半导体质料是芯片制作的基底，制作半导体的质料繁多，现在主要以硅基和化合物质料共生共存的半导体质料名目。常见的半导体质料有硅，砷化镓，氮化镓和碳化硅。随着科学手艺的生长，硅质料在半导体制作上逐渐趋向物理极限，因此无法知足一些超高规格电子产物对高功率，高频率和高压等苛刻条件。现在，可以通过以硅质料为衬底，化合物质料在硅质料外延生长制成单晶片，也能知足射频芯片、功率器件对高频、高压、高功率的需求，这在一定水平上缓解了硅质料性子的劣势。

相比于其他半导体质料，硅质料有着更大的应用领域与需求量。硅半导体主要运用于逻辑器件、存储器、分立器件。化合物半导体如砷化镓，氮化镓和磷化铟等，主要应用于光电子、射频、功率等具备高频、高压、高功率特征器件。在现在的电子产物应用中，对化合物质料的需求远低于硅质料，仅有军工、安防、航天 等少部门需要超高规格的应用领域，才需接纳化合物单晶质料。

纵然现在半导体质料已生长至第三代：碳化硅、氮化镓和金刚石等，但主流依旧以硅质料为主，90%以上的半导体产物以硅元素制作。主要由于硅元素具有以下优势：1）平安无毒，对环境无害，属于清洁能源。2）自然绝缘体，可通过加热形成二氧化硅绝缘层，防止半导体泄电征象，因此在晶圆制造时减去外面沉积多层绝缘体步骤，降低晶圆制造生产成本。3）储量厚实，硅元素在地壳中占到27.7%，降低半导体的质料成本。4）制作工艺成熟，以硅质料制作的半导体硅片手艺生长，从1970年的2英寸硅片提高至2020年的18英寸硅片。经由长时间的生长，与其他半导体质料相对照，硅质料的应用手艺加倍成熟且更具有规模效益，在这样的条件下，硅质料显得“物美价廉”，这样的特质给予了硅质料不能替换的行业职位。

半导体行业产业链

半导体硅片是半导体产业链的上游，是制作芯片的焦点质料，贯串了芯片制作的全历程，半导体硅片的质量和数目不仅  是制造芯片的要害质料，同时也制约下游终端领域行业的生长。

在硅片产业链中，上游为原质料硅矿，中游为硅片制造商，有较强的议价权，下游是芯片制造商。上游硅矿原质料厚实，议价权较弱。与此相比，硅片制造商在硅片制作历程中，需要周详的机械装备，成熟的工艺流程和优异的手艺人才做支持，才气制作出相符条件的优质硅片，因此硅片制造商对机械，工艺流程和手艺人才的掌握至关主要。而唯有知足这些条件的硅片制造商，才有能力为下游芯片制造商提供相符条件的硅片。同时，硅片要经由下游芯片制造商的认证，才气发生订单生意。因此，知足客户认证且有较高手艺工艺的硅片制造商，可替换性越弱，有着较强的议价权。

在半导体产业链中，上游主要为芯片的制造原质料和制造芯片的要害装备，如光刻机，刻蚀机、薄膜沉积装备，中游为芯片制造商，下游划分对应终端领域应用厂商，如智能手机，AI和IOT。上游的晶圆原质料和要害装备有较强的议价权，主要由于晶圆原质料和要害装备的制造，有着较高的手艺壁垒，可替换性弱。中游芯片制造主要为：IC设计，IC制造和IC封测。IC设计厂商凭证客户要求设计芯片；IC制造商主要将IC设计商的电路图刻蚀至半导体硅片；IC封测主要是对芯片举行封装和测试。现在，中游厂商分为三种模式：IDM(一体化),Fabless（IC设计与销售）和Foundry（IC制造与封测）。IC设计所占有的利润最高，但IC制造议价权较强，主要在于IC制造的前道制造和后道封测也有较高的手艺壁垒，因此对于下游终端应用商，IC制造商和IC封测商的可替换性低，议价权强。

