一文看懂半导体行业基石：硅片

比较于其他半导体材料，硅材料有着更大的运用领域与需求量。
硅半导体紧张利用于逻辑器件、存储器、分立器件。
化合物半导体如砷化镓，氮化镓和磷化铟等，紧张运用于光电子、射频、功率等具备高频、高压、高功率特性器件。
在目前的电子产品运用中，对化合物质料的需求远低于硅材料，仅有军工、安防、航天 等少部分须要超高规格的运用领域，才需采取化合物单晶材料。

图表 1：半导体材料

资料来源：公开资料整理

纵然目前半导体材料已发展至第三代：碳化硅、氮化镓和金刚石等，但主流依旧以硅材料为主，90%以上的半导体产品以硅元素制作。
紧张由于硅元素具有以下上风：1）安全无毒，对环境无害，属于清洁能源。
2）天然绝缘体，可通过加热形成二氧化硅绝缘层，防止半导体泄电征象，因此在晶圆制造时减去表面沉积多层绝缘体步骤，降落晶圆制造生产本钱。
3）储量丰富，硅元素在地壳中占到27.7%，降落半导体的材料本钱。
4）制作工艺成熟，以硅材料制作的半导体硅片技能发展，从1970年的2英寸硅片进步至2020年的18英寸硅片。
经由永劫光的发展，与其他半导体材料比较较，硅材料的运用技能更加成熟且更具有规模效益，在这样的条件下，硅材料显得“物美价廉”，这样的特质给予了硅材料不可替代的行业地位。

半导体行业家当链

半导体硅片是半导体家当链的上游，是制作芯片的核心材料，贯穿了芯片制作的全过程，半导体硅片的质量和数量不仅 是制造芯片的关键材料，同时也制约下贱终端领域行业的发展。

图表 2：半导体硅片家当链

资料来源：公开资料整理

在硅片家当链中，上游为原材料硅矿，中游为硅片制造商，有较强的议价权，下贱是芯片制造商。
上游硅矿原材料丰富，议价权较弱。
与此比较，硅片制造商在硅片制作过程中，须要精密的机器设备，成熟的工艺流程和精良的技能人才做支撑，才能制作出符合条件的优质硅片，因此硅片制造商对机器，工艺流程和技能人才的节制至关主要。
而唯有知足这些条件的硅片制造商，才有能力为下贱芯片制造商供应符合条件的硅片。
同时，硅片要经由下贱芯片制造商的认证，才能发生订单交易。
因此，知足客户认证且有较高技能工艺的硅片制造商，可替代性越弱，有着较强的议价权。

图表 3：半导体家当链

资料来源：公开资料整理

在半导体家当链中，上游紧张为芯片的制造原材料和制造芯片的关键设备，如光刻机，刻蚀机、薄膜沉积设备，中游为芯片制造商，下贱分别对应终端领域运用厂商，如智好手机，AI和IOT。
上游的晶圆原材料和关键设备有较强的议价权，紧张由于晶圆原材料和关键设备的制造，有着较高的技能壁垒，可替代性弱。
中游芯片制造紧张为：IC设计，IC制造和IC封测。
IC设计厂商根据客户哀求设计芯片；IC制造商紧张将IC设计商的电路图刻蚀至半导体硅片；IC封测紧张是对芯片进行封装和测试。
目前，中游厂商分为三种模式：IDM(一体化),Fabless（IC设计与发卖）和Foundry（IC制造与封测）。
IC设计所霸占的利润最高，但IC制造议价权较强，紧张在于IC制造的前道制造和后道封测也有较高的技能壁垒，因此对付下贱终端运用商，IC制造商和IC封测商的可替代性低，议价权强。

半导体家傍边最下贱终端运用领域紧张环绕：5G通讯，IOT，智好手机，汽车和AI等，这些领域的发展带动半导体硅片需求量上升。
通过前面的剖析，半导体硅片芯片制造的根本，而芯片是终端运用的不可或缺的电子元件，因此这些下贱终端运用的技能改造，带动了对中游芯片需求的上升，从而推动了硅片需求量的增加。
而下贱终真个发展，倚靠上游硅片的供给，只有合格的硅片才能为芯片的制作打下稳固的地基，为下贱终端供应良好的芯片。

