一文看懂半导体行业基石：硅片

  半导体材料是芯片制作的基底，制作半导体的材料繁多，目前主要以硅基和化合物材料共生共存的半导体材料格局。常见的半导体材料有硅，砷化镓，氮化镓和碳化硅。随着科学技术的发展，硅材料在半导体制作上逐渐趋向物理极限，因此不足以满足一些超高规格电子科技类产品对高功率，高频率和高压等苛刻条件。目前，能够最终靠以硅材料为衬底，化合物材料在硅材料外延生长制成单晶片，也能满足射频芯片、功率器件对高频、高压、高功率的需求，这在某些特定的程度上缓解了硅材料性质的劣势。

  相比于其他半导体材料，硅材料有着更大的应用领域与需求量。硅半导体主要运用于逻辑器件、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，主要使用在于光电子、射频、功率等具备高频、高压、高功率特性器件。在目前的电子科技类产品应用中，对化合物材料的需求远低于硅材料，仅有军工、安防、航天 等少部分需要超高规格的应用领域，才需采用化合物单晶材料。

  即使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。主要因为硅元素具有以下优势：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，防止半导体漏电现象，因此在晶圆制造时减去表面沉积多层绝缘体步骤，降低晶圆制造生产所带来的成本。3）储量丰富，硅元素在地壳中占到27.7%，降低半导体的材料成本。4）制作流程与工艺成熟，以硅材料制作的半导体硅片技术发展，从1970年的2英寸硅片进步至2020年的18英寸硅片。经过长时间的发展，与其他半导体材料相比较，硅材料的应用技术更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无法替代的行业地位。

  半导体硅片是半导体产业链的上游，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，同时也制约下游终端领域行业的发展。

  在硅片产业链中，上游为原材料硅矿，中游为硅片制造商，有较强的议价权，下游是芯片制造商。上游硅矿原材料丰富，议价权较弱。与此相比，硅片制造商在硅片制作的步骤中，需要精密的机器设备，成熟的工艺流程和优秀的技术人才做支撑，才能制作出合乎条件的优质硅片，因此硅片制造商对机器，工艺流程和技术人才的掌握至关重要。而唯有满足这些条件的硅片制造商，才有能力为下游芯片制造商提供合乎条件的硅片。同时，硅片要经过下游芯片制造商的认证，才能发生订单交易。因此，实现用户认证且有较高技术工艺的硅片制造商，可替代性越弱，有着较强的议价权。

  在半导体产业链中，上游主要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，下游分别对应终端领域应用厂商，如智能手机，AI和IOT。上游的晶圆原材料和关键设备有较强的议价权，主要因为晶圆原材料和关键设备的制造，有着较高的技术壁垒，可替代性弱。中游芯片制造主要为：IC设计，IC制造和IC封测。IC设计厂商按照每个客户要求设计芯片；IC制造商主要将IC设计商的电路图刻蚀至半导体硅片；IC封测主要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设计与销售）和Foundry（IC制造与封测）。IC设计所占有的利润最高，但IC制造议价权较强，主要在于IC制造的前道制造和后道封测也有较高的技术壁垒，因此对于下游终端应用商，IC制造商和IC封测商的可替代性低，议价权强。

  半导体产业中最下游终端应用领域主要围绕：5G通讯，IOT，智能手机，汽车和AI等，这些领域的发展带动半导体硅片需求量上升。通过前面的分析，半导体硅片芯片制造的基础，而芯片是终端应用的不可或缺的电子元件，因此这些下游终端应用的技术革新，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。而下游终端的发展，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，为下游终端提供良好的芯片。

  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非常非常重要的影响，因此半导体硅片制造很重要。半导体硅片制造主要可分为以下几个步骤：

  晶体生长：为了达到集成电路对硅晶圆的平坦度和均匀度，首先用单晶炉对多晶硅原料高温加热，再通过对速度，温度和压力等参数的调整，拉升出圆柱状的硅晶棒；

  整型：得到硅晶棒后，对其进行整型处理。首先，去掉硅晶棒两端，检查电阻确定整个硅晶棒达到合适的杂质均匀度，接着对硅晶棒进行径向研磨，得到一定大小的硅晶棒直径；

  磨边和倒角：对硅片的两面进行机械磨片，去除切片时留下的损伤并使硅片两面平坦且高度平行。接着对硅片的边缘进行抛光与修整处理，去除边缘的裂缝或裂痕，使硅片边缘充分光滑；

