半导体国产化:大硅片

作者:方正电子范云浩、陈杭

来源: 半导体风向标

硅片简介及应用领域

硅片又被称为硅圆晶片,是集成电路制作中最为重要的原材料。

硅片是以硅为材料制造的片状物体,一般是由纯度很高的结晶硅制成 的。与其他材料相比,结晶硅的分子结构非常稳定,很少有自由电子 产生,因此其导电性极低。半导体器件则是通过对硅片进行光刻、离 子注入等手段,改变硅的分子结构进而提高其导电性,最终获得的一 种具备较低导电能力的产品。

1)根据晶胞排列是否有序,硅片可分为单晶硅和多晶硅,二者 在力学、光学、热线、以及电学等物理性质上存在差异,单晶硅的电 学性质通常优于多晶硅。通常由于单晶硅的硅片内部只由一个晶料粒 构成,基本完整的结构使得其光电转换效率更高,在 18%~24%左右, 而多晶硅片的光电转换效率在 15%~19%左右。

由于多晶硅片制造工 艺简单、价格低廉,更高的性价比使其在硅片市场中更受下游生产商 青睐。同时,目前随着单晶硅片生产技术的进步以及规模化生产效应 的影响,其成本实现了一定程度上的降低,市场价格的下调也开始使 得单晶硅片市场份额开始不断增加。

在 IC 制造中所使用的晶圆均为单晶硅片,具体的硅片规格又可分为抛光片,外延片和 SOI 三大类。经过切割单晶硅锭得到的硅片首 先经过抛光处理得到抛光片 PW(再经过退火处理得到的 AW 退火晶 片也归为抛光片的一种),抛光片在经过外延处理形成外延片 EW(或 EPI),在经过 wafer bonding 形成 SOI 绝缘体上硅。

目前 PW 抛光片 通常广泛应用于功率器件、CPU/GPU 等逻辑芯片、Flash/DRAM 存储 芯片和模拟芯片等,EW 外延片广泛用在二极管、IGBT 功率器件、低 能耗数字与模拟电路,SOI 晶圆片特别适用于要求耐高压。低能耗, 高速通信及射频电路等芯片上,如 MEMS

2)按照尺寸规格不同,硅片可分为 英寸、英寸、英寸、英寸和 12 英寸等,尺寸越大,对设备和工艺的要求则越高。在摩尔 定律的影响下,硅片制造正不断向着大尺寸的方向发展。

一般而言, 硅片尺寸越大,将来在制成的每块晶圆上就能切割出更多的芯片,单 位芯片的成本也就更低。早在 20 世纪 60 年代,就有了 0.75 英寸(约 20mm)左右的单晶硅片。随后在 1965 年左右随着 Gordon Moore 提出 摩尔定律,集成电路用硅片开始进入快速发展时期,从少量使用的 1.25 英寸小硅片发展至 20 世纪 80 年代,英寸硅片已进入投产,英寸 硅片成为行业主流。

到 2002 年时,英特尔与 IBM 率先建成 12 英寸生 产线,并于 2008 年创下 30%的市场份额占有率。预计在 2020 年左右, 18 英寸(450mm)的硅片将开始投入使用。

3)从下游应用领域来看

硅片主要应用于半导体和光伏两大领 域,差异主要体现在硅片类型、纯度、以及平整度、光滑度及洁净程 度等其他特性。从功能上讲,硅片在 IC 制造和太阳能电池制造领域 均作为“基底”材料,二者的主要差异在于:1、为满足相应的电学 特性,半导体级硅晶圆都是单晶硅,而太阳能电池制造用的硅晶圆则 是单晶硅晶圆与多晶硅皆有;

2、半导体级硅片的纯度要求极高,通 常为 99.9999999%(9N)以上,光伏级对于硅片纯度的要求则相对较 低,一般介于 99.99%99.9999%(4N-6N)之间。3、此外,半导体 级硅片对表面的平整度、光滑度及洁净程度也比光伏级硅片要高,因 此制备半导体级硅片需要经过更加细致的磨片倒角、刻蚀除杂、抛光 及清洗环节。因此整体上讲,半导体级硅片的制备门槛远高于光伏级硅片。

3.2 技术门槛

硅片的生产过程非常复杂,从硅石到硅片需要经过提纯、熔铸、 拉棒、切割、抛光、清洗等多道工序。一般而言,硅片要经过硅石的 三步提纯制备出纯度为 99.9999999%的半导体级硅,再通过熔铸、拉 棒等工艺流程生产成适当直径的硅锭,最后被切割、抛光、清洗并通 过质检环节后,可完成的用于下游生产的薄硅片的制备。

多晶硅片与单晶硅片在制备工艺上存在一定程度的差异。多晶硅 片对硅料纯度的要求比较低,制作工艺整体较单晶简单,同时由于其 多晶的特性,在切片加工技术上难度稍大。具体来说,在搭配好符合 生产要求的配料后,通常采用定向凝固法进行多晶硅铸锭,再经过多 线切割等制造方法对硅块切块切片即可获得高效超薄的多晶硅片。

