半導體材料深度報告-硅片投資寶典1.硅片：半導體大廈的基石1.1.硅片：半導體大廈的基石硅片是以硅作為原材料，通過拉單晶制作成硅棒，然后切割而成的硅片。由于硅原子的最外層電子數是4，原子序數適中，所以硅元素具有特殊的化學特性。正是因為硅的這種特性，硅片主要應用在化學，光伏，電子等領域。特別是在電子領域，正是利用硅材料介于導體與絕緣體中間的元素屬性，制造了現代工業的“石油”-芯片。在光伏領域，利用光電效應原理，光子可以改變硅原子之間的共價鍵，從而衍生了太陽能發電的應用。另外地球的地殼中硅元素占比達到25.8%，而且開采較為方便，可回收性強，所以價格比其他材料要低，這樣的特點更加增強了硅的應用范圍。通過晶胞的排列方式不同，可以分為單晶硅和多晶硅。晶胞是自然界構成晶體的最基本單元，一般是由幾個原子或幾十個原子構成的三維結構。晶胞的形狀、大小與空間格子的平行六面體單位相同，保留了整個晶格的所有特征。單晶硅的晶胞排序方式是有序，有規律的排序。但是多晶硅的晶胞排序是無序，無規律的。在制造方法方面，多晶硅是通過澆筑法形成的，直接把硅料倒入坩堝中融化，然后再冷卻定性，這種制作方法形成的晶胞是無序的。單晶硅是通過拉單晶的方式形成晶棒（直拉法），將硅料倒入坩堝中融化，然后利用籽晶緩慢旋轉上拉（拉單晶）。拉單晶的過程就是將原子結構重組的過程，最終形成單晶硅棒。在物理性質方面，兩種硅的特性相差較大。在導電性質上，單晶硅由于晶胞排序規則有序，導電能力較強；多晶硅導電性很差，甚至有時不導電。在光電轉換方面，單晶硅的轉換效率高于多晶硅的轉換效率，單晶硅光電轉換效率一般在17%~25%左右，多晶硅效率在15%以下。1.2.光伏硅片vs半導體硅片光伏硅片；由于硅元素具有光電效應，所以在光伏領域，大多使用硅片完成太陽能到電能的轉換。在光伏領域的硅片，單晶硅電池片一般為圓角方形，顏色為深藍色，略接近黑色。多晶硅電池片一般為方形，以藍色和灰色為主，且略帶花紋。電池片分為單晶硅片和多晶硅片，單晶硅電池片價格較高，光電轉換效率也比較高。由于光伏硅片相對于半導體硅片在純度和翹曲度等等方面要求較低，所以光伏硅片制造過程相對簡單。以單晶硅電池片為例，第一步是切方磨圓，在晶片廠通過直拉法拉出單晶棒后，先按照晶片尺寸要求，將單晶硅棒切割成方棒，然后將方棒的四角通過滾磨機磨圓。第二步是酸洗，主要是為了將單晶方棒的表面雜質除去。第三步是切片，先將清洗完畢后的方棒與工板粘貼。然后將工板放在切片機上，按照已經設定好的工藝參數進行切割，切割完成后成為單晶硅片。最后將單晶硅片清洗干凈（通常用超聲波清洗），最后進行監測，比如表面光滑度，電阻率等等參數。半導體硅片：半導體硅片比光伏硅片的要求更高，通常表現在晶體，形狀，尺寸大小，純度等等方面。光伏單晶硅片是分單晶硅和多晶硅兩種類型，其中多晶硅約占60%。但是半導體用單晶硅片，為了硅片每個位臵的相同電學特性，全部使用單晶硅。在形狀和尺寸上，光伏用單晶硅片是正方形，邊長有125mm，150mm，156mm不同尺寸。但是半導體用單晶硅片是圓型，硅片直徑有150mm（6寸晶圓），200mm（8寸晶圓）和300mm（12寸晶圓）尺寸，比單晶硅要大。在純度方面，光伏用單晶硅片的純度要求硅含量為4N-6N之間（99.99%-99.9999%），但是半導體用單晶硅片在9N（99.9999999%）-11N(99.999999999%)左右，純度要求最低是光伏單晶硅片的1000倍。在外觀方面，半導體用硅片在表面的平整度，光滑度和潔凈程度要比光伏用硅片的要求高。純度壁壘是光伏用單晶硅片和半導體用單晶硅片的主要壁壘。1.3.半導體硅片技術發展路徑1.3.1.常用半導體硅片硅片的發展可以歸結為摩爾定律的發展。由于半導體用硅片是圓形，所以半導體硅片也叫“硅晶圓”或者“晶圓”。晶圓是芯片制造的“基底”，所有的芯片都是在這個“基底”上制造，并在制造完成后，將基底切割成單個芯片，然后進行封裝測試。在半導體用硅片的發展中，是按照尺寸和結構兩個方向發展。在尺寸方面，硅片的發展路徑是從小到大；在集成電路發展初期，使用的是0.75英寸晶圓。后來為了降低單個芯片成本，不斷增加晶圓面積，增加單片晶圓上的芯片個數。1965年左右，隨著摩爾定律的提出，集成電路技術和硅片迎來快速發展期。硅片的制造技術越來越先進，逐漸發展到4寸，6寸，8寸和12寸晶圓。2001年，和IBM聯合開發了12寸晶圓芯片制造生產線，目前全球半導體用硅片以12寸硅片為主，占比約為70%，往后還要發展到18寸（450mm）晶圓。