  刻蚀：通过化学溶液对硅片表明上进行腐蚀和刻蚀，除去切磨后硅片表面的损伤层和沾污层，改善表面上的质量和提高表面平整度；

  清洗：清洗经过上述工艺后硅片表面的颗粒和杂质，硅片需达到基本上没有颗粒和污染的程度；

  CMP抛光：运用CMP技术对硅片两面进行抛光处理，使得硅片表面得到纳米级的平整和光滑；

  在硅片的制作的完整过程中，技术人员，制造设备和工艺流程是重要的条件。技术人员对设备的操作和监测的熟练度，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良程度。其中，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来加工，改变多晶硅的导电性和各向异性方面。单晶炉主要考虑热场+炉子设计+拉晶工艺三个因素，好的热场和拉晶炉能够给予较宽，较稳定和扛干扰性强的拉晶工艺窗口，从而大幅度提升晶体生长的良品率。CMP抛光机结合了精密机械和化学反应，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，通常为各个品质检测站，分别进行仔细的检测硅片的电阻率、导电形态和结晶方向等项目。

  在摩尔定律和成本的影响下，大规格硅片是硅片发展的主要流行趋势。根据摩尔定律，由于信息技术的发展，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时间减少，大幅度的提升了设备生产效率；同时，边缘硅片浪费减少，生产成品率提高，以此来降低了芯片的单位制造成本。因此在成本和摩尔定律的驱动下，未来硅片会往大硅片发展。目前硅片*规格可达450mm，但受到应用领域和技术的影响，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。

  规格不同的硅片，应用领域不一样，其中200mm和300mm规格的硅片应用场景范围广阔。规格为200mm及以下的硅片在在制作高精度模拟电路、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，有更成熟和广泛的应用。这类产品对应的下游主要为汽车电子、工业电子等终端市场。200mm硅片在功率器件、电源管理器、非易失性存储器、MEMS、显示驱动芯片与指纹识别芯片方面发挥作用。这类产品主要使用在于移动通信、汽车电子、物联网及工业电子领域。300mm硅片需求主要源于存储芯片、通用处理器、FPGA、ASIC、图像处理芯片等，对应的下游有智能手机、计算机、云计算、人工智能、SSD 等高端领域。

  半导体行业呈现明显周期性变化，行业景气度受宏观经济影响。从数据变动趋势来看，半导体行业销售规模与GDP呈现同向变动趋势，行业周期约为3-5年。在之前的产业链分析中，半导体行业是受到终端应用领域需求的影响，而GDP作为衡量国民经济指标，在某些特定的程度上反映了整个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。根据周期性变化和终端应用领域的技术革新，将半导体行业分为5个阶段：

  ⑤ 2020年5G商用化、IOT技术、AI、智能汽车预期成为未来新动力。

  根据Granter多个方面数据显示，全球半导体行业收入增速呈现下降趋势，预计未来行业收入增速有所上升。2017年至2019年半导体行业销售增速分别为21.55%，14.44%和7.15%,过去行业增长主要赖以智能手机，IOT和云技术等应用的扩增。2019年增速持续下滑，除受到周期性的行业下行和中 美贸易摩擦的急速恶化，还有智能手机需求持续减少。在不考虑疫情的情况下，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%。主要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术革新，以及半导体行业景气度有所回升。

  2020年突发“黑天鹅事件”新冠状病毒出现，各国推出“居家隔离”和“出行禁令”的政策，对全球半导体行业产业链造成巨大的影响。根据IDC 2020年预测，2020年全球半导体行业收入有四种情况：从最坏的减少12%或更多到*的增长6%或更多，影响时间从最坏的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，引发失业潮，对产业上游半导体行业有着利空影响。同时，全球供应链受到“疫情政策”的影响，也对半导体行业产生负面影响。

  半导体硅片出售的收益增速在2018年以前呈现升趋势，2019年的收入增速巨幅下降。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年骤降主要是受中 美贸易摩擦急剧恶化以及智能手机需求疲软的影响。

  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占有率高达92%，其中日本产商市场占有率超过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，台湾环球晶圆和韩国SK Siltron。其中日本厂商的市场占有率总共占据52%,超过了半导体硅片市场占有率一半。日本在半导体研发和材料行业长期处在*地位，拥有包括东芝、索尼和瑞萨电子等在内的半导体巨头，Sumco和信越化学等在内的半导体材料巨头。这样的产业格局给予日本更多产业链上的优势。

  半导体硅片行业是一个技术密集型行业，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持续不断的发展，对半导体硅片的要求也在逐步的提升，若公司不能持续研发投入，在关键技术上无法突破，或新产品技术没办法达到要指标要求，公司将面临与先进公司差距扩大，半导体硅片被市场淘汰的风险。

