本篇文章是智芯研報『半導體材料全景剖析』系列專題第二篇，主題是市場規模最大的半導體原材料——矽片。

矽片是市場規模最大的半導體原材料 矽片是生產集成電路所用的載體，是市場規模最大的半導體原材料，2018 年全球市場規模為 121.2 億美元。主要被日本廠商勝高、信越等公司壟斷， 市場集中度高。

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襯底是具有特定晶面和適當電學，光學和機械特性的用於生長外延層的潔凈單晶薄片，按 照演進過程可分為三代：以矽、鍺等元素半導體材料為代表的第一代，奠定微電子產業基礎；以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）等化合物材料為代表的第二代，奠定信息產業基礎；以及以氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）等寬禁帶半導體材料為代表的第三代，支撐戰略性新興產業的發展。

矽在地殼中占比約 27%，是除了氧元素之外第二豐富的元素，矽元素以二氧化矽和矽酸鹽的形式大量存在於沙子、岩石、礦物中，儲量豐富並且易於取得。通常將 95-99%純度的 矽稱為工業矽。沙子、礦石中的二氧化矽經過純化，可製成純度 98%以上的矽；高純度矽經過進一步提純變為純度達 99.9999999%至 99.999999999% （9-11 個 9）的超純多晶矽； 超純多晶矽在石英坩堝中熔化，並摻入硼（P）、磷（B）等元素改變其導電能力，放入籽 晶確定晶向，經過單晶生長，製成具有特定電性功能的單晶矽錠。

熔體的溫度、提拉速度和籽晶/石英坩堝的旋轉速度決定了單晶矽錠的尺寸和晶體質量，而熔體中的硼（P）、磷（B）等雜質元素的濃度決定了單晶矽錠的電特性。單晶矽錠經過切片、研磨、蝕刻、拋光、外延、鍵合、清洗等工藝步驟，製造成為半導體矽片。在半導體 矽片上可布設電晶體及多層互聯線，使之成為具有特定功能的集成電路或半導體器件產品。在生產環節中，半導體矽片需要儘可能地減少晶體缺陷，保持極高的平整度與表面潔凈度， 以保證集成電路或半導體器件的可靠性。

矽基半導體材料是目前產量最大、應用最廣的半導體材料。根據 SEMI 統計數據，從半導體器件產值來看，2017 年全球 95%以上的半導體器件和 99%以上的集成電路採用矽作為 襯底材料，而化合物半導體市場占比在 5%以內。從襯底市場規模看，2017 年矽襯底年銷 售額 87 億美元，GaAs 襯底年銷售額約 8 億美元，GaN襯底年銷售額約 1 億美元，SiC 襯底年銷售額約 3 億美元。矽襯底銷售額占比達 85%以上，其主導和核心地位仍不會動搖。

半導體產業鏈的最上游是矽片製造廠，矽片是生產半導體所用的載體，是半導體最重要的上游原材料。

半導體矽片分類及製造工藝介紹

按照尺寸（以直徑計算）分類，半導體矽片主要有 50mm（2 英寸）、75mm（3 英寸）、 100mm（4 英寸）、150mm（6 英寸）、200mm（8 英寸）、300mm（12 英寸）等規格， 現已發展到 18 英寸（450mm）。目前，全球市場主流的產品是 200mm、300mm 直徑的半導體矽片。

按照加工工序矽片可分為拋光片、退火片、外延片、和 SOI 矽片四大類產品。其中，拋光片是應用範圍最廣泛，用量最大、最基礎的產品，其他的矽片產品也都是在拋光片的基 礎上二次加工產生的。

拋光片指由石英砂經過提純、拉晶、切片、拋光等工藝處理後形成的半導體矽片。拋光片 可直接用於製作半導體器件，廣泛應用於存儲晶片與功率器件等，也可作為外延片、SOI 矽片的襯底材料。外延片指外延生長形成的具有單晶薄膜的襯底晶片。通過氣相外延沉積 的方法在襯底上進行長晶，與最下面的襯底結晶面整齊排列進行生長。外延矽晶片廣泛使用在二極體，IGBT 功率器件，低功耗數字與模擬集成電路及移動計算通訊晶片、工業電 子、汽車電子等領域。

SOI 矽片指絕緣體上矽片，是常見的矽基材料之一，其核心特徵是在頂層矽和支撐襯底之間引入了一層氧化物絕緣埋層。SOI 矽片適合應用在要求耐高壓、耐惡劣環境、低功耗、 集成度高的晶片上，如射頻前端晶片、功率器件、汽車電子、傳感器以及星載晶片等。

