电子行业专题报告：“芯”辰大海系列之一——硅片市场开启七年景气周期.pdf

请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 行业 研究 Page 1 证券研究报告 深度报告 IT 硬件与设备 Table_IndustryInfo 电子行业专题报告 超配 （维持评级） 2018 年 07 月 03 日 一年该行业与 上证综指 走势比较 行业专题 “芯”辰大海系列之一 硅片市场 开启七年 景气周期 硅片是半导体 产 业的基石 硅片也称硅晶圆，是制造半导体芯片最重要的基本材料，其最主要的原料是单晶硅。在硅片上可加工制作成各类电路结构，使之成为具有特定电性功能的半导体产品。在半导体上游材料市场中，硅片成本占比最高， 同时 市场规模保持高速增长。 2017 年硅片市场规模达 86.8 亿美元（ 32%市场占比），远高于气体和光掩膜市场规模； 在 2015-2017 期间，硅片市场规模 CAGR 约为 4.61%，高于同期半导体整体市场增长速度。 供给端 我们 测算出硅片产线收回投资成本一般需要大约 7 年时间，加上建设产线的 2 年时间，整个过程将近十年时间。我们将目前 主流的国际硅片供应商和大陆未来新建的硅片产线进行了分析，得到结论：传统硅片大厂缺乏新建 产线 的动力以及快速增加硅片供应的能力，而国产硅片产能的规模释放也至少需要 1-2 年的等待时间。因此，大硅片未来供应 端 不具备快速 提升 产能 的基础。 需求端 经过 20 年的发展，半导体下游市场已经从单一集中变成了多样性的市场，这对于半导体行业的周期性有着明显的减弱作用，持续成长成为半导体行业 未来 的主旋律。近几年随着摩尔定律逐步放缓，存储器 Bit Growth 已经不能依靠制程进步单方面来实现。硅片“剪刀差”预计在 2021 年以前会逐步放 大， 庞大而快速增长的存储器市场对于硅片的需求产生了直接的线性拉动。 供需关系判断 从历史上来看，硅片产业以景气程度可以 划分 为 2001-2007 和 2009-2015 两轮大的周期。 从市场规模的变化来看， 2001-2007 是硅片市场整体量价齐升的绝对景气周期， 2009-2015 年则主要是硅片市场内部的结构性替代 周期 。随着硅片市场从 2016 开始重新进入量价齐升的新周期，我们认为有望产生新一轮七年的景气周期。 硅片企业梳理 我们梳理了国内外主要的硅片供应商，包括信越化学、日本胜高、世创电子；上海新 昇 、 AST 超硅、中环 股份。 风险提示 国 产 硅片 量产 进程不及预期，硅片市场价格波动。 重点公司盈利预测及投资评级 公司 公司 投资 昨收盘 总市值 EPS PE 代码 名称 评级 （元） （百万元） 2018E 2019E 2018E 2019E 300236 上海新阳 增持 29.94 5,801 0.22 1.04 137.1 28.8 资料来源： Wind、国信证券经济研究所预测 相关研究报告： 电子行业 6 月份投资策略：产业升级新周期，关注具备自主技术，附加值高的优秀公司 2018-06-04 电子行业 5 月份投资策略及年报总结：电子产业再升级，看好自主创新强，附加值高的优质公司 2018-05-08 行业重大事件快评：半导体系列分析之 2018年税收优惠影响 2018-04-04 电子行业 4 月份投资策略：一元复始万象更新，关注优质龙头决胜新产业周期 2018-04-02 行业重大事件快评：政策持续落地，把握半导体板块做多机遇 2018-04-02 证券分析师：欧阳仕华 电话： 0755-81981821 E-MAIL： ouyangsh1guosen 证券投资咨询执业资格证书编码： S0980517080002 独立性声明： 作者保证报告所采用的数据均来自合规渠道，分析逻辑基于本人的职业理解，通过合理判断并得出结论，力求客观、公正，其结论不受其它任何第三方的授意、影响，特此声明 0.60.81.01.21.4J/17 S/17 N/17 J/18 M/18 M/18IT硬件与设备 上证综指请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 2 内容目录 硅片：半导体产业的基石 . 5 硅片：半导体不可或缺的基础材料 . 5 多维度解密硅片制造：设备、材料、工艺 . 6 硅片产品家族 . 10 大尺寸成为硅片发展未来方向 . 12 供需关系：硅片市场开启新一轮景气周期 . 17 供给端分析 . 17 需求端分析 . 21 供需关系判断 . 24 国际国内主要硅片企业梳理 . 