图表 4：硅片是全体行业的基石

资料来源：公开资料整理

半导体硅片的纯净度、表面平整度、清洁度和杂质污染程度对芯片有着极其主要的影响，因此半导体硅片制造极为主要。
半导体硅片制造紧张可分为以下几个步骤：

图表 5：硅片制作工艺流程

资料来源：台积电宣扬***，公开资料整理

在硅片的制造过程中，技能职员，制造设备和工艺流程是关键成分。
技能职员对设备的操作和监测的闇练度，设备所能制造出硅片规格的精密度，工艺流程的成熟度，影响硅片制作出厂的优秀程度。
个中，关键的机器设备有单晶炉，CMP抛光机和量测设备。
为了改变硅的导电性，通过单晶炉对多晶硅进行加工，改变多晶硅的导电性和各向异性方面。
单晶炉紧张考虑热场+炉子设计+拉晶工艺三个成分，好的热场和拉晶炉能够给予较宽，较稳定和扛滋扰性强的拉晶工艺窗口，从而大大增加晶体成长的良品率。
CMP抛光机结合了精密机器和化学反应，对硅片进行抛光处理，硅片平整度会影响后续芯片制作的良品率和性能。
量测设备用于把控硅片的质量，并优化制程提升硅片良品率。
量测设备是穿插于各个硅片制程之间，常日为各个品质检测站，分别进行检测硅片的电阻率、导电形态和结晶方向等项目。

大规格是硅片发展趋势，当前200mm和300mm硅片仍为主流

在摩尔定律和本钱的影响下，大规格硅片是硅片发展的主流趋势。
根据摩尔定律，由于信息技能的发展，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
同时，由于硅片越大，单位硅片所装载芯片越多，每块芯片的加工和处理韶光减少，大大提高了设备生产效率；同时，边缘硅片摧残浪费蹂躏减少，生产成品率提高，从而降落了芯片的单位制造本钱。
因此在本钱和摩尔定律的驱动下，未来硅片会往大硅片发展。
目前硅片最大规格可达450mm，但受到运用领域和技能的影响，还未能成功商用，因此产量难以达到放量，主流硅片依旧以200mm与300mm为主导。

图表 6：硅片尺寸规格

资料来源：公开资料

规格不同的硅片，运用领域有所不同，个中200mm和300mm规格的硅片运用范围广阔。
规格为200mm及以下的硅片在在制作高精度仿照电路、射频前端芯片、嵌入式存储器、CMOS 图像传感器、高压MOS 等产品方面，有更成熟和广泛的运用。
这类产品对应的下贱紧张为汽车电子、工业电子等终端市场。
200mm硅片在功率器件、电源管理器、非易失落性存储器、MEMS、显示驱动芯片与指纹识别芯片方面发挥浸染。
这类产品紧张运用于移动通信、汽车电子、物联网及工业电子领域。
300mm硅片需求紧张源于存储芯片、通用途理器、FPGA、ASIC、图像处理芯片等，对应的下贱有智好手机、打算机、云打算、人工智能、SSD 等高端领域。

图表 7：主流硅片运用领域

资料来源：公开资料整理

半导体硅片行业格局

（一）终端运用改造带来新一轮景气周期提升

半导体行业呈现明显周期性变革，行业景气度受宏不雅观经济影响。
从数据变动趋势来看，半导体行业发卖规模与GDP呈现同向变动趋势，行业周期约为3-5年。
在之前的家当链剖析中，半导体行业是受到终端运用领域需求的影响，而GDP作为衡量国民经济指标，在一定程度上反响了全体经济环境和消费需求的冷热程度，因此，GDP的变动直接影响终端领域的需求，间接影响到半导体行业的需求。
根据周期性变革和终端运用领域的技能改造，将半导体行业分为5个阶段：

