供需格局倒逼半導體矽片及生產設備國產化

一、半導體矽片供不應求，持續量價齊升高景氣

（一）行業重回景氣周期，半導體矽片量價齊升

矽片是最重要半導體製造原材料，佔比達1/3。硅是目前最主要的半導體基底材料，90%以上的半導體晶元產品是用矽片作為基礎材料而製作出來的。矽片也是半導體晶元生產過程中的最重要原材料，在所有晶元製造原材料中的需求佔比長期在33%左右。2016年全球半導體製造材料市場規模達247億美元，其中矽片佔比32%，達到80億美元，是佔比最大的半導體製造材料。

半導體行業重回景氣周期，全年銷售額直逼4000億美元大關。2016年下半年起，全球半導體銷售額開始重回增長軌道，月度銷售額同比增速開始由負轉正，半導體行業進入新一輪景氣周期。截至2017年11月，半導體銷售額已連續14個月超過300億美元，不斷刷新歷史記錄。2017年1-11月全球半導體銷售總額已經達到3671億美元，同比增長21%，SEMI認為全年銷售額突破4000億美元大關基本沒有懸念，到2019年則有望達到5000億美元。

量升：半導體市場與矽片市場存在高度的一致性，半導體銷售額的強勢復甦伴隨著矽片出貨量的同期大增。SEMI 的統計數據顯示，2017年Q3全球半導體矽片出貨量合計達到2997百萬平方英寸，同比增長9.8%，已連續6個季度刷新最高出貨量記錄。2016Q4-2017Q3這一年期間，半導體矽片出貨量達到11597百萬平方英寸，同比增長10.7%，呈現出與半導體市場復甦的高度一致性。

價升：半導體矽片的供需逆轉導致矽片的價格開始了飆漲之路，2017年內，日本信越(ShinEtsu)、SUMCO等全球半導體矽片主要供應商已經連續多次調漲12英寸矽片價格，且漲價趨勢正快速從12英寸矽片向8英寸、6英寸矽片蔓延。SUMCO的12英寸矽片簽約價已提高到每片120美元，相比2016年底的75美元上漲幅度達到60%。環球晶圓、台勝科等硅晶圓廠商2018年首季合約價依舊上揚。

矽片的漲價促使台積電等主要的晶圓代工廠商紛紛傾向與矽片供應商簽訂長期的保量不保價合約，以保證未來的擴產計劃不受影響。而一些規模較小的半導體新進入者，只能通過溢價的方式來爭搶貨源，包括合肥晶合、合肥睿力等，都提出20%的溢價來和台積電爭搶矽片原材料。

（二）12寸矽片佔主流，8寸矽片需求穩中有升

半導體矽片向大尺寸發展，12寸矽片佔據主流。矽片的尺寸越大，單個矽片上可以排布的晶元數量越多，單個晶元的生產成本就越低。在降低生產成本的驅動下，半導體矽片不斷向著大尺寸發展，基本上每十年提升一個台階。目前用於生產的半導體矽片中，12寸（300mm）矽片佔據主流，2016年12寸矽片的市場份額達到78%，且佔比在不斷提升，2020年12寸矽片佔比預計達到84%。12寸矽片市場份額的快速增長主要來自手機等智能終端中的邏輯晶元、儲存晶元需求的快速提升。

8寸矽片需求較為穩定，仍有增長空間。2011-2016年間，8寸矽片的需求都較為穩定，在2000-2100百萬平方英寸中波動，SEMI預計2017-2020年8寸矽片的需求將維持這一現狀。然而事實上隨著汽車電子、工業自動化、以及指紋識別等技術在智能手機上的普及，8寸矽片的市場需求仍有一定的提升空間。

至於其他尺寸矽片，6英寸及以下的矽片市場需求將逐步萎縮，更大尺寸的450mm（18寸）矽片則至少要到2020年才能達到量產的要求，因此未來3年內，12寸矽片佔據市場主流，8寸矽片需求穩中有升的局面仍將持續。