25 硅片企业海外篇 . 25 硅片企业国内篇 . 28 风险提示 . 30 国信证券投资评级 . 32 分析师承诺 . 32 风险提示 . 32 证券投资咨询业务的说明 . 32 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 3 图表 目录 图 1：硅片是制作半导体芯片的基础材料 . 5 图 2：硅片是市场规模最大的半导体原材料 . 5 图 3： 2017 年半导体材料市场占比 . 5 图 4：硅片出货面积总体保持向上态势 . 6 图 5：通过西门子制程，提纯出符合半导体需求的多晶硅 . 6 图 6：先融化多晶硅，再通过单晶硅种把单晶硅柱拉出 . 7 图 7：纵向磁场的 MCZ . 7 图 8：横向磁场的 MCZ . 7 图 9： CCZ 在拉晶过程中不断加料，以产生新的晶柱 . 8 图 10：硅片制造的主要材料与设备 . 8 图 11：半导体终端市场规模远大于上游市场 . 9 图 12：硅片上游市场中，光刻材料的市场 空间最大 . 9 图 13： 2017 年市场占比 . 10 图 14： 2020 年预计市场占比 . 10 图 15：抛光片是应用范围最广、最基础的硅片 . 10 图 16：退火片表面的氧气含量更少 . 11 图 17：外延片表面更平滑 . 11 图 18：结隔离硅片的电气性能更加多样化 . 11 图 19： SOI 可提高集成电路的集成度 . 12 图 20：大尺寸硅片的有效利用率更高 . 12 图 21：晶圆尺寸越大，制造成本越低 . 13 图 22：厚度并没有与面积增速同步 . 13 图 23：直径 300mm 升至 450mm，面积增长 125% . 13 图 24：颈部（ Neck）横截面直径最小，是 CZ 拉晶中最薄弱部位 . 14 图 25：石英坩埚（ Quartz crucible）的一次性使用拉升了 450mm 制造成本 . 15 图 26：晶圆尺寸越大，进入壁垒越高 . 15 图 27：每代晶圆尺寸大约能支持 45 个进程技术节点 . 16 图 28： 450mm 迟迟不能商用量产，导致 300mm 依然在服役 . 16 图 29： Neckingless Growth Method 解决了颈部过于薄弱的缺点 . 17 图 30： 300 硅片产线投资回报情况比较 . 18 图 31： 2017 年全球硅片市场格局 . 19 图 32： 2016-2017 期间净利率 . 19 图 33： 2016-2017 期间 ROE . 19 图 34：供应商专注单位产能成本下降，涨价带来盈利改善 . 20 图 35： 2016 年首次产生供需缺口 . 20 图 36：中国和全球 300mm 硅片产能 （ KWPM） . 20 图 37：中国和全球 200mm 硅片产能（ KWPM） . 20 图 38： 1995 硅片下游需求格局 . 21 图 39： 2016 硅片下游需求格局 . 21 图 40：全球半导体市场周期性减弱 . 22 图 41：全球 DRAM 大厂制程进步缓慢 . 22 图 42： DRAM 制程进步速度减缓 . 23 图 43： 3D NAND 叠层密度保持增长 . 23 图 44： 300mm 硅片下游市场出货量（万片 /月） . 24 图 45： 300mm 硅片下游市场份额 . 24 图 46：全球硅片出货量（ m2） . 24 图 47：全球硅片市场规模和单价 . 24 图 48： 300mm 硅片客户库存水平连续两年下降 . 25 图 49：硅片的补涨空间较大 . 25 图 50：信越化学的营业收入 . 26 图 51：信越化学的净利率 . 26 图 52： SUMCO 成立历史 . 27 图 53：日本胜高的营业收入 . 27 图 54：日本胜高的净利率 . 27 图 55：德国世创电子的营业收入 . 28 图 56：德 国世创电子的净利率 . 28 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 4 图 57：公司成长历程 . 29 图 58：中环股份业务范围 . 29 图 59：半导体业务逐步回暖 . 30 图 60：毛利率逐渐回暖 . 30 表 1：单晶不能被 100%运用，部分会留在石英坩埚壁上留下硅污渍 . 14 表 2： CZ 法可满足 300mm 及以下尺寸晶圆 . 16 表 3：投资回收期测算 . 18 表 4：硅片行业主要并购事件（前五家相关） . 19 表 5：公司 300mm 硅片规格 . 