半导体产业中最下游终端应用领域主要围绕：5G通讯，IOT，智能手机，汽车和AI等，这些领域的生长动员半导体硅片需求量上升。通过前面的剖析，半导体硅片芯片制造的基础，而芯片是终端应用的不能或缺的电子元件，因此这些下游终端应用的手艺刷新，动员了对中游芯片需求的上升，从而推动了硅片需求量的增添。而下游终端的生长，倚靠上游硅片的供应，只有及格的硅片才气为芯片的制作打下稳固的地基，为下游终端提供优越的芯片。

半导体硅片的纯净度、外面平整度、清洁度和杂质污染水平对芯片有着极其主要的影响，因此半导体硅片制造极为主要。半导体硅片制造主要可分为以下几个步骤：

晶体生长：为了到达集成电路对硅晶圆的平展度和平均度，首先用单晶炉对多晶硅质料高温加热，再通过对速率，温度和压力等参数的调整，拉升出圆柱状的硅晶棒；

整型：获得硅晶棒后，对其举行整型处置。首先，去掉硅晶棒两头，检查电阻确定整个硅晶棒到达合适的杂质平均度，接着对硅晶棒举行径向研磨，获得一定巨细的硅晶棒直径；

切片：用切片机对整型之后的硅晶棒举行切片，获得目的厚度的硅片；

磨边和倒角：对硅片的两面举行机械磨片，去除切片时留下的损伤并使硅片两面平展且高度平行。接着对硅片的边缘举行抛光与修整处置，去除边缘的裂痕或裂痕，使硅片边缘充实滑腻；

刻蚀：通过化学溶液对硅片外面举行侵蚀和刻蚀，除去切磨后硅片外面的损伤层和沾污层，改善外面质量和提高外面平整度；

洗濯：洗濯经由上述工艺后硅片外面的颗粒和杂质，硅片需到达险些没有颗粒和污染的水平；

CMP抛光：运用CMP手艺对硅片两面举行抛光处置，使得硅片外面获得纳米级的平整和滑腻；

量测：检测硅片的外面颗粒、晶片尺寸等是否到达客户的生产质量尺度。

在硅片的制造历程中，手艺职员，制造装备和工艺流程是要害因素。手艺职员对装备的操作和监测的熟练度，装备所能制造出硅片规格的周详度，工艺流程的成熟度，影响硅片制作出厂的优良水平。其中，要害的机械装备有单晶炉，CMP抛光机和量测装备。为了改变硅的导电性，通过单晶炉对多晶硅举行加工，改变多晶硅的导电性和各向异性方面。单晶炉主要思量热场 炉子设计 拉晶工艺三个因素，好的热场和拉晶炉能够给予较宽，较稳固和扛滋扰性强的拉晶工艺窗口，从而大大增添晶体生长的良品率。CMP抛光机连系了周详机械和化学反映，对硅片举行抛光处置，硅片平整度会影响后续芯片制作的良品率和性能。量测装备用于把控硅片的质量，并优化制程提升硅片良品率。量测装备是穿插于各个硅片制程之间，通常为各个品质检测站，划分举行检测硅片的电阻率、导电形态和结晶偏向等项目。

大规格是硅片生长趋势，当前200mm和300mm硅片仍为主流

在摩尔定律和成本的影响下，大规格硅片是硅片生长的主流趋势。凭证摩尔定律，由于信息手艺的生长，当价钱稳固时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增添一倍，性能也将提升一倍。同时，由于硅片越大，单元硅片所装载芯片越多，每块芯片的加工和处置时间削减，大大提高了装备生产效率；同时，边缘硅片虚耗削减，生产制品率提高，从而降低了芯片的单元制造成本。因此在成本和摩尔定律的驱动下，未来硅片会往大硅片生长。现在硅片最大规格可达450mm，但受到应用领域和手艺的影响，还未能乐成商用，因此产量难以到达放量，主流硅片依旧以200mm与300mm为主导。

规格差其余硅片，应用领域有所差异，其中200mm和300mm规格的硅片应用局限广漠。规格为200mm及以下的硅片在在制作高精度模拟电路、射频前端芯片、嵌入式存储器、CMOS 图像传感器、高压MOS 等产物方面，有更成熟和普遍的应用。这类产物对应的下游主要为汽车电子、工业电子等终端市场。200mm硅片在功率器件、电源治理器、非易失性存储器、MEMS、显示驱动芯片与指纹识别芯片方面施展作用。这类产物主要应用于移动通讯、汽车电子、物联网及工业电子领域。300mm硅片需求主要源于存储芯片、通用处置器、FPGA、ASIC、图像处置芯片等，对应的下游有智能手机、盘算机、云盘算、人工智能、SSD 等高端领域。