（三）供需格局：供不應求局面將長期持續，量價齊升格局仍將持續

1.供給端：矽片產能彈性小，供給格局將保持穩定

由於半導體矽片產業經歷了多年的低潮期，過剩產能得到消化，目前全球主要的矽片生產商的12寸矽片產能已經全開，難以向上提升，8寸矽片產能還有一定提升空間。新增產能方面，過去幾年矽片生產商幾乎沒有擴產，短期內看不到可以很快達產的產能。且新增矽片產能需要大量的資金投入，1萬片12英寸矽片的月產能需要10-12億元的投資，對於規模較小的矽片提供商來說，它們更傾向於通過現有產能實現盈利，對投資新建產能持謹慎態度。SUMCO等全球領先的半導體矽片生產商具有擴產意向，但新建產能從興建到達產尚需2-3年時間。因此半導體矽片的供給格局比較穩定，在未來2-3年內12寸矽片供給幾乎不會有增長，8寸矽片供給有少量增長，總的來說矽片產能將不會實現顯著的提升。

2.需求端：四大因素促供給端需求增長

需求端來看，四大方面的因素促使半導體矽片的需求進一步提升。

因素一：台積電、三星等全球主要半導體生產商進入高端製程工藝競賽。目前台積電、三星的最先進量產晶元製程已經達到10nm，並繼續往更低製程領域拓展，力求在技術上佔據競爭的優勢。台積電7nm製程已簽下40多家客戶，涵蓋移動通訊、高速運算和人工智慧(AI)等領域，包括蘋果iPhone處理器晶元大單，並計劃於2020年量產5nm製程工藝。三星的7nm製程工藝也在布局中，並計劃於2020年推出4納米製造工藝，瞄準台積電的5納米工藝。

高端製程工藝競賽將進一步加速半導體產品的小製程化，20nm及以下先進工藝在晶圓代工中的比例會越來越高。先進的製程工藝要求將為表面質量更高的12寸矽片帶來巨大的需求，同時先進工藝的較低生產良率也加大了矽片的消耗。

因素二：儲存器市場仍將火爆，廠商擴產帶動12寸矽片需求。DRAM、NAND等儲存器晶元的價格大漲是2017年半導體行業銷售額同比大增的重要因素，ICinsights預計2017年DRAM、NAND銷售額同比增幅達到74%、44%。在儲存器價格維持高位、市場需求仍旺盛的情況下，三星、SK海力士、英特爾等廠商紛紛擴產DRAM與3D NAND，新建產能已陸續投產。儲存器生產主要採用12寸矽片，擴產將帶來12寸矽片需求的進一步提升。

因素三：消費電子、汽車電子、人工智慧、5G、物聯網等行業的新需求導致半導體晶元應用領域快速擴張。以智能手機為例，隨著手機雙攝像頭、指紋識別、人臉識別、無線充電等新功能的普及，單台手機所需的晶元數量快速增加。而汽車電子、人工智慧、物聯網行業近年來呈現快速發展的趨勢，對各類控制晶元和管理晶元的需求呈現高速增長態勢，為半導體晶元的需求帶來了新的增量空間。

因素四：全球範圍內興建晶圓代工廠，勢必提升原材料矽片需求。SEMI預計2017-2020年間，全球將有62座新建晶圓廠投入營運。這62座晶圓廠中，只有7座是研發用的晶圓廠，其他晶圓廠都是量產型廠房。IC insights則預計全球12英寸晶圓廠數量將在2020年達到117座，較2015年增加22座。考慮到中國也在大量投建12寸晶圓廠，2020實際上的12寸晶圓廠數量可能會遠超IC insights的預期。

（1）12寸矽片：消費電子、大數據、雲計算將帶來持續的需求提升

消費電子智能化、高性能化發展提升12寸矽片需求。12寸半導體矽片主要用於生產大批量的、功能複雜的晶元，例如電腦、手機等消費電子產品上的CPU、GPU、CIS等邏輯晶元，以及DRAM、NADA等儲存器晶元。雖然電腦、平板電腦、手機等消費電子產品近年來的出貨量已經基本見頂，但單個產品由於功能的豐富和智能化程度的提高，對於半導體晶元的需求量也隨之提升。例如目前的智能手機，雙攝像頭逐漸成為標配，蘋果手機則掀起了指紋識別、面部識別、無限充電的潮流，此外手機、電腦的處理晶元性能不斷提升，儲存空間和內存不斷增大，這些消費電子產品的發展趨勢都極大的提升了半導體晶元，進而提升了12寸半導體矽片的市場需求。