28 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 5 硅片 ：半导体 产业的基石 硅片 ： 半导体 不可或缺 的 基础 材料 硅片也称硅晶圆，是制造半导体芯片 最重要 的 基本材料，其最主要的原料是 单晶 硅。 在硅片上可加工制作成各类电路结构， 使之 成为具有特定电性功能的半导体产品。 图 1： 硅片是制作半导体芯片的基础材料 资料来源： SVM，国信证券经济研究所 整理 在半导体上游材料市场中，硅片 成本占比最高，市场规模保持高速增长 。 2017年 硅片市场规模达 86.8 亿美元 （ 32%市场占比） ，远高于气体 和光掩膜市场规模 。在 2015-2017 期间， 硅片 市场规模 CAGR 约为 4.61%；此外， 光刻胶的CAGR 最高，达 5.95%；最低的是光掩膜，同期 CAGR 为 1.95%。 图 2： 硅片 是市场规模最大的半导体原材料 图 3： 2017 年 半导体材料 市场占比 资料来源： SEMI，国信证券经济研究所整理 资料来源： SEMI，国信证券经济研究所整理 硅片出货量总体上保持向上态势。 由于经济危机，在 2009Q1 全球硅片出货面积大幅滑落，但由于硅片对半导体的不可替代性，此后迅速重拾增长。 01,0002,0003,0004,0005,0006,0007,0008,0009,00010,000硅片光掩膜光刻胶光刻胶辅料湿化学气体溅射靶CMP 其他材料2015 2016 2017硅片 , 32%光掩膜 , 13%光刻胶 , 6%光刻胶辅料 , 8%湿化学 , 6%气体 , 15%溅射靶 , 3%CMP, 7%其他材料 , 12%请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 6 图 4： 硅片出货面积总体保持向上态势 资料来源： SEMI，国信证券经济研究所 整理 多维度 解密 硅片制造 ：设备、材料、工艺 芯片的制造类似于大理石雕像的塑刻 。 通过在大理石原石上不断雕刻，塑造出各式形象；通过在硅片上雕刻，得到各类目标芯片。在这里，硅片就相当于是大理石原石，其均匀度、平整度、硅纯净度等指标会严重影响芯片的制造难度与性能表现。 一、 纯化 是为了得到高纯度的硅， 分为两步 。 第一步 是 钝化，将 沙子中的氧化硅转化为 98%以上纯度的硅；第二步是 纯化，通过西门子制程（ Siemens Process）进一步提纯硅，获得所需的高纯度多晶硅。 图 5： 通过西门子制程，提纯出符合半导体需求的多晶硅 资料来源： WriteOpinions，国信证券经济研究所 整理 二、 然后是拉晶，目的是把多晶硅 变成单晶。 拉晶主要使用 CZ 法，可 细 分为三种 形式。 第一种是传统的 CZ 直拉单晶。 第一步是把 上述多晶硅融化，形成液态的硅。 第二步 ，以单晶的硅种 和液体表面接触，一边旋转一边缓缓向上拉起硅晶。 单晶硅种的作用在于， 硅原子排列就和人排队一样，需要排头让后来-100%-50%0%50%100%150%0500100015002000250030003500001Q011Q021Q031Q041Q051Q061Q071Q081Q091Q101Q111Q121Q131Q141Q151Q161Q171Q全球晶圆出货量 (百万平方英寸 ) 同比增长率请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 7 的人 知道 该 如何正确的排列，硅种便是重要的排头，让后来的原子知道该如何排队。 单晶结构 的 作用 在于 ， 它具有原子一个接着一个紧密排列在一起的特性，可以形成一个平整的原子表层 ，有助于获得 高平坦度 的硅晶。 图 6： 先融化多晶硅，再通过单晶硅种把 单晶硅柱 拉出 资料来源： 电子发烧友 ，国信证券经济研究所 整理 第二种是 磁控直拉单晶硅（ MCZ）， 即在磁场作用下进行 CZ 直拉单晶，可分为纵向磁场和横向磁场。 MCZ 具有如下好处： 1）溶体温度波动小，从而抑制了温度变化引起的热对流，使得液面振动减少； 2）无生长条纹：晶体在类似于无重力条件下生长，因此晶柱更加平滑； 3）电学特性好： MCZ 晶柱更加均匀，因此电阻率更均衡，分散性更小，寿命也较 CZ 晶柱更好。 图 7： 纵向磁场的 MCZ 图 8： 横向磁场的 MCZ 资料来源： GlobalWafers Corp，国信证券经济研究所整理 资料来源： GlobalWafers Corp，国信证券经济研究所整理 第三种是 连续直拉单晶硅（ CCZ）， 即连续、同时进行晶柱拉晶与材料融化。