在結構方面，硅片的發展路徑是由簡到繁；集成電路發展初期是只有邏輯芯片一種用途，但是后來應用場景不斷擴大，邏輯芯片，功率器件，模擬芯片，數模混合芯片，flash/Dram存儲芯片，射頻芯片等等。不同的應用場景導致了硅片在結構上出現了不同的形態。PW（PolishWafer）：就是常用的拋光片。硅片廠拉單晶得到硅錠之后，直接切割后得到的硅片由于在光滑度或者翹曲度方面有一些瑕疵，所以首先是經過拋光處理。這種方式也是最原始硅片的處理方式。AW（AnnealWafer）：后來隨著制程技術的不斷發展，工藝線寬不斷縮小，拋光片的缺點也暴露出來了，比如硅片表面由于拋光會引起局部的原子晶格缺陷，硅片表面含氧量較高等等。為了解決這個問題，發展了退火晶圓，在拋光后，將硅片放在充滿惰性氣體的爐管中（一般為氬氣），進行高溫退火。這樣可以修復由于拋光引起的硅片表面晶格缺陷，同時也可以減少硅表面含氧量。EW（EpitaxyWafer）：隨著集成電路的應用場景不斷增加，由硅片廠制造的標準硅片在電學特性上已經不能滿足某些產品的要求。同時，通過熱退火減少的晶格缺陷也不能滿足越來越小的線寬需求。這就衍生出了外延層硅片

（Epitaxywafer或者叫做EPIWafer）。通常的外延層就是硅薄膜。是在原始硅片的基礎上，利用薄膜沉積技術，生長一層硅薄膜。由于在硅外延中，硅基片是作為籽晶的模式存在，所以新的外延層會復制硅片的晶體結構。由于襯底硅片是單晶，所以外延層也是單晶。但是由于沒有被拋光，所以生長完成后的硅片表面的晶格缺陷可以降到最低。外延技術的重點包括外延層厚度及其均勻性、電阻率均勻性、體金屬控制、顆粒控制、層錯、位錯等缺陷控制。公司通過優化外延的反應溫度、外延氣體的流速、中心及邊緣的溫度梯度，實現了最優的外延層質量。因產品不同和技術升級的需要，公司通過不斷優化外延工藝，實現外延層厚度和襯底幾何形貌的有效匹配，獲得外延層最優的平坦度、最低的外延層金屬雜質、最好的厚度和電阻率均勻性，達到不同規格產品的需求。另外，外延片可以生成電阻率，摻雜元素、摻雜濃度與原始硅片不同的外延層，這樣更容易控制硅片的電學特性。比如可以通過在P型硅片上生成一層N型外延層，這樣就形成了一個低濃度參雜的PN結，為后續芯片制造中起到優化擊穿電壓，降低閂鎖效應等等目的。外延層厚度一般根據使用場景不同而不同，一般邏輯芯片的厚度為0.5微米到5微米左右，功率器件由于需要承受高電壓，所以厚度為50微米到100微米左右。1.3.2.絕緣體上硅硅片SW（SOIWafer）：

SOI全稱是Silicon-On-Insulator（絕緣體上硅）。由于SOI硅片具有寄生電容小，短溝道效應小，繼承密度高，速度快，功耗低等有點，特別是在襯底噪聲低這向參數中，由于非SOI硅片，所以SOI硅片常常用在射頻前端芯片中。在常用的普通拋光硅片或者是外延層硅片中，都不能解決硅片的噪電流干擾。由于集成電路是四端器件，必須在襯底上結電壓，所以就構成了芯片與襯底之間的電流通路，就會產生噪電流，從而影響集成電路特性。特別是在射頻芯片領域中，開關速度較快，襯底產生的噪電流會嚴重影響開關性能。為了解決襯底噪聲問題，發明了SOI硅片技術。制造SOI硅片的方法主要有四種：SIMOX技術，Bonding技術，Sim-bond技術和Smart-CutTM技術；SOI硅片的原理比較簡單，核心目標就是在襯底中間加入一層絕緣層（一般以二氧化硅SiO2為主）。從性能參數上來看，Smart-CutTM技術是現在SOI硅片技術中性能最優異的。Simbond技術性能和Smart-Cut技術性能相差不大，但是在頂層硅厚度方面，Smart-Cut技術生產的SOI硅片更薄，而且從生產成本來說，Smart-Cut技術可以重復利用硅片，對于未來的大批量生產情況，Smart-Cut技術更有優勢，所以現在業界公認以Smart-Cut技術為未來SOI硅片發展方向。SIMOX技術：SIMOX全稱SeparationbyImplantedOxygen（注氧隔離技術）。向晶圓中注入氧原子，然后經過高溫退火，使氧原子與周圍的硅原子發生反應，生成一層二氧化硅。此項技術的難點是控制氧離子注入的深度與厚度。對于離子注入技術有較深刻的掌握。Bonding技術：Bonding技術又稱鍵合技術，用bonding制造的SOI硅片又叫BondedSOI，簡稱BSOI。