SUMCO預計到2020年，單台智能手機上用於邏輯處理、圖像處理和儲存的晶元將達到約5.8平方英寸，相較2016年的4.5平方英寸提升近30%，用於智能手機的12寸半導體矽片需求則預計從每月的170萬片增長至每月220萬片。

除了消費電子產品外，物聯網、大數據、雲計算、數據中心等新興行業同樣帶來了對儲存器晶元、邏輯晶元等半導體晶元大量的新增需求。SUMCO預計2016-2020年期間，12寸矽片的月總需求將從530萬片增長至640萬片，增長主要來自於邏輯晶元、DRAM和NADA。

此外區塊鏈技術的發展也使得比特幣等虛擬貨幣的挖礦需求不斷上升，比特幣挖礦晶元進而帶來12寸矽片的新增需求，據報道今年1月比特大陸已經緊急向台積電下單，規模達到10萬片挖礦晶元。

（2）8寸矽片：汽車電子、智能手機、工廠自動化保障需求持續增長

8寸矽片目前主要用於電源管理晶元、功率器件、微控制器等半導體產品的生產。2016年以來，智能手機、汽車電子、工廠自動化行業需求的提升導致8寸矽片的市場需求不斷提高。2017年第二季度起，8寸矽片的需求開始超過產能，8寸矽片的供給開始趨緊。

8寸矽片需求將增長25%。根據SUMCO的估計，2016-2020年間，8寸矽片的需求量將從460萬片/月增長至574萬片/月，增長幅度最大的領域來自於智能手機。但從增長的絕對值上看，汽車電子領域的增長幅度最大，到2020年，汽車電子領域對於8寸矽片的需求將佔到總需求的1/3，工業自動化則將佔27%的需求，位居第二。

8寸矽片在智能手機上的應用主要包括指紋識別晶元和圖像感測器晶元。如今指紋識別在中高端手機中基本標配，在千元機型逐漸開始標配，未來2-3年仍將持續放量，預計2017、2018年全球指紋識別晶元需求量將達10億、12億片，同比增長33%、20%，預計將帶來同樣水平的8寸矽片需求增長。而手機攝像頭功能的不斷豐富，以及雙攝像頭配置的不斷普及，也使得CIS圖像識別晶元的需求高速增長。預計在消費電子和汽車電子的共同驅動下，CIS晶元的市場規模將從2015年的103億美元增長至2021年的188億美元，複合增長率達到10.4%。

汽車正從一個機械產品向電子產品發展，越來越多的電子功能被搭載到汽車上，包括高級駕駛輔助系統（ADAS）、車載娛樂系統、自動制動系統、自動駕駛系統等，涉及到功率半導體、控制晶元、電源管理晶元等多種半導體產品。汽車電子的市場空間預計將從2016年的3000億美元增長至2020年的4000億美元，對8寸矽片的需求也將從115萬片/月增長到1900萬片/月，增長幅度將超過矽片供給增加。

3.半導體矽片供需缺口將進一步擴大，矽片價格繼續上漲

根據前面的分析，直到2020年，12寸矽片的供給基本不會有大的變化，8寸矽片通過利用部分閑置產能有一定的提升空間，但提升幅度有限，總的來說半導體矽片的供給將維持穩定。而下游智能手機、汽車電子等行業需求的不斷提升將導致半導體矽片的需求同步提升。

2017年Q2起，半導體矽片市場已經出現了供不應求的情況，未來三年內半導體矽片的供不應求將是常態化現象，且供需缺口有不斷擴大的趨勢。SUMCO預測2018年12寸矽片的供需缺口將達到80-90萬片/月，8寸矽片需求缺口將達到20-25萬片/月。