按照單晶生長方法矽片可分為：直拉法製備的單晶矽，稱為 CZ 矽片；磁控直拉法製備的單晶矽，稱為 MCZ 矽片；懸浮區熔法制各的單晶矽，稱為 FZ 矽片。

在 Czochralski（直拉法）工藝中，晶體的生長是在坩堝中進行的，在坩堝中融化的矽保持一個確定的溫度。熔液中加入所需的 p 型或者 n 型摻雜物。然後再熔液中加入一個小的單晶籽晶。籽晶在緩慢旋轉期間，坩堝向反方向旋轉，矽的單晶層被沉積在籽晶上，並保 持籽晶的晶體結構。生長的晶棒同時緩慢地向上提升。

用 CZ 法工藝可以生長成非常大的單晶。長達幾米，直徑大於 30cm，用於製造 300mm 晶 片的矽棒，已能工業規模生產。但是用 CZ 法工藝，單晶的純度和質量受到限制，因為在 晶體生長過程中熔液是與坩堝接觸的。在CZ 矽中氧含量一般大於 1017cm-3，而雜質碳的 含量也在這個範圍。CZ 法製作的晶片主要用作生長外延晶片時的襯底，由外延片再來生 產集成電路等。某些功率器件像 MOSFET 也是用 CZ 襯底的外延晶片來生產的。對於用 單個晶片的功率半導體器件，在大多數情況下，CZ 晶體的純度是不夠的。

懸浮區熔工藝可以生長比一般利用 CZ 法生長單晶所含有的雜質濃度更低的矽。一根底部帶有籽晶的高純度多晶棒保持在垂直的方向，並被旋轉。此晶棒被封在內部充滿惰性氣體 （氬氣）的石英管中，在操作過程中，利用射頻加熱器使一小區域（約幾厘米長）的多晶棒熔融。射頻加熱器自底部籽晶往上掃過整個多晶棒，由此懸浮區熔（即熔融帶）也會掃 過整個多晶棒。熔融的矽是由正在熔融和生長的固態矽間的表面張力所支持。當懸浮區熔上移時，在再結晶處長出單晶且依籽晶方向延伸生長。

懸浮區熔工藝可生產比 CZ 法更高阻值的物質，因為它比較容易提純晶體，而且在懸浮區熔工藝中，不需要用到坩堝，因此不會有來自坩堝的污染。碳的含量小於 5×1015cm-3，氧 含量小於 1×1016cm-3，採用完整個體晶片的功率器件，大部分是用 FZ 法矽襯底製造的。所以目前懸浮區熔長晶法主要用於需要高電阻率材料的器件，如高功率、高壓等器件。

工藝製程的持續改進，對矽片的要求越來越高

製程的不斷縮小提升了對半導體矽片的技術要求。遵循摩爾定律，半導體製程的線寬已經 從上世紀 70 年代的 1μm、0.35μm、0.13μm 發展到當前的 90nm、65nm、45nm、28nm、 14nm、7nm。隨著製程線寬的不斷縮小，晶片製造工藝對矽片缺陷密度與缺陷尺寸的容 忍度不斷降低。對應在半導體矽片的製造過程中，需要更加嚴格的控制矽片表面的粗糙度、矽單晶缺陷、金屬雜質、晶體原生缺陷、表面顆粒尺寸和數量等。

半導體工藝製程的持續改進，對半導體材料的要求越來越高。根據台積電公告，台積電 7nm 工藝製程已經量產，更先進的 5nm 工藝的研發持續推進。半導體製造技術十分精細， 製造工藝極其複雜，對材料的要求非常苛刻。根據產品的不同，集成電路生產需經過幾十步甚至上千步的工藝，其中任何一步的錯誤都可能是最後導致器件失效的原因，因此對設 備和材料的要求非常高，且對每一步的良率要求極高，通常要達到 3 個 9 以上的良率。

半導體的生產效率和成本與矽片尺寸直接相關。一般來說，矽片尺寸越大，用於半導體生 產的效率越高，單位耗用原材料越少。隨著半導體生產技術的不斷提高，矽片整體向大尺寸趨勢發展，矽片尺寸從早期的 2 英寸、4 英寸，發展為現在的 6 英寸、8 英寸和 12 英寸。其中，8 英寸和 12 英寸矽片已成為半導體矽片的主流產品，根據 SEMI 統計數據， 自 2014 年起一直占據半導體矽片 90%以上的市場份額。

