半导体行业深度专题之七：涨价潮的背后，剖析硅片市场供需结构.pdf

敬请阅读末页的重要说明 证券 研究报告 | 行业 专题 报告 信息技术 | 电子 推荐 （ 维持 ） 涨价潮 的 背后 ， 剖析硅片市场供需结构 2018年 05 月 23 日 半导体 行业 深度 专题 之七 上证指数 3169 行业规模 占比 % 股票家数（只） 239 6.8 总市值 （亿元） 30302 5.5 流通市值（亿元） 21322 4.9 行业指数 % 1m 6m 12m 绝对表现 0.7 -11.8 11.2 相对表现 -1.6 -5.8 -1.4 资料来源：贝格数据、招商证券 相关报告 1、 半导体行业深度专题之六：技术迎变革，新型存储器助中国弯道超车 2016-08-26 2、 半导体行业深度专题之五：半导体设备和材料的国产化机遇2016-05-25 3、 半导体行业深度专题之四：物联网风云渐起，全球半导体整合加速2015-10-20 鄢凡 0755-83074419 yanfancmschina S1090511060002 研究助理 方竞 fangjing1cmschina 研究助理 涂围 tuweicmschina 研究助理 王淑姬 wangshujicmschina 硅片是晶圆厂最重要的上游原材料，其供需情况与价格趋势能充分反映半导体行业的景气度。进入 2018 年，全球半导体产业增速环比有所放缓，但硅片涨价潮依旧持续。是下游需求猛烈，还是上游供给有限，这一议题值得深入研究。本文参考了 SUMCO，台积电等公司提供的原始数据，将硅片的供给端，需求端和价格端等多个核心问题分析如下，以供各位投资者参考。 需求端：通过购买力平价 GDP 模型预判 12 寸硅片需求： 通过回溯历史，我们发现自 2000 年起， 12 寸硅片出货量以及当年的购买力平价 GDP 两大数据高度拟合。拟合优度判定系数 （ R2） 高达 0.9528。体现了极强的关联度。 故在硅片行业中，通常会采用购买力平价 GDP 模型来判断 12 寸硅片的市场需求。通过模型我们可以推导出 2017 年 -2022 年 ， 12 寸硅片需求的复合增长率为 4.3%。其中 3D NAND 对硅片需求的复合增长率为 16.76%，成为未来 3年里 12 寸 硅片需求 增长 的主要驱动力。 供给端：经历了产能过剩的十年， 12 寸硅片厂扩产谨慎： 2007 年 起，全球硅片厂大规模扩张 12 寸硅片产能，但产能利用率严重不足，使得硅片价格持续下跌。 SUMCO 的毛利一度跌至 -25.5%，只能关厂裁员，断臂求生。进入 2016年，在存储器需求爆发的带动下，硅片价格开始一路回升。但各家厂商在经历了过去一轮大萧条之后，扩产较为谨慎，目前全球硅片厂 规划中的产能扩张 复合增长率 （ 5.7%）介于购买力平价 GDP 模型（ 4.3%）与客户需求指引（ 9.7%）之间。可以看出，当前各家硅片厂均相对保守 ， 更 倾向于控制产能扩张，推动涨价 ，抬升利润水平 。 价格端： 12 寸硅片持续涨价，相关晶圆厂暂无涨价计划： SUMCO 预计 12寸硅片的价格在 2018 年将提升 20%。有较多晶圆厂已经开始 2021 年的长协价谈判。但对于 12 寸 晶圆厂而言， 其 wafer 成本占比较低 ， 且 28nm 以上成熟制程市场竞争激烈 。 为了维持 稳定 的 产能利用率 ，避免高额折旧影响毛利。各大厂没有向下游涨价的计划。同时，为了更好地观测 12 寸硅片的供需结构，我们引入了晶圆厂库存采购比指标。目前 12 寸晶圆厂的 平均 库存量维持在当月采购量的 65%左右，若向上或向下大幅突破，则意味着供需平衡出现变化。 8 寸供需分析：汽车电子主导 8 寸硅片需求，晶圆厂通过涨价转移成本压力： 2016 年起， 8 寸线的驱动力主要在指纹识别，进入 2018 年，随着汽车电子，IOT 等应用的兴起， 8 寸线的供需关系依旧偏紧。但后续要持续观 测指纹识别应用下滑的影响。目前 8 寸硅片的价格已达 40 美金，相比 2016 年年初增长了 19.7%。对于晶圆厂而言，由于绝大多数 8 寸厂均已折旧完毕，所以 wafer成本占比较高，一般在 10-15%之间，硅片涨价对于成本影响明显。以华虹为代表的部分晶圆厂通过涨价，向下转移成本压力 ，毛利目前较为稳定 。 接下页 -10010203040May-17 Sep-17 Jan-18 Apr-18(%) 电子 沪深 300 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 2 国内 产业链 标的梳理 ： 硅片厂商： 上海新昇 （ 上海新阳 （ 300236.SZ）参股 24.36%）的大硅片项目 目前已经实 现了挡片的批量供货，正片也有小批量样片实现销售，目前产能 4-5 万片 /月，预计2018 年产能可达 10 万片 /月 ； 中环 股份 （ 002129.SZ） 于 2017 年 10 月 13 日和无锡市签署 战略合作协议，共同在宜兴市建设集成电路用大硅片生产与制造项目 。 