① 2000-2004年蜂窝电话和3G通信是半导体行业的的紧张推动力；

② 2004-2010年PC、消费电子和移动通信促进行业发展；

③ 2010-2014年智好手机取代PC成为行业推动力；

④ 2014-2018年存储业务需求增大坚持行业增长动力；

⑤ 2020年5G商用化、IOT技能、AI、智能汽车预期成为未来新动力。

图表 8：环球各地区半导体发卖及周期变革

资料来源：Wind

根据Granter数据显示，环球半导体行业收入增速呈现低落趋势，估量未来行业收入增速有所上升。
2017年至2019年半导体行业发卖增速分别为21.55%，14.44%和7.15%,过去行业增长紧张赖以智好手机，IOT和云技能等运用的扩增。
2019年增速持续下滑，除受到周期性的行业下行和中美贸易摩擦的连忙恶化，还有智好手机需求持续减少。
在不考虑疫情的情形下，据Granter2019年预测，2020年至2022年半导体行业收入增速分别为-1.25%,1.01%和5.53%。
紧张推动力来源于现有产品的持续强化，如5G通讯，人工智能,汽车和电子行业的技能改造，以及半导体行业景气度有所回升。

2020年突发“黑天鹅事宜”新冠状病毒涌现，各国推出“居家隔离”和“出行禁令”的政策，对环球半导体行业家当链造成巨大的影响。
根据IDC 2020年预测，2020年环球半导体行业收入有四种情形：从最坏的减少12%或更多到最优的增长6%或更多，影响韶光从最坏的9-12个月到短期的1-3个月。
目前受到疫情影响，宏不雅观经济下行趋势明显，终端市场需求将被影响，若经济进一步恶化，引发失落业潮，对家当上游半导体行业有着利空影响。
同时，环球供应链受到“疫情政策”的影响，也对半导体行业产生负面影响。

图表 9：环球半导体硅片发卖收入及同比增速

资料来源：IDC

半导体硅片发卖收入增速在2018年以前呈现升趋势，2019年的收入增速巨幅低落。
2016-2017年收入增速分别为0.1%，20.7%和31.0%，2019年收入增速骤降至-1.8%。
2019年骤降紧张是受中美贸易摩擦急剧恶化以及智好手机需求疲软的影响。

图表 10：半导体硅片与智好手机出货量

资料来源：Wind

（二）半导体硅片行业集中度极高，市场处于垄断格局

目前半导体硅片市场集中度极高，前五大半导体硅片制造商市场份额高达92%，个中日本产商市场份额超过50%，行业市场处于垄断格局。
前五大硅片制造商依次为日本信越化学，日本Sumco，德国Siltronic，***环球晶圆和韩国SK Siltron。
个中日本厂商的市场份额统共霸占52%,超过了半导体硅片市场份额一半。
日本在半导体研发和材料行业一贯处于领先地位，拥有包括东芝、索尼和瑞萨电子等在内的半导体巨子，Sumco和信越化学等在内的半导体材料巨子。
这样的家当格局给予日本更多家当链上的上风。

图表 11：2019年半导体硅片制造商市场份额

资料来源：芯思想研究院

半导体硅片行业紧张有三大壁垒：技能壁垒、资金壁垒和客户认证壁垒。

半导体硅片行业是一个技能密集型行业，具有研发投入高，研发周期长，研发风险大的特点。
随着终端领域产品的不断发展，对半导体硅片的哀求也在不断提高，如果公司不能持续研发投入，在关键技能上无法打破，或新产品技能无法达到要指标哀求，公司将面临与前辈公司差距扩大，半导体硅片被市场淘汰的风险。

由于半导体硅片须要极高的研发投入和研发周期，因此在研发上须要永劫光投入资金对高精尖人才和机器设备等投入支持。
对付高精尖人才，须要有高薪避免人才流失落的风险。
优质的机器设备普遍本钱昂贵，公司除了面临大额的资金投入风险外，还面临业务收入无法消化大额固定资产投入，导致古迹下滑的风险。

半导体硅片还面临客户认证壁垒。
半导体硅片是芯片制造的核心材料，芯片制造商对半导体硅片的品质有极高的哀求，因此对选择半导体硅片制造商会十分慎重。
按照行业的老例，芯片制造商会先对半导体硅片进行认证，只有认证通过的硅片制造商会被纳入供应链，而一样平常认证周期最短也须要12-18个月，以是一旦认证通过，芯片制造商不会轻易改换供应商。

