。 国内200mm和 150mm硅片产能有所趋紧，但我们认为明年国产厂商 200mm产能释放，可以缓解供给瓶颈。 中国大陆是全球硅片重要需求市场，但国产自给率很低，国产厂商处发展早期阶段，国产空间大。 目前 2020年预计中国大陆 30m硅片需求全球占比提升至 近 15%，但国产自给率很低， 建成 的 30万片 /月产能 中 产能利用率及正片比率低。 20m的 国产 化 率也不到 50%。根据 SEMI，目前中国大陆一共有 20多座的 12英寸晶圆厂，已规划产能的 12英寸晶圆每月需求量将达 240万片，国内新建晶圆厂和下游需求拉动，将持续为国内半导体硅片制造商提供发展机会。目前国内从事硅材料业务的公司主要包括沪硅产业、浙江金瑞泓、有研半导体、中环股份、南京国盛、河北普兴、昆山中辰等十余家。半导体硅片行业具有技术壁垒高、人才壁垒高，资金壁垒高的特点，行业准入门槛高，国内企业均处在早期发展阶段。 对比 A股上市公司沪硅产业、中环股份和立昂微（金瑞泓）： 在技术要求高的 30m硅片领域，沪硅目前 建成 产能 20万片 /月，中环 7万片 /月，技术和扩产情况沪硅领先。 中环深耕行业多年， 主营光伏硅片 ， 受益光伏平价驱动下全 球需求的持续增长。 立昂微则在重掺硅片领域 具备 差异化竞争 优势 ， 拥有抛光片 -外延片 -功率器件晶圆产业链， 盈利能力 强 。 投资建议 推荐标的：沪硅产业 国内首个实现 30m硅片突破及量产公司； 中环股份 公司在光伏和半导体领域布局具备协同效应； 立昂微 盈利能力强，功率芯片受 8寸缺货行情引发涨价，公司增长动力充足； 晶盛机电 国内半导体硅片设备龙头。 风险提示 宏观经济及行业波动、国际贸易争端加剧、市场竞争加剧、下游客户拓展不及预期、 30m半导体硅片生产线主要设备依赖进口等风险。 39514144876539580162646726191224 200324 200624 200924 201224国金行业 沪深 300 2020年 12月 26日 创新技术与企业服务研究中心 半导体 行业研究 买入 （ 维持评级 ） ) 行业深度研究 证券研究报告UDAwMDE3MDY3NTIwMjAxMjI3MTAyOTQ5行业深度研究 - 2 - 敬请参阅最后一页特别声明 内容目录 一、 2019全球硅片市场 12亿美元，硅片技术壁垒高、验证周期长 .4 1、预计 2020年全球硅片出货量略增 2.4%， 30m硅片占比达 67% .4 2、半导体硅片的工艺技术难度非常高，研发周期长认证壁垒高 .5 二、下游新技术催化， 2021年供需趋于健康 .8 1、 硅片行业在周期波动中趋势向上，基本同步于整个半导体行业周期 .8 2、 5G手机，数据中心以及汽车电子等将成为未来需求核心驱动 .9 3、未来供需格局及价格展望 . 11 三、竞争格局：全球集中度高，国产化率提升刻不容缓 .14 1、全球半导体硅片行业市场集中度很高，前五大厂商占比达 93%。 .14 2、国内半导体硅片严重进口依赖，国产厂商积极寻求突破 .14 四、 国内三大硅片制造商谁领风骚？ .17 1、 为何三家公司毛利率差距较大 ？ .17 2、 研发与技术实力对比 .19 五、 投资建议与风险提示 .21 1、 推荐标的：沪硅产业、中环股份、立昂微、晶盛机电 .21 2、 风险提示 .22 图表目录 图表 1： 2019年全球半导体硅片销售额 12亿美元 .4 图表 2： 2020年全球半导体硅片出货量预计增长 2.4% .4 图表 3：硅片在制造材料中占比最高，达 37% .4 图表 4： 30m 硅片 占比达到 67%并持续上升 .4 图表 5：硅片按制造工艺分类 .5 图表 6：硅片制造流程 .6 图表 7：硅片制造过程对晶体纯度结构、平整度、洁净度以及无杂质污染的要求高 .7 图表 8： 半导体制程的不断缩小， 先进制程占比提升 .7 图表 9： 硅片行业周期基本同步于整个半导体行业周期 .8 图表 10： 30m硅片下游应用分布 .9 图表 11： 20m硅片下游应用分布 .9 图表 12： 30m硅片在手机里的主要应用，需求 2020-2023 CAGR为 7.8% 9 图表 13： 4G到 5G手机芯片的用量的变化 .10 图表 14： 单部手机的硅片使用面积增加 1.7倍 .10 图表 15： 数据中心的资本开支大幅增长 .10 图表 16： 全球数据流量快速增加 CAGR（ 2019-2023）为 25.5% .10 图表 17： 数据中心对 30m硅片需求预测， CAGR（ 2019-2023）为 18.4%. 