在半導體材料選擇上，半導體晶片製造廠商會綜合考慮生產效率、工藝難度及生產成本等 多項因素，使用不同尺寸的矽片來匹配各種規格的半導體產品，以達到經營效益最大化。如功率半導體生產主要採用 6英寸矽片、 8英寸矽片，微控制器生產主要採用 8英寸矽片， 邏輯晶片和存儲晶片生產則主要採用 12 英寸矽片。

矽片市場空間巨大，12 英寸矽片市占率快速提升

2017 年以來，受益於半導體終端市場需求強勁，下游傳統應用領域計算機、移動通信、固態硬碟、工業電子市場持續增長，新興應用領域如人工智慧、區塊鏈、物聯網、汽車電 子的快速發展，半導體矽片市場規模不斷增長，並於 2018 年突破百億美元大關。根據 SEMI 統計數據，2016 年至 2018 年，全球半導體矽片銷售金額從 72.09 億美元增長至 114 億美 元，CAGR 達 25.75%。與此同時，2016至 2018 年，全球半導體矽片出貨面積從 107.38 億平方英寸增長至 127.32 億平方英寸，CAGR 達8.89%。

矽片銷售情況受下游半導體市場影響較大，全球矽片出貨面積與半導體銷售額呈強正相關 關係，且波動幅度緊密相關。根據 Wind 統計數據，2019 年第二季度全球矽片出貨面積為 2983 百萬平方英寸，同比下降 5.60%，環比下降 2.33%。根據 Wind 消息，台積電 CEO 魏哲家在 2019 年 Q2 業績披露會上預計下半年業務將大幅強於上半年；3 納米工藝研發 進展良好。我們預計集成電路產業需求有望於 2019 年底走出谷底。因此作為集成電路產業鏈基礎原材料的矽片需求量短期承壓，隨著下游需求的回暖，未來持續看好。

根據 SEMI 統計數據，就當前市場占有率最高的 8 英寸矽片和 12 英寸矽片而言：2011年 開始，8 英寸矽片市場占有率穩定在 25%-27%。2016 年至 2017 年，由於汽車電子、智 能手機用指紋晶片、液晶顯示器市場需求快速增長，8 英寸矽片出貨面積隨之快速增長， 同比增長 14.68%。2018 年，受益於汽車電子、工業電子、物聯網等應用領域的強勁需求， 以及功率器件、傳感器等生產商將部分產能從 150mm 轉移至 200mm，8 英寸矽片繼續保持 6.25%的增長。

12 英寸矽片方面，自 2000 年全球第一條 12 英寸晶片製造生產線建成以來，12 英寸矽片 市場需求迅速增加，出貨面積不斷上升。2008 年，12 英寸矽片出貨量首次超過 8 英寸矽 片；2009 年，12 英寸矽片出貨面積超過其他尺寸矽片出貨面積之和。2000 年至 2018 年， 由於移動通信、計算機等終端市場持續快速發展，12 英寸矽片市場份額從 1.69%大幅提 升至 2018 年的 63.31%，成為矽片市場最主流的產品。2016 至 2018 年，由於人工智慧、 區塊鏈、雲計算等新興終端市場的蓬勃發展，12 英寸矽片繼續保持強勁增長態勢，年均 復合增長率為 7.51%。

轉向國內市場，2008 年至 2013年，中國大陸矽片市場發展趨勢與全球矽片市場一致。2014 年起，隨著中國各半導體製造生產線投產、製造技術的不斷進步與終端產品市場的飛速發展，中國大陸半導體矽片市場步入了飛躍式發展階段。根據 SEMI 統計數據，2016年至 2018 年，中國大陸半導體矽片銷售額從 5.00 億美元上升至 9.96 億美元，年均復合增長 率高達 41.17%，遠高於同期全球增速。

產能逐步釋放，12 英寸矽片仍供不應求

半導體器件大部分是由中游的晶圓代工廠生產，代工廠的產量及稼動率代表了對上游半導 體矽片的需求量。根據 SUMCO 數據，未來 3-5 年內全球 12 寸矽片的供給和需求依舊存 在缺口，並且缺口會隨著半導體周期的景氣程度回暖而越來越大，到 2022 年將會有 100 萬片/月的缺口。

根據 IC insights 提供的數據，前八大晶圓製造廠中有台積電、聯電和力晶來自中國台灣地區，格羅方德（Global Foundry）來自美國，三星來自韓國，中芯國際和華虹宏力來自中 國大陸，Towerjazz 來自以色列。在周期景氣及 28nm 工藝演進到 7nm 工藝的情況下，各 大代工廠紛紛擴產，產能已經開始逐步釋放。其中國內新增 26 條晶圓線，有 4 個 8 英寸 產線，其餘均為 12英寸產線，產能將在 2019 年起逐步釋放。