项目总投资约 30 亿美元，一期投资约 15 亿美元 ； 重庆超硅 的 12 寸硅片开发进展也较为顺利。同时硅产业集团旗下的 上海新傲 的 SOI 产线是中国硅片产业的一大亮点；其他厂商，如有研半导体 、 宁夏银和、金瑞泓、合晶郑州、奕斯伟西安、江苏协鑫 等也建议关注。 设备厂商： 晶盛机电 （ 300316.SZ） 于 2017 年 10 月 13 日协同中环股份和无锡市签署战略合作协议。 目前晶盛机电 可以向下游客户提供 从 长晶，滚磨，截断，抛光等硅片生产的全套解决方案。 公司在半导体硅片领域的主要客户包括有研半导体、台湾合晶、中环股份 、金瑞泓等企业。 晶圆厂 与 IDM 方面 ： 由于 12 寸晶圆厂面临激烈的价格竞争，没有涨价动力，所以我们更建议关注 8 寸晶圆厂 华虹半导体（ 1347.HK） ，公司于 2017 年下半年对部分客户调价 ，受益于此， 公司 2017 年 Q3 的毛利升至 35.24%的历史高点，但由于近期没有涨价动作，且硅片价格持续攀升，所以毛利率又回落到 31.9%的水平，预计公司在 Q2 末还会有一些调价。 另外，国内 IDM 厂中， 士兰微（ 600460.SH） 的 8 寸线也同样受益于功率半导体需求以及上游硅片价格传导。 非上市 晶圆厂中 ，建议关注 华润上华 。 风险提示：硅片持续短缺影响晶圆厂产能利用率，国产硅片进口替代进展不及预期。 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 3 正文目录 一、硅片产业简介 . 5 1. 硅片是半导体生产的重要原材料 . 5 2. 半导体硅片的生产流 程 . 5 3. 硅片分类介绍 . 7 4. 半导体硅片的主流厂商 . 11 二、需求端： 12 寸硅片市场需求及驱动力分析 . 13 1. 硅片出货面积与半导体市场规模有一定关联度 . 13 2. 通 过购买力平价 GDP 模型判断 12 寸硅片市场需求 . 15 3. 3D NAND 驱动 12 寸硅片的需求增长 . 16 三、供给端： 12 寸硅片扩产保守之缘由探析 . 18 1. 激进扩产带来硅片产能过剩的十年 . 18 2. 硅片厂扩产规划及需求预测 . 20 四、价格端： 12 寸硅片涨价影响及观测指标 . 21 1. 12 寸硅片涨价趋势分析 . 21 2. 12 寸晶圆厂无涨价计划 . 21 3. 晶圆厂库存采购比是重要的观测指标 . 22 五、 8 寸硅片的供需关系及价格趋势 . 23 1. 8 寸硅片出货量及涨价情况分析 . 23 2. 指纹识别芯片对于 8 寸供需结构的影响 . 24 3. 8 寸芯片产品向 12 寸转移的趋势 . 25 4. 8 寸晶圆厂通过 涨价传导成本压力 . 26 六、国内产业链标的梳理 . 28 图表目录 图 1 2017 年全球晶圆制造材料市场（亿美元） . 5 图 2 抛光片生产工序 . 6 图 3 直拉法生产原理 . 6 图 4 退火片生产原理 . 7 图 5 外延片生产原理 . 8 图 6 SOI 智能剥离方案生产原理 . 8 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 4 图 7 硅片可以分为挡控片及正片 . 9 图 8 硅片尺寸发展史 . 10 图 9 12 寸硅片占比持续提升（等效 8 寸片） . 10 图 10 2016 年全球硅片厂市占率 . 11 图 11 2017 年全球硅片厂市占率 . 11 图 12 上海新傲技术路线图 . 12 图 13 2000 年 -2017 年 硅片出货面积 . 13 图 14 硅片出货面积增速和半导体市场规模增速相关 . 13 图 15 半导体 ASP 和销量在 2017 年双升 . 14 图 16 半导 体制程进展，从 Poly 到 GAA. 15 图 17 2012 年 -2018 年 12 寸硅片需求（万片 /月） . 15 图 18 2000 年以来， 12 寸硅片需求量和购买力平价 GDP 高度相关 . 16 图 19 2018 年 12 寸硅片下游应用占比 . 17 图 20 2016 年 NAND 下游应用占比 . 17 图 21 2013-2021 年 NAND 需求量及增速 . 17 图 22 2018 年 -2021 年 12 寸硅片下游市场需求结构（万片 /月） . 