单晶硅片是以多晶硅作为直接原材料,经过直拉法或者区熔法拉 制出单晶硅棒,再通过切割、磨片、抛光工序而制成的。通常,直拉 法生产出的单晶硅多用于生产低功率的集成电路元件,而区熔法生产 出的单晶硅则主要用在高功率的电子元件。

从生产工艺流程来看,多晶硅的制备、硅料的铸锭、拉棒以及硅 片的切割是目前硅片生产过程中的四大核心技术。这四大技术在生产 工艺中主要通过影响硅片的纯度、杂质含量、密实度、晶粒尺寸及尺 寸分布、结晶取向与结构均匀性、以及硅片的薄厚程度等,进而影响 硅片的光电转换效率。

3.3 市场规模

硅片和硅基材料是集成电路晶圆制造中占比最大的基础材料,占 半导体制造材料比重约为 36%。根据中国半导体行业协会分会的预测 数据,2016 年我国半导体材料市场规模为 647 亿元,比 2015 年的 591 亿增长 9.5%。自 2011 年以来,我国半导体市场规模增速步入平稳发 展期。在 2015 年我国半导体材料市场中,集成电路晶圆制造材料的 市场规模为 317.02 亿元,占当年半导体材料整体市场份额约 54%。其 中从集成电路晶圆制造材料细分的产品结构中看,硅片和硅基材料占 据集成电路晶圆制造材料总体的比重最大,约为 36%

根据 SEMI 统计数据,全球半导体硅片市场规模在 2009 年受经济 危机影响而急剧下滑,2010 年大幅反弹。2011 年到 2013 年,由于 300 毫米大硅片的普及造成硅片单位面积的制造成本下降,同时加上企业 扩能竞争激烈,2013 年全球硅片的市场规模只有 75 亿美金,连续两 年下降。

2014 年受汽车电子及智能终端的需求带动,12 寸大硅片价 格止跌反弹,全球硅片出货量与市场规模开始复苏。根据 Gartner 的 预测,到 2020 年全球硅片市场规模将达到 110 亿美元左右。我们认 为,硅片作为大多数半导体器件的基础核心材料,其国产化在中国的 高端制造领域具有非凡的国家战略意义。

但是由于硅片制造行业极高 的技术壁垒,加上中国技术发展起步较晚,导致中国本土国产化比率 相当低。近来来国家在政策和资本等各方面给予大力支持,中国本土 企业在市场、政策、资金的推动下开始快速发展,未来有望逐步实现 国产替代。

3.4 全球竞争格局及主要企业

从全球来看,硅材料具有高垄断性,全球一半以上的半导体硅材 料产能集中在日本,尤其是随着尺寸越大、垄断情况就越严重。2016 年,全球前五大半导体硅片厂份额达 92%,其中 Shin-Etsu(信越化工)、 SumcoGlobal Wafers(环球晶圆)Siltronic、与 LG Siltron 分别占比 为 27%26%17%13%9%

1)ShinEtsu(日本信越化工)

日本信越化学工业株式会社(Shin-Etsu Chemical)是日本高科技材 料顶级供应商。公司于 1926 年成立,经过多年发展已经成为世界半 导体硅片的龙头企业。公司目前在全球范围内拥有员工 18000 多人, 其研发中心和制造工厂分布在亚洲、欧洲、北美和南美多个地区。

信越化工目前主要包括六大事业部,分别为 PVC/氯碱业务(全球 第一)、有机硅业务(全球第四)、特种化学品业务(纤维素衍生物全球第 二)、半导体硅材料业务(全球第一)、电子功能材料业务(全球第二)、 以及多元化经营业务(包括加工塑料、技术出口、设备、工程)

在半导体硅材料业务方面,公司作为半导体单晶硅片的龙头,始 终牢牢在技术层面占据行业制高点。公司最早研制成功了 300nm 硅片 并实现了 SOI 硅片的产品化,并能持续稳定地供应 IC 用硅片。目前, 信越化工能够制造出 11N(99.999999999%)的纯度与均匀的结晶构造 的单晶硅,在全世界处于领先水平。

2)日本三菱住友 Sumco 集团

日本 Sumco 目前是全球第二大硅晶圆供应商,其前身为成立于 1937 年的 Osaka Special Steel 公司。集团于 1992 年和 1998 年先后合 并了 Kyushu 电子金属公司和 Sumitomo Sitix 集团,并于 1998 年更名 为住友金属工业公司。1999 年,住友金属工业与三菱材料和三菱硅材 料公司成立 300nm 硅片制造企业——联合硅制造公司。2002 年,住 友金属工业的硅制造部门、联合硅制造公司以及三菱硅材料公司合并 成立住友三菱硅公司,2005 年更名为 SUMCO 集团。

公司的主营业务为硅晶圆片的制造,主要产品类型包括高纯单晶 硅锭、高质量抛光硅片、AW 高温退火晶片、EW 外延片、JIW 结隔 离硅片、SOI 绝缘体上硅、以及 RPW 再生抛光硅片。在高纯抛光硅 片、退火晶片和外延片方面可以提供 300mm 大尺寸产品,SOI 硅片 可以提供 200mm 尺寸产品。