从日本半导体行业发展看我国崛起之路

从环球半导体家当的发展进程来看，半导体家当起源于上世纪50年代，美国是半导体家当的缔造者，其发展历史可追寻到 19 世纪 30 年代，以是美国在干系领域具有主要话语权。
随后，日本半导体家当发展日益赶超美国，在1970s-1980s完成第一次由美国到日本的家当转移。
在20世纪70—80年代爆发了日美半导体摩擦，非常激烈且旷日持久，被称为“半导体战役”。
美国试图通过贸易战迫使日本开放市场和转让经济利益，从计策上遏制日本对美国的技能追赶。
美国还利用市场武器，大量造就对手的对手：在90年代中后期，韩国和***地区的芯片和电子产品开始大规模涌进美国和天下市场，对日本构成全面寻衅。
终极，第二次家当转移至韩国和***地区。
日本不堪外部压力和内部的投资不敷，逐步失落去半导体行业的领先地位，目前依赖家当上风半导体材料延续昔日的辉煌。

图表 12：半导体行业三次家当链转移

资料来源：芯思想研究院

（一）日本半导体行业辉煌：机遇与寻衅

日本半导体行业发展可分为，抽芽-崛起-衰退-转型四个阶段：

抽芽：“官产学”模式助力日本半导体行业发展。
1972年，日本企业能生产1K比特的DRAM，而当时IBM推出的新系统须要比1K比特大出1000倍的1M比特的产品，日本企业一度陷入绝望，为了将容量从1K提升到1M，日本政府采纳“官产学”的模式。
日本政府紧张通过组合五家日今年夜型半导体企业(日本电气、东芝、日立、富士通和三菱电机)以及日本工业技能研究院电子综合研究所和打算机综合研究所签署组成VLSI 研究协会，即研究联合体。
在资金方面，日本政府给予协会大力支持。
1976年至1980年，日本通产省补助金总支出达到592亿日元，个顶用于支持VLSI研究协会的资金达到291亿日元，占总支出49.2%。
VLSI研究协会四年的总支出达到737亿日元，个中39%由日本通产省补助。
在VLSI协会的框架下，除公司自有实验室外，研究协会基于各公司又成立6个联合实验室，各个实验室对不同技能方面进行研究。
在VLSI协会的折衷发展下，日本成功研发出许多新技能，为日后的竞争铺平了道路。

图表 13：VLSI协会研究框架

资料来源：财科院

图表 14：联合实验室职员分配和任务

资料来源：财科院

崛起：DRAM使日本半导体家当走向顶峰。
到上世纪80年代，步入存储器、大型主机的时期，日本汽车家当和环球大型打算机市场的快速发展，DRAM的需求剧增，日本半导体行业捉住了这次机遇。
得益于VLSI协会的发展，日本在DRAM方面已经取得了技能领先，日本企业此时凭借其大规模生产技能，取得了本钱和质量上的上风，并通过低价匆匆销的竞争计策，快速渗透美国市场和天下市场。
1986年日本DRAM市场份额达到70%，取代了美国成为DRAM紧张供应国。

图表 15：各国家和地区DRAM市场份额变革

资料来源：西村落吉雄《日本电子家当兴衰录》

衰落：爆发“美日半导体战役”，第二次家当转移至韩国和***，日本半导体家当逐渐没落。
到上个世纪90年代，进入PC时期，手提电脑的涌现导致半导体零部件的需求变得更加兴旺。
美国惊觉日本半导体家当已经超过美国，并抢占了美国企业的市场份额，开始对日本的半导体家当进行打压。
而日本在内部经济发展结束导致投资和需求不敷和外部美国冲破贸易保护的双重压力下，逐渐失落去领先上风，截止2000年，日本DRAM份额已跌至不敷10%，日企纷纭败退。
日本掉队的直接缘故原由在于：

1.该期间的日本过分专注于高质量DRAM，错失落个人PC发展机遇。
日本专注于产品的良品率，比较之下，韩国更看重产品的吞吐量和稼动率，这样的产品具有更低廉的价格，迎合了个人PC的需求。
1984年，个人打算机发卖额实现对大型机发卖额的反超。
由于无法很好地迎合下贱需求，90 年代开始，日本半导体家当日渐衰落。

图表 16：个人打算机和大型机产值比拟

资料来源：西村落吉雄《日本电子家当兴衰录》

2.在PC崛起&政策扶持&新型生产的背景下，捉住机遇的韩国、***地区义军突起，。
在美国忙于打击日本半导体家其时，韩国政府在美国的支持下大力义军突起促进韩国半导体家当腾飞：***避开半导体竞争红海，直接首创Foundry代工厂新型生产办法，凭借其低廉的人工本钱及大量高本色人才，顺应消费级PC的快速发展趋势，取代日本在半导体家昔时夜部分的市场份额。

