矽片是半導體材料的基石，它是先通過拉單晶製作成矽棒，然後切割製作成的。由於矽原子的價電子數為4，序數適中，所以矽元素具有特殊的物理化學性質，可用在化工、光伏、晶片等領域。特別是在晶片領域，正式矽元素的半導體特性，使其成為了晶片的基石。在光伏領域，可用於太陽能發電。而且地球的地殼中矽元素佔比達到 25.8%，開採較為方便，可回收性強，所以價格低廉，進一步增強了矽的應用範圍。
本期的智能內參，我們推薦浙商證券的報告《矽片深度報告》，揭秘矽材產業現狀、技術特點和國產替代趨勢。
本期內參來源：浙商證券
原標題：
《矽片深度報告》
作者： 孫芳芳
一、矽——晶片材料基石矽材料根據晶胞的排列方式不同，分為單晶矽和多晶矽。 單晶矽和多晶矽最大的區別是單晶矽的晶胞排是有序的，而多晶矽是無序的。在製造方法方面，多晶矽一般是直接把矽料倒入坩堝中融化，然後再冷卻而成。單晶矽是通過拉單晶的方式形成晶棒（直拉法）。在物理性質方面，兩種矽的特性相差較大。單晶矽導電能力強，光電轉換效率高，單晶矽光電轉換效率一般在 17%~25%左右，多晶矽效率在 15%以下。
▲半導體矽片和光伏矽片
▲單晶矽晶胞結構
光伏矽片：由於光電效應，且單晶矽優勢明顯，所以人們使用矽片完成太陽能到電能的轉換。在光伏領域使用的一般為圓角方形的單晶矽電池片。價格較便宜的電多晶矽片也有使用，但轉換效率較低。
▲單晶矽電池片正反面
▲多晶矽電池片正反面
由於光伏矽片對純度、曲翹度等參數要求較低，所製造過程相對簡單。以單晶矽電池片為例，第一步是切方磨圓，先按照尺寸要求將單晶矽棒切割成方棒，然後將方棒的四角磨圓。第二步是酸洗，主要是為了除去單晶方棒的表面雜質。第三步是切片，先將清洗完畢後的方棒與工板粘貼。然後將工板放在切片機上，按照已經設定好的工藝參數進行切割。最後將單晶矽片清洗乾淨監測表面光滑度，電阻率等參數。
半導體矽片：半導體矽片比光伏矽片的要求更高。首先，半導體行業使用的矽片全部為單晶矽，目的是為了保證矽片每個位臵的相同電學特性。在形狀和尺寸上，光伏用單晶矽片是正方形，主要有邊長 125mm，150mm，156mm 的種類。而半導體用單晶矽片是圓型，矽片直徑有 150mm（6 寸晶圓），200mm（8 寸晶圓）和 300mm（12 寸晶圓）尺寸。在純度方面，光伏用單晶矽片的純度要求矽含量為 4N-6N 之間（99.99%-99.9999%），但是半導體用單晶矽片在 9N（99.9999999%）-11N(99.999999999%)左右，純度要求最低是光伏單晶矽片的 1000 倍。在外觀方面，半導體用矽片在表面的平整度，光滑度和潔淨程度要比光伏用矽片的要求高。純度是光伏用單晶矽片和半導體用單晶矽片的最大不同。
▲半導體矽片製造過程
摩爾定律的發展就是矽片的發展。由於半導體用矽片是圓形，所以半導體矽片也叫「矽晶圓」或者「晶圓」。晶圓是晶片製造的「基底」，所有的晶片都是在這個「基底」上製造。在半導體用矽片的發展歷程中，主要有尺寸和結構兩個方向。
在尺寸上，矽片的發展路徑是越來越大：在集成電路發展初期，使用的是 0.75 英寸晶圓。而增加晶圓面積，增加單片晶圓上的晶片個數可以降低成本。1965 年左右，隨著摩爾定律的提出，集成電路技術和矽片都迎來快速發展期。矽片經歷了4 寸、6 寸、8 寸和 12 寸等節點。自從2001 年英特爾和 IBM聯合開發了 12 寸晶圓晶片製造後，現主流矽片就是12寸晶圓，佔比約為 70%，但 18寸（450mm）晶圓的已經提上議程。
▲不同尺寸晶圓的參數
▲矽片大小的發展
在結構方面，矽片的發展方向是越來越複雜：集成電路發展初期是只有邏輯晶片一種，但是隨著應用場景不斷增多，邏輯晶片、功率器件、模擬晶片、數模混合晶片，flash/Dram 存儲晶片、射頻晶片等等相繼出現，使得矽片在結構上出現了不同的形態。現在，主要有以下三種：
PW（Polish Wafer）：拋光片。拉單晶後直接切割得到的矽片由於在光滑度或者翹曲度方面不盡完美，所以首先要經過拋光處理。這種方式也是最原始矽片的處理方式。
AW（Anneal Wafer）：退火晶圓。隨著製程技術的不斷發展，電晶體特徵尺寸的不斷縮小，拋光片的缺點也逐漸 暴露出來，比如矽片表面局部的晶格缺陷，矽片表面含氧量較高等。為了解決這些問題，退火晶圓技術被開發出來。在拋光後，將矽片放在充滿惰性氣體的爐管中（一般為氬氣），進行高溫退火。這樣既可以修復矽片表面晶格缺陷，同時也可以減少表面含氧量。
