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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。  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%。   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。  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。  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。  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%。  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(PolishedWafer) 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。  第二类是退火片(AnnealedWafer) 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(crystalperfection)，可满足更高的半导体蚀刻需求。 第三类是外延片(EpitaxialWafer) 其表面更加平滑。与退火片类似，外延片也是经抛光片加工而来，目的也是为了加强硅片性能。 通过直接在抛光片表面直接应用气相生长技术(VaporPhaseGrowth)，抛光片表面外延出单晶结构层，其表面将比经切割而来的抛光片更加平滑。  第四类是结隔离硅片(JunctionIsolatedWafer)。 目的是实现客户特定的电气性能需求。 制作过程分为两步，首先是通过光刻法、离子注入、热扩散技术等技术嵌入中间层，然后再通过气相生长技术在硅片外面形成平滑的外延层。  第五类是绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，即SOI) 具有低能耗及高速等优势。 SOI有三层结构，上下层均为抛光片，中间层是绝缘层。SOI最大的优势在于较高的整合度，因为结构较多，因此可实现较为复杂的电路结构，因此大大减少了芯片制造的工序与成本。同时，SOI也具有低能耗、高速、高可靠性等优势。  ▌大尺寸成为硅片发展未来方向 大尺寸硅片的优势 1、提高生产效率: 集成电路是采用多次光刻、沉积制成的，在核心面积一定的条件下，晶圆尺寸越大一次制作的核心越多，生产效率就得到提升; 2、提升硅片利用率: 由于芯片设计绝大部分是矩形的，而所有的晶圆都是圆形的，所以在边角上光刻的电路是不完整的，必须切掉废弃。 硅片越大，容纳的芯片越多，废弃的比例也就越少，因此提高利用率的同时降低成本。 OWE指数用于比较不同晶圆尺寸的利用效率。在芯片面积较小的情况下(比如100mm2)，450mm的晶圆利用率只领先300mm约5%;而当芯片面积增加至800mm2时，450mm利用率的领先优势扩大至12%。 3、在合理成本下提升性能 芯片的计算性能=单位面积晶体管数量*芯片面积，在制程进步速度放缓的背景下，单位面积晶体管数量的增速也相应放缓，因此提升计算性能就需要提升芯片的面积。但由于需要考虑芯片的制作成本，所以硅片尺寸必须增加，以保持合理的芯片生产成本。 大尺寸硅片的难点： 1、尺寸越大，成本及所需资本投入急升 生成晶柱的过程中，旋转速度越慢则晶柱直径越大，但成本会急速增加。 一来慢速旋转难以稳定，容易导致晶格结构缺陷，因此需要相对的资本研发投入;二来直径越大意味着晶圆重量越大，边缘处就更容易出现翘曲，导致良品率降低;三来慢速旋转所需时间延长，同时还需要维持多晶硅的融化态来拉晶，提高了能源和时间成本。 2、晶圆尺寸面积增速远高于厚度增速，导致传统CZ法难以继续提升晶圆尺寸。 相较于300mm，450mm尺寸的面积提升了125%，但硅片厚度却仅仅提升2.5%左右，导致边缘翘曲现象更易出现，降低了良品率。 3、随着面积倍增，硅晶柱重量也在提升，导致传统CZ拉晶法效率降低。 传统的CZ拉晶法需要用单晶硅种(Seed)拉出所需的晶柱，其中连接单晶硅种与晶柱的部位被称为颈部(Neck)，这也是拉晶过程中最薄弱的位置。 