18 图 23 2009 年 -2017 年 各版本 windows 销量比例 . 19 图 24 2006-2017 年全球 12 寸硅片厂产能及出货量统计（千片 /月） . 19 图 26 2018 年 -2022 年 12 寸硅片的扩产情况以及需求预测 . 21 图 27 TSMC FAB12 成本结构 . 22 图 28 全球晶圆厂库存采购比 . 23 图 29 2012 年 -2018 年 8 寸硅片需求（万片 /月） . 23 图 30 2007-2017 年 8 寸硅片价格（ $每平方英寸） . 24 图 31 2016-2017 年 8 寸硅片价格（ $每平方英寸） . 24 图 32 OPPO A1 新机没有指纹识别功能 . 24 图 33 华虹半导体 2017 年营业收入结构 . 26 图 34 全球 8 寸厂产能扩张进展 . 27 图 35 华虹半导体 2014-2018Q1 毛利净利水平 . 27 图 36 硅片产业链投资标的梳理 . 28 表 1 大陆硅片企业产能规划 . 11 表 2 指纹识别芯片的硅片需求量分析 . 25 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 5 一、硅片 产业简介 1. 硅片是 半导体 生产 的重要原材料 硅片是生产集成电路所用的载体，作为晶圆厂最重要的上游原材料，硅片供需情况与价格趋势能充分反映半导体行业的景气度。 2017 年，全球晶圆制造材料市场规模 259.8 亿美元，其中硅片市场规模 75.8 亿美元。占比 29.17%，往后分别是电子气体，掩膜，其他材料，光刻胶配套试剂， CMP 材料，光刻胶，工艺化学品，靶材， SOI。 图 1 2017 年全球晶圆制造材料市场（亿美元） 资料来源： SEMI，招商证券 2. 半导体 硅片 的生产流程 半导体 硅片 对 产品质量 及一致性 要求极高， 其 纯度 须达 99.9999999%（ 9 个 9）以上 ，而最先进的工艺甚至需要做到 99.999999999%（ 11 个 9） 。 而光伏级 单晶 硅片仅需 5个 9 即可满足应用需求。 所以半导体生产所用硅片的制备难度远大于光伏级硅片。 硅片生产工序主要包括：长晶， 径向研磨 ， 定位边研磨 ， 抛光 ，切片，倒角，研磨，硅片刻蚀，抛光，检查等步骤。 经过上述步骤生产出的硅片即为最通用的抛光片。 我们 下文中的 硅片价格默认为抛光片 。 75.8 01020304050607080行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 6 图 2 抛光 片生产 工序 资料来源： 环球晶， 招商证券 在抛光片生产过程中，长晶是最为核心的工序。 长晶技术路线主要分为直拉法（ CZ），区熔法（ FZ）。其中直拉法是目前 市场 的主流，可支持 12 寸硅片生产，而区熔法则相对简单，仅可支持 8 寸及以下 尺寸 硅片生产。 直拉法最早由 Czochralski 于 1918 年首创 ，故 亦 称为 CZ 法，其原理是 将 多晶硅 加热至熔化，再 将 单晶晶种 和硅溶液 表面 接触 。 接触后， 由于温度差异，硅溶液 开始在晶种表面凝固并生长和相同晶体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋转， 最终 形成单晶晶棒。 该方案 可以在 拉晶 过程中观察晶体的生长情况 ，但容易受到 机械扰动 的影响。 图 3 直拉法生产原理 资料来源： Wikipedia， 招商证券 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 7 3. 硅片 分类 介绍 （ 1）通过 加工工序分类： 除了最普通的抛光片外，硅片还有较多 特色工艺 产品，主要 包括 退火片（ Annealed Wafer）， 外延片（ Epitaxial Wafer）， 绝缘体上硅 （ Silicon-On-Insulator Wafer） 等 。 退火片（ Annealed Wafer）是将抛光片置于退火炉中， 在氢或氩气氛中进行高温退火 ，随着此过程去除晶片表面附近的氧气， 可以改善抛光片表面特性 。 图 4 退火片生产原理 资料来源： SUMCO， 招商证券 外延片 的 生产流程是将 抛光片在外延炉中加热到 1200左右。 通过 汽化的 四氯化硅（ SiCl4）和三氯硅烷（ SiHCl3）生长 气相外延 。 它具有 抛光片 所不具有的某些电学特性并消除了许多在晶体生长和其后的晶片加工中所引入的表面 /近表面缺陷。 