3)台湾环球晶圆 Global Wafers

环球晶圆为全球第三大硅晶圆片供应商。环球晶圆前身为 SAS 中美硅晶制品股份有限公司的半导体事业处,中美硅晶集团于 1981 年成立于新竹科学工业园区,是目前台湾地区最大的 寸至 12 寸半 导体硅晶圆材料供应商,同时也提供优质的太阳能晶圆及晶棒。为使 旗下事业部各自有更大的成长动能与更显著的经营绩效,中美硅晶于 2011 年 10 月 日完成企业体的独立分割,正式将半导体事业处分割 独立成为环球晶圆股份有限公司。

在硅片业务方面,环球晶圆拥有完整的晶圆生产线,可以提供的 硅片产品包括:抛光片、扩散片、退火晶片、磊晶片等。产品应用已 跨越电源管理元件、车用功率元件、信息通信元件、以及 MEMS 元 件等领域。

4)德国 Siltronic AG

Siltronic AG 是一家总部位于德国慕尼黑的硅晶圆供应商,前身 是成立于 1968 年的 Wacker-Chemitronic GmbH1994 年更名为 Wacker Siltronic GmbH2004 年再次更名为 Siltronic AG。公司的生产基地主 要分布在德国布格豪森、弗莱贝格、美国波特兰和新加坡。

在硅片业务方面,Siltronic 是全球首个商业化量产 300mm 晶圆的 公司,目前为全球前二十大晶圆制造工厂供应硅片。2014 年,公司与 三星成立合资公司(公司持股 78%),在新加坡运行了全球最大的 200nm(23 万片/)和 300mm(32.5 万片/)硅片厂。

5)韩国 LG Siltron

LG Siltron 是韩国国内唯一一家本土硅晶圆片生产商。1991 年公 司合并了韩国 Lucky Advanced Materials 的硅片业务部门,1995 年合 并了韩国 Dongyang Electronic Metals 的硅片部分。1996 年推出商业化 量产的 200mm 硅片,2002 年推出 300mm 硅片,2014 年推出 450mm硅片。

公司目前主要供应高纯单晶硅锭和不同规格 (150mm/200mm/300mm/450mm)的抛光片(用于 DRAMFlash、显示 驱动等领域)和外延片(用于 MCUCIS、电源管理芯片等领域)

3.5 中国产业格局及主要企业

中国半导体材料整体国产化率较低,晶圆制造材料国产化比例低 于 10%。根据 SEMI 的统计,2016 年中国半导体材料市场(包括前端 制造和后端封装)总规模为 65.3 亿美元(约为 434.2 亿)人民币。根据 ICMtia 的统计,2016 年中国国产半导体材料总收入为 96.1 亿元(包括 前端制造和后端封测)

而在 2008 年中国半导体国产化率仅为 8%。国产化率提升的主要原因在于封装材料的贡献,由于技术壁垒较低, 同时国内下游封装企业比制造企业更加成熟,过去十年中国国产封装 材料发展迅速,但是在更加先进的晶圆制造材料方面,国产化比例低 于 10%,存在巨大的国产替代空间。

目前中国大陆自主生产的硅片以 英寸为主,产品主要的应用领 域仍然是光伏和低端分立器件制造,而 英寸和 12 英寸的大尺寸集成电路级硅片依然严重依赖进口。英寸硅片方面,中国大陆 英寸生 产线月产能需求约为 70 万片/月,建设中的产能约 26.5 万片/月,而中 国大陆 英寸硅片供应商产能只有不到 10 万片/月,供应缺口非常大。 12 英寸硅片方面,中国大陆目前总产能需求为 47.9 万片/月,未来五 年内将达到 120 万片/月,而 12 英寸硅片产能供给量为零,全部依赖 进口。2016 年我国 12 英寸硅片进口金额达到近 亿美元,是我国集 成电路产业发展的重要制约因素。

近年来,我国在 英寸和 12 英寸集成电路级硅片的研发和生产 上取得了重大突破。全球集成电路产业对 18 英寸晶圆制造厂的投产 持保守和谨慎的态度,普遍预期 18 英寸晶圆制造将在 2020 年以后才 会来临,另外生产线从 英寸过渡至 12 英寸经历了 年时间,所以 18 英寸的过渡期将更久,这就为国内技术的赶超争取了时间。

虽然 12 英寸硅片的生产技术和市场份额被日本信越、Sumco、德国 Siltronic、韩国 LG 和中国台湾地区的环球晶圆等公司控制,但是国内 企业依然在技术上取得了显著进步:2014 年,上海新昇半导体科技有 限公司建设了用于 40-28nm 制程的 12 英寸抛光硅片生产线,一期投 入后产能达到 12 英寸硅片 15 万片/月、英寸 万片/

最终形成 12 英寸 60 万片/月的产能;=有研新材料在国家支持下积极投入 12 英 寸大尺寸硅单晶技术的研发,已建成产能 万片/月的 12 英寸硅片试 验线,技术水平和性能标准满足 90nm 制程工艺集成电路制造的要求。有研新材和金瑞泓的 英寸硅片月产能分别为 万片和 万片,其他 还有多家从事硅外延片生产的企业,如河北普兴、上海新傲、南京国盛等。

