行业研究 | 半导体材料发展情况与行业细分现状

半导体材料发展现状

半导体产业逻辑分为半导体产业上游的半导体原材料、半导体生产设备，半导体产业中游的IC设计、芯片制造、芯片封装以及芯片产业下游的手机、通讯、电脑等电子信息设备等产业。

图 1半导体产业生产逻辑

半导体原材料加工的好坏、大小都会影响到所有下游应用端的性能，因此，半导体材料在整个产业链中有着及其重要的地位。

据WSTS统计，全球半导体销售额2021年6月达到445.3亿美元，环比增加2.1%，同比增长29.2%，创下单月销售额历史新高。

图 2 全球半导体销售额及同比增速

数据来源：WSTS

不同机构在给出的半导体市场增速有所不同，给出的预期均超过10%以上。

图 3 全球半导体市场各机构预测情况

数据来源：IC Insight，Gartner，Semiconductor Intelligence

全球半导体行业由于受到相关行业如智能手机、智能汽车，电脑等相关行业的影响，预测也有所提升，所需要的半导体也呈指数型增长。

图 4 全球相关半导体市场指标预测

数据来源：SIA，Electronic Weekly，IDC，IMF，Canalys，HIS Markit

未来预期的增加推动了相关资本对半导体行业的投入，根据IC Insight数据显示，在2021年飙升36%后，半导体行业资本投入预计将在2022年继续跃升至24%，达到190.4亿美元的历史新高，与2019年前进行对比，三年增长了86%。此外，如果资本持续投入增长保持在10%以上，到2022年底，这将是自1993-1995年以来半导体行业首次出现三年两位数的投入增长，如图5所示。由于疫情期间供应链产能紧张，电子行业在许多情况下，对当前的需求反弹毫无准备。高需求推动了相关制造业的发展，据IC Insight统计，现有行业中相关设备的利用率达到90%以上，一些半导体生产厂运营率达到100%，预测2021年-2022年规模将达到344.3亿美元，未来半导体行业将迎来新的增长周期和普及周期。

图 5 世界半导体资本注入情况

数据来源：IC Insights

2021年全球半导体材料市场规模创新高，中国大陆需求占比18.6%。根据国际半导体产业协会（SEMI），强劲的下游需求及晶圆产能的扩张驱动2021年全球半导体材料市场规模同比增长15.9%达到643亿美金新高。其中晶圆制造材料和封装材料市场规模分别为404亿美金和239亿美金，同比增长15.5%和16.5%。晶圆制造环节中的硅片、化学品、CMP和光掩膜环节是增速最快的几大领域，而硅片也是晶圆制造中成本占比最高的环节，市场规模超过130亿美金。

各地区对晶圆等原材料投入持续加码，根据SEMI最新一季全球晶圆厂预测报告（World Fab Forecast）中指出，按地区来看，2022年中国台湾为今年晶圆厂设备支出领头羊，总额较去年增长56％来到350亿美元；韩国则以增幅9％、总额260亿美元排名第二；中国大陆175亿美元，相比去年高峰下降30％。欧洲及中东地区今年支出可望创下该区历史纪录，达96亿美元，总额虽然不比其他前段班地区，但同比增长248％。预计中国台湾、韩国、东南亚在今年的设备投资额都将创下新高，报告中也指出美洲地区晶圆厂设备支出明年将攀至高点达98亿美元。

按地区区分，中国大陆的半导体材料营业收入在不断提高，同时产能也在不断提升。

图 6 2020年2022年分地区半导体材料市场营收及增长率

数据来源：SEMI，国盛证券研究所

图 7 半导体晶圆制造材料份额占比分布

数据来源：SEMI，国盛证券研究所

半导体材料行业细分现状

硅是半导体行业中最重要的材料，约占整个晶圆制造价值的三分之一，整个芯片的基底材料。目前，约占90%以上的集成电路芯片是用硅片作为衬底制造出来的，整个半导体材料就是建立在硅材料之上的。

2.1.1. 硅料

硅存在三种结构，非晶体多晶体以及单晶硅三种结构，而硅料一般为非晶体，常见材料为硅酸盐及二氧化硅，是作为常见半导体芯片、光伏电池板的主要原材料。

图8硅的三种晶体状态

国内硅原料价格在经历一段时间低迷之后，受到芯片紧缺及疫情的持续影响，价格开始升温，根据现有价格进行预测拟合，预测未来硅原材料的价格将会达到新高。

图 9国产硅料的平均价格及增长率

数据来源：wind

每周国产硅料市场价格在经过几年的低迷后，在2019年后价格持续增加，根据走势进行相关模型的预测，未来将达到更高的节点，硅料市场也会迎来新的突破。

图10每周国产硅料市场价走势及预测线

数据来源：wind

2.1.2. 多晶硅

多晶硅，也称为高纯硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面，两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。