矽片生產線的建設周期一般為 2-3 年，且收回投資成本時間較長，投資回收期約為 6-7 年， 在未來的一段時間內大矽片產能不具備快速提升的基礎，在需求快速增長的同時，大尺寸 矽片市場將出現供不應求的局面。根據 SUMCO 和 SEMI 的統計，2017年全球 8 英寸和 12 英寸矽片的需求分別為 558 萬片/月和 557 萬片/月，8 英寸和 12 英寸矽片的出貨量分別為 530 萬片/月和550 萬片/月，矽片廠商在滿產的狀態下仍不能滿足需求。保守預計到 2020 年 8 英寸和 12 英寸的終端市場需求量將分別超過 630 萬片/月和 620 萬片/月。

中國晶圓破局希望—上海矽產業集團

▌ 專注國產大矽片，產業鏈完整齊全

上海矽產業集團主要從事半導體矽片的研發、生產和銷售。提供產品包括：300mm 拋光片和外延片、200mm 及以下拋光片、外延片及 SOI 矽片。中國大陸半導體矽片企業技術較為薄弱，市場份額較小，多數企業以生產 200mm 及以下拋光片、外延片為主。目前矽 產業集團是中國大陸規模最大的半導體矽片企業之一，亦是中國大陸率先實現 300mm 半 導體矽片規模化銷售的企業，並且在特殊矽基材料 SOI 矽片領域具有較強的競爭力。

▌ 控股性公司，股權分散充分制衡

上海矽產業集團公司是一家控股性公司，上海新昇、新傲科技、Okmetic 三家控股子公司展開具體業務。其中新傲科技、Okmetic 主要負責 200nm 及以下拋光片、外延片及 SOI 矽片，上海新昇主要負責 300nm 拋光片及外延片。

公司目前無實際控制人，國盛集團和產業投資基金均持有公司 30.48%的的股份，並列為公司第一大股東。

上海新昇成立於 2014 年 6 月，是國內首個 300mm 大矽片項目的承擔主體，也是目前唯 一獲得國家重大項目支持的矽片公司，承擔了國家 02 專項核心工程之一的「40-28 納米 集成電路製造用 300 毫米矽片」項目。

Okmetic 成立於 1985 年，位於芬蘭，是一家老牌的矽片生產商，也是世界第七大矽片生產商。2016年3月，上海矽產業集團以1.59億歐元的價格收購Okmetic全部股權。Okmetic 主要產品為拋光片和 SOI 矽片，用於 MEMS、傳感器、模擬電路及分離式半導體產品開 發及生產。

新傲科技成立於 2001 年，建成了我國第一條 SOI 生產線，目前是中國領先的 SOI 材料生 產基地，也是世界上少數的 SOI 材料規模化供應商之一。目前，新傲公司的產品 90%以 上銷售到美、日、歐、俄、韓、台灣和新加坡等地。

▌ 營收快速增加，獲利能力亟待改善

2016-2018 年，公司的主營業務收入分別為 2.7 億元、6.94 億元和10.10 億元，呈逐年遞 增趨勢，同比增長 156.90%和45.64%。2019 年第一季度公司營收 2.70 億元。收入增長快速其原因有二：行業方面，公司是中國少數具有一定國際競爭力的半導體矽片企業，產 品得到眾多國內外客戶的認可。2017 年以來，半導體終端市場需求強勁，在行業需求大幅增加的背景下，公司銷售收入隨之大幅上升。

公司方面，2016 年收購了Okemetic 和上海新昇，公司 2016 年 7 月起將 Okemetic 納入 合併報表收入後，Okemetic 通過逐步擴大產能、提高產量，實現了營業收入增長；上海新昇成立時間較短，經過前期各階段後，於 2018 年實現規模化生產，同時相關產品先後 通過中芯國際和華力微電子的認證並開始批量銷售，2018 年實現營業收入 2.15 億元，較 2017 年大幅增加了 1.90 億元。

公司歸母凈利潤在近幾年波動較大，且現金流量凈額與當期凈利潤存在較大差異，主要 原因系公司正處於產能擴張的建設期，在 2016 和 2018 公司收到政府補助計入遞延收益， 使得當期經營性應付項目大幅增加；2017 年主要是因為公司出售持有的 Soitec 3%的股權 投資收益增加。因為公司前期研發投入較大，公司 2016 年、2017 年、2018 年、2019 年 1-3 月的扣非凈利潤分別為-9,081.32 萬元、-9,941.45 萬元、-10,333.31 萬元、-2,039.36 萬元，皆為負值。

