大硅片國產替代序幕已開啓

來源:內容來自「未來智庫」,謝謝。

半導體材料在不斷進化,但硅材料仍爲主流。半導體產品被廣泛應用於各類電子產品中, 其重要性不言而喻。半導體材料作爲製造基礎,至今已發展到第三代。根據發展歷史, 第一代半導體是“元素半導體”,典型如硅基和鍺基半導體。得益於第一代半導體材料 應用,集成電路產業得以快速發展。第二代半導體材料是化合物半導體,以砷化鎵、磷 化銦和氮化鎵等爲代表,其促成信息產業崛起;而第三代半導體材料主要包括碳化硅、 氮化鎵、金剛石等,其具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等 優點,成爲下一代信息技術的關鍵之一。雖然半導體材料已經發展到第三代,但由於制 備工藝、後續加工及原料來源等因素影響,硅材料依然是主流半導體材料。

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不同應用場景對硅純度要求有所不同。硅極少以單質的形式存在於自然界中,但在岩石、 砂礫、塵土之中其以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在。在地殼中,硅是第二豐富的元 素,其構成地殼總質量的 26.4%。所以,硅來源較爲廣泛,在生產中較爲容易獲取,進 而解決硅片製備所需原料的問題。目前,多晶硅純度從 99.9999% 至 99.999999999%(6-11 個 9)不等,根據使用場景對於純度要求有所差異,其中太陽能 (3.340, 0.02, 0.60%) 光伏級多晶硅純度要求 較低,而電子級多晶硅純度則要求較高。多晶硅經過進一步加工製造可製得單晶硅,單 晶硅是硅片上游材料。
硅片在晶圓製造材料中佔比最大。晶圓製造是半導體產業中重要一環,生產過程中會涉 及多種材料。據 SEMI,2018 年全球半導體材料銷售額達到 519 億美元,增長 10.6%,其中晶圓製造材料和封裝材料的銷售額分別爲 322 億美元和 197 億美元,同比增長率分別 爲 15.9% 和 3.0%。根據細分產品銷售情況,2018 年硅片佔晶圓製造材料市場比值爲 38%, 比重爲相關材料市場第一位。所以,硅片作爲半導體生產重要原材料之一,硅片製備技 術將對半導體產業發展產生一定的影響。

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半導體硅片生產

根據硅片生產流程,首先通過提純硅氧化得到多晶硅,其後通過單晶硅生長工藝得到硅片原始材料單晶錠,再通過切片、研磨、拋光等硅片製造工藝得到拋光硅片。通過對拋 光硅片進行特殊工藝處理,可得到退火片、外延片等具備特殊性能硅片。

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單晶硅生長技術是關鍵技術之一
直拉法生長技術是目前較爲主流長晶工藝。單晶硅是由單一籽晶生長的單晶體硅材料, 它具有晶格完整、缺陷和雜質很少等特點。根據單晶硅生長方式進行分類,可將其分爲區熔單晶硅(FZ-Si)和直拉單晶硅(CZ-Si),其中所涉及的工藝爲區熔法和直拉法。相較於區熔法,直拉法能支持 12 英寸等大尺寸硅片生產,而區熔法則用於 8 英寸及以 下尺寸硅片生產。所以,直拉法是目前較爲主流長晶工藝。
直拉法主要工藝包括多晶硅原料裝料、多晶硅融化、種晶、縮頸、放肩、等徑生長和收 尾等。直拉法制備工藝是通過加熱放置於坩堝內的多晶硅原料使其成爲溶液,並通過安置在爐體上方的籽晶軸,使得單晶晶種能與硅溶液進行接觸。通過籽晶軸轉動和上下移 動,硅液會沿着籽晶表面凝結和生長,最終形成單晶錠。隨着直拉法工藝不斷深入,基 於基礎工藝的新工藝在持續開發,目前已開發出磁控直拉單晶生長、連續加料直拉單晶 硅生長和重裝料直拉單晶生長等工藝。

