半导体行业中,材料和设备是两大核心支柱;半导体硅片则是半导体制造的核心材料。

半导体制造材料主要包括硅片、电子气体、光掩膜、光刻胶配套化学品等,根据SEMI统计2018年硅片的销售额为121.0亿美元,占全球半导体制造材料行业36.6%的市场份额,是晶圆厂采贩材料中最重要的环节。

半导体硅片行业增长势头如何?行业发展趋势是什么?工艺难点在哪里?以及竞争格局怎么样?国产替代有没有?

对于这些关键问题,方正证券在最新报告《半导体大硅片研究框架——深度报告》予以解答。

半导体硅片行业增长:需求拉动

过去几年,半导体硅片行业不断增长。

2016至2018年,全球半导体硅片销售金额从72亿美元增长至114亿美元,年均复合增长率达25.7%。 2019年全球半导体硅片市场规模为105亿美元,同比下降7.9%。

行业需求拉动了硅片行业的增长。

手机对逻辑、存储器、CIS等需求的拉动,服务器对NAND需求的拉动,汽车电子对功率半导体需求的拉动等使得需要消耗更加多的晶圆,从而推动硅片行业的增长。

8寸硅片:2018-2020年,全球8英寸硅片的需求分别为570、490、500万片/月。

12寸硅片:2018-2020年,全球12英寸硅片的需求分别为625、580、600万片/月。

中国大陆半导体硅片需求:

8寸硅片:国内晶圆厂2020年之前主要还是8寸线为主,预计到2020年,国内8寸硅片的需求在接近100万片/月。

12寸硅片:2020年之后国内12寸晶圆厂占比会超过8寸晶圆厂,相应的硅片需求也超过8寸硅片需求。

芯片制造产能情况是判断半导体硅片需求量最直接的指标。过去几年,全球芯片制造产能稳步增加,中国芯片制造产能增速大幅高于全球增速。

2017至2020年,全球芯片制造产能(折合成8寸)预计将从1985万片/月增长至2407万片/月,年均复合增长率6.6%;中国芯片制造产能从276万片/月增长至460万片/月,年均复合增长率18.50%。

近年来,随着中芯国际、华力微电子、长江存储、华虹宏力等中国大陆芯片制造企业的持续扩产,中国大陆芯片制造产能增速高于全球芯片产能增速。

硅片趋势:向大尺寸发展 12寸为主流

报告表示,晶圆厂材料成本的40%是硅片,硅片尺寸越大,能够生产的晶片数量就越多,也就意味着制造的成本就越低

从市场份额看,目前8寸和12寸合计占到市场份额的90%,且12寸硅片占比提升。

1. 12寸硅片:目前最主流的硅片尺寸。 2017-2020年,12寸硅片占从67%提升到68.4%。

2. 8寸硅片: 逐步向12寸硅片转移。2017-2020年,8寸硅片占从25.8%下降到25.4%。

3. 6寸硅片:逐步向8寸硅片转移。2017-2020年,6寸硅片占从7.2%下降到6.2%

从行业趋势看,硅片整体向大尺寸趋势发展。

1、12寸硅片:2014年-2020年间,加工12寸晶圆的IC晶圆厂数量增长率为30%,2020年将达到117座。

2、8寸硅片:2016年全球已有188座8寸晶圆厂,2021年可望增加到197座。受益于汽车电子、工业电子和物联网等应用领域的强劲需求,8寸晶圆厂自2017年底以来一直处于满产的状态。

3、6寸硅片:产品主要集中在晶闸管,整流桥,事极管等相对低端的功率器件领域。

方正证券表示,随着大基金的持续投入和地方政府的配套资金支持,12寸晶圆厂积极扩建2020年之后中国大陆将出现12寸晶圆厂占比大于8寸晶圆厂的拐点。

行业壁垒:前道工艺最重要 单晶硅生长环境是核心工艺

半导体硅片的制造流程分“前中后”道 ,前道工艺重要性占到90%,核心工艺在前道的单晶硅生长环境

前道的核心材料是多晶硅料。

近年来,随着国内产量逐年增加,中国大陆对进口多晶硅料的依赖程度逐步降低,预计2020年进口多晶硅料占比仅约20%。

半导体材料和设备是相辅相成的,前道的核心设备是单晶硅生长炉。

生长方式有CZ(直拉法)、FZ、MCZ、CCZ。直拉法单晶炉是用于直拉法单晶硅生长的设备,也是目前的生产中范围、数量最多的半导体材料与用设备。未来直拉晶体炉的改良方向,主要为单晶大直径化,设备控制高度自动化。

行业格局:头部集中

由于具有技术难度高、研发周期长、资金投入大、客户认证周期长等特点,全球半导体硅片行业进入壁垒较高,行业集中度高方正证券预计,2020年全球硅片产能有望达到700万片/月左右。

全球来看,目前硅片行业主要被日本,德国和中国台湾厂家垄断。

2018年,全球前五大硅片企业日本信越化学、日本SUMCO、德国Siltronic、中国台湾环球晶圆、韩国SK Siltron合计销售额740亿元,市场份额已从2016年的85%提升至2018年的93%,日本企业占比50%以上。

其中,信越化学是全球第一家多晶硅企业,1999年并购了日立的硅片业务,目前是全球排名第一的半导体硅片制造商。

国内供应来看,主要生产8寸及以下的半导体硅片,仅有少数几家企业具有12寸半导体硅片的生产能力。国内目前量产销售12寸硅片的只有沪硅产业,中环股份正在积极量产进程中。

方正证券预计,随着中国大陆芯片制造企业技术实力的不断提升,到2020年中国大陆企业12寸制造芯片产能将会超过8寸制造芯片制造产能。