目前許多半導體晶元生產商通過使用庫存矽片的方法應對短期矽片材料的缺口，長期供給則通過於矽片生產商簽訂長期協議的方式，且協議基本上都採用保量不保價的形式，可以預見未來幾年矽片市場都將是賣方市場，矽片生產商將不斷上漲矽片價格來應對供需的失衡。作為下遊客戶的晶圓代工廠等晶元生產商，則只能被動的接受價格，並將價格轉移至其下遊客戶，事實上今年一季度台積電等主要的晶圓代工商已經將代工價格提升了5%-10%。

二、中國矽片市場：海外廠商壟斷+供需缺口擴大，矽片國產化勢在必行

（一）海外廠商壟斷半導體矽片市場

半導體矽片生產對於純凈度、加工精度有極高的要求。目前最先進的半導體晶元量產製程已經達到10nm級別，意味著相鄰線路間只有10個原子的間距，是頭髮寬度的一萬分之一。要保證最後的產品能實現預定的功能，半導體矽片的純凈度和表面平整度都要達到很高的標準。

生產過程方面，晶體生長步驟必須保證晶棒內部晶向的完全一致性，從原子層面防止內部缺陷的產生，其後的打磨、拋光等過程，則要實現矽片表面的完全平整，用於最先進位程的矽片要達到表面的高度差不超過百分之一納米。

純凈度方面，首先作為矽片生產的原材料多晶硅，其純度要達到99.9999999%（9個9），最先進的製程工藝則要達到99.999999999%（11個9）的純度，而光伏矽片只需達到5-7個9的純度。另外在矽片生產完成後，還需對矽片進行嚴格的清洗步驟，保證表面微粒大小小於百分之一納米水平，雜質含量小於百億分之一的水平。

半導體矽片行業呈寡頭壟斷格局，海外廠商佔據9成以上份額。半導體矽片生產的嚴苛要求導致該行業具有很高的技術和資金壁壘，全球範圍內只有少數企業具有大量提供半導體矽片的實力和能力。目前日本信越半導體（Shin-Etsu）、日本勝高科技（SUMCO），台灣環球晶圓（Global Wafers,2016 年收購美國SunEdison Semiconductor 後市場份額躍居第三），德國Siltronic，韓國LGSiltron 五家企業佔據半導體矽片92%的市場份額，形成寡頭壟斷的市場格局。在300mm（12寸）大矽片上，以上五家企業的壟斷形式更加明顯，佔據近98%的市場份額。

半導體矽片市場份額超9成被海外廠商壟斷。矽片是半導體生產所需的重要材料，佔到各類材料價值比重的32%。相比於光伏矽片，半導體矽片在硅材料的純度，材料的切割、打磨等加工過程的精度方面有更為嚴苛的要求，對於矽片生產商形成了很高的技術壁壘。目前全球半導體矽片供應呈現寡頭壟斷的競爭格局，日本信越半導體、勝高科技，台灣環球晶圓，德國Siltronic，韓國LG五家企業佔據半導體矽片92%的市場份額。在300mm（12寸）大矽片上，以上五家企業的壟斷形式更加明顯，佔據近98%的市場份額。

（二）國產大矽片自給率低，晶圓廠密集投建進一步擴大供需缺口

國內企業僅少數能提供8寸矽片，12寸矽片尚無量產能力。目前中國大陸小尺寸的4-6寸矽片（含拋光片、外延片）的年產量已經達到5200萬片，基本上實現了自給自足。但是受制於硅材料純度和大矽片的生產良率，僅有浙江金瑞泓、崑山中辰(台灣環球晶圓)、北京有研總院、河北普興、南京國盛、中國電科46所以及上海新傲等數家廠商具有量產8寸矽片及外延片的能力，12寸矽片目前只有上海新昇為中芯國際等代工企業提供少量的樣片和測試片，尚無大規模量產的能力。

國內大矽片存在巨大供需缺口。國內8寸矽片的合計產能為每月23.3萬片，而8寸矽片需求則達到80萬片/月，2016年我國生產的8寸矽片數量僅為120萬片，只滿足了12.5%的國內需求，2017年產能利用率有所提高，但即使產能全開也僅能實現30%的自給率，缺口部分依賴進口。12寸矽片的國內需求則達到約50萬片/月，完全依賴進口來滿足需求。

