本篇文章是智芯研报‘半导体材料全景剖析’系列专题第二篇，主题是市场规模最大的半导体原材料——硅片。
硅片是市场规模最大的半导体原材料 硅片是生产集成电路所用的载体，是市场规模最大的半导体原材料，2018 年全球市场规模为 121.2 亿美元。主要被日本厂商胜高、信越等公司垄断， 市场集中度高。
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衬底是具有特定晶面和适当电学，光学和机械特性的用于生长外延层的洁净单晶薄片，按 照演进过程可分为三代：以硅、锗等元素半导体材料为代表的第一代，奠定微电子产业基础；以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）等化合物材料为代表的第二代，奠定信息产业基础；以及以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等宽禁带半导体材料为代表的第三代，支撑战略性新兴产业的发展。
硅在地壳中占比约 27%，是除了氧元素之外第二丰富的元素，硅元素以二氧化硅和硅酸盐的形式大量存在于沙子、岩石、矿物中，储量丰富并且易于取得。通常将 95-99%纯度的 硅称为工业硅。沙子、矿石中的二氧化硅经过纯化，可制成纯度 98%以上的硅；高纯度硅经过进一步提纯变为纯度达 99.9999999%至 99.999999999% （9-11 个 9）的超纯多晶硅； 超纯多晶硅在石英坩埚中熔化，并掺入硼（P）、磷（B）等元素改变其导电能力，放入籽 晶确定晶向，经过单晶生长，制成具有特定电性功能的单晶硅锭。
熔体的温度、提拉速度和籽晶/石英坩埚的旋转速度决定了单晶硅锭的尺寸和晶体质量，而熔体中的硼（P）、磷（B）等杂质元素的浓度决定了单晶硅锭的电特性。单晶硅锭经过切片、研磨、蚀刻、抛光、外延、键合、清洗等工艺步骤，制造成为半导体硅片。在半导体 硅片上可布设晶体管及多层互联线，使之成为具有特定功能的集成电路或半导体器件产品。在生产环节中，半导体硅片需要尽可能地减少晶体缺陷，保持极高的平整度与表面洁净度， 以保证集成电路或半导体器件的可靠性。
硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料。根据 SEMI 统计数据，从半导体器件产值来看，2017 年全球 95%以上的半导体器件和 99%以上的集成电路采用硅作为 衬底材料，而化合物半导体市场占比在 5%以内。从衬底市场规模看，2017 年硅衬底年销 售额 87 亿美元，GaAs 衬底年销售额约 8 亿美元，GaN衬底年销售额约 1 亿美元，SiC 衬底年销售额约 3 亿美元。硅衬底销售额占比达 85%以上，其主导和核心地位仍不会动摇。
半导体产业链的最上游是硅片制造厂，硅片是生产半导体所用的载体，是半导体最重要的上游原材料。
按照尺寸（以直径计算）分类，半导体硅片主要有 50mm（2 英寸）、75mm（3 英寸）、 100mm（4 英寸）、150mm（6 英寸）、200mm（8 英寸）、300mm（12 英寸）等规格， 现已发展到 18 英寸（450mm）。目前，全球市场主流的产品是 200mm、300mm 直径的半导体硅片。
按照加工工序硅片可分为抛光片、退火片、外延片、和 SOI 硅片四大类产品。其中，抛光片是应用范围最广泛，用量最大、最基础的产品，其他的硅片产品也都是在抛光片的基 础上二次加工产生的。
抛光片指由石英砂经过提纯、拉晶、切片、抛光等工艺处理后形成的半导体硅片。抛光片 可直接用于制作半导体器件，广泛应用于存储芯片与功率器件等，也可作为外延片、SOI 硅片的衬底材料。外延片指外延生长形成的具有单晶薄膜的衬底芯片。通过气相外延沉积 的方法在衬底上进行长晶，与最下面的衬底结晶面整齐排列进行生长。外延硅芯片广泛使用在二极管，IGBT 功率器件，低功耗数字与模拟集成电路及移动计算通讯芯片、工业电 子、汽车电子等领域。