SOI 硅片方面,法国的 Soitec 公司是全球 SOI 硅片的领先供应商, 所掌握的 Smart Cut 技术使其具备了生产全球最好的 SO1 硅片的技术 实力,SOI 硅片产量占全球的 80%以上,采用 Smart Cut 技术生产的 SOI 硅片产量占全球的比重超过了 95%Sunedison 和日本信越也是得 益于 Soitec 的 Smart Cut 技术授权。我国企业已实现小尺寸 SOI 硅片 的量产。国内最大的 SOI 企业上海新傲公司目前采用其成熟的 SIMOX、键合和 Simmond 技术已实现 英寸 SO 硅片的量产。

我国尚未掌握 12 英寸 SOI 硅片的制备技术。2015 年,上海新傲 同法国 Soitec 公司合作,已成功制备出基于 Smart Cut 注氢层转移技 术的 英寸 SOI 硅片,预计不久将突破 12 英寸制备技术。2016 年 月,上海硅产业集团公司计划收购 Soitec14.5%股份,布局 SOI 硅片 市场。这是中国半导体上游硅片材料领域的第一例海外并购。上海硅 产业投资成立于 2015 年 11 月,注册资本 20 亿元,出资方包括国家 集成电路产业投资基金、上海国盛(集团)有限公司、上海武岳峰集成 电路股权投资合伙企业、上海新微电子有限公司、嘉定工业区。

3.6 A 股重点投资标的

我们认为硅片行业主要受益股票包括上海新阳(300236)、中环 股份(002129)、晶盛机电(300316)、扬杰科技(300373)等。

3.6.1 上海新阳(300236.SZ)

公司为国内领先的半导体化学品耗材龙头供应商。公司主要业务 为半导体专用化学材料及配套设备的研发设计、生产制造及销售服 务。多年以来,公司以技术为主导坚持自主研发,立足于电子电镀和 电子清洗两大核心技术,服务于电子、半导体、航空航天等领域的用户。2016 年,公司营业收入结构中,氟碳涂料占比最大达到 50.85%; 其次,化学品和设备产品,分别占比 35.7%6.3%。公司主业增速稳 健,2016 年实现营收 4.14 亿元,同比增长 12.31%;归母净利润 5400 万元,同比增长 28.52%

参股上海新昇,顺利切入 300mm 大硅片领域。公司旗下子公司 上海新昇半导体科技有限公司 300mm 大硅片项目术来源为张汝京博 士为首的技术团队,有多年 300mm 和 200mm 大硅片研发与生产实战 经验,确保 300 毫米半导体硅片制造技术在国内落地。项目已于 2014 Q4 启动,建设期为 年,目前有效产能为 万片/月,已实现试生产, 计划将在 2018 年 月达到 15 万片/月的产能。目前,公司已经与中芯 国际、武汉新芯、华力微电子三公司签署了采购意向性协议,销售前 景明确,全部投产后预计公司盈利能力有望提升。

长期来看,公司看点主要集中于以下几方面:1)半导体化学品 市场规模巨大,下游高速增长;2)公司客户认证稳步推进,晶圆化 学品竞争力提高;3)公司不断发展晶圆级封装湿制程设备业务,逐 步成为半导体行业国际化龙头公司;4)公司的划片刀业务已完成技 术研发且顺利出货,未来将持续贡献业绩。

3.6.2 中环股份(002129.SZ)

公司是国内研发能力最强,技术最为领先的单晶硅及半导体元件 提供商之一。公司是我国半导体材料行业龙头企业,同时以单晶硅材 料技术为基础,拓展新能源材料产业。主要产品覆盖新能源产品、电 力、半导体材料、半导体器件等多部分。

2016 年,营收结构中,新能源材料占比最高达 86.81%,其次是半导体材料、电力、半导体器件, 分别占比为 7.60%2.40%1.72%。近年来,公司业绩持续提升,盈 利能力较好。营业收入从 2008 年的 8.44 地亿增长至 2016 年的 67.83 亿,复合增长率达到 29.8%,归母净利润从 1.42 亿增长至 4.02 亿,复 合增长率达到 13.9%

公司基于半导体领域技术优势切入光伏领域。公司于 2009 年设 立内蒙古中环光伏材料有限公司;2012 年,公司 CFZ 单晶产品对国 际市场实现小幅供货,并率先实现金刚线切片大规模应用;2013 年, 伴随单晶硅材料产业化一期、二期、二期扩能的投产,公司光伏产品产销量大幅增加。

2017 年底,公司单晶硅片产能预计将达到12GW, 成为全球第二大光伏单晶硅片生产商。另外,公司增发收购国电光伏, 利用其现有的基础设施进行项目建设,对现有厂房等设施进行升级改 造后即可开始运营,可节省约 1-2 年的时间,从而提升公司建设项目的运营效率。

携手晶盛机电进军大硅片领域。公司深耕半导体硅片领域,具备 直拉和区熔硅技术,掌握 寸及以下尺寸的硅片生产制造能力;同时,具备功率器件制造产能,是国家科技重大专项 02 专项大直径区 熔硅单晶及国产设备产业化” 项目主要承担者。随着全球半导体新周期来临,硅片供需紧张。公司携手晶盛机电和无锡市政府,共同进军大硅片制造,将加速半导体硅片进口替代。