随着晶柱横截面面积提升，晶柱的重量也在提升。为了不在拉晶过程中扯断颈部，晶柱的长度必须降低，导致每次锻造的产出降低，侧面提高了制造成本。 4、同时，石英坩埚的一次性使用进一步提高了成本。 为了维持温度的可控性，CZ法需要石英坩埚来加热多晶硅并控制温度以拉晶。而每次拉晶之后，由于无法100%充分利用所有的多晶硅，所以石英坩埚内难免留下硅污渍，会严重影响下一次拉晶的纯度。 因此，每次拉晶都会启用新的石英坩埚。每次拉晶晶柱长度的降低，会导致单位坩埚产出降低，进一步拉升了成本。成本与研发投入的大幅增加，导致大尺寸晶圆进入壁垒提高。 在全球整体的硅片市场中，Top2的市占率为51%;而在大尺寸晶圆领域(200mm和300mm)，Top2市占率提升至70%以上，形成寡头垄断。 晶圆尺寸的提升，也提高了下游的壁垒。从芯片制造厂看，大约有130家公司拥有150mm晶圆加工厂，而拥有200mm晶圆厂的公司不足90家，拥有300mm晶圆厂的公司更只有24家。 同代硅片尺寸大约支持4~5个技术节点。纵观晶圆尺寸历史，新的硅片尺寸大约能支持4~5个进程技术节点，更先进的制程需要更大的晶圆来匹配。 根据原本的计划，现在主流的300mm硅片将在2017年逐步减少产量，并预计450mm将在2018年投入商用并逐步成为主流。 450mm依然难以经济量产，导致300mm超期服役。纵览晶圆尺寸增长历史，传统CZ法能较好地应对300mm之前的尺寸增长，每次尺寸突破的时间周期约为5-7年。 而450mm的商用大规模制造却迟迟未出现，导致300mm尺寸服役周期高达17年，远超过之前尺寸的服役周期。 450mm晶柱早已能在实验室中产出，说明制造技术已经到位;但尚未能大规模商业制造，主要原因是量产成本依旧高企，不符合经济效益。 450mm的野望 为了降低成本，并实现450mm的大规模商用量产，新的拉晶法也应运而生，其中有望实现目标的方法主要有MCZ与CZZ的结合、无颈拉晶法(Neckinglessgrowthmethod)。 MCZ与CZZ的结合，有望实现450mm的商业生产。因为MCZ提高了产品的电学特性，而CCZ可大幅降低生产成本，两项技术可形成有效互补，解决了450mm生产成本过高这一最大难题。 无颈拉晶法(NeckinglessGrowthMethod)是另一种有望实现450mm商用量产的技术。传统的拉晶法之所以在450mm时代难以为继，主要原因是颈部过于脆弱，导致后续一系列的成本高企。 而无颈拉晶法可以解决这一主要难题，使得CZ法能够继续用在450mm生产。 目前无颈拉晶法可轻松突破2000kg的晶柱生产，传统CZ法有望继续得到沿用。 300mm晶圆价格的2.5倍，是450mm能否商用的关键价格节点。 尽管450mm的直径为300mm的1.5倍，但是计划晶圆厚度并没有明显提升，但受困于热和缺陷，单位时间内晶柱生长速度可能只有300mm晶柱的1/5。 因此，如果芯片制造商需要承担的450mm晶圆价格增长5倍，那么450mm相较于300mm的成本优势将不复存在。业内估计450mm晶圆价格应当低于300mm晶圆的2.5倍，才能使得450mm具有较好的成本优势。 ▌供需关系:硅片市场开启新一轮景气周期 供给端分析 从供给端来看，我们首先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。 然后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能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，大硅片未来供应量不具备快速大量提升的基础。 硅片产线投资回报测算:7年收回成本 我们以目前需求最为旺盛的300mm硅片产线为例，投资金额约为2亿美元。按照最理想的情况，硅片ASP约为120美元，产线满产后产能利用率100%，年产能100万片，年收入1.2亿美元。 按照环球晶圆近几年EBITDA折中水平25%测算，每年能够获得利润3000万美元，预计需要7年左右才可收回成本。 如果我们以环球晶圆2018Q1的EBITDA历史最高水平40%测算，每年能够获得利润接近5000万美元，预计需要4年左右才能收回成本。 而如果我们以2015-2017年期间最低水平测算15%测算，每年能够获得利润1800万美元，预计需要11年左右才能收回成本。传统供应商垄断市场，扩产动力和能力双重缺失 五大供应商垄断全球集成电路硅片供应。