半导体硅片行业名目

（一）终端应用刷新带来新一轮景气周期提升

半导体行业出现显著周期性转变，行业景心胸受宏观经济影响。从数据更改趋势来看，半导体行业销售规模与GDP出现同向更改趋势，行业周期约为3-5年。在之前的产业链剖析中，半导体行业是受到终端应用领域需求的影响，而GDP作为权衡国民经济指标，在一定水平上反映了整个经济环境和消费需求的冷热水平，因此，GDP的更改直接影响终端领域的需求，间接影响到半导体行业的需求。凭证周期性转变和终端应用领域的手艺刷新，将半导体行业分为5个阶段：

① 2000-2004年蜂窝电话和3G通讯是半导体行业的的主要推动力；

② 2004-2010年PC、消费电子和移动通讯促举行业生长；

③ 2010-2014年智能手机取代PC成为行业推动力；

④ 2014-2018年存储营业需求增大维持行业增进动力；

⑤ 2020年5G商用化、IOT手艺、AI、智能汽车预期成为未来新动力。

凭证Granter数据显示，全球半导体行业收入增速出现下降趋势，预计未来行业收入增速有所上升。2017年至2019年半导体行业销售增速划分为21.55%，14.44%和7.15%,已往行业增进主要赖以智能手机，IOT和云手艺等应用的扩增。2019年增速连续下滑，除受到周期性的行业下行和中 美商业摩擦的急速恶化，另有智能手机需求连续削减。在不思量疫情的情形下，据Granter2019年展望，2020年至2022年半导体行业收入增速划分为-1.25%,1.01%和5.53%。主要推动力泉源于现有产物的连续强化，如5G通讯，人工智能,汽车和电子行业的手艺刷新，以及半导体行业景心胸有所回升。

2020年突发“黑天鹅事宜”新冠状病毒泛起，各国推出“居家隔离”和“出行禁令”的政策，对全球半导体行业产业链造成伟大的影响。凭证IDC 2020年展望，2020年全球半导体行业收入有四种情形：从最坏的削减12%或更多到最优的增进6%或更多，影响时间从最坏的9-12个月到短期的1-3个月。现在受到疫情影响，宏观经济下行趋势显著，终端市场需求将被影响，若经济进一步恶化，引发失业潮，对产业上游半导体行业有着利空影响。同时，全球供应链受到“疫情政策”的影响，也对半导体行业发生负面影响。

半导体硅片销售收入增速在2018年以前出现升趋势，2019年的收入增速巨幅下降。2016-2017年收入增速划分为0.1%，20.7%和31.0%，2019年收入增速骤降至-1.8%。2019年骤降主要是受中 美商业摩擦急剧恶化以及智能手机需求疲软的影响。

（二）半导体硅片行业集中度极高，市场处于垄断名目

现在半导体硅片市场集中度极高，前五泰半导体硅片制造商市场份额高达92%，其中日本产商市场份额跨越50%，行业市场处于垄断名目。前五大硅片制造商依次为日本信越化学，日本Sumco，德国Siltronic，台湾全球晶圆和韩国SK Siltron。其中日本厂商的市场份额总共占有52%,跨越了半导体硅片市场份额一半。日本在半导体研发和质料行业一直处于领先职位，拥有包罗东芝、索尼和瑞萨电子等在内的半导体巨头，Sumco和信越化学等在内的半导体质料巨头。这样的产业名目给予日本更多产业链上的优势。

半导体硅片行业主要有三大壁垒：手艺壁垒、资金壁垒和客户认证壁垒。

半导体硅片行业是一个手艺麋集型行业，具有研发投入高，研发周期长，研发风险大的特点。随着终端领域产物的不停生长，对半导体硅片的要求也在不停提高，若是公司不能连续研发投入，在要害手艺上无法突破，或新产物手艺无法到达要指标要求，公司将面临与先进公司差距扩大，半导体硅片被市场镌汰的风险。