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在直拉單晶生長過程中需要添加不同元素以滿足不同需求。爲滿足不同器件製備的要 求,在晶體生長時需要摻入微量電學性的雜質(摻雜劑)。其中 P 型半導體,硼(B) 是最常用的摻雜劑;而對於 N 型半導體,磷(P)、砷(As)和銻(Sb)都可以作爲摻 雜劑。除摻雜劑外,一般情況下在直拉過程中需要避免雜質引入,否則將影響單晶硅、 器件的性能和質量。由於單晶硅生長情況對於硅片生產影響較大,所以單晶硅生長技術 在硅片生產中是關鍵技術之一。總結:單晶錠是硅片生產原料,目前生產單晶錠以直拉法爲主。在生產過程中通過添加 不同的摻雜劑以製備具有不同性能的半導體,但需要對其他雜質進行嚴格管控,否則成 品質量將受到影響。所以,單晶硅生長技術在硅片生產中是關鍵技術之一。
從“錠”到“片”
硅片製造工藝實現從“錠”到“片”轉換。當完成單晶硅生長工藝後,需要通過硅片製造技術來實現硅片生產。根據生產流程,單晶硅錠需要通過切斷、切片、研磨、拋光、 清洗五大步驟從而得到拋光硅片。其中,通過切斷得到適合切片的晶棒;切片是將晶棒 切成具有一定厚度和平整度的硅片;研磨工藝,可去除硅片切片表面殘留的損傷層,並使硅片具有一定的幾何精度;拋光工藝,通過化學和機械作用,去除硅片表面殘留的微 缺陷和損傷層,獲得硅拋光片;硅片清洗是去除硅片表面各種沾污。通過這一系列加工 工藝後,可得到拋光硅片。
通過對拋光硅片進行特定工藝處理可得到具有特殊性能硅片。拋光硅片是目前應用範圍 最廣、最基礎的硅片,以拋光片爲基礎進行二次加工可得到具有特殊性能的硅片。退火片製作工藝是一個升溫再降溫的過程,通過將拋光片置於氫或氬氣中加熱,隨即進入到 退火過程。與拋光片相比,其表面含氧量大幅減少,從而擁有更好的晶體完整性。外延 片通常採用化學氣相沉積(CVD)技術,反應原理爲硅的氣態化合物在硅片表面發生反 應,並以單晶薄膜的形態沉積在硅襯底表面。SOI 硅片具有三層結構,自上而下分別爲 頂層硅片(SOI 層)、氧化層和硅襯底;目前,氫注入剝離鍵合技術(Smart-Cut)、硅 片直接鍵合技術(SDB)和注氧隔離技術(SIMOX)是三個最具有競爭力的 SOI 製備技術;由於 SOI 硅片具有氧化層,從而減少硅片的寄生電容以及漏電現象。具有特殊性能的硅 片能滿足不同應用場景需求,是半導體產業中不可或缺的一部分。

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半導體硅片持續進化

由於拋光片是應用最爲廣泛的硅片,所以下文均以拋光片爲討論主體。
硅片向大尺寸迭代
大硅片成爲發展趨勢。隨着單晶硅製造技術提升,硅片的尺寸在逐步提升。硅片尺寸從 最初 2 英寸,到 4 英寸,5 英寸,6 英寸,8 英寸,再到 12 英寸,其尺寸在持續增加。目前,硅片發展史具有多種表述。其中,據 SEMI 相關產品數據,4 英寸硅片產生於 1986 年,6 英寸產生於 1992 年,8 英寸產生於 1997,12 英寸產生於 2005 年。而行業內根據 各尺寸硅片市場佔比情況進行劃分,4 英寸、6 英寸和 8 英寸分別爲 1980 年代、1990 年 代和 2000 年代佔據主流位置;而 12 英寸硅片產線是英特爾和 IBM 於 2002 年首先建成, 而到 2005 年 12 英寸產品市場佔比達到 20% 且市場佔比持續增大。根據硅片發展路徑,大尺寸硅片將是行業發展趨勢。

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下一代產品競爭力不足,12 英寸硅片市場份額將有望保持。根據市場佔比情況,在 2017 年 12 英寸硅片市場份額爲 66.1% 且其份額在持續增大。自 2005 年起 12 英寸硅片被大規 模使用以來至今已超過 10 年,在硅片向大尺寸發展的背景下,硅片產品理應進行迭代。18 英寸硅片是下一代技術節點,以英特爾、臺積電等廠商和學校爲首的相關研發專案已 經取得了一定進展,但因不具備生產效益而有所擱置。所以,12 英寸硅片尚未受到產品 迭代所帶來的影響,有望在較長一段時間內保持市場地位。

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生產成本等成爲推動大硅片發展的重要推力。目前,集成電路發展兩條技術主線是硅片尺寸擴大和芯片製程技術提升。其中,硅片尺寸擴大能有效降低成本,而這也成爲硅片 向大尺寸發展的重要推力。以 8 英寸和 12 英寸硅片爲例,12 英寸硅片較 8 英寸在面積 上提升約 2.25 倍。由於可用生產面積擴大,使得單硅片芯片產出數量也有所差異,其 中,8 英寸硅片產出約爲 88 塊,而 12 英寸硅片產出約爲 232 塊,12 英寸硅片產出較 8 英寸硅片提升約 2.64 倍,產出增長較硅片面積增長更多。此外,由於邊緣芯片減少, 產品成品率將上升,使得產出會更高。在芯片生產過程中由於產出更高,使得設備使用 率提升。所以,無論是從產量,還是從設備使用率角度,大硅片能使芯片生產成本下降, 使得晶圓代工廠利潤增厚,從而間接推動硅片向大尺寸發展。
各尺寸硅片滿足各種需求
各種需求促生對不同尺寸硅片需求。不同尺寸硅片在應有場景中有所差異,下游對於硅 片需求主要集中在 8、12 英寸。目前,12 英寸硅片主要應用於製造智能終端中邏輯芯片 和存儲芯片等,而 8 英寸硅片主要應用於汽車電子、工業自動化和指紋識別等集成電路 製造領域,6 英寸及以下尺寸硅片主要應用於低端產品。所以,在不同領域應用不同尺寸的硅片,從而形成不同的需求。

