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本期导读
1、硅片为何为半导体行业的基石
硅片作为制造半导体器件的核心材料，毋庸置疑对整个行业起到了支撑的作用。
2、全球硅片的产业链以及竞争格局
全球的硅片市场已经被五大硅片家族垄断，全球市占率达到93%。
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下期导读
3、半导体行业有着怎样的成长和周期性
出货量主要受需求端影响，而价格则受供需叠加影响
4、从半导体行业转移看待历史机遇
本土化是行业发展的必然趋势
半导体产业的发展日新月异，随着电子产品快速升级迭代，消费需求也在不断革新。从大主机时代到万物互联时代，行业不断变迁，产业迎来历史的新机遇。硅片，作为半导体产品中最为基础的材料，发挥着其至关重要的支撑作用，硅片产业历经两次地域迁移和各国企业的交汇碰撞，重心逐渐落脚中国大陆，政策扶持和旺盛需求为其打开机会窗口。行业未来将如何发展和进化，我们拭目以待。
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硅片为何为半导体行业的基石
硅片为半导体行业的基石
半导体是电子信息产业的基石，而硅片作为制造半导体器件的核心材料，毋庸置疑对整个行业起到了支撑的作用，而且，其位居半导体产业最上游，占晶圆制造比重高达38%，贯通整个芯片前道和后道制造工艺。硅片的重要性体现在它作为芯片制造的关键材料，其产量和质量可以直接制约整个半导体行业、甚至下游的通信、汽车、计算机等行业的发展。
Figure 1：硅片（左）和加工过后的晶圆（右）
从硅片的大体应用角度来看，硅片主要用于半导体和光伏两大领域，二者差异主要体现在硅片类型、纯度、平整度、光滑度、和纯净度等特性方面，在不同领域均为基底材料，半导体硅片都是单晶硅，而太阳能电池则单晶和多晶硅皆有。量化特性来看，它们之间最主要的区别在于纯度，半导体要求11N（99.999999999%）以上，而光伏硅要求纯度低一些，大约为6N（99.99999%）左右。由此可见，半导体硅片较光伏硅片的加工难度更高、下游应用的附加值也更高。
Figure 2：硅产业链、硅片的分类及应用
因为下游应用的不同，两种硅片纯度自然有不同要求，所以在制造工艺也有着很多差别。半导体硅片是从单晶硅棒切片而来：步骤是把多晶硅料放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化，在适合的温度下用棒状晶种浸入溶液中拉制出顺着晶种而排列的单晶硅结构结晶，生产出硅棒。经过一系列的切片、倒角、研磨、清洗、抛光的流程后，就获得了半导体硅片成品。
Figure 3：硅棒和硅片的制造流程
Figure 4：从单晶炉中取出的硅棒成品
半导体硅片对IC产业链至关重要
集成电路的主要工序为IC 设计、晶圆制造、封装和测试。IC 设计公司根据下游用户（系统厂商）的需求设计芯片，然后交给晶圆代工厂进行制造，其主要任务是将IC 设计公司设计好的电路图移植到半导体硅片上。完成后的晶圆再送往下游的IC 封测厂，由封装测试厂进行封装测试，最后将性能过关的IC 产品（芯片）出售给系统厂商。
Figure 5：晶圆及IC制造加工流程
半导体硅片种类可以从尺寸和制作工艺划分
从尺寸来看，8和12英寸（也称作200mm和300mm）硅片占据了主流市场，8英寸及以下的硅片广泛用于移动通信、汽车电子、物联网、工业电子领域，产品包括功率器件、射频芯片、图像传感器等。12英寸更偏向于智能手机、计算机、人工智能等领域，产品有储存芯片、图像处理芯片、高性能FPGA等。
由于移动通信、计算机等终端市场的迅速发展，12英寸硅片目前是半导体硅片市场中占比最高的产品，在摩尔定律的影响下，半导体硅片从70年代起不断向大尺寸的方向发展。根据SEMI的数据，2018年，12英寸硅片和8英寸硅片市场份额分别为63.8%和26.1%。