3.6.3 晶盛机电(300316.SZ)

公司是国内领先、国际先进的从事晶体生长、加工装备研发制造和蓝宝石材料生产的高新技术企业。主营产品为全自动单晶生长炉、 多晶硅铸锭炉、蓝宝石晶体炉、区熔硅单晶炉、单晶硅滚圆机、单晶硅截断机、单晶硅棒切磨复合加工一体机、多晶硅块研磨一体机、硅棒单线截断机、硅块单线截断机、蓝宝石晶锭、蓝宝石晶片、LED 器 件检测分选装备、LED 灯具自动化生产线等。

产品主要应用于太阳能光伏、集成电路、LED 等具有较好市场前景的新兴产业。2017 年营 业收入达到 19.49 亿元,同比增长78.55%;归母净利润3.86 亿元,同比增长 89.38%,主要归于两方面:1)、光伏行业快速增长,下游厂商 扩产及单晶市场份额持续提升促使公司晶体生长设备特别是单晶硅生长炉销售较好;2)公司光伏智能化加工设备、蓝宝石材料业务稳定 发展,半导体设备订单同比有所增加。

与韩华签订合同,产品认可度持续提升。公司与全球规模最大的 光伏制造商之一韩华凯恩签订单晶炉供货合同,总价款 4300 万美元, 约合 2.8 亿元。通过和全球大型光伏企业的合作,公司在行业领先地 位将进一步巩固,预计 2018 年光伏的海外订单有望超预期。此外, 公司单晶炉产品的竞争优势不断加强,全球影响力将提升。

蓝宝石技术再获突破,业务进入业绩兑现期。公司控股子公司晶 环电子的大尺寸蓝宝石晶体研发取得积极进展,使用泡生法成功生长 出 450 公斤级的蓝宝石晶体,该晶体重量为 445 公斤,外形规整、通 体透明、无裂纹、无晶界、气泡较少,可应用于 LED 的 寸晶棒有 效长度超过 4000mm。此外,公司新扩建的 寸 600 万 mm 蓝宝石项目预计可全部达产,随着未来产能不断释放,此业务收入将持续增长。

核心观点

全球产能转移带动本土半导体材料需求的迅速扩大:中国芯片自给率目前不足15%,国内芯片发展与美、日、韩等国家相比存在较大差距,年进口额达1600亿美元。中国半导体市场当前已成为全球增长引擎,下游半导体行业未来3年全球产能转移的趋势明确,本土的制造、封测、设计环节的产业规模全球占比将迅速提升,带动上游材料需求的迅速扩大。同时,半导体产业作为“国之重器”,在国家意志的推动下,产业崛起势在必行。

中国半导体产业投资加速将显著提升本土材料企业的综合竞争力:(1)政策扶持力度显著增加,正在从过去科研经费扶持方式向以国际并购、股权投资、产业链整合为主的时代过度,本土企业在获得关键技术及先进工艺方面竞争力加强;(2)本土企业技术突破加快,从国外半导体材料完全垄断国内市场到目前国产化率接近10%,一批在细分领域具备与全球龙头竞争实力的本土企业崛起;(3)国家层面对于上游材料领域的投入力度有望大幅加强,以大基金为例,一期投资对材料和设备的投资占比约在7-8%之间,二期今年有望推出,预计将加大对国产半导体材料的投入力度,上海新阳、江丰电子、北方华创,雅克科技等材料及设备行业龙头企业将直接受益。

半导体材料产业投资策略:根据细分领域的技术水平、全球竞争力、以及国产化进度等因素,我们把半导体产业分为三大梯队,(1)第一梯队:靶材、封装基板、CMP抛光材料、湿电子化学品,部分封装材料。部分产品技术标准达到全球一流水平,本土产线已实现中大批量供货;(2)第二梯队:硅片、电子气体、化合物半导体、掩模版。个别产品技术标准达到全球一流水平,本土产线已小批量供货或由于具备较大战略意义因此政策支持意愿强烈,其中,硅片作为晶圆制造基础原材料,推动硅片的发展体现了国家意志;(3)第三梯度:光刻胶。技术和全球一流水平仍存在较大差距,目前基本未实现批量供货。细分领域推荐排序:第一梯队>第二梯队>第三梯队。

半导体材料投资组合:选股策略我们看重三点:第一,公司自身业绩提升;第二,公司在所处细分领域的行业龙头地位;第三,公司的资源获取能力及产业链整合能力较强。重点受益组合:上海新阳、雅克科技、鼎龙股份、江丰电子、深南电路、巨化股份、南大光电、阿石创、飞凯材料。

风险提示

国际政治及贸易环境变化的风险;下游需求增速放缓的风险;政策落地不达预期的风险

1 前言——国之重器,产业崛起,势在必行

我们认为,半导体产业将成为中国资本市场未来3年最重要的投资方向之一,而半导体材料作为半导体产业的直接上游,未来具备巨大的国产替代空间。我们通过系列报告对中国半导体材料产业进行深度研究,本文作为中国半导体材料产业系统性分析报告,主要对中国产业链总体现状及细分领域包括硅片、靶材、封装基板、湿电子化学品、电子气体、CMP抛光材料、以及光刻胶等进行了深入分析,并挖掘了产业相关投资机会。