終端市場回暖,需求沿產業鏈傳導

終端市場需求將對產業鏈產生影響。硅片是晶圓製造上游材料,晶圓廠產能情況對硅片 需求將產生影響。根據 SEMI 數據,硅片出貨量存在一定週期性,2019 年硅片出貨量有 所下滑,但情況有望得到好轉。受消費升級和數據流量爆發等因素誘發,終端市場持續 向好,而需求沿着產業鏈向上遊傳遞。在硅片向大尺寸發展的趨勢中,8 英寸和 12 英寸 硅片作爲主流硅片產品,在終端市場帶動下需求將持續擴大。據 IC insights 預計,2020 年半導體總髮貨量將增長 7%,達到 10,363 億個,這將是有史以來半導體總髮貨量第二 次超過一萬億個單位。而在 2020 年半導體出貨量中,預計光電器件、傳感器和分立器 這三項佔 69%,集成電路佔 31%。此外,2020 年增長率最高的半導體細分領域場景包 括智能手機、汽車電子以及人工智能、雲和“大數據”系統、深度學習應用程序。

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英寸硅片需求增長勢頭強勁

12 英寸下游應用場景廣闊。目前,12 英寸硅片在下游產業中廣泛應用,產品大多使用 於製造消費電子芯片。根據 12 英寸晶圓製造精度進行分類,可分爲先進製程和成熟制 程。隨着晶圓廠製程不斷提升,將增加高質量 12 英寸大硅片需求。除晶圓製程提升外, 終端市場向好是拉動硅片需求上升的動力。

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存儲芯片成 12 英寸硅片需求增長重要推力之一
手機換機潮和數據流量爆發增加對 NAND Flash 需求。由於 5G 通信能支持增強移動寬 帶(eMBB)、高可靠低時延連接(uRLLC)和海量物聯(eMTC)三大應用場景,其對 社會發展具備重要意義。所以,各國對於 5G 網絡建設都較爲重視。而對於普通消費者 而言,4G 手機無法支持 5G 網絡,若想使用 5G 網絡其需要對終端設備進行升級。所以, 在通信升級時代將會出現手機換機潮。IDC 預計,2020 年 5G 智能手機出貨量將佔智能 手機總出貨量的 8.9%,到 2023 年,這一比例將增長至 28.1%。根據目前各大手機廠商 所推出 5G 產品數據,大部分手機 NAND 容量爲 128G 起,容量較 4G 手機有一倍的提 升。手機對於存儲芯片需求將會逐步顯現。此外,數據流量爆發將增加數據中心需求, 根據 IDC 數據顯示,2016-2021 年全球數據中心流量複合增速將達 25%;而云數據中心 流量增速將會更快,年複合增長率爲 27%。數據流量爆發使得相關廠商會加大對服務器 等基礎設施投入。由於服務器等基礎設施中需要使用到固態硬盤,而硬盤是 NAND Flash 重要應用場景之一,所以這將會激發 NAND Flash 需求上升。Gartner 預計 NAND 復甦 將在 2020 年繼續,這是由於固態硬盤的強勁需求以及 5G 智能手機的大量增加使低位供 應增長所致。

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存儲芯片推動 12 寸硅片需求。除 NAND Flash 外,DRAM 作爲存儲的一種,前期受到 市場需求不振影困擾,但這種情況自 2019 年下半年已有所改善。DRAM 作爲電子產品 重要組件之一,在 AI 和 5G 兩大應用的拉動下,景氣度有望持續好轉。根據 2018 年 12 英寸硅片下游應用佔比數據,存儲芯片(DRAM、2D NAND、3D NAND)佔比已超過 50%。所以,無論是 NAND Flash,還是 DRAM,在終端設備需求持續向好將會沿產業 鏈傳導到存儲芯片,從而使得晶圓廠對硅片需求上升。
小結:存儲芯片作爲電子產品中不可或缺的一部分,其需求將會隨着終端產品出貨量和 單體使用量上升而增加。此外,存儲芯片在 12 英寸硅片下游應用中佔比超過 50%,所 以其需求增加將沿產業鏈傳導到硅片。
半導體行業持續景氣,12 英寸硅片需求強勁
12 英寸硅片月需求量總體呈現上升趨勢。根據 SUMCO 所發佈數據顯示,自 2005 年 12 英寸硅片大規模應用以來,其每月需求量總體保持上升趨勢。其中,2005 年月需求量約爲 1 百萬片,而 2018 年已超過 6 百萬片。與其他尺寸硅片相比,12 英寸硅片在 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,由於 AI、雲計算、區塊鏈等新興市場的蓬勃發展,12 寸硅片年複合增長率爲 8%。目前受到消費升級等因素刺激,對於 12 英寸硅片需求將有望持續擴大。