11 UDAwMDE3MDY3NTIwMjAxMjI3MTAyOTQ5行业深度研究 - 3 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 18：全球汽车电子系统市场在 2018-2030年的复合增速将达 6.3% . 11 图表 19： 汽车电子对硅片需求 2018-22年复合增速 1% . 11 图表 20： 30m硅片需求约 660万片 /月 .12 图表 21： 20m硅片需求约 500万片 /月 .12 图表 22： 30m硅片客户库存情况 .12 图表 23： 30m全球产能和需求情况 .13 图表 24：全球半导体硅片行业 竞争格局 .14 图表 25： 30m集中度更高，前五大占比高达 96% .14 图表 26：全球半导体硅片行业主要企业（单位：亿元人民币） .14 图表 27： 2020年全球 30m市场中国大陆需求占 15% .15 图表 28： 20m国内需求中，国产自给率不到 50% .15 图表 29：中 国大陆市场 30m晶圆代工未来将超过 20m.15 图表 30：中国大陆 20m/30m大硅片投资和产能情况 .16 图表 31：国内三家硅片厂半导体硅片营收（亿元）及营收增速对比 .17 图表 32：国内三家硅片厂半导体硅片毛利率对比 .17 图表 33：国内三家硅片厂半导体硅片业务情况 .17 图表 34：立昂微与沪硅产业各类硅片的单价及毛利率 .18 图表 35：沪硅股份成本拆分（ 2019年） .19 图表 36：立昂微成本拆分（ 2020年 1-3月） .19 图表 37：沪硅产业固定资产折旧金额占营收比例最高 .19 图表 38：国内三家硅片厂研发费用占比对比 .20 图表 39：国内三家硅片厂 技术人员占比对比 .20 图表 40：国内三家硅片厂研发实力以及硅片技术参数对比 .20 图表 41：硅片制造相关标的：沪硅产业、中环股份、立昂微 .21 图表 42：上游供应商相关标的：晶盛机电 .21 UDAwMDE3MDY3NTIwMjAxMjI3MTAyOTQ5行业深度研究 - 4 - 敬请参阅最后一页特别声明 一、 2019全球硅片市场 12亿美元，硅片技术壁垒高、验证周期长 1、预计 2020年全球硅片出货量略增 2.4%， 30m硅片占比达 67% 2019年全球硅片市场约在 12亿美元，预计 2020年全球半导体硅片出货量略增 2.4%。 半导体材料包括晶圆制造材料和封装材料，其中晶圆制造材料包括硅片、光刻胶、湿电子化学品、电子气体、 CMP抛光材料、以及靶材等，硅片在制造材料中占 比最高，达 37% 。根据 SEMI报告， 2019 年全球硅片销售额 12 亿美元，同比下滑 2%；出货 18 亿平方英寸，同比下滑 7%。根据 SEMI发布的半导体行业硅 片 出货量的年度预测报告，预计2020年全球出货量同比增长 2.4%， 2021年增长 5%。 硅片尺寸不断变大， 30m 硅片占比达到 67%并持续上升。 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，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。目前全球半导体硅片市场最主流的产品规格为 300mm硅片（ 12英寸）和 20m（ 8英寸）硅片。 2019年，全球 30m半导体硅片出货面积占全部半导体硅片出货面积的 67.2%，是市场上最为主流的半导体硅片类型。 