SOI 硅片指绝缘体上硅片，是常见的硅基材料之一，其核心特征是在顶层硅和支撑衬底之间引入了一层氧化物绝缘埋层。SOI 硅片适合应用在要求耐高压、耐恶劣环境、低功耗、 集成度高的芯片上，如射频前端芯片、功率器件、汽车电子、传感器以及星载芯片等。
按照单晶生长方法硅片可分为：直拉法制备的单晶硅，称为 CZ 硅片；磁控直拉法制备的单晶硅，称为 MCZ 硅片；悬浮区熔法制各的单晶硅，称为 FZ 硅片。
在 Czochralski（直拉法）工艺中，晶体的生长是在坩埚中进行的，在坩埚中融化的硅保持一个确定的温度。熔液中加入所需的 p 型或者 n 型掺杂物。然后再熔液中加入一个小的单晶籽晶。籽晶在缓慢旋转期间，坩埚向反方向旋转，硅的单晶层被沉积在籽晶上，并保 持籽晶的晶体结构。生长的晶棒同时缓慢地向上提升。
用 CZ 法工艺可以生长成非常大的单晶。长达几米，直径大于 30cm，用于制造 300mm 晶 片的硅棒，已能工业规模生产。但是用 CZ 法工艺，单晶的纯度和质量受到限制，因为在 晶体生长过程中熔液是与坩埚接触的。在CZ 硅中氧含量一般大于 1017cm-3，而杂质碳的 含量也在这个范围。CZ 法制作的芯片主要用作生长外延芯片时的衬底，由外延片再来生 产集成电路等。某些功率器件像 MOSFET 也是用 CZ 衬底的外延芯片来生产的。对于用 单个芯片的功率半导体器件，在大多数情况下，CZ 晶体的纯度是不够的。
悬浮区熔工艺可以生长比一般利用 CZ 法生长单晶所含有的杂质浓度更低的硅。一根底部带有籽晶的高纯度多晶棒保持在垂直的方向，并被旋转。此晶棒被封在内部充满惰性气体 （氩气）的石英管中，在操作过程中，利用射频加热器使一小区域（约几厘米长）的多晶棒熔融。射频加热器自底部籽晶往上扫过整个多晶棒，由此悬浮区熔（即熔融带）也会扫 过整个多晶棒。熔融的硅是由正在熔融和生长的固态硅间的表面张力所支持。当悬浮区熔上移时，在再结晶处长出单晶且依籽晶方向延伸生长。
悬浮区熔工艺可生产比 CZ 法更高阻值的物质，因为它比较容易提纯晶体，而且在悬浮区熔工艺中，不需要用到坩埚，因此不会有来自坩埚的污染。碳的含量小于 5×1015cm-3，氧 含量小于 1×1016cm-3，采用完整个体芯片的功率器件，大部分是用 FZ 法硅衬底制造的。所以目前悬浮区熔长晶法主要用于需要高电阻率材料的器件，如高功率、高压等器件。
制程的不断缩小提升了对半导体硅片的技术要求。遵循摩尔定律，半导体制程的线宽已经 从上世纪 70 年代的 1μm、0.35μm、0.13μm 发展到当前的 90nm、65nm、45nm、28nm、 14nm、7nm。随着制程线宽的不断缩小，芯片制造工艺对硅片缺陷密度与缺陷尺寸的容 忍度不断降低。对应在半导体硅片的制造过程中，需要更加严格的控制硅片表面的粗糙度、硅单晶缺陷、金属杂质、晶体原生缺陷、表面颗粒尺寸和数量等。
半导体工艺制程的持续改进，对半导体材料的要求越来越高。根据台积电公告，台积电 7nm 工艺制程已经量产，更先进的 5nm 工艺的研发持续推进。半导体制造技术十分精细， 制造工艺极其复杂，对材料的要求非常苛刻。根据产品的不同，集成电路生产需经过几十步甚至上千步的工艺，其中任何一步的错误都可能是最后导致器件失效的原因，因此对设 备和材料的要求非常高，且对每一步的良率要求极高，通常要达到 3 个 9 以上的良率。
半导体的生产效率和成本与硅片尺寸直接相关。一般来说，硅片尺寸越大，用于半导体生 产的效率越高，单位耗用原材料越少。随着半导体生产技术的不断提高，硅片整体向大尺寸趋势发展，硅片尺寸从早期的 2 英寸、4 英寸，发展为现在的 6 英寸、8 英寸和 12 英寸。其中，8 英寸和 12 英寸硅片已成为半导体硅片的主流产品，根据 SEMI 统计数据， 自 2014 年起一直占据半导体硅片 90%以上的市场份额。
在半导体材料选择上，半导体芯片制造厂商会综合考虑生产效率、工艺难度及生产成本等 多项因素，使用不同尺寸的硅片来匹配各种规格的半导体产品，以达到经营效益最大化。如功率半导体生产主要采用 6英寸硅片、 8英寸硅片，微控制器生产主要采用 8英寸硅片， 逻辑芯片和存储芯片生产则主要采用 12 英寸硅片。