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總結:由於受消費升級和數據流量爆發等因素催化,終端設備和基礎配套設備需求將會 上升。除存儲芯片外,電子設備中還包含 CPU、GPU 等高端邏輯芯片,而這些芯片大 多數都依賴於 12 英寸晶圓製造。所以,在終端市場持續向好背景下,12 英寸硅片需求 有望持續增加。

8 英寸硅片再次迎來黃金機會

8 英寸晶圓製造技術依舊保持競爭力。12 英寸晶圓廠進入門檻較高,對於環境和設備等 要求較爲苛刻,所以其產品主要爲精密製程的電子產品。而在製程等要求較低或對成本 較爲敏感的產品,一般使用 8 英寸或 6 英寸硅片進行生產。但隨着 6 英寸產品逐步向 8 英寸轉移,8 英寸晶圓廠將承接部分產品生產需求。此外,由於 8 英寸晶圓已具備成熟 特種工藝,在小尺寸晶粒模擬內容容量或高電壓支持具備優勢,所以對於具備特殊要求 的器件大部分仍以 8 英寸晶圓製造爲主。根據 8 英寸硅片下游應用數據,功率分立器件、 MEMS、模擬、CIS、射頻等產品是主要應用方向。

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新能源汽車、車聯網等拉動汽車電子增長
相較傳統汽車,新能源汽車中功率半導體價值增大。功率器件是分立器的一種,其是專 門用來進行功率處理的半導體器件,其具有承受高電壓、通過大電流的能力,能實現變 壓、變頻、功率管理等各種功能。根據新能源汽車工作原理,電池通過持續向電機輸出, 爲車輛提供動力來源。所以,在新能源汽車中會使用到大量電力設備,其中功率半導體 即是重要一環。根據 Strategy Analytics 分析,在傳統內燃機車上,功率半導體裝機價值 爲 71 美元,佔據車用半導體總價值的 21%; 而對於混合動力車,則在傳統內燃汽車基礎 上新增的功率半導體價值爲 354 美元,佔據新增總價值的 76%; 在純電動車上,功率半導 體價值爲 387 美元,佔據車用半導體總價值的 55%。根據相關數據測算,傳統汽車和純 電車車用半導體價值分別約爲 338 美元和 703 美元。所以,除功率半導體價值上升外, 汽車電子價值也在上升。
新能源汽車市場火爆。目前,各大車企紛紛佈局新能源汽車並計劃在未來推出一定數量 新能源汽車。而電動車巨頭特斯拉在電動車領域已取得一定成就,其在全球範圍內已經 建成投產 2 座整車組裝超級工廠,其 2020 年目標交付量爲 50 萬輛。新能源汽車熱潮已 經席捲全球。根據中國汽車工業協會所公佈數據,中國新能源 (3.820, 0.08, 2.14%) 汽車銷售量總體呈現上升 趨勢並在 2018 年突破 100 萬輛。隨着新能源汽車加速推出市場,新能源汽車滲透率有 望逐步提升。

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汽車電子除受新能源汽車拉動外,車聯網將成爲拉動汽車電子增長的強大拉力。汽車電子是車聯網的基礎。車聯網是由車輛位置、速度和路線等信息構成的巨大交互網 絡。車聯網的實現需要通過多個數據採集器對車輛信息進行採集,並通過網絡將數據傳 輸到中央處理器進行處理,從而實現數據的分析和處理並做出響應決策。數據收集是車聯網中第一步,而其需要通過數個傳感器協同工作來進行採集。所以,車聯網落地將會 增加汽車電子使用量。

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工業物聯網
5G 通信爲工業互聯網注入新活力。對於工業而言,加工準確度和精度是兩個較爲重要 指標。所以,工業互聯網中時延將成爲決定產品品質的重要因素之一。此外,由於涉及 多種設備協同作業,在連接密度方面也有所要求。而 5G 通信具有低時延、高連接密度 等特點,能爲工業互聯提供通信保障。所以,工業互聯網在 5G 加持下,其適用性將會 有所加強。根據 GSMA 預測,到 2025 年,工業互聯網產值將達到 3710 億元,佔世界 GDP 的 0.34%。