由于半导体硅片需要极高的研发投入和研发周期，因此在研发上需要长时间投入资金对高精尖人才和机械装备等投入支持。对于高精尖人才，需要有高薪阻止人才流失的风险。优质的机械装备普遍成本昂贵，公司除了面临大额的资金投入风险外，还面临营业收入无法消化大额牢靠资产投入，导致业绩下滑的风险。

半导体硅片还面临客户认证壁垒。半导体硅片是芯片制造的焦点质料，芯片制造商对半导体硅片的品质有极高的要求，因此对选择半导体硅片制造商会十分稳重。根据行业的老例，芯片制造商会先对半导体硅片举行认证，只有认证通过的硅片制造商会被纳入供应链，而一样平常认证周期最短也需要12-18个月，以是一旦认证通过，芯片制造商不会容易替换供应商。

从日本半导体行业生长看我国崛起之路

从全球半导体产业的生长历程来看，半导体产业起源于上世纪50年月，美国是半导体产业的缔造者，其生长历史可追寻到 19 世纪 30 年月，以是美国在相关领域具有主要话语权。随后，日本半导体产业生长日益赶超美国，在1970s-1980s完成第一次由美国到日本的产业转移。在20世纪70—80年月发作了日美半导体摩擦，异常猛烈且旷日持久，被称为“半导体战争”。美国试图通过商业战迫使日本开放市场和让渡经济利益，从战略上停止日本对美国的手艺追赶。美国还行使市场武器，大量培植对手的对手：在90年月中后期，韩国和台湾区域的芯片和电子产物最先大规模涌进美国和天下市场，对日本组玉成面挑战。最终，第二次产业转移至韩国和台湾区域。日本不堪外部压力和内部的投资不足，逐步失去半导体行业的领先职位，现在依赖产业优势半导体质料延续昔日的绚烂。

（一）日本半导体行业绚烂：时机与挑战

日本半导体行业生长可分为，萌芽-崛起-衰退-转型四个阶段：

萌芽：“官产学”模式助力日本半导体行业发展。1972年，日本企业能生产1K比特的DRAM，而那时IBM推出的新系统需要比1K比特大出1000倍的1M比特的产物，日本企业一度陷入绝望，为了将容量从1K提升到1M，日本政府接纳“官产学”的模式。日本政府主要通过组合五家日本大型半导体企业(日本电气、东芝、日立、富士通和三菱电机)以及日本工业手艺研究院电子综合研究所和盘算机综合研究所签署组成VLSI 研究协会，即研究团结体。在资金方面，日本政府给予协会鼎力支持。1976年至1980年，日本通产省津贴金总支出到达592亿日元，其中用于支持VLSI研究协会的资金到达291亿日元，占总支出49.2%。VLSI研究协会四年的总支出到达737亿日元，其中39%由日本通产省津贴。在VLSI协会的框架下，除公司自有实验室外，研究协会基于各公司又确立6个团结实验室，各个实验室对差异手艺方面举行研究。在VLSI协会的协调生长下，日本乐成研发出许多新手艺，为日后的竞争铺平了蹊径。

崛起：DRAM使日本半导体产业走向巅峰。到上世纪80年月，步入存储器、大型主机的时代，日本汽车产业和全球大型盘算机市场的快速生长，DRAM的需求剧增，日本半导体行业捉住了这次时机。得益于VLSI协会的生长，日本在DRAM方面已经取得了手艺领先，日本企业此时依附其大规模生产手艺，取得了成本和质量上的优势，并通过低价促销的竞争战略，快速渗透美国市场和天下市场。1986年日本DRAM市场份额到达70%，取代了美国成为DRAM主要供应国。

衰落：发作“美日半导体战争”，第二次产业转移至韩国和台湾，日本半导体产业逐渐祛除。到上个世纪90年月，进入PC时代，手提电脑的泛起导致半导体零部件的需求变得加倍兴旺。美国惊觉日本半导体产业已经跨越美国，并抢占了美国企业的市场份额，最先对日本的半导体产业举行打压。而日本在内部经济生长阻滞导致投资和需求不足和外部美国打破商业珍爱的双重压力下，逐渐失去领先优势，停止2000年，日本DRAM份额已跌至不足10%，日企纷纷败退。日本落伍的直接缘故原由在于：