Bonding技術需要兩片普通硅晶圓，在其中一片上生長一層氧化層（SiO2），然后與另外一片硅源鍵合，連接處就是氧化層。最后再進行研磨和拋光到想要的填埋層（SiO2）深度。由于鍵合技術比離子技術更容易掌握，所以目前SOI硅片大都采用bonding技術制作。Sim-bond技術：注氧鍵合技術。Sim-bond技術是SIMOX與bond技術的結合。優點是可以高精度控制埋氧層厚度。第一步是向一片硅晶圓注入氧離子，然后高溫熱退火形成氧化層，然后在該硅片表面形成一層SiO2氧化層。第二步是將該硅片與另外一片晶圓鍵合。然后進行高溫退火形成完好的鍵合界面。第三步，減薄工藝。利用CMP技術減薄，但是與bond技術不同的是，sim-bond有自停止層，當研磨到SiO2層時，會自動停止。然后經過腐蝕去掉SiO2層。第四步是拋光。Smart-cut技術：智能剝離技術。Smart-cut技術是鍵合技術的一種延伸。第一步是將一片晶圓氧化，在晶圓表面生成固定厚度的SiO2。第二步是利用離子注入技術，向晶圓的固定深度注入氫離子。第三步是將另外一片晶圓與氧化晶圓鍵合。第四步是利用低溫熱退火技術，氫離子形成氣泡，令一部分硅片剝離。然后利用高溫熱退火技術增加鍵合強度。第五步是將硅表面平坦化。這項技術是國際公認的SOI技術發展方向，埋氧層厚度完全由氫離子注入深度決定，更加準確。而且被剝離出的晶圓可以重復利用，大大降低了成本。2.硅片：制造難度大且壁壘高2.1.硅片制造技術過程硅片的原材料是石英，也就是通常說的沙子，可以直接在自然界開采。晶圓制造的過程可以通過幾步來完成。脫氧提純，提煉多晶硅，單晶硅錠（硅棒），滾磨，晶片切割，晶圓拋光，退火，測試，包裝等等步驟。脫氧提純：硅片制造廠的原料是石英礦石，石英礦石的主要原料是二氧化硅（SiO2）。首先將石英礦石進行脫氧提純，主要工藝有分選，磁選，浮選，高溫脫氣等等。主要將礦石中的主要雜質去除掉，比如鐵、鋁等雜質。提煉多晶硅：在得到相對較純的SiO2后，經過化學反應，生成單晶硅。主要反應為SiO2+CSi+CO，一氧化碳

（CO）為氣體，反應完成后直接揮發掉。所以只剩下硅晶體。此時的硅為多晶體硅，并且為粗硅，存在一些雜質比如鐵，鋁，碳，硼，磷，銅等等元素。為了過濾掉多余雜質，必須將得到的粗硅進行酸洗，常用的酸是鹽酸（HCl），硫酸（H2SO4）等等，用酸浸泡后的硅含量一般在99.7%以上。在酸洗的過程中，雖然將鐵，鋁等等元素也溶于酸且過濾掉。但是硅也和酸反應生成SiHCl3（三氯氫硅）或SiCl4（四氯化硅）。但是這兩種物質都是氣態，所以酸洗過后，原來的鐵、鋁等雜質已經溶于酸，但是硅已經變為氣態。最后將高純的氣態SiHCl3或者SiCl4用氫氣還原得到高純多晶硅，SiHCl3+H2Si+3HCl，SICl4+2H2Si+4HCl。此時得到生產用的多晶硅。2.1.1.CZ（直拉法）直拉法（CZ）法硅片主要用在邏輯，存儲器芯片中，市場占比約為95%；直拉法最早起源于1918年Czochralski從熔融金屬中拉制細燈絲，所以又叫CZ法。這是當今生長單晶硅的主流技術。主要流程是在坩堝中放入多晶硅，加熱使之熔融，然后夾住一塊單晶硅的籽晶，將它懸浮在坩堝之上，直拉時，一端插入熔體直到融化，然后再緩慢旋轉并向上提拉。這樣在液體與固體的界面就會經過逐漸冷凝形成單晶。由于整個過程可以看作是復制籽晶的過程，所以生成的硅晶體是單晶硅。另外，晶圓的摻雜也是在拉單晶的過程中進行的，通常有液相摻雜和氣相摻雜兩種。液相摻雜就是指在坩堝中參雜P型或者N型元素，在拉單晶的過程中，可以直接將這些元素拉到硅棒中。直徑滾磨：由于在拉單晶的過程中，對于單晶硅棒的直徑控制較難，所以為了得到標準直徑的硅棒，比如6寸，8寸，12寸等等。在拉單晶后會將硅錠直徑滾磨，滾磨后的硅棒表面光滑，并且在尺寸誤差上更小。切割倒角：在得到硅錠之后，就進行晶圓切割，將硅錠放臵在固定切割機上，按照已經設定好的切割程式進行切割。由于硅片的厚度較小，所以切割后的硅片邊緣非常鋒利。倒角的目的就是形成光滑的邊緣。倒角后的硅片有較低的中心應力，因而使之更牢固，并且在以后的芯片制造中不容易碎片。拋光：拋光的主要目的是將晶圓的表面變得更加平滑，平整無損傷，并且保證每片晶圓的厚度一致性。測試包裝：在得到拋光好的硅片后，需要對硅片的電學特性進行測試，比如電阻率等等參數。大部分硅片廠都有外延片服務，如果需要外延片，再進行外延片生長。如果不需要外延片就會打包包裝，運往其他外延片廠或者晶圓廠。