图表 3：硅片在制造材料中占比最高，达 37% 图表 4： 30m 硅片占比达到 67%并持续上升 来源： SEMI，国金证券研究所 来源： SEMI，国金证券研究所 （注：等效于 20m） 硅片 37% 电子气体 13% 光掩膜 12% 光刻胶配套化学品 7% 抛光材料 7% 光刻胶 5% 湿法化学 品 6% 溅镀靶材 2% 其他 11% 0500100015002000250020012003200520072009201120132015201720192021150m 20m 30m图表 1： 2019年全球半导体硅片销售额 112亿美元 图表 2： 2020年 全球半导体硅片出货量 预计增长 2.4% 来源： SEMI，国金证券研究所 注：不包括 SOI 来源： SEMI，国金证券研究所 注：不包括 SOI -20%-10%0%10%20%30%40%50%02040608010120 全球硅片销售额（亿美元） 同比增长 -10%0%10%20%30%40%50%02,004,006,008,0010,0012,0014,00 全球硅片出货面积（百万平方英寸） 同比增长 UDAwMDE3MDY3NTIwMjAxMjI3MTAyOTQ5行业深度研究 - 5 - 敬请参阅最后一页特别声明 硅片按制造工艺可以分为：抛光片、外延片、退火片、节隔离片以及绝缘体上硅片。 其中抛光片是用量最大的产品，其他的硅片产品也都是在抛光片的基础上二次加工产生的。具体来说： 抛光片（ Polished Wafer） :通过抛光工艺满足芯片制造工艺对硅片平整度和表面颗粒度的要求。抛光片可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， 也可作为外延片、 SOI 硅片的衬底材料 。 外延片（ Epitaxial Wafer） :是通过化学气相沉积的方式在抛光面上生长一层或多层，掺杂类型、电阻率、厚度和晶格结构都符合特定器件要求的新硅单晶层。外延片常在 CMOS电路中使用，如通用处理器芯片、图形处理 器芯片等。 绝缘体上硅片（ Silicon-On-Insulator (SOI) Wafer） ：在顶层硅和支撑衬底之间引入了一层氧化物绝缘埋层。 SOI 硅片适合应用在要求耐高压、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 。 图表 5：硅片按制造工艺分类 来源： SUMCO，沪硅产业招股书， Siltronic， 国金证券研究所 2、半导体硅片的工艺技术难度非常高，研发周期长认证壁垒高 半导体硅片行业为技术密集型行业，生产技术涉及对热力学、固体物理、半导体物理、化学、计算机仿真 /模拟等多门学科知识的综合运用。大硅片的生产工艺需要经历拉晶 切割 打磨 抛光。 每一个环节的技术指标要求非常多而且非常高，要实现盈利必须达到一定的良率，这些都需要很多经验的积累，构成了硅片行业的高壁垒。 半导体硅片制造的技术重点包括对硅片纯度、氧含量、表面颗粒、晶体缺陷、表面 /体金属含量、翘曲度、平整度、外延层电阻率均匀性、外延层厚度均匀性、键合空洞等参数的控制，以生产出高纯度、低杂质含量、高平坦度且具有特定电学性能的半导体硅片。 UDAwMDE3MDY3NTIwMjAxMjI3MTAyOTQ5行业深度研究 - 6 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 6：硅片制造流程 来源： Siltronic， 国金证券研究所 拉晶 ：拉晶之前是硅的提纯，要达 9.9999%至 9.99999%（ 9-11个 9）的超纯多晶硅，在拉晶阶段，需要解决氧含量及径向均匀性、杂质的控制、 OISF（ 氧化过程引起的层错 ） 控制、 内部缺陷控制 、定晶向、氧沉淀控制、电阻值定量、掺杂及径向均匀性等众多问题。 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，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 。 “切、磨、抛” ：在这个环节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 。 半导体硅片质量要求严格，制作技术难度相当高。 随着半导体技术升级，硅片质量要求更严格，价值量更高。硅片作为半导体基础衬底，必须具备高标准纯净度、表面平整度、清洁度和 杂质污染程度。硅片需要达到的关键技术质量参数包括： 1）晶体的纯度和无缺陷结构： 半导体硅片纯度要求标准为 11个 9以上 (9.99999%)，并控制内部缺陷（ COP）； 2）表UDAwMDE3MDY3NTIwMjAxMjI3MTAyOTQ5行业深度研究 - 7 - 敬请参阅最后一页特别声明 面洁净度： 要求表面颗粒尺寸达到纳米级，在先进制程用硅片上微颗粒需小于 10nm； 3）表面平整度： 30m硅片要求表面高度落差需小于 10nm。4）无杂质污染： 要求表面杂质含量小于百亿分之一，且随先进制程推进，对参数控制要求更高。 图表 7：硅片制造过程对晶体纯度结构、平整度、洁净度以及无杂质污染的要求高 来源： SUMCO， 国金证券研究所 随着半导体制程的不断缩小，对硅片的要求越来越高。 同样尺寸大小的硅片也分为不同的线宽制程，比如中芯国际的 30m晶圆涵盖了 0.35um-14nm的线宽制程，随着特征线宽的不断缩小，硅片上极其微小的高度差都会使集成电路布线图发生变形、错位，这对硅片表面平整度提出了苛刻的要求。 图表 8： 半导体制程的不断缩小， 先进制程占比提升 来源： SMIC， 国金证券研究所 产品认证壁垒高： 半导体硅片是制造环节最核心的材料，认证壁垒高，具体产品认证的严格程度主要取决于半导体硅片的制造工艺和终端产品的应用领域。面向常规应用的抛光片和外延片认证周期一般为 9-18 个月， SOI 硅片认证周期通常一般为 1-2 年；汽车电子、医疗健康以及航空航天等应用认证周期通常为 3-5 年。 UDAwMDE3MDY3NTIwMjAxMjI3MTAyOTQ5行业深度研究 - 8 - 敬请参阅最后一页特别声明 二、下游新技术催化， 2021年供需趋于健康 1、 硅片行业在周期波动中趋势向上，基本同步于整个半导体行业周期 30m硅片需求景气主要由手机、 PC等消费电子产品创新周期驱动，20m硅片需求由汽车电子、功率器件等产品需求 驱动 。硅片的价格受开工率、 客户库存以及终端产品价格等因素影响。 1） 2009-2010 年间，经济刺激政策促进全球经济复苏，半导体市场持续增长。 2） 201-2013 年，受益于智能手机与平板电脑普及，半导体市场规模温和上涨，但美元对日元汇率大幅上涨致 硅片 市场规模与半导体市场规模增速背离。 3） 2013-2015年，智能手机装置需求提升，内存、处理器等芯片带动 12 寸硅片需求增长； 8 寸电源管理、指纹辨识、 LCD 驱动和车用电子需求增长。但 DRAM、 NAND 均大幅降价，半导体市场规模及硅片市场规模仅发生微小变化。 4） 2017-2018 年，半导体与硅片市场再度成长， 2016Q2 智能手机库存调整结束， 20m及 30m硅片库存快速下调，硅片需求增长显著。 2018 年初，主要硅片厂商纷纷将价格上调了 1020%。 5） 2019年全球半导体景气下滑 ,全球代工厂晶圆库存水平升高。 图表 9： 硅片行业周期基本同步于整个半导体行业周期 来源： SEMI， IC insight，国金证券研究所 随着半导体制程的不断缩小，对硅片的要求越来越高，同时也带动硅片价格提升。 同样尺寸大小的硅片也分为不同的线宽制程， 12 寸晶圆涵盖了 0.35um-5nm 的线宽制程，随着特征线宽的不断缩小，对硅片表面平整度提出了苛刻的要求。同时先进制程占比提升带动硅片价格走高 ， 2016 至UDAwMDE3MDY3NTIwMjAxMjI3MTAyOTQ5行业深度研究 - 9 - 敬请参阅最后一页特别声明 2019 年，全球半导体硅片销售单价从 0.67 美元 /平方英寸上升至 0.95 美元 /平方英寸。 2、 5G手机，数据中心以及汽车电子等将成为未来需求核心驱动 手机， PC/服务器占 据了大硅片一半以上的下游需求，也是未来成长的主要驱动力。 