1.该时期的日本太过专注于高质量DRAM，错失小我私人PC生长时机。日本专注于产物的良品率，相比之下，韩国更注重产物的吞吐量和稼动率，这样的产物具有更低廉的价钱，迎合了小我私人PC的需求。1984年，小我私人盘算机销售额实现对大型机销售额的反超。由于无法很好地迎合下游需求，90 年月最先，日本半导体产业日渐式微。

2.在PC崛起&政策扶持&新型生产的靠山下，捉住时机的韩国、台湾区域义军突起，。在美国忙于袭击日本半导体产业时，韩国政府在美国的支持下鼎力义军突起促进韩国半导体产业腾飞：台湾避开半导体竞争红海，直接开创Foundry代工厂新型生产方式，依附其低廉的人工成本及大量高素质人才，顺应消费级PC的快速生长趋势，取代日本在半导体产业大部门的市场份额。

转型：半导体质料延续昔日绚烂，其中半导体硅片占有主要的市园职位。虽然日本半导体芯片份额已经萎缩，然则日本半导体硅片产业依旧占有全球半导体硅片产业较大的市场份额（50% ）。半导体硅片作为半导体行业的源头，日本早期在生长芯片时，对半导体硅片也有很大的关注。1970年日本有机硅产量约6000吨，而在1986年产量已经增至愈60000吨，产量增进愈10倍；此外，1979年，日本从有机硅输入国转变为输出国。日本政府在1989年所制订“硅类高分子质料研究开发基本设计”，自1999起十年时间内投资160亿元以确立有机硅单体和聚合物合成与加工基础手艺，进一步壮大了日本半导体硅片行业。Sumco在2001年先发研究出300mm半导体硅片，其手艺在行业一直被奉为楷模。

总结：日本政府推出的“官产学”模式，集中专业优势人才，促进企业间相互交流和协作攻关，为之后的竞争铺平了蹊径。之后，日本捉住大型机对 DRAM 的需求，乐成在1986 年逾越美国成为全球第一的半导体生产大国。90 年月最先，在美国的打压政策以及日本泡沫经济的靠山下，日本顽强于大型机 DRAM 手艺而忽略PC、移动通讯时代手艺的改变，恪守于 IDM 模式而负重累累，疲于投资再创新，最终被韩国夺走 DRAM 市场。

日本半导体产业生长历程值得令人深思：

1.半导体行业中，与其说是企业之间的拼杀，不如说是国力的比拼。与其他市场化竞争的行业差异，半导体行业自身有着极强的周期性，需要连续不停的研发投入，这使得纯粹以市场纪律运行的商业公司难以依附一己之力存活下去，因此半导体行业需要大量的政策扶持、协调生长与商业珍爱等。日本依赖“官产学”模式和商业珍爱，使本国半导体行业能够不停生长，并在1986年逾越美国成为全球半导体行业第一。韩国依赖一系列政策扶持，促使了韩国半导体行业的腾飞。

2.在半导体行业中，手艺领先优势稍纵即逝，企业自身研发能力是不能或缺的灵魂倚靠。日本在七十年月末以举国之力和巨额资金完成了“VLSI”项目从而一举获得了自力自主的焦点手艺，捉住了大型主机生长带来的时机，一举逾越成为全球第一半导体生产国家。然而90年月，日本行半导体行业错失小我私人PC，移动通讯的生长时机，固步自封于DRAM的生长，最终在美国的打压下，被韩国企业抢占市场份额，到2000年日本DRAM市场份额不足10%。

（二）美国威胁下的日本半导体硅片行业——绝处逢生

现在的半导体硅片的市场份额主要由5家头部企业占有：日本信越化学，日本Sumco，韩国Sk siltron，德国siltronic和台湾全球晶圆。然而五大硅片厂商没有一家是美国企业，美国作为全球半导体产业的巨头在硅晶圆领域却云云微弱。事实上，硅晶圆这一工业却是由美国首先开创的，曾经美国的雷神公司（Raytheon）和孟山都公司（Monsanto）等都是业内的佼佼者，但最后由于相关营业不停亏损，无法跟上时代的脚步而相继退出该营业。

虽然日本半导体芯片行业在美国的强力打压下遭到了重挫，然则日本完善的半导体产业链，使日本半导体硅片企业依然坚持在半导体的天下舞台。信越化学和Sumco作为日本半导体硅片制造头部企业，在一定水平上代表了日本半导体硅片产业的生长历程。