硅片是集成电路最主要的原材料，占到集成电路原材料成本的32%，是单一用量最大的上游原材料。 目前全球硅片的供应商主要有日本的信越化学和SUMCO、德国的Siltronic、台湾的环球晶元，以及整合了国内LGSiltron的韩国SKSiltron，这五大供应商目前已经占据了全球90%的市场份额。 十年供大于求影响深远，硅片大厂盈利能力仍然堪忧。 全球300mm硅片在2006-2015经历了十年供大于求的困难时期，直到2016首次出现供需缺口。 即使在困难时期刚刚过去的2016-2017年，即使是排名前五的主流硅片供应商的盈利能力也十分有限，例如SUMCO净利率仅为2%-8%，环球晶圆净利率也仅为5%-12%。 因此我们认为，即使进入了2016-2017量价齐升的景气时期，硅片大厂仍然对扩产十分谨慎。困难十年，整合并购成为行业主旋律。 在2006-2015的困难十年，众多的硅片供应商由于行业不景气经营困难，经过不断整合最终形成了五家最大的供应商，并掌握了全市场90%的份额。 其中，主要的并购包括环球晶圆收购环球晶圆收购SAS、Sunedison，SUMCO换股收购Civdent。 除了硅片制造商自身扩产意愿不强以外，我们认为产能扩张本身具有客观困难，主要包括以下三个原因: 1、首先是设备供应有限:国外主要的单晶炉供应商都是龙头硅片制造商扶持的，工艺技术和产品基本都是对内供应，这直接导致了行业性扩产的壁垒; 2、其次硅片扩产周期一般长达2年:2016是近十年行业首次供需紧张的年份，截止到2018年新增扩产能的建设刚刚满两年，未来产能的持续释放仍需时间; 3、再次目前硅片制造商资本开支偏重技术改进:2015-2016Capex主要投资在新的拉晶厂建设，拉晶厂设备更新和自动化工程;2017年Capex主要投资技术改进:新的设计方案，下一代拉晶设备，自动化工程(降低成本)。 中国新建产能释放仍需等待至少1-2年 中国新增300mm硅片产能最早2020规模释放。 除了传统的五大供应商，中国新建硅片厂是目前全球供给端格局变化的主要X因素。但是从我们目前整理得到的数据来看，2018-2019年中国计划新增300mm硅片产能仅占到全球产能的3%，因此对于全球供需平衡的影响十分有限。 预计到2020年，中国硅片产能达到17%后才有可能对全球硅片市场产生一定的影响。 中国200mm硅片新增产能2018年进入放量阶段。 相对于300mm国产硅片量产的进度，200mm国产硅片有望2018年就进入放量，占到当年全球200mm硅片产能的15%，到2020年国产200mm硅片产能将占到全球的36%。 因此，我们预计中国扩产因素对于全球的硅片供应端影响，至少要到2020年才会逐渐由200mm扩散到300mm领域。 供给端分析结论:由于硅片扩产时间都在两年左右，同时主流供应商的投资方向更加侧重新的设计方案、拉晶设备和自动化工程。 综合以上全球五大硅片供应商和国内新增产能的供给端信息来看，目前行业正处在经过了10年供应过剩之后刚刚开始的新一轮硅片景气周期，我们认为短期内全球硅片产能扩张将会长期落后于下游需求增长。 ▌需求端分析 行业特征从周期性转向持续成长 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的主旋律。 近几年随着摩尔定律逐步放缓，存储器BitGrowth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，这让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。 下游需求多样化发展，行业周期性减弱。1995年，单个电脑行业对于硅片的需求就超过整体市场50%的份额，电脑、通讯和工业三大下游行业份额接近90%。 而到了2016年，电脑、通讯、工业、消费、汽车电子等五大下游行业的市场份额分别为26%、27%、16%、15%和15%。我们认为下游需求的多样化发展，对于减弱行业周期性具有明显的作用。 持续成长成为主旋律。市场普遍担心周期性将导致行业景气度难以持续，但是我们认为随着半导体行业整体周期性的减弱，持续性增长将成为未来行业主要特征。 从1990年到2017年，全球半导体市场规模大致经历了四轮周期，前两轮周期长度均长达10年左右，而后两轮周期则缩短为4-5年，周期性明显减弱。 