2.1.2.FZ（區熔法）區熔法（FZ）硅片主要用在部分功率芯片中，市場占比約為4%；用FZ（區熔法）制作的硅片主要用作功率器件。并且硅片尺寸以8英寸，6英寸為主，目前約有15%的硅片使用區熔法制作。與CZ法制作的硅片相比，FZ方法最大的特點就是電阻率相對較高，純度更高，能夠耐高壓，但是制作大尺寸晶圓較難，而且機械性質較差，所以常常用于功率器件硅片，在集成電路中使用較少。區熔法制作單晶硅棒總共分為三步：加熱多晶硅，籽晶接觸，向下旋轉拉單晶。在真空或者惰性氣體環境下的爐室中，利用電場給多晶硅棒加熱，直到被加熱區域的多晶硅融化，形成熔融區。然后用籽晶接觸熔融區，并融化。最后通過移動電場加熱位臵，使多晶硅上的熔融區不斷上移，同時籽晶緩慢旋轉并向下拉伸，逐漸形成單晶硅棒。因為在區熔法中不適用坩堝，所以避免了很多污染源，用區熔法拉的單晶具有純度高的特點。2.2.硅片制造成本分析2.2.1.

硅片制造成本光伏硅片成本大概可以分為硅料成本，長晶成本和切割成本。其中硅料成本是主要的成本消耗部分，約占總成本的50%。由于單晶硅和多晶硅對于長晶過程的要求不同，所以在長晶過程是單晶硅片和多晶硅片的主要成本差別。在切片環節，硅片制造商可以提高硅片的切割出片量來分攤成本。在長晶過程中的設備、電費、特氣以及人工費用等等。單晶硅制造成本：在硅成本和切片方面，單晶硅和多晶硅的差別不是很大。長晶環節是主要的成本差異。從單晶硅片的成本結構來看，硅料成本約占50%，拉單晶硅棒的成本約占整個成本的33%，切割成本約占17%。在拉單晶過程中的成本結構中，以坩堝費用和電費為主要成本來源，兩者總共占比約為45%。剩余成本由石墨熱場和折舊費用為主。在坩堝成本方面，拉單晶的石英坩堝在經過高溫、冷卻等等步驟之后，會產生裂紋或者破裂，導致無法再次使用。并且，由于拉單晶對于坩堝的潔凈度要求很高，所以使用過的坩堝無法保證潔凈度，同時單晶硅對于坩堝的品質要求較高。所以拉單晶的坩堝價格較高，且無法重復使用。在電力成本方面，國內半導體硅片廠商或者光伏硅片廠商都在內蒙古，云南，貴州等電力成本相對較低的區域建廠，有利于成本降低。單晶硅片的成本降低主要來源于三個方面。第一，提高單爐產出攤薄坩堝等一次性耗材和設備折舊。第二，電力成本降低。第三，批量采購硅料的價格優勢。多晶硅制造成本：多晶硅的生產制造過程中不需要拉單晶環節，所以長晶環節的成本占比較低。長晶成本只占總成本的12%。成本的主要來源是硅料成本，約占總成本的52%。其次是切割成本，約占總成本的29%。在多晶硅長晶成本中，石墨熱場占比最高，達到28%。其次是坩堝、折舊和電力成本，分別占比為16.7%、16.7%和13.9%。由于多晶硅硅片主要用在光伏產品中，而且有逐漸被單晶硅片代替的趨勢，所以多晶硅片的成本下降空間不大。2.2.2.半導體硅片制造成本半導體硅片成本構成更復雜：半導體硅片在純度和電學特性方面較硅片有更高要求，所以在制造過程中需要更多的純化步驟和供應原料，造成制造原料的種類更加多樣化。所以硅料成本占比相對減少，但是制造費用占比會相對增加。同時，相對于新能源硅片成本，半導體硅片在直接材料是主要營業成本構成：對于半導體硅片來說，原材料成本是主要成本，約占主營業務成本的47%。其次是制造費用，約占38.6%，與半導體制造業類似，硅片行業屬于資本密集型行業，對固定資產投資需求較高，會因機器設備等固定資產折舊產生較高的制造費用。最后是直接人工費用，占比約為14.4%。多晶硅是原材料主要成本構成：在硅片制造的原材料成本中，多晶硅是主要原材料，占比約為30.7%。其次是包裝材料，占比約為17.0%。由于半導體硅片對于潔凈度和真空要求較高，特別是對于硅片這種極易氧化的物質，對包裝的要求會比硅片要求要高很多。因此在成本構成中，包裝材料占比較高。石英坩堝占比約為原材料成本的8.7%。半導體硅片制造所用的石英坩堝也是一次性坩堝，但是對于坩堝的物理特性，熱學特性等等要求更高。拋光液，研磨輪，拋光墊總共占比13.8%，主要用在硅片拋光過程中。水電費用約占制造成本的15%：在制造成本費用中，水電費用總和約占整個制造費用的15%，其中電費約占11.4%，水費約占3.4%。在對應金額方面，根據硅產業集團的2018年財務數據，電費和水費的總成本和包裝材料成本相當，約占多晶硅材料的一半。電費比石英坩堝略高20%左右。2.3.硅片制造主要壁壘硅片的壁壘較高，特別是對于半導體硅片而言，主要壁壘有四個：技術壁壘，認證壁壘，設備壁壘和資金壁壘。