但是多晶硅多用于光伏产品以及一些低端电子材料，在芯片上只能作为单晶硅的直接原材料，也是基础材料。

图11多晶硅锭

图 12国产多晶硅（一级料）平均价格

数据来源：wind

图13国产多晶硅料每周现货价格及预测趋势线

数据来源：wind

2.1.3. 单晶硅

制作单晶硅晶棒的原材料是多晶硅。另外生产单晶故棒还需加入掺杂物，依据半导体原件应用上的各种不同的电性要求，掺杂物的种类和浓度均有所不同。当多晶硅原材料与掺杂物加入石英坩埚内后，抽真空后加入氩气，然后加热至熔化温度，当硅溶液稳定后，将晶种浸入溶液表面使熔融硅按照晶种的晶格方向生成晶体，成为单晶硅。

图14单晶硅棒

单晶生长分为直拉（CZ）法和区熔（FZ）法，直拉法是目前主流的生长方法，占据 90%市场。

1、直拉法：工艺成熟，更容易生长大直径单晶硅，生长出的单晶硅大多用于集成电路元件。

2、区熔法：由于熔体不与容器接触，不易污染，因此生长出的单晶硅纯度较高，主要用于功率半导体。但区熔法较难生长出大直径单晶硅，一般仅用于8寸或以下直径工艺。

图 15 CZ法拉单晶硅炉

数据来源：Introduction to semiconductor technology，申港证券研究所

图 16 区熔法晶体生长

数据来源：Introduction to semiconductor technology，申港证券研究所

常见的8英寸、12英寸晶圆，是直径为200mm或者300mm晶圆片的简称，而下一代晶圆直径将达到18英寸，消耗的技术和资金都会达到一个新的高度。大尺寸晶圆片是晶圆片未来发展的趋势，经过不断的技术革新与研发探索，晶圆尺寸从1970年的50mm，增长到如今的300mm。而不断的增大晶圆片尺寸带来的优点有两个：

单片晶圆片片制造的芯片数目越多：在同样的工艺条件下，300mm半导体晶圆片的可使用面积超过200mm晶圆片的两倍以上，可使用率（衡量单位晶圆可生产的芯片数量的指标）是200mm晶圆片的2.5倍左右，大尺寸晶圆片上能制造的芯片数目更多；

利用率更高：在圆形晶圆片上制造矩形的晶圆片会使晶圆片边缘处的一些区域无法被利用，从而带来部分浪费，随之晶圆尺寸的增大，损失比就会减小。

但是其对晶圆的良率控制上有较大的要求：有竞争力的企业一般良率在90%以上。在对未来相关待投资公司研判时，需要重点研究其制造晶圆的直径以及相关设备的投入产出比。

图 18 晶圆硅片大小发展历程

数据来源：上海证券研究所

图 19 不同尺寸下晶圆的对比

在晶圆片生产的过程中会经历了多晶硅的采购、晶体的烧结、晶体加工与抛光、晶体的清洁与检查，最后是晶体的包装与运输。在这个过程中都会需要不同的物质基础。

图 20芯片晶圆片生产流程

图 21硅片拉晶具体流程图

数据来源：中欣晶圆官网

具体流程工艺的解释：

线切割：将晶棒切成晶圆片。

倒角：可使硅片边缘获得平滑的外周线(根据性能要求选择不同形状)，防止热应力集中和晶圆片破裂。

研磨：主要是去除切片的印痕，去除表面加工的损伤，缩小片与片之间的厚度差，使同一晶圆片各处厚度均匀。

腐蚀：分为酸腐蚀和碱腐蚀(根据产品性能和客户要求选择)，其目的是为了进一步去除掉研磨未完全去除的损伤层以及提高晶圆片平坦度。

热处理：主要是稳定或者消除晶圆片内游离的氧(施主杂质会影响晶圆电阻)。本处理与产品性能有关属于可选流程。

抛光(边缘/表面)：边缘的精密平滑可以防止热应力集中和增加外延层/光刻 胶层在晶圆片边缘的平坦度;表面抛光是为了改善前制程所留下的微缺陷并获得 局部平坦度极佳的晶圆片。