轉向公司利潤率數據，2016 至今，隨著公司生產經營規模的不斷擴大和行業景氣度的持續提升，公司毛利率始終穩步提升，2019 年第一季度公司毛利率達 30.81%。而歸母凈利率方面，由於近幾年歸母凈利波動較大，對應歸母凈利率也有較大波動。

▌ 12 英寸矽片占比持續提升，布局全球目光長遠

公司 200mm 及以下半導體矽片（含SOI 矽片）收入穩定增長；隨著公司 300mm 半導體 矽片的產業化，公司 300mm 半導體矽片的收入迅速提升，2018 年 300mm 半導體矽片收 入達 2.15 億元，收入貢獻達 21.32%。

毛利率方面，2018 年和 2019 年第一季度 200nm 及以下半導體矽片（含 SOI 矽片）的毛 利率增加較多，主要系 2018 年行業持續向好，公司提高了產品售價所致，產品平均單價 分別較上一年增長了17.42%和 20.73%。

300nm 半導體矽片的毛利率較低，主要系公司經歷了投產前期到達產的各個階段，投產前期固定成本分攤較高，營業成本高於營業收入所致；另一方面，公司 300nm 半導體矽片 的質量、良品率和市場競爭力仍待進一步提高，公司的議價能力不強，產品平均單價短期內處於相對較低的水平。

半導體行業是一個全球化的行業，半導體矽片行業上游原材料供應商、下游晶片製造企業 廣泛分布於歐洲、亞洲、北美洲等多個地區。公司控股子公司 Okmetic 主要生產經營地在 歐洲，控股子公司新傲科技、上海新昇主要生產經營地在中國大陸，公司在歐洲、美洲、 亞洲均建立了銷售團隊。2018 年，公司銷售收入的 34.77%來自於北美、29.74%來自於 歐洲、19.12%來自於中國、16.36%來自於亞洲其他國家或地區。

公司持續投入研發，積極主動創新。公司在創新方面取得了多項成果，擁有已獲授權的專 利300 項，其中中國大陸 105 項，中國台灣地區及國外195 項；擁有已獲授權的發明專 利 273 項。公司鼓勵創新和研發工作，目前公司有技術研發人員 368 人，占總員工人數 的 27.9%。2016 至 2018 年，公司研發費用分別為 0.21 億元、0.91 億元和0.84 億元， 公司收購上海新昇後，在 300mm 半導體矽片的生產項目上持續進行了大規模的研發投入，因此 2017 年研發費用較 2016 年增幅較高。2018 年下半年，公司實現了 300mm 半導體 矽片的規模化生產，研發費用較 2017 年略有下降。

▌ 12 英寸矽片自給率低，未來有望實現國產替換

根據電子行業協會統計，2016 年中國大陸企業在 4-6 英寸矽片（含拋光片、外延片等） 的產量約為 5200 萬片，基本可以滿足國內 4-6 英寸的晶圓需求。但是 8 英寸-12英寸的 大矽片，國內自供率仍然比較低。國內具有8英寸矽片和外延片生產能力的有浙江金瑞泓、 崑山中辰、北京有研新材、南京國盛、CECT46 所以及上海新傲，合計月產能為 23.3 萬 片/月。2018 年國內對 8 英寸矽片的月需求量預計為 80 萬片，仍有較大的缺口。目前國 內 8 英寸矽片主要適用於分立器件，但先進位程的集成電路用 8 英寸矽片的產業化技術尚 有待改善。

12 英寸矽片則一直依賴於進口，2018年國內的總需求量為 50 萬片/月，預計到 2018 年 後總需求量為 110-130 萬片/月。目前國內在製作大矽片的超純矽原料、單晶爐、切磨拋 設備、檢測設備等領域均依賴於進口。近年來，我國在 8 英寸和 12 英寸集成電路級矽片 的研發上取得了重大突破，國家在政策和資本等各方面給予大力支持，中國本土企業在市場、政策、資金的推動下開始快速發展，未來有望逐步實現國產替代。

由此可見，國內新增 fab 產能對半導體大矽片的需求非常強勁。但無奈國內自給率非常低，大部分依賴海外進口，上海矽產業集團的半導體大矽片未來進口替代空間巨大。上海矽產業集團未來業績主要驅動力為國內新增 fab 產能的增加及公司自身技術的提升。

……未完待續……

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