技術壁壘：硅片的技術指標比較大，除去常見的尺寸大小，拋光片厚度等等外，還有硅片的翹曲度，電阻率，彎曲度等等。在主流的300mm硅片方面，由于先進制程對于硅片的均勻性要求較高，所以相對于200mm晶圓，增加了平整度，翹曲度，彎曲度，表面金屬殘余量等等參數來監測300mm硅片的質量要求。在純度方面，先進制程的硅片要求在9N（99.9999999%）-11N(99.999999999%)左右，是硅片供應商的主要技術壁壘。硅片是高度定制產品；純度是硅片的最基本參數，也是主要技術壁壘。除此之外，硅片不是通用型產品，無法復制。大硅片在各個晶圓代工廠的規格完全不同，各個終端產品的用途不同也會導致硅片的要求規格完全不同。這就要求硅片廠商要根據不同的終端客戶產品來設計和制造不同的硅片，這就更大增加了硅片供應難度。認證壁壘：芯片制造企業對于各類原材料的質量有著嚴苛的要求，對供應商的選擇也非常謹慎。進入芯片制造企業的供應商名單具有較高的壁壘。通常，芯片制造企業會要求硅片供應商提供一些硅片進行試生產，并且大多數用在測試片，而不是晶圓量產片。通過測試片后，會小批量試生產量產片，待通過內部認證后，芯片制造企業會將產品送至下游客戶處，獲得其客戶認證后，才會對硅片供應商進行最終認證，最后簽訂采購合同。半導體硅片企業的產品進入芯片制造企業的供應鏈需要經歷較長的時間，對于新供應商的認證周期最短也需要12-18個月。此外，測試片到量產片的認證壁壘：目前國內的12寸晶圓大多停留在測試片的供應上，但是測試片的認證程序和量產片的認證程序完全不同，量產硅片的認證標準更加嚴格。測試硅片由于不制造芯片，所以只需要晶圓代工廠自己認證，并且只需要在當前制造站點得到認證就可以。但是對于量產硅片來說，必須得到終端fabless客戶的認證，并且要得到整個制造流程各個步驟的監測才可以批量供應。一般情況下，為了保持硅片供應和芯片良率的穩定。晶圓制造商與硅片供應商一旦建立供應關系后，不會輕易更換供應商，且雙方建立反饋機制，滿足個性化需求，硅片供應商與客戶的粘性不斷增加。新硅片廠商如果加入到供應商行列，必須提供比原有供應商更加緊密的合作關系和更高的硅片質量。所以在硅片行業，硅片供應商和晶圓制造商的粘性較大，新晉供應商打破粘性的難度較大設備壁壘：制造硅片的核心設備是單晶爐，可謂是硅片中的“光刻機”。國際主流硅片廠商的單晶爐都是自己制造。比如信越和SUMCO的單晶爐是公司獨立設計制造或者通過控股子公司設計制造，其他硅片廠商無法購買。其他主要的硅片廠商都有自己的獨立單晶爐供貨商，并且簽訂嚴格的保密協定，導致外界硅片廠商無法購買，或者只能購買到普通單晶爐，而對于高規格單晶爐無法供貨。所以設備壁壘也是國內廠商無法進入全球硅片主流供應商的原因。資金壁壘：半導體硅片制造工藝復雜，需要購買先進，昂貴的生產設備，也需要根據客戶的不同需求不斷進行修改和調試。由于設備折舊等固定成本較高，下游需求的變化對硅片企業的產能利用率影響較大，從而對硅片制造公司的利潤影響較大。特別是新進入硅片行業的公司，在沒有達到規模出貨之前，幾乎一直處于虧損狀態，對資金壁壘要求較高。另外，由于晶圓廠對于硅片的認證周期較長，這期間需要硅片制造商持續投入，也需要大量資金。3.硅材：仍將是未來主流材料3.1.目前：硅是主要半導體材料目前，半導體晶圓市場是以硅材料為主。硅材料占比約為整個半導體市場的95%。其他材料主要是化合物半導體材料，以第二代半導體材料GaAs晶圓和第三代半導體材料SiC，GaN晶圓為主。其中，硅晶圓以邏輯芯片，存儲芯片等等為主，是應用最廣泛的半導體晶圓材料。GaAs晶圓以射頻芯片為主，主要應用場景是低壓，高頻率；第三代半導體材料以高功率，高頻率芯片為主，主要應用場景是大頻率，高功率。化合物半導體和硅材料不是競爭關系，而是互補關系；半導體材料（特指晶圓，襯底和外延片材料）的發展規律包含三個路線，分別是尺寸，速度和功率，三種路線對應的是第一代，第二代和第三代半導體材料。第一代半導體材料：大尺寸路線：第一代半導體材料是指硅材料。硅材料是發展最早的晶圓材料，也是現階段技術最成熟，成本最低，產業鏈最完善的材料。同時，由于硅片的尺寸變大，導致單個芯片成本減小。主要應用領域是邏輯芯片和低壓，低功耗領域。硅晶圓尺寸從2寸，4寸，6寸，8寸，再到當今主流的12寸晶圓技術。典型的硅片公司如日本的信越化學，sumco等等。目前國際主流晶圓廠中，都是以硅材料作為主要生產材料。