长期来看,半导体产业作为“国之重器”,在国家意志的推动下,产业崛起势在必行。目前中国芯片自给率不足15%,国内芯片发展与美、日、韩等国家相比存在较大差距,芯片年进口额达1600亿美元,为第一大进口产品。与此同时,我们也正在逐渐见证的国内半导体产业的剧变,从梁孟松担任中芯国际联合首席执行官,到长江存储3D NAND flash送片验证,从大基金一期布局的圆满完成,到各地半导体建设的遍地开花以及半导体企业的密集上市。近期中美贸易战逐渐升级到高科技产业,半导体产业的国产替代正面临的最艰难的时刻,但未来产业突破甚至走向国际第一梯队是大势所趋。

半导体材料作为半导体产业链的重要组成部分,从目前国内产业发展现状来看,其差距甚至大于芯片设计以及制造环节。目前在本土产线上国产材料的使用率不足15%,高端制程和先进封装领域,半导体材料的国产化率更低,本土材料的国产替代形势依然严峻,且部分产品面临严重的专利技术封锁。我们认为,从未来国内半导体产业发展趋势来看,国产替代必然是不留死角的国产替代,没有实现材料与设备在内的产业配套环节的国产化,我国半导体产业的发展将永远受制于人。

当前国内半导体材料的发展正在快速迎来突破,在过去十年,以02专项、863计划为代表的产业政策和专项补贴推动了半导体材料从0到1,本土半导体材料企业数量大幅增长,以江丰电子的靶材、安集微电子的研磨液为代表的国产半导体材料进入主流晶圆制造产线,并实现了中大批量供货。同时,大基金的进入,大力推动了本土材料产业的资源整合和海外人才引入的加速。虽然目前产业总体正处于起步阶段,但我们认为,未来5年即将成为半导体材料产业从量变迎来质变的5年。

2 中国半导体材料产业发展现状及特点

2.1 半导体材料主要用于晶圆制造与封装,全球市场约450亿美金

2.1.1导体材料主要应用于晶圆制造与芯片封装环节

半导体材料主要应用于晶圆制造与芯片封装环节。由于半导体制造与封测技术的复杂性,从晶圆裸片到芯片成品,中间需要经过氧化、溅镀、光刻、刻蚀、离子注入、以及封装等上百道特殊的工艺步骤,半导体技术的不断进步也带动了上游专用材料与设备产业的快速发展。就半导体材料而言,主要应用领域集中在晶圆制造与芯片封装环节(如图表3)。

半导体材料行业具备产业规模大、细分行业多、技术门槛高、成本占比低四大特性:

1)产业规模大:根据SEMI(半导体设备与材料协会)的数据统计,2016年全球半导体材料产业的市场规模达443亿美金,对应2016年全球半导体产业规模约在3000亿美金左右,半导体材料市场规模占比接近15%;

2)细分行业多:半导体材料是半导体产业链中细分领域最多的产业链环节,其中晶圆制造材料包括硅片、光刻胶、光刻胶配套试剂、湿电子化学品、电子气体、CMP抛光材料、以及靶材等,芯片封装材料包括封装基板、引线框架、树脂、键合丝、锡球、以及电镀液等,同时类似湿电子化学品中又包含了酸、碱等各类试剂,细分子行业多达上百个;

3)技术门槛高:半导体材料的技术门槛一般要高于其他电子及制造领域相关材料,其具备纯度要求高、工艺复杂等特征,在研发过程中需要下游对应产线进行批量测试。同时对应芯片制造过程的不同,下游厂商对材料使用需求的不同,导致对应材料的参数也有所差异;

4)成本占比低:虽然半导体材料整体产业规模庞大,但由于细分材料子行业众多,导致了单个细分材料往往在半导体生产成本中占比较低。以靶材为例,半导体靶材在半导体材料中的占比约为3%,对应半导体生产成本占比仅在3‰~5‰。技术门槛高以及成本占比低导致了半导体材料国产替代的进展要远低于面板以及消费电子相关领域。

2.1.2全球市场规模约 440 亿美金,中国占比超 20%

根据SEMI报告显示,2016年晶圆制造材料市场为247亿美元,封装材料市场为196亿美元,合计443亿美元。相较于2015年晶圆制造材料市场的240亿美元及封装材料市场的193亿美元,分别增长3.1%及1.4%(如图表4)。在晶圆制造以及封装材料中,硅片和封装基板分别是规模占比最大的细分子行业,占比达1/3以上。

国内(不包括台湾地区)半导体材料市场2016年总规模达651亿人民币,其中晶圆制造材料约为331亿人民币,封装材料为318亿人民币,在占全球半导体材料市场规模比重超过20%,与中国大陆晶圆制造及封测产能全球占比基本保持一致。

2.2  海外化工与材料龙头占据主导,中国本土材料正在迅速崛起

2.2.1  竞争格局分散,海外化工与材料龙头占据主导地位

从行业竞争格局看,全球半导体材料产业依然由日、美、台、韩、德等国家占据绝对主导,国产半导体材料的销售规模占全球比重不到5%,从整体技术水平和销售规模来看,国产半导体材料产业和海外化工及材料龙头仍存在较大差距。