通过这两家企业的生长历程，不难看出硅片制造企业的生长特点：

1.对硅片产业中的相关企业举行吞并与收购。半导体硅片行业的生长随同着伟大的研发和投资开支，因此规模效应所发生的成本优势显得尤为主要，厂商只有通过大规模生产，才气降低牢靠成本，提升盈利能力；其次，通过吞并收购，厂商可以提高市场集中度，提升产业链的议价能力，以维持相对稳固的盈利能力；最后，并购和吞并拥有成熟手艺的企业，在一定水平上完善企业自身的生产产业链。

2.施展企业在手艺领域的先发优势。除了对有机硅的突破性研究，日本对300mm硅片的研究接纳先发战略。日本300mm硅片研究最先于1994-1996年，那时200mm硅片仍占有主导职位，受到成本驱动，300mm大硅片毋庸置疑是未来硅片的生长趋势。日本推行手艺先行的生长战略，于是组织了由电子机械委员会EIAJ、电子工业振兴协会JEIDA、新金属协会JSNM、日本半导体装置协会SEAJ和半导体产业研究所SIRIJ组成的“大直径硅片事情小组”，这个小组与全球硅片峰会组织下属的美欧专门事情组、亚洲专门事情组同步确立。在1999年日本Sumco是最早突破300mm手艺大关，2000年到达量产。日本300mm硅片手艺开发已经处于全球领先，尤其在批量生产工艺流程方面已经成为行业的典型。

我国战略新兴产业：半导体硅片

（一）供需错配下，我国半导体硅片生长远景优越

随着中国半导体制造生产线的投产，中国半导体手艺不停开发提升和下游终端领域的手艺刷新，中国大陆半导体硅片市场进入飞跃式生长阶段。2016至2018，中国大陆半导体硅片销售额从5.00亿美元上升至9.92亿美元，年均复合增进率高达 40.88%，远高于同期全球半导体硅片的年均复合增进率25.65%。中国作为全球最大的半导体产物终端市场，预计未来随着中国芯片制造产能的连续扩张，中国半导体市场的市场份额有望保持提升。半导体硅片作为半导体行业的上游端，也将受到半导体行业动员，有利好影响。

现在我国大硅片存在需求与供应存在严重的错配。凭证品利基金数据，2019年，中国6寸半导体硅片需求2000万片/年，8寸硅片需求1200万片/年，12寸硅片需求750万片/年。对2018-2019年中国大陆半导体制造产线梳理，基于现在产能、未来设计产能、以及投资额度测算，制造厂对12寸硅片的需求：2019年约60万片/月，折合720万片/年。2023年需求约500万片/月，折合6000万片/年。2019年6月，6寸国产化率跨越50%，8寸国产化率10%，12寸国产化率小于1%，且国产12寸片在海内晶圆厂中多数为测控片，正片的销售较少。思量到下半年部门产能释放，2019年我国12寸硅片至少有500万片的缺口。在第三次产业转移的风口下，需求和严重的供应错配为中国大陆生长半导体硅片产业提供了足够动力。

（二）半导体硅片属于国家战略新兴产业，受到政策利好影响

回首两次全球半导体产业转移，新兴终端领域的生长刷新所带来的生长时机以及政府扶持赋予厥后者赶超时机，深刻地影响了全球半导体产业名目。日本半导体的腾飞，离不开大型机对高质量DRAM的需求；韩国半导体的腾飞，捉住了小我私人PC对DRAM质量偏好较低成本低廉的需求；台湾区域代工营业的崛起则源于商业模式的重塑：Foundry。同时，每一轮产业的乐成转移均离不开政府的鼎力扶持。

我国半导体硅片行业手艺仍存在一定差距，国家出台系列政策推进半导体大硅片手艺生长，开启大硅片国产化历程。国家相继出台了多项政策来推动生长和加速国产化历程，将半导体产业生长提升到国家战略的高度，充实显示出国家生长半导体产业的刻意。细节上，为周全生长半导体产业，削减或缩短手艺短板，国家制订了一系列优惠政策，险些笼罩半导体行业整个产业链，其中，半导体硅片也作为国家战略新兴产业，受到政策鼎力支持。