第二代半導體材料：高速度路線。由于在射頻電路中需要芯片可以承受高頻率開關，所以發明了第二代半導體晶圓。主要應用領域是射頻電路，典型終端領域是手機等移動終端的射頻芯片。第二代半導體主要是以GaAs（砷化鎵），InP（磷化銦）為代表的半導體材料，其中GaAs是當今常用的移動終端射頻芯片材料。典型代工企業有臺灣穩懋，宏捷，美國Skyworks，qorvo等等是射頻芯片IDM公司。目前主流是在4寸和6寸晶圓為主。第三代半導體材料：高功率路線：幾乎在相同起點，最有機會。第三條路線是功率變大，從而促使在高功率電路領域廣泛應用，主要材料是SiC和GaN。主要終端是工業，汽車等領域。功率路線在硅材料上發展了IGBT芯片，而比IGBT擁有更高性能的是SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）材料。目前SiC晶圓以4寸和6寸為主，GaN材料以6寸和8寸為主。世界主要代工廠如美國的Cree，wolfspeed和德國的X-Fab。但是在此領域，國際巨頭的發展也比較緩慢，國內諸如等企業，雖然在技術水平上還有一定差距，但是處于整個行業起步階段，是最有可能打破國外壟斷，在國際功率代工版圖上占據一席之地。3.2.未來：化合物無法代替硅材化合物材料需要硅襯底：目前雖然有SiC，GaN晶圓的芯片大量使用，比如小米，oppo，realme發布的GaN充電器，發布的model3使用SiCMOSFET代替IGBT。但是對于晶圓來講，目前大多消費類化合物半導體芯片是以硅片為襯底，然后再做化合物外延片，在外延片上再制作芯片。化合物半導體晶圓成本較高：目前由于化合物半導體產業鏈不夠完整，所以化合物半導體產能較低，化合物半導體晶圓價格較高。導致終端用戶接受度較低，消費電子方面還是以“硅襯底+化合物外延片”作為主流解決方案。在汽車領域，目前還是以硅基IGBT作為主流解決方案。硅基IGBT芯片成本較低，而且可選電壓范圍較大。而SiCMOSFET器件的價格是硅基IGBT的6至10倍。對比英飛凌650V/20A的技術參數下，SiC-MOSFET和Si-IGBT的性能參數，SiC-MOSFET依然在性能參數方面優于Si-IGBT，但是在價格方面SiC-MOSFET是Si-IGBT的7倍。而且SiC器件隨著導通電阻的減小，SiC-MOSFET價格呈指數級增長，比如導通電阻在45毫歐姆時，SiC-MOSFET只有57.6美元，導通電阻在11毫歐姆時，價格為159.11美元，在導通電阻等于6毫歐姆時，價格已經達到310.98美元。4.Fab為王，硅片市場潛力巨大4.1.全球硅片消耗量迎來增長周期半導體制造材料占比逐年增加。半導體材料可分為封裝材料和制造材料（包含硅片和各種化學品等等）。從長期看，半導體制造材料和封裝材料處于同趨勢狀態。但是從2011年之后，隨著先進制程的不斷發展，半導體制造材料的消耗量逐漸增加，制造材料和封裝材料的差距逐漸增加。2018年，制造材料銷售額為322億美元，封裝材料銷售額為197億美元，制造材料約為封裝材料的1.6倍。半導體材料中，制造材料占比約為62%，封裝材料占比38%。硅片是半導體制造中的第一大耗材；在制造材料中，硅晶圓作為半導體的原材料，占比最大，達到37%。自從2017年以來，隨著“阿爾法狗”擊敗李世石，以人工智能為首的新星技術是推動全球半導體發展的主要技術。特別是在2018年，全球存儲器需求激增，再加上區塊鏈技術的爆發，再硅晶圓的需求上創下歷史新高。全球半導體出貨量的增加也帶動了硅片出貨的高速增加。在出貨量方面，在2018年全球硅晶圓出貨面積首次超過100億平方英寸，達到127億平方英寸，2019年由于上半年貿易摩擦問題，導致出貨面積有所減少，達到118億平方英寸。在市場營業額方面，2018年全球市場銷售額為114億美元，2019年達到112億美元。從晶圓的細分看，由于第二代半導體和第三代半導體材料成本較高，并且大部分化合物半導體都是以硅晶圓為襯底，所以全球晶圓襯底中，硅晶圓占比達到95%。從具體晶圓尺寸來看，全球硅晶圓以12寸晶圓為主，2018年全球硅晶圓出貨中，12寸晶圓占比達到64%，8寸晶圓達到26%。從終端應用來看，全球12寸晶圓消耗以存儲器芯片為主，NandFlash和DRAM存儲器總共占比約為75%，其中NandFlash消耗的晶圓約占33%，其中Nandflash又有35%的下游市場在智能手機市場。