Figure 6：不同尺寸硅片市场份额
经测算，12英寸相比于8英寸硅片，表面积增加大约400平方厘米，所以可同时拥有更多数量和更大比例的完整芯片，因此将拥有更高的良品率和生产效率。此外，大硅片的成本优势还源于对于其他半导体材料的节约。半导体材料中的很多材料如光刻胶、湿电子化学品等都属于消耗品，使用次数有一定限制。提高在单次制造过程中可生产的芯片数量，降低材料总成本，从而降低单位生产成本。
Figure 7：硅片大小对应生产单位芯片成本
可以看出，成本效应是更大尺寸硅片实现规模应用的关键原因，预计12英寸硅片仍将占据主流地位。早期8英寸硅片单位成本约为3美元/平方英寸，经过多年扩产已降至1美元/平方英寸，而受硅棒生长长度、厂房建置、设备研发等因素影响，18英寸硅片的单位成本已超过4.2美元/平方英寸；从芯片制造端成本看，硅片面积增大使得晶圆制造中光刻胶使用量增多，曝光时间相应增长，致使光刻工艺成本占比提升，6英寸、8英寸、12英寸晶圆制造成本中光刻占比分别为25%、33%和50%，同等制程工艺向18英寸硅片转移并不具备较好的经济性。另外，为了降低单位芯片的生产成本，还需要足够的芯片制造数量以满足晶圆产线的最低经济生产规模。成本效益问题成为18英寸硅片一直未能成功商用的主要原因。
Figure 8：硅片尺寸示意
从硅片制作工艺划分：硅片和硅基材料根据加工工序可分为抛光片、退火片、外延片和SOI硅片，其中抛光片的应用范围最广，其余的是在抛光片的基础上做二次加工形成的硅片。外延片提升了器件的可靠性并减少器件损耗，所以在工业电子、汽车电子等领域广泛使用。SOI即绝缘体上硅，是较为先进的硅基材料之一，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。
Figure 9：硅片种类对应下游产品类型
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全球硅片的产业链以及竞争格局
产业链和竞争格局
目前全球的硅片市场已经形成信越化工（日本）、SUMCO（日本）、SK Siltron（韩国）、Siltronic（德国）和环球晶圆（中国台湾）五大硅片家族，全球市占率达到93%。
Figure 10：硅片市场格局
硅片制造厂商位于半导体产业链上游，服务于中游的晶圆加工和产品厂商，其中龙头公司在不同的地域都经历了长时间的技术沉淀。
Figure 11：硅片龙头企业并购历史以及中游晶圆加工厂商
■ 美国-半导体制造业外移，专注设计与IDM
MEMC成立于1959年，曾是美国在全球硅片领域的杰出代表，在硅片平整度、化学机械抛光和零位错晶体技术方面均在业内领先，部分研发成果到21世纪仍被奉为行业标准，可以说是半导体硅片设计和开发的先驱。1995年，MEMC首发上市。2006年切入太阳能领域，2009年收购SunEdison，以参与太阳能电站开发、清洁能源商业化生产，并同时为太阳能和半导体行业提供硅片产品。MEMC随后更名为SunEdison。2013年，SunEdison将其半导体子公司SEMI分拆上市，将出售半导体子公司股份的收益用于太阳能发电厂的建设，聚焦光伏业务。2017年，SEMI被环球晶圆以6.83亿美元的价格收购。
■ 欧洲-传统工业发源地
欧洲凭借着在汽车工业和机械工程领域的明显优势，培育了在功率半导体和车用半导体的强大竞争力，孕育了全球的第三大硅片企业：Siltronic（世创电子）。
Figure 12：德国世创电子
■ 日本-硅片产业随着本土电子工业而壮大
1954-1969年是日本半导体硅材料发展起步阶段，应用领域从整流器、二极管延伸至晶体管和集成电路，日本一方面引入国外先进技术，一方面专注本国技术开发研究，涌现了一批从事硅材料开发的企业，部分企业后期通过整合半导体业务形成了SUMCO和信越化学两大日本硅材料巨头。