同时,由于半导体材料行业细分领域众多,且不同的子行业在技术上存在较大差异,因此半导体材料行业各个子行业的行业龙头各不相同。比如在硅片领域,日本信越化工、日本SUMCO、台湾环球晶圆、德国 Siltronic、韩国 LG Silitron占比全球前五,在靶材领域,日矿金属、霍尼韦尔、东曹、普莱克斯等为靶材行业龙头。

关于全球半导体产业竞争格局,请参考《图表1:全球半导体材料产业地图》。

2.2.2中国本土半导体材料崛起,细分领域正在快速突破

国内半导体工业的相对落后导致了半导体材料产业起步较晚,受到技术、资金、以及人才的限制,国内半导体材料产业总体表现出数量偏少、企业规模偏小、技术水平偏低、以及产业布局分散的特征。以靶材举例:目前国内靶材厂商主要集中在低端产品领域进行竞争,在半导体、液晶显示器和太阳能电池等市场还无法与国际巨头全面抗衡。

伴随国内代工制造生产线、存储器生产线、以及封装测试线的持续大规模建设,国内半导体材料市场规模快速增长。同时,依靠产业政策导向、产品价格优势本土企业已经在国内市场占有一定的市场份额,并逐步在个别产品或细分领域挤占国际厂商的市场空间。总体来看,根据我国半导体材料细分产品竞争力,目前我们把中国半导体材料产业分为三大梯队:

第一梯队:靶材、封装基板、CMP抛光材料、湿电子化学品,引线框等部分封装材料。部分产品技术标准达到全球一流水平,本土产线已实现中大批量供货。一方面看好未来3年龙头公司伴随本土产能扩大以及技术突破下业绩高速成长,另一方面有望作为大基金率先介入的细分领域,在海外人才引入,产业链整合,海外并购都方面得到跨越式发展;

第二梯队:电子气体、硅片、化合物半导体、掩模版。个别产品技术标准达到全球一流水平,本土产线已小批量供货或具备较大战略意义因此政策支持意愿强烈。硅片作为晶圆制造基础原材料,推动硅片的发展体现了国家意志;

第三梯队:光刻胶。技术和全球一流水平存在较大差距,目前基本未实现批量供货。

细分领域来看,部分产品已实现自产自销。其中,国内半导体材料在靶材、封装基板、研磨液等细分领域产品已经取得较大突破,部分产品技术标准达到全球一流水平,本土产线已基本实现中大批量供货。其中,国产材料包括研磨液、靶材、电子气体、湿电子化学品等在中芯国际的8寸线及12寸线上均有验证成功并上线使用,包括江丰电子的靶材及安集微电子的研磨液在中芯已经实现中大批量供货。

江丰电子、安集微电子为代表的本土企业已经实现国产材料的重大突破。以江丰电子为例,公司的半导体靶材产品已应用于以台积电为代表的世界著名半导体厂商的最先端制造工艺,在14/16纳米技术节点实现批量供货,同时还满足了国内厂商28纳米技术节点的量产需求,产品成功打入全球280多个半导体芯片制造工厂,成为众多世界著名芯片公司的供应商。

江丰电子成功完成国家02重大专项(300mm硅片工艺用Al、Ti、Ta靶材制造技术研发与产业化)项目验收,期其承担的国家重大专项(300mm硅片45-28纳米配线用超高纯系列溅射靶材)项目得到重大进展,Ta靶材、Cu靶材成功通过台积电等世界一流半导体企业评价,所生产的产品直接用于iphone6、奥迪、丰田等高端终端产品。另外,iPhone 7核心处理器A10芯片也采用了江丰电子的产品,是中国电子产品第一次应用在16nm FinFET+技术大规模集群。

2.3 半导体制造与封测产能转移打开上游材料国产替代空间

2.3.1 半导体晶圆制造产业转移趋势确定,中国本土产能放量在即

本土晶圆代工产能放量在即,半导体制造产业转移趋势明确。一方面包括台积电、联电、GlobalFoundries等在内的多家海外晶圆代工企业将在大陆投放产线,另一方面国内晶圆代工厂包括中芯国际、华力微电子等在未来2年内也将有多条产线投产。根据SEMI统计,预计在2017-2020之间全球将有62座晶圆厂投产,其中26座晶圆厂来自中国大陆,仅2018年大陆就会有13座晶圆厂建成投产(如图表9)

从政策层面看,国家在“中国制造2025”中明确制定目标至2020年集成电路自给率将达到40%、2025年达到50%。国家集成电路产业投资基金(大基金)的设立承载了国家意志,在资金与政策双重推动下,本土半导体产业将迎来快速发展。截至2017年11月30日,大基金累计有效决策62个项目,涉及46家企业,累计有效承诺额1063亿元,实际出资794亿元。在此带动下,湖北、四川、陕西、深圳、安徽、江苏、福建、以及辽宁等地方政府纷纷提出或已成立子基金,合计总规模超过3000亿元。大基金的设立满足战略性产业对长期投资的要求,又利用基金机制有效避免了国家直接拨款或直接投资等传统支持方式带来的弊端。