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工業互聯網將拉動工業半導體需求。2015 年國務院印發《中國製造 2025》,其中明確 提到堅持走中國特色新型工業化道路,以加快新一代信息技術與製造業深度融合爲主 線,以推進智能製造爲主攻方向,促進產業轉型升級。智能製造是重點工作之一,而工 業互聯網是實現智能製造的關鍵基礎設施。爲實現目標,對製造業進行升級必不可少。由於自動化、機器人 (14.080, -0.03, -0.21%) 等設施在我國製造業中滲透率不高,所以對基礎設施升級將是第一 步。此外,工業互聯網還會涉及到其他配套設備和生產控制等。所以,工業互聯網中會 涉及多種工業半導體產品,如傳感器、功率器件等,從而激發對工業半導體產品需求。
8 英寸晶圓代工廠需求持續增大
下游行業景氣度持續攀升,8 英寸晶圓廠產能持續落地。隨着新能源汽車和工業智能裝 備等快速普及,對於模擬和分立器件的需求在逐步加大,而這使得汽車電子和工業控制 領域在相關領域市場份額擴大,下游景氣度提升也將傳導到上游產業。自 2018 年 7 月 以來,全球增加了 7 個 200mm 新廠房。而在接下來的 2019 年到 2022 年間,全球預計 總共將有 16 個廠房或產線,其中 14 個爲批量 Fab 廠。根據 SEMI 預測,到 2022 年全球 200mm 晶圓製造廠的總產能達到每月 650 萬片晶圓。隨着電動車、5G 等市場的發展, MEMS、感測、模擬與微控制元件等在物聯網、移動裝置的應用發展將持續延伸,帶動 8 英寸晶圓的市場需求。

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總結:雖然半導體硅片在向大尺寸發展,但由於 8 英寸晶圓製造具有較爲成熟的特殊工 藝,在新能源汽車、車聯網和工業互聯等領域具有獨特優勢。所以,在產業鏈終端需求 不斷上升的趨勢下,8 英寸晶圓廠擴產將致使 8 英寸硅片需求增加。
需求端總結:在 5G 通信等因素加持下,應用端均有較大發展空間。所以,下游需求將 會沿着產業鏈向上遊傳遞,無論是 12 英寸硅片,還是 8 英寸硅片,其需求量都會有所上升。

硅片擴產長路漫漫,硅片產能利用率將保持在高位

硅片市場集中度較高。根據 SEMI,受到多方因素影響全球硅片銷售額自 2011 年從高位 回落,但這種情況自 2017 年起開始好轉,且在 2018 年有較大增長。雖然 2019 年銷售 額有所回落,但在終端市場持續向好推動下,銷售額有望扭轉跌勢。從市場份額來看, 2017 年全球五大硅晶圓供貨商爲日本信越(市佔率 27.58%)、日本勝高(市佔率 24.33%), 臺灣環球晶圓(市佔率 16.28%)、德國 Silitronic (市佔率 14.22%)、韓國 SK Siltron (市 佔率 10.16%),前五大公司市佔率超過 90 %。由於硅片具有較高技術壁壘,所以導致 硅片市場集中度較高且硅片尺寸越大,市場集中度越高。

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12 英寸硅片產能從過剩到緊缺

產能迅速擴張致使供過於求。在 2006 年,Windows 推出新系統,對於存儲要求有提升, 使得對存儲需求加大。而這種需求沿產業鏈向硅片廠商傳遞,使得硅片廠商擴產意願強 烈。根據 SUMCO,2007 年全球硅片廠規劃中產能達到 140 萬片 / 月;而 2008 年規劃產 能進一步提升,達到 166 萬片 / 月。但 2008 年金融危機發生後,受到多方需求下降影響, 硅片實際出貨量與客戶需求指引出現較大幅度偏差。雖然部分硅片廠商在 2009 年取消 12 英寸擴張計劃,但由於前期已實施擴產計劃,產能在逐步落地過程中,但實際出貨量 並未達到預期,12 英寸硅片產能進入產能過剩階段。

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半導體持續景氣使 12 英寸硅片需求得到反轉。隨着半導體景氣度持續向好,自 2014 年 起 12 英寸產能利用率達到 90% 以上且持續攀升,並在 2017 年達到滿產狀態。此外,受 供求關係改變影響,12 英寸硅片價格自 2017 年初開始回升。在下游需求刺激下,硅片 廠商在 2017 年宣佈擴產 11 萬片 / 月。目前,硅片廠商擴產方式包括新建廠房擴產( Green Field)和使用當前廠房增加生產設備(Brown Field)兩種方式,其主要區別是前者從興 建到投產時間爲 2-3 年,而後者可以快速進行部署並投產。據 SUMCO 對 2018-2022 年 12 英寸硅片需求年複合增長率進行測算,若按購買力平價 GDP 預測值爲 3.9%;若按客 戶需求預測值爲 4.1%。由於從規劃到落地需要一定時間,目前 12 英寸硅片產能利用率 保持在高位。此外,根據預測,2023 年產能利用率超過 100%。所以,12 英寸硅片供不 應求的情況或將持續。