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 8 图 5 外延片生产原理 资料来源： SUMCO， 招商证券 绝缘体上硅 即 SOI 硅片 ， SOI 是一种三明治结构，最上面是顶层硅，中间是掩埋氧化层（ BOX）， 下方 是硅衬底。 制备 SOI 材料的技术主要有注氧隔离（ SIMOX）、键合减薄（ BESOI）和智能剥离（ Smart-Cut）等，当前最主流的技术是智能剥离 。 SOI 的优势在于 可以通过氧化层 实现 高电绝缘性， 这将大大减少硅片的 寄生电容 以及漏电现象 。 随着半导体制程工艺不断演进， SOI 方案的优势逐渐凸显。 在 28nm 以下 先进制程中， FD-SOI（全耗尽 SOI） 具有 明显的 低功耗，防辐射，耐高温的性能优势，同时采用 SOI 方案可以大大减少工序，降低成本。 根据 Marketsand Markets 最新预估，SOI 市场在 2017 2022 年期间平均复合成长率将达 29.1， 2022 年市场价值将有望达到 18.6 亿美元。 图 6 SOI 智能剥离 方案 生产原理 资料来源： Soitec， 招商证券 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 9 通过产业链调研，我们了解到 SOI 目前主要的应用场景有功率器件，射频开关，硅光芯片，高端 MEMS 等。先进制程里，汽车电子相关的 I.MAX 处理器， ADAS 芯片亦有采用 FD-SOI。 （ 2） 通过 应用场景 分类： 从 硅片 在晶圆厂的应用场景角度来看，硅片可以 分为挡片（ Dummy Wafer），控片（ Monitor Wafer）以及正片（ Prime Wafer）。其中挡片和控片一般是由晶棒两侧品质较差处所切割出来，用于调试机台 、 监控良率。 随着晶圆厂制程的推进，基于 精度要求及良率的考量，需要在生产过程中增加 监控频率。 65nm 制程每投 10 片正片，需要加 6片挡控片，而 28nm 及以下制程，每 10 片正片需要加 15-20 片挡控片。 挡控片的用量巨大，为了避免浪费 ，晶圆厂 往往会 回收用过的挡片，经研磨抛光，重复使用 ，但挡片的循环次数有限，一旦 超过 门限值，则只能报废处理或当做光伏硅片使用 。而 控片则需 具体情况具体对待 ， 用在某些特殊制程的 控片无法回收使用 ，那些可以回收重复利用 的挡控片又被称为可再生硅片（ reclaimed wafer）。 图 7 硅片可以分为挡控片 及正片 资料来源：工研院，招商证券 （ 3） 通过 硅片尺寸分类： 伴随着半导体行业的发展， 硅片的 尺寸 也逐步提升。从最早 在 1965 年诞生的 2 英寸 直径硅片 （ 50mm），到 4 英寸（ 100mm）， 5 英寸（ 125mm）， 6 英寸（ 150mm）， 8英寸（ 200mm）， 再 到 2000 年 面世 的 12 英寸（ 300mm） 硅片 。每次硅片直径的提升，都会使得单片晶圆产出的芯片数量呈几何倍数增长，从而在生产过程中提供显著的规模经济效益。 Silicon Wafer Prime Wafer IC Processing Reclaimed Wafer Monitor Wafer Dummy Wafer Reclaiming 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 10 图 8 硅片 尺寸 发展 史 资料来源： SEMI，招商证券 12 寸硅片的下一站是 18 寸（ 450mm）硅片。 2011 年，全球五大半导体厂商 IBM、英特尔、三星电子、台积电和 Global Foundries 共同成立全球 450mm 联盟（ G450C），用于推动 18 寸硅片发展，除此之外，还有 EEMI450， Metro450 等联盟在协同运作。但由于 12 寸硅片可以满足当前的生产需求， 且 18 寸硅片设备研发难度极大， 产业链上下游厂商对 18 寸硅片的推动力度不足。 从 各尺寸 硅片 的 出货面积比例来看， 12 寸业已成为业内主流， 2017 年占全球硅片出货量的 56.1%。 所以下文中的分析将主要围绕 12 寸硅片展开。 图 9 12 寸硅片占比持续提升（等效 8 寸片） 资料来源： SEMI，招商证券 62.6% 63.6% 66.1% 68.9% 70.4% 71.0% 71.2% 0.0%20.0%40.0%60.0%80.0%100.0%120.0%2015年 2016年 2017年 2018年 E 2019年 E 2020年 E 2021年 E 12寸 8寸 6寸及以下