  由于半导体硅片需要极高的研发投入和研发周期，因此在研发上需要长时间投入资金对高精尖人才和机器设备等投入支持。对于高精尖人才，需要有高薪避免人才流失的风险。优质的机器设备普遍成本昂贵，公司除了面临大额的资产金额的投入风险外，还面临营业收入无法消化大额固定资产投入，导致业绩下滑的风险。

  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要求，因此对选择半导体硅片制造商会十分慎重。按照行业的惯例，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，而一般认证周期最短也需要12-18个月，所以一旦认证通过，芯片制造商不会轻易更换供应商。

  从全球半导体产业的发展历史来看，半导体产业起源于上世纪50年代，美国是半导体产业的缔造者，其发展历史可追寻到 19 世纪 30 年代，所以美国在相关领域具备极其重大话语权。随后，日本半导体产业高质量发展日益赶超美国，在1970s-1980s完成*次由美国到日本的产业转移。在20世纪70—80年代爆发了日美半导体摩擦，异常激烈且旷日持久，被称为“半导体战争”。美国试图通过贸易战迫使日本开放市场和让渡经济利益，从战略上遏制日本对美国的技术追赶。美国还利用市场武器，大量培植对手的对手：在90年代中后期，韩国和台湾地区的芯片和电子科技类产品开始大规模涌进美国和世界市场，对日本构成全面挑战。最终，第二次产业转移至韩国和台湾地区。日本不堪外部压力和内部的投资不足，逐步失去半导体行业的*地位，目前依靠产业优势半导体材料延续往日的辉煌。

  萌芽：“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，日本政府采取“官产学”的模式。日本政府主要通过组合五家日本大型半导体企业(日本电气、东芝、日立、富士通和三菱电机)以及日本工业技术研究院电子综合研究所和计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，日本政府给予协会全力支持。1976年至1980年，日本通产省补助金总支出达到592亿日元，其中用于支持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，其中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术方面做研究。在VLSI协会的协调发展下，日本成功研发出许多新技术，为日后的竞争铺平了道路。

  崛起：DRAM使日本半导体产业走向*。到上世纪80年代，步入存储器、大型主机的时代，日本汽车产业和全球大型计算机市场的加快速度进行发展，DRAM的需求剧增，日本半导体行业抓住了这次机遇。得益于VLSI协会的发展，日本在DRAM方面已经取得了技术*，日本企业此时凭借其大规模生产技术，取得了成本和质量上的优势，并通过低价促销的竞争战略，快速渗透美国市场和世界市场。1986年日本DRAM市场占有率达到70%，取代了美国成为DRAM主要供应国。

  衰落：爆发“美日半导体战争”，第二次产业转移至韩国和台湾，日本半导体产业逐渐没落。到上个世纪90年代，进入PC时代，手提电脑的出现导致半导体零部件的需求变得更旺盛。美国惊觉日本半导体产业已超越美国，并抢占了美国企业的市场占有率，开始对日本的半导体产业进行打压。而日本在内部经济发展停滞导致投资和需求不足和外部美国打破贸易保护的双重压力下，逐渐失去*优势，截止2000年，日本DRAM份额已跌至不足10%，日企纷纷败退。日本落后的直接原因在于：

  1.该时期的日本过分专注于高质量DRAM，错失个人PC发展机遇。日本专注于产品的良品率，相比之下，韩国更注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，个人计算机销售额实现对大型机销售额的反超。由于无法很好地迎合下游需求，90 年代开始，日本半导体产业日渐式微。

  2.在PC崛起&政策扶持&新型生产的背景下，抓住机遇的韩国、台湾地区义军突起，。在美国忙于打击日本半导体产业时，韩国政府在美国的支持下大力义军突起促进韩国半导体产业腾飞：台湾避开半导体竞争红海，直接开创Foundry代工厂新型生产方式，凭借其低廉的人力成本及大量高素质人才，顺应消费级PC的快速发展的新趋势，取代日本在半导体产业大部分的市场份额。

  转型：半导体材料延续昔日辉煌，其中半导体硅片占了重要的市场地位。虽然日本半导体芯片份额已经萎缩，但是日本半导体硅片产业依旧占据全球半导体硅片产业较大的市场占有率（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年所制定“硅类高分子材料研究开发基本计划”，自1999起十年时间内投资160亿元以确立有机硅单体和聚合物合成与加工基础技术，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，其技术在行业一直被奉为楷模。