8 英寸硅片擴產面臨限制

受各種條件限制,8 英寸硅片供給提升有限。根據各尺寸硅片出貨量佔比情況,8 英寸 硅片出貨量雖然排名第二,但份額遠遠落後於 12 英寸硅片。與此同時,半導體制程等 因素促使硅片向大尺寸產品迭代。所以,這將對硅片廠投資 8 英寸硅片產線產生影響。此外,由於大部分硅片廠 8 寸硅片產品已虧損多年,致使其在相關產品價格上漲的情況 下擴產意願仍舊不強。面對一個持續向好的市場,國內外部分企業也在積極新建產線以 完成擴產。但由於產線從新建到投產需要一定時間,致使產能無法快速提升。

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總結: 目前,硅片市場景氣度持續提升,雖然在供給端硅片廠商有擴產計劃,但從計 劃到產能釋放需要一定時間。所以,在硅片產能持續保持在高位情況下,硅片供給量在 短期難以有較大幅度提升。

從日本半導體產業發展看我國崛起之路

4.1 產業轉移成就日本半導體產業發展

日本成爲全球半導體產業第一次轉移受益者。源於半導體產業發展,人類進入到電子時 代。美國是半導體產業的締造者,其發展歷史可追尋到 19 世紀 30 年代,所以美國在相 關領域具有重要話語權。目前,半導體產業已完成兩次產業轉移且正在進行第三次產業 轉移。根據產業轉移路徑,日本是第一次產業轉移的受益者。日本半導體產業始於二十 世紀五六十年代,在美國政府和美企扶持下,日企得到相關技術開始生產晶體管,日本 半導體產業拉開序幕。1980 年代,日本在“官產學”等制度的幫助下,在 DRAM 市場 取得輝煌成績。1990 年代,由於日本沒有把握住時代變革,DRAM 產業逐漸沒落。
“官產學”制度助力日本半導體產業發展。1976 年至 1980 年,由通產省組織,根據《工 礦業技術研究組合法》,與日本電氣、東芝、日立、富士通、三菱電機五家日本大型半 導體生產企業,以及日本工業技術研究院電子綜合研究所和計算機綜合研究所簽署組成 VLSI 研究協會協議,組建研究聯合體,即 VLSI 研究協會。研究協會在半導體產業發展 進程中展現了“官產學”的優勢。在資金支持方面,政府對於產業發展給予較大資金支 持。1976 年至 1980 年,日本通產省補助金總支出爲 592 億日元,其中用於支持 VLSI 項目研究的補助金支出爲 291 億日元,佔通產省補助金總支出的 49.2%。此外,VLSI 研究協會四年的總事業費約爲 737 億日元,由通產省補助金數額約佔總事業費的 39%。在 VLSI 協會引導下,除公司自有實驗室外,研究協會基於各公司優勢成立 6 個聯合實 驗室,對高精度加工技術、硅結晶技術、工藝處理技術、監測評價技術、裝置設計技術 等方面進行研究。在協會協調發展下,項目申請專利愈 1000 項,成功開發出微細加工 技術、結晶技術、設計技術、工藝技術等,同時也開發了適用於這些技術的邏輯元件和 存儲元件的製造技術。