可見智能手機出貨量和容量的提升是推動12寸晶圓出貨的主要因素。在12寸晶圓中，邏輯芯片約占25%，DRAM占比約為22.2%，CIS等其他芯片約占20%。4.2.中國半導體硅片市場空間巨大4.2.1.半導體制造業轉向中國中國半導體材料市場穩步增長。2018年全球半導體材料銷售額達到519.4億美元，同比增長10.7%。其中中國銷售額為84.4億美元。與全球市場不同的是，中國半導體材料銷售額從2010年開始都是正增長，2016年至2018年連續3年超過10%的增速增長。而全球半導體材料市場受周期性影響較大，特別是中國臺灣，韓國兩地波動較大。北美和歐洲市場幾乎處于零增長狀態。而日本的半導體材料長期處于負增長狀態。全球范圍看，只有中國大陸半導體材料市場處于長期增長窗臺。中國半導體材料市場與全球市場形成鮮明對比。全球半導體材料逐步向中國大陸市場轉移。從各個國家和地區的銷售占比來看，2018年排名前三位的三個國家或地區占比達到55%，區域集中效應顯現。其中，中國臺灣約占全球晶圓的23%的產能，是全球產能最大的地區，半導體材料銷售額為114億美元，全球占比為22%，位列第一，并且連續九年成為全球最大半導體材料消費地區。韓國約占全球晶圓的20%的產能，半導體材料銷售額為87.2億美元，占比為17%，位列第二名。中國大陸約占全球13%的產能，半導體材料銷售額為84.4億美元，約占全球的16%，位列第三名。但是長期來看，中國大陸半導體材料市場占比逐年增加，從2007年的占比7.5%，到2018年占比為16.2%。全球半導體材料逐步向中國大陸市場轉移。4.2.2.產能擴張導致需求增加全球晶圓產能將迎來爆發式增長。代表當今晶圓廠最先進技術的12寸晶圓廠，從2017-2019年三年時間是建廠高峰期，全球平均每年增加8座12寸晶圓廠。預計到2023年，全球有138座12寸晶圓廠。根據ICInsight統計，由于2019年上半年，中美貿易戰的不確定性，全球各大晶圓廠都推遲了產能增加計劃，但是并沒有取消。隨著2019年下半年中美貿易的復蘇和5G市場的爆發，2019年全年全球晶圓產能還是維持了720萬片的增加。但是隨著5G市場的換機潮來領，全球晶圓產能將在2020年至2022年迎來增加高峰期，三年增加量分別為1790萬片，2080萬片和1440萬片，在2021年將創下歷史新高。這些晶圓產能將會在韓國（三星，海力士），中國臺灣（）和中國大陸（長江存儲，長鑫存儲，，等等）。其中中國大陸將占產能增加量的50%。中國大陸晶圓廠建設將迎來高速增長期。從2016年開始，中國大陸開始積極投資建設晶圓廠，陸續掀起建廠熱潮，根據SEMI預測，2017-2020年全球將建成投產62座晶圓廠，其中中國有26座，占總數的42%。2018年建造數量為13座，占到了擴產的50%。擴產的結果勢必導致晶圓廠的資本支出和設備支出的增加。據SEMI預計，到2020年，中國大陸晶圓廠裝機產能達到每月400萬片8寸等效晶圓，與2015年的230萬相比，年復合增長率為12%，增長速度遠遠高過其他地區。同時，國家大基金也對半導體制造業大力投入，在大基金一期投資中，其中制造業占比高達67%，遠遠高于設計業和封測業。截至到2019年底，中國仍有9座8寸晶圓廠和10座12寸晶圓廠處于在建或者規劃狀態。另外，由于目前中國大多數12寸晶圓廠處于試量產或者小批量量產狀態，處于產能底部。在得到客戶的產品驗證和市場驗證之后，將會迎來產能爬坡階段，將會對上游原材料出現巨大需求。4.3.中國大陸硅片市場空間廣闊4.3.1.硅片市場迎來“量”的增長5G普及導致終端的含硅量上升：從Iphone3開始的智能手機時代開始，到以Iphone5為代表的4G手機，最后到現在的5G手機時代。手機的含硅量不斷增加。根據techinsights，iFixit等拆解機構對手機的物料成本分析，統計手機處理器（AP），基帶處理芯片（BP），存儲器（Nandflash，DRAM），攝像頭模組（CIS），射頻芯片（RF），電源管理芯片（PMIC），藍牙/wifi芯片等等手機主要芯片的單機價值量，呈現逐漸增加趨勢，并且所占單機總價值量的比例逐年增加。雖然在IphoneX階段，由于屏幕的變化，導致芯片占比減小，但是隨著后續不斷優化，芯片成本占比也逐年提高。到4G手機頂峰Iphone11promax時代，主要芯片占比已經到達55%，單機價值量約為272美元。