中國大陸將迎來晶圓產線建設高峰期，矽片供需缺口將進一步擴大。根據SEMI的預測，2017-2020年間，全球將有62座新建晶圓廠投入營運，其中26座將位於中國大陸，佔新增晶圓廠的比重達42%。目前已經統計到有近30條晶圓產線的建設規劃，其中17條已經開工建設，將在未來幾年內陸續投入運營。而半導體行業的高景氣度和中國大力發展半導體產業的決心預計將帶來更多的晶圓產線規劃，並促使更多的晶圓產線從規劃轉為落地。在晶圓產線建設大潮到來的背景下，國內半導體矽片的供需缺口勢必將進一步擴大。預計國內8寸矽片需求到2020年將提升至120萬片/月，增長50%。而12寸矽片需求將達到150-200萬片/月，是目前的3-4倍。

（三）供需格局倒逼半導體矽片國產化，上游材料自主可控勢在必行

上游硅材料的自主可控是我國半導體產業發展的必經之路。矽片是半導體產業發展的基礎材料，若是不能保證矽片材料的自主可控，我國大力發展的半導體產業將時刻面臨材料短缺、產業鏈斷裂的威脅，美國、日本、韓國、台灣等地區都具有自主的矽片生產能力。目前信越、SUMCO等半導體矽片巨頭與三星、英特爾、台積電等半導體生產巨頭都已具有長期合作的基礎，且能保證數額較大的需求量，因此在產能有限的情況下，矽片巨頭會優先給台積電等廠商供貨。17年5月就出現了SUMCO砍掉武漢新芯的訂單，優先供給台積電、英特爾、美光等大廠的事件。在未來供需格局進一步緊張的情況下，國內晶圓製造商可能必須通過提價的方式才能拿到足夠的矽片貨源，然而並不能保障充足的供應，也會增加自身的成本，唯一的解決辦法是實現半導體矽片材料的自主生產、自主可控。

緊張的供需格局倒逼半導體矽片國產化，國產項目陸續上馬。2017年以來，中國大陸陸續已有十個國產矽片項目公布規劃，並有數個項目已開工建設，部分項目已經具有一定的8寸矽片產能。12寸矽片方面，上海新昇的300mm大矽片17年二季度已經開始向中芯國際等晶元代工企業提供樣片進行認證，並有擋片、陪片、測試片等產品實現銷售，目前測試線產能為1萬片/月，預計在2018年將月產15萬片300mm大矽片，未來會擴大產能至月產60萬片，將填補我國12寸大矽片生產的空白。

這些國產矽片項目已公布的產能規劃達到185萬片/月的8寸矽片，以及144萬片/月的12寸矽片，若能順利實現量產，將極大程度上緩解國內矽片依賴進口的局面，並使國內半導體產業具有一定的矽片自主保障能力。

三、矽片國產化帶來超200億設備需求，單晶爐獨佔55億

（一）矽片生產設備梳理：單晶爐等核心設備已實現國產化

半導體矽片的生產流程包括拉晶—>滾磨—>線切割—>倒角—>研磨—>腐蝕—>熱處理—>邊緣拋光—>正面拋光—>清洗—>檢測—>外延等步驟。其中拉晶、研磨和拋光是保證半導體矽片質量的關鍵。涉及到單晶爐、滾磨機、切片機、倒角機、研磨設備、CMP拋光設備、清洗設備、檢測設備等多種生產設備。

1、拉晶：直拉法是主流，國內已實現單晶爐國產化

將多晶硅拉製成單晶硅棒主要有兩種技術工藝，直拉法（CZ法）和區熔法（FZ），區熔法得到的矽片純度更高，但成本更高，矽片尺寸偏小（只能生產150mm以下），主要用於功率器件矽片的生產。目前90%以上的半導體矽片通過直拉法生產。

拉晶步驟是半導體矽片生產過程中的關鍵步驟，很大程度上決定了矽片的質量。拉晶過程中用到的設備是單晶爐，單晶爐由爐體、熱場、磁場、控制裝置等部件組成，其中控制爐內溫度的熱場和控制晶體生長形狀的磁場是決定單晶爐生產能力的關鍵。