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大硅片國產替代序幕已開啓

DRAM 使得日本走向半導體產業巔峯。得益於 VLSI 項目所取得成績,日本在 DRAM 相關技術取得重大突破。在“官產學”體系下,日本在二十世紀 80 年代在 DRAM 市場 取得了巨大成就,其在追趕和超越美國的同時,在歐洲及亞洲市場均處於領先地位。1986 年,日本企業在世界 DRAM 市場所佔的份額達到了 80%。
受多方面因素影響,日本在半導體制造領域逐步沒落。日本在 DRAM 產品所取得優勢, 在 1990 年代開始逐漸消退。受與美國簽訂貿易協定和日企未能就消費類電子需求對產 品進行調整的影響,日本 DRAM 產業受到衝擊。此外,由於日企以 IDM 模式運作,遵 循着“投資-技術創新-投資”發展路徑,所以日企需要不斷獲利和大量資金投入才能保 持企業正常運作。在 90 年代末期,日企受到亞洲金融危機衝擊和本國垂直分工的限制, 其競爭力逐步減弱並被其他國家所替代。
受益於半導體產業第一次轉移,日本半導體材料得到快速發展且優勢得以保持。半導體材料作爲芯片製造上游產業,日本在發展芯片製造產業的同時,對於半導體材料發展也 給予關注。硅片作爲晶圓製造材料中市場規模最大的品種,其前期在芯片製造業引領下 得到快速發展。1970 年日本有機硅產量約 6000 噸,而在 1986 年產量已經增至愈 60000 噸,產量增長愈 10 倍;此外,1979 年,日本從有機硅輸入國轉變爲輸出國。日本政府 對於產業扶持使得企業快速發展。其中,日本爲創制高功能性、高導電性等新材料,通 產省在 1989 年所制定“硅類高分子材料研究開發基本計劃”,自 1990 起十年時間內投 資 160 億元以確立有機硅單體和聚合物合成與加工基礎技術。在此計劃加持下,日本有 機硅企業得到進一步壯大。除硅片外,日企在其他材料領域也取得較爲突出成績。據 SEMI 推測,日企在全球半導體材料市場上所佔的份額達到約 52% 並在全球市場佔有絕 對優勢,在硅晶圓、光刻膠、鍵合引線、模壓樹脂及引線框架等重要材料方面佔有很高 份額。
總結:在半導體第一次產業轉移中,日本憑藉着“官產學”體制下所取得成就,成爲世 界半導體產業佼佼者。此後,在多種因素作用下,其芯片製造業逐步走向沒落。但在半 導體產業發展和鼎盛階段,日本在材料領域所累積的優勢得到延續,使其在材料領域具 有重大話語權。

我國硅片產業目標明確,走出堅定步伐

半導體產業轉移爲我國半導體產業注入活力。我國作爲半導體產業第三次轉移轉入國, 半導體產業得到快速發展。根據 WSTS 數據,2016 年我國半導體銷售額爲 1056.5 億美 元,而 2019 年銷售額爲 1436.7 億美元,年複合增長率爲 10.79%。此外,我國在全球半 導體市場規模份額持續擴大。目前,中國是全球最大的消費電子產品生產國、出口國和 消費國,2018 年,中國手機、計算機和彩電產量佔到全球總產量的 90%、90% 和 70% 以 上,均穩居全球首位。在生產過程中半導體產品需求較大。所以,基於產業鏈安全等因 素考慮,無論是半導體產品,還是半導體材料均有國產替代需求。

大硅片國產替代序幕已開啓

我國硅片需求持續加大,產業在不斷追趕。硅片作爲集成電路基石之一,其重要性不言 而喻。但由於硅片市場目前被幾大巨頭所壟斷且我國在硅片產業起步較晚,使得我國硅 片產業出現發展不均的情況。在小尺寸硅片方面,我國能大規模生產 4-6 英寸硅片,基 本滿足國內需求。但大硅片(8、12 英寸)方面則存在較大缺口。雖然 8 英寸硅片我國能自主進行生產,但仍不能滿足下游生產需求;而 12 英寸硅片則幾乎依賴於進口。截 至 2019 年 6 月,6 英寸國產化率超過 50%,8 英寸國產化率 10%,12 英寸國產化率小於 1%,且國產 12 英寸硅片在國內晶圓廠中大都爲測控片,正片的銷售較少。隨着下游需 求回暖,國內硅片缺口將進一步擴大。參照日本半導體產業發展路徑,爲彌補硅片產業 不足,在政府政策和資金扶持下,我國硅片企業已走上追趕之路。

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政策驅動產業發展
國家發佈政策支持硅片產業發展。國家爲促進集成電路全產業鏈發展,先後頒佈了《國 家集成電路產業發展推進綱要》、《集成電路產業“十三五”發展規劃》等政策。在這 些政策中,不乏對於硅片產業發展提出指導意見。其中,《國家集成電路產業發展推進 綱要》中提出要開發大尺寸硅片等關鍵材料,加強企業間合作;《“十三五”先進製造 技術領域科技創新專項規劃》中明確提出要重點研發 300mm 硅片。在國家政策推動下, 硅片產業將會得到強有力支持。
大基金進一步促進產業發展。日本政府在國內半導體產業初始階段投入一定資金以扶持 產業發展,而我國也有類似政策來支持產業發展。2014 年 9 月 24 日,國家集成電路產 業投資基金 (“大基金”) 正式設立。截至目前,大基金已經設立兩期。對於大基金一期, 截至 2018 年已經基本投資完畢,投資額度接近 1400 億元。其中,大基金投資上海硅產業投資有限公司等,在大硅片領域進行佈局。而大基金二期在 2019 年已完成募集,募 集規模約爲 2000 億元,主要聚焦集成電路產業鏈佈局投資,重點投向芯片製造以及設 備材料、芯片設計、封裝測試等產業鏈各環節,支持行業內骨幹龍頭企業做大做強。大基金資金導入對企業研發將有一定促進作用,能更好的幫助企業在技術上進行追趕。
我國大硅片產能將迎來收穫期
國產大硅片產能將逐步落地。對於半導體硅片新進入者而言,半導體硅片在資本投入、 生產技術和人才儲備等方面具有較高壁壘。此外,在硅片市場處於壟斷情況下,企業實 現規模效應將面臨挑戰。由於我國具有較大內需市場且國家對硅片產業發展有政策扶 持,所以我國企業能更好應對外部競爭。目前,我國企業對於國產供需缺口較大的 8 英 尺和 12 英尺硅片均有佈局,多個項目正逐步實施,產能將會逐步落地。據芯思想數據 顯示,我國硅片企業規劃產能大多集中在 12 英寸硅片,大硅片產線投資合計超過 1400 億元。其中,若 12 英寸硅片產按規劃落地,其月產能將超過 650 萬片。