海外晶圆代工企业纷纷宣布在大陆地区的扩增或新建晶圆厂计划,包括台积电、GlobalFoundries、联电、力晶科,以及TowerJazz等新厂大部分将于2017年底或2018年加入生产营运。其中,联电与大陆IC业者福建晋华合作,在福建兴建12寸晶圆厂,并且会采用联电开发的32nm制程来生产DRAM存储器;GlobalFoundries与大陆成都政府合作兴建12寸晶圆厂,将采用主流130nm和180nm技术制造IC。台积电则是投资30亿美元在南京设立晶圆代工厂,该厂将于2018年下半年开始以16nm制程,提供晶圆代工服务。

目前大陆晶圆代工产能位居全球第2,2017年市占率将近15%,未来大陆晶圆代工产能全球占比将快速提升。当前大陆共有50余条集成电路生产线,分布于北京、上海、天津、西安、厦门、以及合肥等多个城市。未来在中芯国际、华力微电子、台积电、联芯、晶合、万国AOS、德科玛、以及紫光等持续投入12寸晶圆厂产线,加上德科玛、中芯国际、士兰微、以及Silex于8寸晶圆厂的产能扩充后,大陆晶圆代工产能占全球的比重将快速提升。

2.3.2 中国大陆封测业增长显著高于全球水平,行业龙头海外并购加速

全球封测产业目前中国台湾、美国、中国大陆三足鼎立格局基本成型。根据公开数据统计,2016年全球芯片封测代工产业各区域产值占比为台湾56%、中国16%、美国12%、日本6%、以及韩国5%。台湾仍是全球芯片封测代工实力最强的区域,占据一半以上市场份额。而美国由于众多IDM龙头企业用于自己的封测部门,因此也是全球封测产业的重要参与者。同时,随着近年大陆封测企业的崛起,全球封测业格局已经形成台湾、美国、大陆三足鼎立格局。

全球产能转移趋势确定,大陆封测行业成长率显著高于全球平均水平。在成本以及产业配套优势的驱动下,几乎全球主要的IDM和封测厂商都在中国纷纷设立封装工厂,同时本土封测龙头长电、华天、通富也取得快速发展,本土封测产业产值从2010年的629亿元,增长到2016年的1564亿人民币,复合增长率达20%,成长率显著高于全球平均水平。

大基金扶持国内封测龙头海外并购,行业规模显著提升。在大基金的大力扶持下,我国封测企业逐步开启海内外并购步伐,不断扩大公司规模,其中,长电科技联合产业基金及芯电半导体收购新加坡封测厂星科金朋,华天科技收购美国FCI,通富微电联合大基金收购AMD苏州和槟城封测厂,以及晶方科技则购入英飞凌智瑞达部分资产等。目前,长电、华天、通富已经位居全球封测代工前十(如图表14),全球十大封测厂通过这一轮并购后已经基本形成了日月光-矽品科技、安靠-J-Devices、长电科技-星科金朋等三大阵营

 2.4 政策支持力度大幅提升,推动中国国产半导体材料弯道超车

 2.4.1 02专项和863计划推动半导体材料实现从0到1的跨越

近年来国家制定了一系列产业政策包括863计划、02专项等来加速半导体材料供应的本土化进程,在这一阶段,国家对半导体材料发展的支持主要体现在专项补贴的方式。国家高技术研究发展计划(“863计划”)、国家科技重大专项“极大规模集成电路制造设备及成套工艺”专项基金(“02专项”)、发改委战略转型产业化项目都将半导体材料的研发及产业化列为重点项目。国家产业政策、研发专项基金的陆续发布和落实,从国家战略高度扶植半导体材料产业发展壮大。

在这一阶段,政策推动国产半导体材料在多个应用领域实现从0到1的跨越,多个产品实现高度国产化,半导体材料生产企业数量接近翻倍增长。2008年之前,我国8寸和12寸半导体制造所需材料几乎全部依赖进口,到2015年包括CMP抛光液、靶材、通电镀液等材料已经实现国产化,并在主流客户产线上实现批量供应。目前我国半导体制造材料企业数量从2005年的29家增加到到2014年的55家,增长近一倍。封装类企业从10家增长到17家。

2.4.2 大基金推动中国半导体材料龙头从1到10实现弯道超车

随着以大基金为代表的半导体材料2.0时代的到来,将带动国产半导体材料实现从1到10的弯道超车。目前大基金1期对半导体上游材料投资占比不到4%,且投资标的数量相对有限,我们预计大基金(二期)将加大对半导体上游设备和材料的投入力度,推动国产半导体材料龙头从1到10实现跨越式发展。

从大基金(一期)的投资情况来看,大基金在制造、设计、封测、装备材料等产业链各环节已经实现了投资布局全覆盖,各环节承诺投资占比分别为63%、20%、10%、以及7%,其中,半导体材料预计约占比3%~4%。

目前大基金在半导体材料环节的投资标数量约10家,主要集中包括上海新阳、安集微电子等细分行业的龙头公司,同时也正在积极推动包括雅克科技、巨化科技等企业的产业资源整合,有望将其分别打造成为国内半导体材料在电子气体及湿电子化学品等细分行业的龙头企业。

*声明:文章为作者独立观点,不代表格隆汇立场

相关阅读

评论