Figure 13：日本SUMCO株式会社
■ 韩国-半导体国产化项目推动助力
上世纪80年代中后期，韩国存储业务开始赶超日本，作为韩国唯一一家本土半导体硅片生产商，LG Siltron诞生于 1983年，是LG集团下专门制造半导体硅片的企业，2017年LG Siltron被SK集团收购，更名SK Siltron，成为全球第五大硅片企业。回溯上世纪90年代，韩国半导体设备及原材料国产化程度极低，90%的设备依赖于进口，其中日本设备占比达到50%，光刻机、扩散炉、化学气相沉积等设备均依赖进口。在半导体国产化项目的推动下，到1997年韩国半导体工业的原材料和设备国产化率分别达到50%和15%。
Figure 14：韩国SK Siltron
■ 中国台湾-借力商业模式变革，称霸代工产业
2011年台湾中美硅集团分拆其半导体事业部，环球晶圆正式成立，并且分别进行几次重大收购，完善了自身产品线、扩大了业务覆盖范围、进一步丰富优质客户资源，2018年环球晶圆市占率14%，为全球第四大硅片厂商。
Figure 15：中国台湾环球晶圆
总的来说，在硅片行业领先的地域之中，从行业上游到下游，它们都拥有着相当高的产业链配套能力，也具有高国产化率的背景打造的坚硬后盾。同时硅片制造企业也临近下游需求空间的分布，充分利用了区域市场的多方面机会从而得到稳定和快速的发展。
硅片行业的几大特点
（一）丰富经验积累和扎实技术进步实现升级迭代
因为硅片的高稳定性、兼容性和可靠性，几十年来一直是半导体芯片和器件的主要材料，硅片的发展规律遵循着摩尔定律的趋势，所以发展前景可见性高。在尺寸增加之外，技术进步也体现在对硅片众多参数的打磨提升方面，以应对下游多方面需求。所以在可预见的进展之下，升级迭代离不开企业精益求精的工匠精神和长时间的经验沉淀。
（二）规模效应成就寡头垄断
从之前的地域分布和历史情况可以看出，龙头企业都不断在并购整合中提升市场份额，然后凭借较大的生产规模，能够通过降低价格在一定程度上保证出货量，因为大规模生产能够摊薄高昂的固定成本和研发费用，所以大规模的硅片企业拥有对下游较强的议价能力。总的来说，硅片行业具有明显的规模经济效应，行业壁垒随着技术、经验和人才的长时间沉淀而不断抬高，为行业形成寡头垄断创造了条件。对于后来者而言，形成较大的初始生产规模是实现对在位者追赶的重要条件。
（三）设备、技术、资本投入和客户认证构筑硅片行业壁垒
Figure 16：硅片行业几大壁垒
技术：硅片制造流程步骤繁多，质量决定半导体器件性能。单晶工艺为关键步骤而且具有最大的生产难度，所以这对于长晶设备的稳定性、可靠性以及技术人员的经验都提出了极高的要求。下游制程的不断缩小，代表着技术的进步，同时也提升了对硅片质量指标的要求。半导体硅片的研发和生产过程都需要相当多的技术人才参与，所以人才的培养和引进困难成为我国硅片产业发展短板之一。
资本投入：硅片属于重资产行业，资产周转率低，需要长期和持续的研发投入以应对下游多样的需求和更新，而且投资的回报周期长，在资金方面对很多新入企业都是很大的考验。
客户认证：市场进入的关键之一是获得客户的认可和建立紧密合作，举例来说，抛光片和外延片认证周期在9-18个月，SOI认证周期在1-2年。每一次认证都代表资金和时间成本的投入，所以客户拥有指定认证供应商后就不会有太高的意愿去进行其他的认证。
设备：硅片厂商往往签约独立的设备供货商，并且设有严格的协议来保证企业在设备方面的竞争力。
Figure 17：SUMCO技术人员在操作单晶炉拉晶设备
（四）先发优势把握时机
先发优势体现在之前所提到的客户认证壁垒，较早进入合格供应商名单的硅片厂商，经过长期合作及客户需求跟进，能够不断优化和改进生产流程，积累制备经验，生产更加符合下游需求的硅片，此外，还可以把握新建产能时机，优化产能结构，持续扩大优势。
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