图表 17：韩国半导体扶持政策

资料来源：西村落吉雄《日本电子家当兴衰录》

转型：半导体材料延续昔日辉煌，个中半导体硅片霸占主要的市场地位。
虽然日本半导体芯片份额已经萎缩，但是日本半导体硅片家当依旧霸占环球半导体硅片家当较大的市场份额（50%+）。
半导体硅片作为半导体行业的源头，日本早期在发展芯片时，对半导体硅片也有很大的关注。
1970年日本有机硅产量约6000吨，而在1986年产量已经增至愈60000吨，产量增长愈10倍；此外，1979年，日本从有机硅输入国转变为输出国。
日本政府在1989年所制订“硅类高分子材料研究开拓基本操持”，自1999起十年韶光内投资160亿元以确立有机硅单体和聚合物合成与加工根本技能，进一步壮大了日本半导体硅片行业。
Sumco在2001年先发研究出300mm半导体硅片，其技能在行业一贯被奉为模范。

总结：日本政府推出的“官产学”模式，集中专业上风人才，促进企业间相互互换和协作攻关，为之后的竞争铺平了道路。
之后，日本捉住大型机对 DRAM 的需求，成功在1986 年超越美国成为环球第一的半导体生产大国。
90 年代开始，在美国的打压政策以及日本泡沫经济的背景下，日本固执于大型机 DRAM 技能而忽略PC、移动通信时期技能的改变，恪守于 IDM 模式而负重累累，疲于投资再创新，终极被韩国夺走 DRAM 市场。

日本半导体家当发展进程值得令人寻思：

1.半导体行业中，与其说是企业之间的拼杀，不如说是国力的比拼。
与其他市场化竞争的行业不同，半导体行业自身有着极强的周期性，须要持续不断的研发投入，这使得纯粹以市场规律运行的商业公司难以凭借一己之力存活下去，因此半导体行业须要大量的政策扶持、折衷发展与贸易保护等。
日本依赖“官产学”模式和贸易保护，使本国半导体行业能够不断发展，并在1986年超越美国成为环球半导体行业第一。
韩国依赖一系列政策扶持，匆匆使了韩国半导体行业的腾飞。

2.在半导体行业中，技能领先上风稍纵即逝，企业自身研发能力是不可或缺的灵魂倚靠。
日本在七十年代末以举国之力和巨额资金完成了“VLSI”项目从而一举得到了独立自主的核心技能，捉住了大型主机发展带来的机遇，一举超越成为环球第一半导体生产国家。
然而90年代，日本行半导体行业错失落个人PC，移动通讯的发展机遇，因循守旧于DRAM的发展，终极在美国的打压下，被韩国企业抢占市场份额，到2000年日本DRAM市场份额不敷10%。

（二）美国威胁下的日本半导体硅片行业——绝处逢生

目前的半导体硅片的市场份额紧张由5家头部企业霸占：日本信越化学，日本Sumco，韩国Sk siltron，德国siltronic和***环球晶圆。
然而五大硅片厂商没有一家是美国企业，美国作为环球半导体家当的巨子在硅晶圆领域却如此薄弱。
事实上，硅晶圆这一工业却是由美国首先首创的，曾经美国的雷神公司（Raytheon）和孟山都公司（Monsanto）等都是业内的佼佼者，但末了由于干系业务不断亏损，无法跟上时期的脚步而相继退出该业务。

图表 18：5家半导体硅片头部企业

资料来源：公司官网

虽然日本半导体芯片行业在美国的强力打压下遭到了重挫，但是日本完善的半导体家当链，使日本半导体硅片企业依然坚持在半导体的天下舞台。
信越化学和Sumco作为日本半导体硅片制造头部企业，在一定程度上代表了日本半导体硅片家当的发展进程。