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國產大硅片產能落地將有效緩解需求缺口,確保產業安全。由於新建產能投資較大且需 要 2-3 年產能才能落地,所以我國實現大硅片自給自足仍需要時間。但隨着我國硅片產 能逐步爬坡,大硅片進口依賴有望逐步緩解。此外,減少對進口依賴將有助於產業安全。2019 年 7 月,日本宣佈限制對韓國出口半導體材料。由於日本是全球最大半導體材料生 產國,在半導體材料領域具有據對優勢,且韓國在部分材料對日本較爲依賴,出口限制 對韓國半導體產業將產生影響。所以,產品進口依賴高將降低產業安全邊際,特別在貿 易爭端發生時將對相關行業造成較大沖擊。我國硅片產能逐步落地將有助於提升國產 率,提升硅片供給安全。
總結:我國作爲半導體產業第三次轉移的轉入國,半導體銷售額在全球市場中佔比在持 續攀升。此外,我國是全球最大的消費電子產品生產國、出口國和消費國,對於半導體 產品需求較大。所以,國產化水平將對產業安全有較大影響。硅片作爲晶圓製造材料市 場中佔比最大的且最基礎品種,我國在硅片領域存在短板且在大硅片方面更爲突出。但 在國家政策和資金的扶持下,我國衆多企業紛紛規劃產線,對半導體大硅片進行佈局。隨着產能逐步落地,能有效降低對進口大硅片依賴程度,保障產業安全。

新冠疫情已成爲最大 X 因素

全球疫情防控面臨較大挑戰。目前,新冠病毒已席捲全球。雖然我國疫情已經得到基本 控制,企業均有序進行復工復產,日常活動逐步恢復正常,但國外情況不容樂觀,其中 歐洲所有國家均出現確診病例。截至 3 月 20 日,除中國外,美國、意大利、伊朗、西 班牙、德國、法國 6 國確診病例數已過萬。此外,部分國家已進入緊急狀態,限制人員 流動。
疫情對經濟發展造成衝擊,控制疫情成爲關鍵。由於停工停產等因素影響,疫情已對全 球企業和經濟形成衝擊,絕大多數行業面臨嚴峻挑戰。面對疫情,中國和美國均已開展 疫苗研發工作,且已取得一定進展。但由於疫苗從研發至大規模接種需要一定時間,或 將存在問世快上市慢的問題。此外,由於目前尚未有新冠病毒特效藥,所以治療大多采用“舊藥新用”的方式。在疫苗和藥物無法短時間內上市的情況下,疫情管控成爲關鍵。目前,各國對疫情重視程度不斷提升,這將有助於控制疫情蔓延,但全球疫情在短期內 結束面臨較大挑戰。上海市復旦大學附屬華山醫院感染科主任、上海醫療救治專家組組 長張文宏教授表示,今年夏天大多數病例能得到很好的控制,但冬天是否再來尚不確定, 持續一兩年是有可能的。
疫情導致不確定性增大。據 Strategy Analytics 預測,受疫情影響,2020 年全球智能手 機出貨量將比預期 (疫情前的預測) 少 10%。中國智能手機的出貨量將比預期減少 15%。而如果疫情持續到四月 / 五月之後,情況進一步升級,全球智能手機的出貨量下降將會超 過 10%。根據最新數據,2 月份全球智能手機出貨量降至 6180 萬部,與去年同期的 9920 萬部相比下降了 38%。所以,疫情導致不確定性增大,短期內終端需求將會有所萎縮。若疫情在上半年得到有效控制且下半年有所緩解,雖然產業鏈受到衝擊但將會逐步恢 復。但如果疫情有所反覆,則產業鏈將面臨較大挑戰。由於終端市場需求不會消失,雖 然產業鏈短期承壓,但中長期景氣度向上趨勢並不會改變。

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