2017 年以来，受益于半导体终端市场需求强劲，下游传统应用领域计算机、移动通信、固态硬盘、工业电子市场持续增长，新兴应用领域如人工智能、区块链、物联网、汽车电 子的快速发展，半导体硅片市场规模不断增长，并于 2018 年突破百亿美元大关。根据 SEMI 统计数据，2016 年至 2018 年，全球半导体硅片销售金额从 72.09 亿美元增长至 114 亿美 元，CAGR 达 25.75%。与此同时，2016至 2018 年，全球半导体硅片出货面积从 107.38 亿平方英寸增长至 127.32 亿平方英寸，CAGR 达8.89%。
硅片销售情况受下游半导体市场影响较大，全球硅片出货面积与半导体销售额呈强正相关 关系，且波动幅度紧密相关。根据 Wind 统计数据，2019 年第二季度全球硅片出货面积为 2983 百万平方英寸，同比下降 5.60%，环比下降 2.33%。根据 Wind 消息，台积电 CEO 魏哲家在 2019 年 Q2 业绩披露会上预计下半年业务将大幅强于上半年；3 纳米工艺研发 进展良好。我们预计集成电路产业需求有望于 2019 年底走出谷底。因此作为集成电路产业链基础原材料的硅片需求量短期承压，随着下游需求的回暖，未来持续看好。
根据 SEMI 统计数据，就当前市场占有率最高的 8 英寸硅片和 12 英寸硅片而言：2011年 开始，8 英寸硅片市场占有率稳定在 25%-27%。2016 年至 2017 年，由于汽车电子、智 能手机用指纹芯片、液晶显示器市场需求快速增长，8 英寸硅片出货面积随之快速增长， 同比增长 14.68%。2018 年，受益于汽车电子、工业电子、物联网等应用领域的强劲需求， 以及功率器件、传感器等生产商将部分产能从 150mm 转移至 200mm，8 英寸硅片继续保持 6.25%的增长。
12 英寸硅片方面，自 2000 年全球第一条 12 英寸芯片制造生产线建成以来，12 英寸硅片 市场需求迅速增加，出货面积不断上升。2008 年，12 英寸硅片出货量首次超过 8 英寸硅 片；2009 年，12 英寸硅片出货面积超过其他尺寸硅片出货面积之和。2000 年至 2018 年， 由于移动通信、计算机等终端市场持续快速发展，12 英寸硅片市场份额从 1.69%大幅提 升至 2018 年的 63.31%，成为硅片市场最主流的产品。2016 至 2018 年，由于人工智能、 区块链、云计算等新兴终端市场的蓬勃发展，12 英寸硅片继续保持强劲增长态势，年均 复合增长率为 7.51%。
转向国内市场，2008 年至 2013年，中国大陆硅片市场发展趋势与全球硅片市场一致。2014 年起，随着中国各半导体制造生产线投产、制造技术的不断进步与终端产品市场的飞速发展，中国大陆半导体硅片市场步入了飞跃式发展阶段。根据 SEMI 统计数据，2016年至 2018 年，中国大陆半导体硅片销售额从 5.00 亿美元上升至 9.96 亿美元，年均复合增长 率高达 41.17%，远高于同期全球增速。
半导体器件大部分是由中游的晶圆代工厂生产，代工厂的产量及稼动率代表了对上游半导 体硅片的需求量。根据 SUMCO 数据，未来 3-5 年内全球 12 寸硅片的供给和需求依旧存 在缺口，并且缺口会随着半导体周期的景气程度回暖而越来越大，到 2022 年将会有 100 万片/月的缺口。
根据 IC insights 提供的数据，前八大晶圆制造厂中有台积电、联电和力晶来自中国台湾地区，格罗方德（Global Foundry）来自美国，三星来自韩国，中芯国际和华虹宏力来自中 国大陆，Towerjazz 来自以色列。在周期景气及 28nm 工艺演进到 7nm 工艺的情况下，各 大代工厂纷纷扩产，产能已经开始逐步释放。其中国内新增 26 条晶圆线，有 4 个 8 英寸 产线，其余均为 12英寸产线，产能将在 2019 年起逐步释放。