图表 20：信越化学公司发展进程

资料来源：互联网公开资料

通过这两家企业的发展进程，不丢脸出硅片制造企业的发展特点：

1.对硅片家傍边的干系企业进行吞并与收购。
半导体硅片行业的发展伴随着巨大的研发和投资开支，因此规模效应所产生的本钱上风显得尤为主要，厂商只有通过大规模生产，才能降落固定本钱，提升盈利能力；其次，通过吞并收购，厂商可以提高市场集中度，提升家当链的议价能力，以坚持相对稳定的盈利能力；末了，并购和吞并拥有成熟技能的企业，在一定程度上完善企业自身的生产家当链。

2.发挥企业在技能领域的先发上风。
除了对有机硅的打破性研究，日本对300mm硅片的研究采纳先发策略。
日本300mm硅片研究开始于1994-1996年，当时200mm硅片仍霸占主导地位，受到本钱驱动，300mm大硅片毋庸置疑是未来硅片的发展趋势。
日本奉行技能先行的发展计策，于是组织了由电子机器委员会EIAJ、电子工业振兴协会JEIDA、新金属协会JSNM、日本半导体装置协会SEAJ和半导体家当研究所SIRIJ组成的“大直径硅片事情小组”，这个小组与环球硅片峰会组织下属的美欧专门事情组、亚洲专门事情组同步成立。
在1999年日本Sumco是最早打破300mm技能大关，2000年达到量产。
日本300mm硅片技能开拓已经处于环球领先，尤其在批量生产工艺流程方面已经成为行业的典范。

我国计策新兴家当：半导体硅片

（一）供需错配下，我国半导体硅片发展前景良好

图表 21：环球不同国家半导体消费市场份额

资料来源：Daxueconsulting

随着中国半导系统编制造生产线的投产，中国半导体技能不断开拓提升和下贱终端领域的技能改造，中国大陆半导体硅片市场进入飞跃式发展阶段。
2016至2018，中国大陆半导体硅片发卖额从5.00亿美元上升至9.92亿美元，年均复合增长率高达 40.88%，远高于同期环球半导体硅片的年均复合增长率25.65%。
中国作为环球最大的半导体产品终端市场，估量未来随着中国芯片制造产能的持续扩展，中国半导体市场的市场份额有望保持提升。
半导体硅片作为半导体行业的上游端，也将受到半导体行业带动，有利好影响。

目前我国大硅片存在需求与供给存在严重的错配。
根据品利基金数据，2019年，中国6寸半导体硅片需求2000万片/年，8寸硅片需求1200万片/年，12寸硅片需求750万片/年。
对2018-2019年中国大陆半导系统编制造产线梳理，基于目前产能、未来操持产能、以及投资额度测算，制造厂对12寸硅片的需求：2019年约60万片/月，折合720万片/年。
2023年需求约500万片/月，折合6000万片/年。
2019年6月，6寸国产化率超过50%，8寸国产化率10%，12寸国产化率小于1%，且国产12寸片在海内晶圆厂中大都为测控片，正片的发卖较少。
考虑到下半年部分产能开释，2019年我国12寸硅片至少有500万片的缺口。
在第三次家当转移的风口下，需求和严重的供给错配为中国大陆发展半导体硅片家当供应了充足动力。

（二）半导体硅片属于国家计策新兴家当，受到政策利好影响

回顾两次环球半导体家当转移，新兴终端领域的发展改造所带来的发展机遇以及政府扶持授予后来者赶超机会，深刻地影响了环球半导体家当格局。
日本半导体的腾飞，离不开大型机对高质量DRAM的需求；韩国半导体的腾飞，捉住了个人PC对DRAM质量偏好较低本钱低廉的需求；***地区代工业务的崛起则源于商业模式的重塑：Foundry。
同时，每一轮家当的成功转移均离不开政府的大力扶持。

图表 22：我国半导体硅片干系扶持政策

资料来源：发改委官网

我国半导体硅片行业技能仍存在一定差距，国家出台系列政策推进半导体大硅片技能发展，开启大硅片国产化进程。
国家相继出台了多项政策来推动发展和加速国产化进程，将半导体家当发展提升到国家计策的高度，充分显示出国家发展半导体家当的决心。
细节上，为全面发展半导体家当，减少或缩短技能短板，国家制订了一系列优惠政策，险些覆盖半导体行业全体家当链，个中，半导体硅片也作为国家计策新兴家当，受到政策大力支持。

图表 23：我国半导体干系扶持政策

资料来源：发改委官网

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