  总结：日本政府推出的“官产学”模式，集中专业优势人才，促进企业间相互交流和协作攻关，为之后的竞争铺平了道路。之后，日本抓住大型机对 DRAM 的需求，成功在1986 年超越美国成为全世界*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 技术而忽略PC、移动通信时代技术的改变，固守于 IDM 模式而负重累累，疲于投资再创新，最终被韩国夺走 DRAM 市场。

  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，需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，因此半导体行业需要大量的政策扶持、协调发展与贸易保护等。日本依靠“官产学”模式和贸易保护，使本国半导体行业能不断发展，并在1986年超越美国成为全世界半导体行业*。韩国依靠一系列政策扶持，促使了韩国半导体行业的腾飞。

  2.在半导体行业中，技术*优势稍纵即逝，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”项目从而一举获得了独立自主的核心技术，抓住了大型主机发展带来的机遇，一举超越成为全世界*半导体生产国家。然而90年代，日本行半导体行业错失个人PC，移动通讯的发展机遇，固步自封于DRAM的发展，最终在美国的打压下，被韩国企业抢占市场占有率，到2000年日本DRAM市场占有率不足10%。

  目前的半导体硅片的市场占有率主要由5家头部企业占据：日本信越化学，日本Sumco，韩国Sk siltron，德国siltronic和台湾环球晶圆。然而五大硅片厂商没有一家是美国企业，美国作为全球半导体产业的巨头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开创的，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，但最后由于相关业务不断亏损，无法跟上时代的脚步而相继退出该业务。

  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产业链，使日本半导体硅片企业依然坚持在半导体的世界舞台。信越化学和Sumco作为日本半导体硅片制造头部企业，在某些特定的程度上代表了日本半导体硅片产业的发展历程。

  1.对硅片产业中的相关公司进行兼并与收购。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成本优势显得很重要，厂商只有通过大规模生产，才能降低固定成本，提升盈利能力；其次，通过兼并收购，厂商能大大的提升市场集中度，提升产业链的议价能力，以维持相对来说比较稳定的盈利能力；最后，并购和兼并拥有成熟技术的企业，在某些特定的程度上完善企业自身的生产产业链。

  2.发挥企业在技术领域的先发优势。除了对有机硅的突破性研究，日本对300mm硅片的研究采取先发策略。日本300mm硅片研究开始于1994-1996年，当时200mm硅片仍占据主导地位，受到成本驱动，300mm大硅片毋庸置疑是未来硅片的发展的新趋势。日本奉行技术先行的发展的策略，于是组织了由电子机械委员会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与半导体产业研究所SIRIJ组成的“大直径硅片工作小组”，这个小组与全球硅片峰会组织下属的美欧专门工作组、亚洲专门工作组同步成立。在1999年日本Sumco是最早突破300mm技术大关，2000年达到量产。日本300mm硅片技术开发已经处于全球*，尤其在批量生产工艺流程方面慢慢的变成了行业的典范。

  随着中国半导体制造生产线的投产，中国半导体技术不断开发提升和下游终端领域的技术革新，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销售额从5.00亿美元上升至9.92亿美元，年均复合增长率高达 40.88%，远高于同期全球半导体硅片的年均复合增长率25.65%。中国作为全球*的半导体产品终端市场，预计未来随着中国芯片制造产能的持续扩张，中国半导体市场的市场占有率有望保持提升。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年中国大陆半导体制造产线梳理，基于目前产能、未来计划产能、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寸片在国内晶圆厂中大都为测控片，正片的销售较少。考虑到下半年部分产能释放，2019年我国12寸硅片至少有500万片的缺口。在第三次产业转移的风口下，需求和严重的供给错配为中国大陆发展半导体硅片产业提供了充足动力。

  回顾两次全球半导体产业转移，新兴终端领域的发展革新所带来的发展机遇以及政府扶持赋予后来者赶超机会，深刻地影响了全球半导体产业格局。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，抓住了个人PC对DRAM质量偏好较低成本低廉的需求；台湾地区代工业务的崛起则源于商业模式的重塑：Foundry。同时，每一轮产业的成功转移均离不开政府的大力扶持。

  我国半导体硅片行业技术仍存在一定差距，国家出台系列政策推进半导体大硅片技术发展，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，将半导体产业高质量发展提升到国家战略的高度，充分显示出国家发展半导体产业的决心。细节上，为全面发展半导体产业，减少或缩短技术短板，国家制定了一系列优惠政策，几乎覆盖半导体行业整个产业链，其中，半导体硅片也作为国家战略新兴起的产业，受到政策全力支持。