硅片生产线的建设周期一般为 2-3 年，且收回投资成本时间较长，投资回收期约为 6-7 年， 在未来的一段时间内大硅片产能不具备快速提升的基础，在需求快速增长的同时，大尺寸 硅片市场将出现供不应求的局面。根据 SUMCO 和 SEMI 的统计，2017年全球 8 英寸和 12 英寸硅片的需求分别为 558 万片/月和 557 万片/月，8 英寸和 12 英寸硅片的出货量分别为 530 万片/月和550 万片/月，硅片厂商在满产的状态下仍不能满足需求。保守预计到 2020 年 8 英寸和 12 英寸的终端市场需求量将分别超过 630 万片/月和 620 万片/月。
▌ 专注国产大硅片，产业链完整齐全
上海硅产业集团主要从事半导体硅片的研发、生产和销售。提供产品包括：300mm 抛光片和外延片、200mm 及以下抛光片、外延片及 SOI 硅片。中国大陆半导体硅片企业技术较为薄弱，市场份额较小，多数企业以生产 200mm 及以下抛光片、外延片为主。目前硅 产业集团是中国大陆规模最大的半导体硅片企业之一，亦是中国大陆率先实现 300mm 半 导体硅片规模化销售的企业，并且在特殊硅基材料 SOI 硅片领域具有较强的竞争力。
▌ 控股性公司，股权分散充分制衡
上海硅产业集团公司是一家控股性公司，上海新昇、新傲科技、Okmetic 三家控股子公司展开具体业务。其中新傲科技、Okmetic 主要负责 200nm 及以下抛光片、外延片及 SOI 硅片，上海新昇主要负责 300nm 抛光片及外延片。
公司目前无实际控制人，国盛集团和产业投资基金均持有公司 30.48%的的股份，并列为公司第一大股东。
上海新昇成立于 2014 年 6 月，是国内首个 300mm 大硅片项目的承担主体，也是目前唯 一获得国家重大项目支持的硅片公司，承担了国家 02 专项核心工程之一的“40-28 纳米 集成电路制造用 300 毫米硅片”项目。
Okmetic 成立于 1985 年，位于芬兰，是一家老牌的硅片生产商，也是世界第七大硅片生产商。2016年3月，上海硅产业集团以1.59亿欧元的价格收购Okmetic全部股权。Okmetic 主要产品为抛光片和 SOI 硅片，用于 MEMS、传感器、模拟电路及分离式半导体产品开 发及生产。
新傲科技成立于 2001 年，建成了我国第一条 SOI 生产线，目前是中国领先的 SOI 材料生 产基地，也是世界上少数的 SOI 材料规模化供应商之一。目前，新傲公司的产品 90%以 上销售到美、日、欧、俄、韩、台湾和新加坡等地。
▌ 营收快速增加，获利能力亟待改善
2016-2018 年，公司的主营业务收入分别为 2.7 亿元、6.94 亿元和10.10 亿元，呈逐年递 增趋势，同比增长 156.90%和45.64%。2019 年第一季度公司营收 2.70 亿元。收入增长快速其原因有二：行业方面，公司是中国少数具有一定国际竞争力的半导体硅片企业，产 品得到众多国内外客户的认可。2017 年以来，半导体终端市场需求强劲，在行业需求大幅增加的背景下，公司销售收入随之大幅上升。
公司方面，2016 年收购了Okemetic 和上海新昇，公司 2016 年 7 月起将 Okemetic 纳入 合并报表收入后，Okemetic 通过逐步扩大产能、提高产量，实现了营业收入增长；上海新昇成立时间较短，经过前期各阶段后，于 2018 年实现规模化生产，同时相关产品先后 通过中芯国际和华力微电子的认证并开始批量销售，2018 年实现营业收入 2.15 亿元，较 2017 年大幅增加了 1.90 亿元。
公司归母净利润在近几年波动较大，且现金流量净额与当期净利润存在较大差异，主要 原因系公司正处于产能扩张的建设期，在 2016 和 2018 公司收到政府补助计入递延收益， 使得当期经营性应付项目大幅增加；2017 年主要是因为公司出售持有的 Soitec 3%的股权 投资收益增加。因为公司前期研发投入较大，公司 2016 年、2017 年、2018 年、2019 年 1-3 月的扣非净利润分别为-9,081.32 万元、-9,941.45 万元、-10,333.31 万元、-2,039.36 万元，皆为负值。