绝大多数的拉晶成本取决于材料成本，尤其是石英坩埚的成本。在传统的 CZ 法下，石英坩埚只能用一次，一次只能产出一根晶柱；而 CCZ 可以在拉晶过程 中持续往石英坩埚内加料，并不断产出多条新的晶柱，极大提高了石英坩埚的利用率，并降低了生产成本。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 8 图 9： CCZ 在拉晶过程中不断加料，以产生新的晶柱 资料来源 : Single-Crystal Silicon: Growth and Properties ，国信证券经济研究所整理 三和四、 对晶柱 进行 切割与平滑 ， 即可得到半导体硅片 。 切割是 用钻石刀将单晶硅柱横向切成圆片 ；平滑是将 圆片 进行研磨、腐蚀、抛光等操作，以提高硅片的平坦度。 最后再经过检测、外延等收尾工序，即可得到满足半导体生产要求的 硅片 。 图 10： 硅片制造的主要材料与设备 资料来源 : 国信证券经济研究所整理 硅片生产之后，需要运送至代工厂进行芯片制造；此后，半导体芯片需要经受封测厂的检查与封装。 最终，检验合格的芯片将安装在如手机、电脑等半导体终端上。其中， 2017 年硅片所属的材料市场规模约为 470 亿美元，较 2016 年提升 30 亿美元。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 9 图 11： 半导体终端市场规模远大于上游市场 资料来源： SEMI，国信证券经济研究所 整理 硅片上游材料市场中，光刻材料市场空间最大。 SEMI 预计， 2020 年光刻材料市场规模达 35.53 亿美元， 2016-2020 的 CAGR 预计为 5%；同时， ALD 的2016-2020 同期 CAGR 将达 21%，在所有上游材料中增速最快。 图 12： 硅片上游市场中，光刻材料的市场空间最大 资料来源： SEMI，国信证券经济研究所 整理 预计 ALD 增速最快， Pads&Slurries 市场占比下滑最多。 在 2020 年，预计ALD 市场占比提升最多，由 2017 年的 3%提升至 2020 年的 5%；预计 Pads & Slurries 的市场占比下滑最多，由 2017 年的 17.3 下降至 2020 年的 15.8%。 41 44344145754 47401149302004006008001,0001,2001,4001,600设备 材料 半导体芯片 半导体终端单位：十亿美元 2016 201705001,0001,5002,0002,5003,0003,5004,000ALDCVDPVD 电镀 上自旋电解质 Pads &Slurries湿化学 光刻材料 腐蚀剂气体 掺杂剂气体 平版印刷气体2016 2017 2020F请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 10 图 13： 2017 年市场占比 图 14： 2020 年预计市场占比 资料来源： SEMI，国信证券经济研究所整理 资料来源： SEMI，国信证券经济研究所整理 硅片产品 家族 硅片产品主要有五大类产品构成，包括抛光片、退火片、外延片、节隔离片和绝缘体上硅片。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。 抛光片（ Polished Wafer） 抛光片 是应用范围最广、最基础的硅片。 首先直接从晶柱上切割出厚度约 1mm的原硅片，然后对其进行抛光镜面加工，就得到了表面平滑的抛光片。此外，通过对其进行纯化，混在其中的金属杂质可被进一步减少。 图 15： 抛光片是应用范围最广、最基础的硅片 资料来源： SUMCO，国信证券经济研究所 整理 第二类是退火片（ Annealed Wafer） ，其表面完整性更好 。 通过将抛光片置于充满 氩 气或氧气的高温环境中，就能大幅减少抛光片表面的氧气含量。相较于普通的抛光片，退火片表面拥有更好的晶体完整性（ crystal perfection），可满足更高的半导体蚀刻需求。 ALD, 3% CVD, 12%PVD, 7%电镀 , 2%上自旋电解质 , 4%Pads & Slurries, 17.3%湿化学 , 23%光刻材料 , 27%腐蚀剂气体 , 3%掺杂剂气体平版印刷气体 , 1%ALD, 5% CVD, 13%PVD, 6%电镀 , 2%上自旋电解质 , 4%Pads & Slurries, 15.8%湿化学 , 22%光刻材料 , 26%腐蚀剂气体 , 3%掺杂剂气体 平版印刷气 体 , 2%