國內公司中，晶盛機電、理工晶科、南京晶能是領先的半導體硅生長設備單晶爐提供商。其中晶盛機電承擔的02專項「300mm硅單晶直拉生長設備的開發」、「8英寸區熔硅單晶爐國產設備研製」兩大項目，均已通過專家組驗收。晶盛的8寸直拉單晶爐和區熔單晶爐均已實現了產業化，為有研半導體、環歐半導體、金瑞泓等國內知名半導體矽片生產商累計供應了幾十台設備。晶盛的12寸直拉單晶爐也已經可以滿足工業化量產的要求，預計將為國內大矽片項目供貨。南京晶能則率先實現了12寸直拉單晶爐的國產化，為新昇半導體的國產大矽片項目累計供了三台設備，連續數月穩定運行，其技術先進性、使用節能性等指標甚至超越了國外設備，後續的訂單也在洽談中。

2、磨、切、倒角設備：已部分實現國產化

晶棒加工完成後，需要將晶棒切割成預定厚度的矽片。8寸晶棒的切割一般採用內圓切割機，通過內圓刀片上的金剛石塗層進行切割。由於切割刀片的直徑太大會使得刀片容易發生變形，因此12寸矽片一般使用多線切割技術，採用金剛線與砂漿進行切割，多線切割不僅可以實現大直徑矽片的切割，而且切割損耗低於內圓切割技術。矽片切割完成後，需要對矽片進行倒角處理，通過倒角機對矽片的邊緣進行研磨，得到光滑的矽片邊沿。

矽片的切片機和倒角機對於切割研磨的精度控制和穩定性有很高的要求，目前只有中電科45所能提供部分切片機產品，主要還是依賴於進口產品。

3、研磨拋光設備：矽片質量的重要保障設備，已開啟國產化進程

矽片的表面完整度和平整度直接影響後續生產的良率和質量，因此需要通過研磨、腐蝕、拋光等工序對矽片表面進行深度加工。

研磨、拋光設備已開始國產化進程。半導體矽片的研磨和CMP拋光設備同樣對於精度和穩定性有極高的要求，否則很難使矽片都達到預定的厚度。目前半導體矽片研磨設備和CMP拋光設備主要依靠進口，但已經開始了國產化的進程。晶盛機電已與美國知名拋光設備提供商Revasum公司就200mm矽片相關設備達成合作共識，其中8英寸拋光機計劃於2018年推出市場，未來有望將產品拓展至12英寸拋光設備。

（二）設備空間：未來三年合計空間達220億，單晶爐空間達55億

半導體矽片的國產化進程將帶來巨大的生產設備投資需求，我們通過以下模型測算2017-2020年間，半導體矽片的國產化帶來的設備需求空間。

關鍵假設：

1.每台單晶爐月產矽片1萬片。

2.調研了解到，矽片廠商在做設備投入時，會考慮多投30%的設備做為待機設備。

3.2020年12寸矽片國內需求量200萬片/月，國內供給量120萬片/月；8寸矽片國內需求量120萬片/月，國內供給量100萬片/月。

測算結果：

根據我們的模型測算，2018-2020年間8寸、12寸半導體矽片的國產化將帶來合計達到55億元的單晶爐設備需求，設備總需求空間則達到220億。分年份看， 2019、2020年對應較高的設備投資需求，考慮到項目方會提前進行設備採購，2018年預計就將有較大的實際設備投資需求。

各類設備中，單晶爐佔據最大的需求空間，然而其他種類設備的合計空間仍然不可小覷，尤其是尚未實現國產化的設備，一旦國產化進程獲得突破，預計將快速佔據國內市場份額。

此外，該模型的測算還有一隱含假設，即投產的國產化矽片項目以100%的產能進行供貨，實際上隨著羊群效應導致越來越多的國產矽片參與者進入市場，名義建設產能極有可能高於實際市場需求，那麼各矽片供應商的實際產能利用率預期將低於100%，進一步提升矽片生產設備的需求空間，即新進入者的不斷進入市場將持續提升矽片生產設備的行業天花板。