同时我们观察到在长达30年的时间维度里，全球半导体市场即使有周期性的波动，但是规模持续增长的趋势没有改变。 摩尔定律放缓对存储器影响明显，BitGrwoth明显超过制程进步速度2017年全球半导体市场规模突破4000亿美元，同比增速高达20% ，其中存储器市场规模占到半导体整体的40%以上，增速达到60%，是2017年半导体市场增长的核心动力。 目前存储器已经成为300mm硅片的最主要市场需求，摩尔定律放缓对存储器的显著影响也直接带动了300mm硅片市场需求加速。 DRAM制程进步放缓，存储市场需求直接拉动硅片需求。从全球主要存储器企业的DRAM制成进展来看，从2017年以来各大存储器企业的制程进步都不及预期，特别是在各大企业进入20nm以下高端制程之后这种现象越发明显。 我们预计，2018年将会是全球DRAM制程进展缓慢的一年，而存储市场需求的持续增长对于硅片的需求将会产生直接的线性拉动作用。 究竟什么是硅片“剪刀差”。根据SUMCO预测，2021年之前DRAMBitGrowth复合增速约为24%，远高于制程进步所能带来的10-14%的复合增速;而3DNAND由于叠层技术的引入，NANDFlash的BitGrowth复合增速高达40%，其中3D叠层技术带来的BitGrowth复合增速约为20-24%。 存储器BitGrowth增速超越制程进步的“剪刀差”必须有增加硅片供应来实现，因此2021年前存储器领域的硅片需求将会由于“剪刀差”的存在而持续增长。 ▌硅片下游应用细化分析 从下游应用终端来看，智能手机、PC和工业仍然是目前最大的硅片市场，三者占到全球硅片市场总需求的50%。 虽然从终端数量来看，这三大市场已经进入存量替代周期，但是单个终端芯片的数量和种类仍然具有明显的上升趋势。 具体到芯片种类来看，存储器和逻辑芯片占到了目前300mm硅片市场80%的市场份额。 未来存储器中的3DNAND和逻辑芯片将继续扩大份额，成为拉动硅片需求的主力。 根据SUMCO的预测，到2021年300mm总需求将会从2018年的600万片/月增加到720万片/月，复合增速约为6%。 ▌供需关系判断 回顾历史:七年量价齐升，七年结构调整 从历史上来看，硅片产业以景气程度可以分为2001-2007和2009-2015两轮大的周期。 2001-2007年，全球硅片出货总面积复合增速高达14%，主要是受到NB/PC市场需求的快速拉动。 同时期，硅片市场从200mm向300mm大规模转移，300mm硅片市占率从2001年的3%上升到了2007年的35%，硅片总出货量也从1.25亿片上升到了2亿片。 2009-2015年，经过经济危机之后的逐渐复苏，全球硅片出货量下降到了7%的复合增速。 虽然同期智能手机市场形成了市场的主要拉动力量，但是硅片总出货量仍然维持在2亿片左右。 同时期300mm硅片的市占率从48%上升到了60%，因此这一时期的主旋律是硅片市场300mm替代200mm的结构性变化。 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。 放眼当下:硅片库存持续下降，新一轮景气周期正式开启2016年以来硅片库存水平持续下降。 从目前全球主流硅片供应商的渠道了解信息来看，大客户已经在沟通2021年的长期订单。 根据SUMCO的信息，由于2016年之后300mm硅片供需缺口开始产生，下游客户的硅片库存水平在持续下降。 我们认为，由于硅片供应商扩产十分理性，导致存储器企业对于300mm硅片的市场供应十分担心，因此早早签订长期合同保证自身的供应链安全。 硅片市场进入补涨空间巨大。 从1997-2009年以前来看，半导体市场与硅片市场的增长幅度基本保持一致，这是制程进步和硅片尺寸两大趋势下的一种平衡。 但是在2010-2016年由于实现先进制程的设备成本激增，硅片市场的增长幅度明显落后;2016年硅片市场开始量价齐升，但是增长幅度依然低于半导体整体市场。 随着综合硅片市场整体的供给端和需求端多方因素，硅片市场未来补涨空间巨大。(国信证券：欧阳仕华 ) 创交所团队经过多年的积累与沉淀，不懈努力和探索实践，不断试错和市场验证，已经形成了“产业”、“资本”两大服务方向，横跨产业发展和资本市场两大趋势热点，以资本助力产业发展升级，实现区域产业创新，为企业和投资人在多个维度重新定义服务模式，提供战略性资本服务。 |
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