转向公司利润率数据，2016 至今，随着公司生产经营规模的不断扩大和行业景气度的持续提升，公司毛利率始终稳步提升，2019 年第一季度公司毛利率达 30.81%。而归母净利率方面，由于近几年归母净利波动较大，对应归母净利率也有较大波动。
▌ 12 英寸硅片占比持续提升，布局全球目光长远
公司 200mm 及以下半导体硅片（含SOI 硅片）收入稳定增长；随着公司 300mm 半导体 硅片的产业化，公司 300mm 半导体硅片的收入迅速提升，2018 年 300mm 半导体硅片收 入达 2.15 亿元，收入贡献达 21.32%。
毛利率方面，2018 年和 2019 年第一季度 200nm 及以下半导体硅片（含 SOI 硅片）的毛 利率增加较多，主要系 2018 年行业持续向好，公司提高了产品售价所致，产品平均单价 分别较上一年增长了17.42%和 20.73%。
300nm 半导体硅片的毛利率较低，主要系公司经历了投产前期到达产的各个阶段，投产前期固定成本分摊较高，营业成本高于营业收入所致；另一方面，公司 300nm 半导体硅片 的质量、良品率和市场竞争力仍待进一步提高，公司的议价能力不强，产品平均单价短期内处于相对较低的水平。
半导体行业是一个全球化的行业，半导体硅片行业上游原材料供应商、下游芯片制造企业 广泛分布于欧洲、亚洲、北美洲等多个地区。公司控股子公司 Okmetic 主要生产经营地在 欧洲，控股子公司新傲科技、上海新昇主要生产经营地在中国大陆，公司在欧洲、美洲、 亚洲均建立了销售团队。2018 年，公司销售收入的 34.77%来自于北美、29.74%来自于 欧洲、19.12%来自于中国、16.36%来自于亚洲其他国家或地区。
公司持续投入研发，积极主动创新。公司在创新方面取得了多项成果，拥有已获授权的专 利300 项，其中中国大陆 105 项，中国台湾地区及国外195 项；拥有已获授权的发明专 利 273 项。公司鼓励创新和研发工作，目前公司有技术研发人员 368 人，占总员工人数 的 27.9%。2016 至 2018 年，公司研发费用分别为 0.21 亿元、0.91 亿元和0.84 亿元， 公司收购上海新昇后，在 300mm 半导体硅片的生产项目上持续进行了大规模的研发投入，因此 2017 年研发费用较 2016 年增幅较高。2018 年下半年，公司实现了 300mm 半导体 硅片的规模化生产，研发费用较 2017 年略有下降。
▌ 12 英寸硅片自给率低，未来有望实现国产替换
根据电子行业协会统计，2016 年中国大陆企业在 4-6 英寸硅片（含抛光片、外延片等） 的产量约为 5200 万片，基本可以满足国内 4-6 英寸的晶圆需求。但是 8 英寸-12英寸的 大硅片，国内自供率仍然比较低。国内具有8英寸硅片和外延片生产能力的有浙江金瑞泓、 昆山中辰、北京有研新材、南京国盛、CECT46 所以及上海新傲，合计月产能为 23.3 万 片/月。2018 年国内对 8 英寸硅片的月需求量预计为 80 万片，仍有较大的缺口。目前国 内 8 英寸硅片主要适用于分立器件，但先进制程的集成电路用 8 英寸硅片的产业化技术尚 有待改善。
12 英寸硅片则一直依赖于进口，2018年国内的总需求量为 50 万片/月，预计到 2018 年 后总需求量为 110-130 万片/月。目前国内在制作大硅片的超纯硅原料、单晶炉、切磨抛 设备、检测设备等领域均依赖于进口。近年来，我国在 8 英寸和 12 英寸集成电路级硅片 的研发上取得了重大突破，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。
由此可见，国内新增 fab 产能对半导体大硅片的需求非常强劲。但无奈国内自给率非常低，大部分依赖海外进口，上海硅产业集团的半导体大硅片未来进口替代空间巨大。上海硅产业集团未来业绩主要驱动力为国内新增 fab 产能的增加及公司自身技术的提升。
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