30m硅片下游以手机、 PC、服务器为主 ， 20m硅片下游以工业、手机、汽车为主。 30m中 手机应用 占比 达 34%， PC/服务器占比达 21%。主要包括存储芯片、图像处理芯片、通用处理器芯片、高性能 FPGA与 ASIC等。 20m工业应用 占比 25%，手机占比 19%、汽车占比 18%。随着汽车电子、工业电子等应用的驱动， 20m 半导体硅片的需求呈上涨趋势。 20m 及以下半导体硅片的需求主要来源于功率器件、电源管理 芯片 、非易失性存储器、 MEMS、显示驱动芯片与指纹识别芯片等。 图表 10： 30m硅片下游应用分布 图表 11： 20m硅片下游应用分布 来源： Siltronic，国金证券研究所 来源： Siltronic，国金证券研究所 2.1、 5G手机的应用升级将带动 硅片需求特别是 30m硅片需求的提升 30m硅片在手机中主要应用在部分的 CIS/逻辑芯片、以及 NAND、DRAM存储器，根据 SUMCO预测， 2020-2023年，手机中的 30m硅片需求复合增速将高达 7.8%。 图表 12： 30m硅片在手机里的主要应用，需求 2020-2023 CAGR为 7.8% 来源： SUMCO，国金证券研究所 5G手机的单 个 手机的硅片使用面积将是 4G的 1.7倍。 根据 SUMCO预测，手机 34% PC/服务器 21% SSD 14% 汽车 6% 工业 5% 其他 20% 工业 25% 汽车 18% 手机 19% PC/服务器 5% 其他 33% 0200400600800100012001400160018002017201820192020202120222023DRAMNANDLogicCIS（ 单位：千片 /月） UDAwMDE3MDY3NTIwMjAxMjI3MTAyOTQ5行业深度研究 - 10 - 敬请参阅最后一页特别声明 从 4G到 5G手机， DRAM， NAND，摄像头， AP等都明显提升，因此，每部手机里面硅片的使用面积将从 4G大约 1.3平方英寸增加 70%到 2.2平方英寸。保守预测，假定 2021年 5G手机销量为 4亿部，那么，等效为30m硅片需求，手机对硅片的需求从 2018年（高端机）的 43万片 /月增加到 2021年（ 5G手机）的 65万片 /月，增加了 22万片 /月。 图表 13： 4G到 5G手机芯片的用量的变化 图表 14： 单部手机的硅片使用面积增加 1.7倍 4G 5G DRAM 1-12 GB 6-13 GB NAND 8-512 GB 128-512 GB AP 4-8 Core 8 Core 5G modem - 1 or integrated CIS 1-7 pieces 4-7 pieces 来源： SUMCO，国金证券研究所 来源： SUMCO预测，国金证券研究所 2.2、数据流量爆发带来数据中心对于芯片需求增加 全球数据流量将迎来爆发，带动数据中心的增长。 根据 SUMCO结合CISCO数据的预测， 2019到 2023年，全球数据流量复合增速将高达25.5%，数据中心的需求也将随之增加。 图表 15： 数据中心的资本开支大幅增长 图表 16： 全球数据流量快速增加 CAGR（ 2019-2023）为 25.5% 来源： SUMCO预测，国金证券研究所 来源： CISCO， SUMCO预测，国金证券研究所 数据中心需求增加将带动硅片需求增加。 随着数据流量的增加，数据中心的 SSD存储数据的需求将在 2019到 2023年之间实现 46%的复合增长。数据中心对于 NAND、 DRAM、 MPU的需求持续增加，带动 30m硅片2019-2023年需求的复合增速高达 18.4%，特别是 NAND和 DRAM存储器。 0.00.51.01.52.02.54G and others 5GDRAMNANDLogicCISsqi/unit 0100200300400 全球数据中心资本开支（亿美元） 01234567 Global IP Traffic （ ZB/year）