從Iphone3到Iphone11promax的演變中，手機攝像頭從單射到3射，機身內存從8GB增長到512GB，單機含硅量占比從37%增長到55%，單機價值量從68美元增長到272美元。2020年時5G手機大規模量產元年，根據已經發布的三星S20和小米10手機的拆機分析，主要芯片的單機價值量和占比比4G手機進一步提高。三星方面，主要芯片占總物料成本的63.4%，單機價值量已經達到335美元，比Iphone11promax高23%。小米方面，主要芯片的占比更高，達到68.3%，主要芯片單機價值量也達到了300美元。根據三星S20和小米10的手機拆解，預計5G手機初期的主要芯片占比約為65%~70%，單機價值量在300-330美元左右。晶圓廠的建設增加硅片需求：晶圓廠產能擴張必然導致硅片的需求量上升。目前國內大力投資晶圓廠，形成了以長江存儲，合肥長鑫為主的存儲器產業，以為主的邏輯，以，積塔半導體為主的特色工藝產線，和以華潤微電子，士蘭微為主的功率器件代工廠。目前，中國大陸2017/2018兩年的硅片銷售額增長速度高于40%。并且受益于大基金投資和國產代替的趨勢，下游晶圓廠充分擴產能，帶動上游硅片需求增加。根據SUMCO預測，2020年，中國大陸的8寸硅片需求約為97萬片，12寸晶圓能達到105萬片。4.3.2.硅片市場迎來“價”的增加漲價周期+先進制程促進“價”的提升：根據歷史上硅片價格測算，目前處于新一輪漲價周期的起始端，在2009年至2011年期間，智能手機迅速普及，手機含硅量提升，單位面積硅片價格持續沖高，并且在2011年達到1.09美元/平方英寸。后來隨著硅片庫存的升高以及智能手機的銷售量下滑，單位面積的硅片價格持續下跌，并在2016年達到最低點，價格為0.67美元/平方英寸。2016年谷歌“阿爾法狗”擊敗李世石，讓人工智能登上了歷史的舞臺，全球的硅片需求提升，進入新一輪漲價周期階段。2019年5G手機的發售，單位面積的硅片價格達到了0.94美元。隨著2020年的5G手機大面積發售，拉動全球對硅片的需求，預計未來還有2-3年的漲價空間。先進制程推動“價”的上漲；半導體硅片是芯片制作的基底材料，任何質量上的波動都會對芯片造成嚴重的影響。隨著先進制程的不斷發展，對于半導體硅片的雜質要求也越來越高。更高的要求導致硅片的制造工藝越來越難，所以價格越來越高。例如同樣時12寸硅片，7nm工藝的硅片價格是90nm硅片價格的4.5倍。目前，中國大陸晶圓廠以建設12寸晶圓廠為主，硅片價格也遠遠高于8英寸晶圓。同時，由，為代表的邏輯芯片代工廠，逐漸將制程從28nm轉移到16/14nm制程，提升了整體硅片價格。4.3.3.未來硅片市場空間廣闊12寸制造線自2000年全球首開以來，市場需求增加明顯。2008年出貨量首次超過8寸硅片，2009年即超過其他尺寸硅片出貨面積之和。2016年到2018年，由于AI、云計算、區塊鏈等新興市場的蓬勃發展，12寸硅片年復合增長率為8%。未來，12寸硅片的市占率將會繼續提高。根據SUMCO數據，未來3-5年內全球12寸硅片的供給和需求依舊存在缺口，并且缺口會隨著半導體周期的景氣程度提高而越來越大，到2022年將會有1000K/月的缺口。中國作為全球新興半導體制造基地，巨大的硅片缺口將會促進硅片國產化的速度。未來幾年，中國大陸晶圓廠建設將以300m為主，預計在2021年中國300mm晶圓廠產能超過200mm產能，占比約為50%，成為中國第一大晶圓產能。預計到2022年，中國大陸等效12寸晶圓產能約為3600K/月，主要晶圓廠為中芯國際，長江存儲，長鑫存儲，，粵芯半導體等等。根據硅產業集團招股書的12寸硅片價格。到2022年中國的半導體硅片將達到160億人民幣的市場空間。根據SUMCO的統計數據，2018年中國大陸的硅片銷售金額約為9.3億美元，同比增長45%，是全球增長最快的硅片市場。受益于長江存儲，，長鑫存儲等大型晶圓廠在2020-2022年的擴產計劃。預計到2022年底中國大陸等效12寸硅片需求將達到201萬/月，市場空間為200億元。5.硅片主要廠商，國產代替勢在必行目前，全球前五大半導體硅片企業規模較大，合計市場份額達93%。其中，日本信越化學市場份額27.58%，日本SUMCO市場份額24.33%，德國Siltronic市場份額14.22%，中國臺灣環球晶圓市場份額為16.28%，韓國SKSiltron市場份額占比為10.16%。相較于行業前五大半導體硅片企業，硅產業集團規模較小，占全球半導體硅片市場份