清洗：利用湿式化学洗净技术(RCA)以及干式清洗技术和气相清洗技术去除表面颗粒、有机物、金属等异物。

检测：利用表面检测设备对已制备的抛光片进行检测筛选，以便输送合格的抛光片。

包装/出荷：按照标准进行包装后出荷。

图 22 晶圆片外延生长过程

数据来源：北京大学纳米化学研究中心北京分子科学国家研究中心北京大学化学与分子工程学院

晶圆片制作过程中需要消耗大量能源与材料，同时在设备要求，人员管理以及检查存储上都有较高的要求，因此，在建设晶圆生产厂时，需要大量资金、人才以及配套设备，并且不同晶圆尺寸，在工艺及资源投入上都有所不同。

图 23 高精质晶圆片批量生产过程

数据来源：北京大学纳米化学研究中心北京分子科学国家研究中心北京大学化学与分子工程学院

对晶圆片的技术指标要求也比较严格，要有竞争力，以沪硅产业12寸产品参数作为标准，细节如下:

数据来源：沪硅产业IPO招股说明书

需达到以上水平才能达到世界平均水平。因此，在未来投资过程中，对产品的品控要求良品率都有比较高的要求。

2021年半导体市场规模超预期增长，且未来随着晶圆厂逐步投产，行业产值有望在2030年超过万亿美元市场。从需求端来看，以汽车、工业、物联网、5G通讯等代表的需求驱动驱动全球半导体产业进入“第四次半导体硅含量提升周期”。根据SEMI，2021年全球半导体产值有望超过5500亿美元，达到历史新高，且在2022年根据SEMI对于行业资讯机构的统计，平均对于2022年的增长预期将达到9.5%，即2022年市场规模有望突破6000亿美元（此为平均值）。此外随着全球8寸及12寸晶圆新产能逐步的在2022年至2024年的投放，至2024年全球将会有25家8寸晶圆厂投产，60座12寸晶圆厂投放。随着该85座晶圆厂的投放，至2030年全球半导体晶圆市场将有望达到万亿美元市场，实现年复合增长率约7%。

图 24 晶圆材料全球销售额

数据来源：iFinD

全球硅片出货量呈逐年稳定上升的态势，除了2019年与2020年受贸易战与疫情的影响，略微有所下降，在2021年时，出货量大幅回升并呈现增长态势。

图25全球每年硅片出货量（百万平方英尺）

数据来源：iFinD

全球半导体硅片市场集中度很高，CR5接近90%。2020年全球排名前五的半导体晶圆硅片厂商分别为日本信越化学、日本 SUMCO、中国台湾环球晶圆、德国 Siltronic、韩国 SK Siltron。由于半导体硅片行业具有技术难度高、研发周期长、资金投入大、客户认证周期长等特点，境外硅片龙头占据先发优势，300mm硅片早就进入量产商业化阶段，而国内300mm硅片才刚刚起步，国内晶圆市场占有率不足世界市场的10%，如图26所示。此外，中国的半导体硅材料行业生产水平与国际企业的先进生产水平差距很大，目前，我国半导体硅材料产业只能满足国内企业对150mm以下硅外延片以及重掺硅外延衬底片的需求以及部分满足国内企业对高阻抛光硅片的需求，国内企业所需的200mm和300mm硅片几乎全部需要进口。一边是快速增长的200mm和300mm市场，另一边是国内企业的几乎为零的市场占有率，两者的反差十分巨大。结合地缘政治以及国际关系的不确定性，国家将持续加快晶圆、芯片的国产化程度，国内关于晶圆生产的布局也将加快。

图 26 半导体晶圆市场格局（2020年）

各产商认识到晶圆片生产的重要性，在晶圆设备的投入急剧上升。2021年进口数量与进口金额增长率达到50%以上。其对设备及其他投入要求较高，投入产出需达到一定水平才能达到一定的竞争力。

图 27 晶圆片厂一般的投入产比比

数据来源：wind，国盛证券研究所

图28进口制造单晶柱或晶圆的主要机器及装置数量

数据来源：wind

图29制造单晶柱与晶圆的机器设备进口金额

数据来源：wind

表 1 中国大陆未来对晶圆需求情况

数据来源：集微网

中国晶圆代工厂商在未来的扩产规划将会十分巨大，8寸的产能将在未来实现从当前74万片/月增长至135万片/月，12寸产能将从当前38.9万片/月增长至145.4万片/月，分别将实现82%及274%的增长，将会直接带动晶圆片的需求。从产能的扩张的结构来看，12寸晶圆的增速将会远超过8寸晶圆，并未来中国的产能制程结构将会逐步升级，带动更大的半导体材料用量的弹性增长，投资12寸以上高精密晶圆才会有成长空间，8寸晶圆在一定程度上可能会逐渐淘汰，除非再次出现产能危机，8寸晶圆生产工序才可能会重启。

图 30 国内如今晶圆制造、代工布局

中国相关产业不停扩建，对晶圆材料的需求也逐步放大。