EW（Epitaxy Wafer）：外延層矽片。隨著集成電路的應用場景不斷增加，由矽片廠製造的標準矽片在電學特性上已經不能滿足某些產品的要求。同時，通過熱退火減少的晶格缺陷也不能滿足越來越小的線寬需求。這就衍生出了外延層矽片。通常的外延層就是矽薄膜。是在原始矽片的基礎上，利用薄膜沉積技術，生長一層矽薄膜。由於在矽外延中，矽基片是作為籽晶的模式存在，所以生長外延層會複製矽片的晶體結構。由於襯底矽片是單晶，所以外延層也是單晶。但是由於沒有被拋光，所以生長完成後的矽片表面的晶格缺陷可以被降到很低。
外延技術指標主要包括外延層厚度及其均勻性、電阻率均勻性、體金屬控制、顆粒控制、層錯、位錯等缺陷控制。現階段人們通過優化外延的反應溫度、外延氣體的流速、中心及邊緣的溫度梯度，實現了很高的外延層矽片質量。因產品不同和技術升 級的需要，通過不斷優化外延工藝，現在已經實現了很高的外延矽片質量。
另外，現在技術已經可以生成電阻率摻雜元素、摻雜濃度與原始矽片不同的外延層，這樣更容易控制生長出來的矽片的電學特性。比如可以通過在 P 型矽片上生成一層 N 型矽外延層，這樣就形成了一個低濃度參雜的 PN 結，為後續晶片製造中起到優化擊穿電壓，降低閂鎖效應等等目的。外延層厚度一般根據使用場景不同而不同，一般邏輯晶片的厚度為 0.5 微米到 5微米左右，功率器件由於需要承受高電壓，所以厚度為 50 微米到 100 微米左右。
▲外延矽片生長過程
▲外延片的不同參雜
SW（SOI Wafer）：SOI 全稱是 Silicon-On-Insulator（絕緣體上矽）。由於 SOI 矽片具有寄生電容小、短溝道效應小、繼承密度高、速度快、功耗低等優點，特別是在襯底噪聲低這個優點使得 SOI 矽片常常用在射頻前端晶片中。
▲普通矽片 MOS 結構
▲SOI 矽片 MOS 結構
製造 SOI 矽片的方法主要有四種：SIMOX 技術、Bonding 技術、Sim-bond 技術和 Smart-CutTM 技術；SOI 矽片的原理比較簡單，核心目標就是在襯底中間加入一層絕緣層（一般以二氧化矽 SiO2 為主）。
▲四種製造 SOI 矽片技術
從性能參數上來看，Smart-CutTM 技術是現在 SOI 矽片製造技術中性能最優異的。Simbond 技術性能和 Smart-Cut 技術性能相差不大，但是在頂層矽厚度方面，Smart-Cut 技術生產的 SOI 矽片更薄，而且從生產成本來說，Smart-Cut 技術可以重複利用矽片，對於未來的大批量生產情況，Smart-Cut 技術更有成本優勢，所以現在業界公認以 Smart-Cut 技術為未來 SOI 矽片發展方向。
▲SOI 矽片不同製造技術的性能對比
SIMOX 技術：SIMOX 全稱 Separation by Implanted Oxygen（注氧隔離技術）。向晶圓中注入氧原子，然後經過高溫退火，使氧原子與周圍的矽原子發生反應，生成一層二氧化矽。此項技術的難點是控制氧離子注入的深度與厚度。對於離子注入技術要求較高。
Bonding 技術：Bonding 技術又稱鍵合技術，用 bonding 製造的 SOI 矽片又叫 Bonded SOI，簡稱 BSOI。Bonding技術需要兩片普通矽晶圓，在其中一片上生長一層氧化層（SiO2），然後與另外一片矽源鍵合，連接處就是氧化層。最後再進行研磨和拋光到想要的填埋層（SiO2）深度。由於鍵合技術比離子注入技術簡單，所以目前 SOI 矽片大都採用 bonding 技術製作。
▲離子注入方式形成絕緣體上矽
▲wafer bonding 方式形成絕緣體上矽
Sim-bond 技術：注氧鍵合技術。Sim-bond 技術是 SIMOX 與 bond 技術的結合。優點是可以高精度控制埋氧層厚度。第一步是向一片矽晶圓注入氧離子，然後高溫熱退火形成氧化層，然後在該矽片表面形成一層 SiO2 氧化層。第二步是將該矽片與另外一片晶圓鍵合。然後進行高溫退火形成完好的鍵合界面。第三步，減薄工藝。利用 CMP 技術減薄，但是與 bond 技術不同的是，sim-bond 有自停止層，當研磨到 SiO2 層時，會自動停止。然後經過腐蝕去掉 SiO2層。最後一步是拋光。
Smart-cut 技術：智能剝離技術。Smart-cut 技術是鍵合技術的一種延伸。第一步是將一片晶圓氧化，在晶圓表面生成固定厚度的 SiO2。第二步是利用離子注入技術，向晶圓的固定深度注入氫離子。第三步是將另外一片晶圓與氧化晶圓鍵合。第四步是利用低溫熱退火技術，氫離子形成氣泡，令一部分矽片剝離。然後利用高溫熱退火技術增加鍵合強度。第五步是將矽表面平坦化。這項技術是國際公認的 SOI 技術發展方向，埋氧層厚度完全由氫離子注入深度決定，更加準確。而且被剝離出的晶圓可以重複利用，大大降低了成本。
▲sim-bond 方式形成絕緣體上矽
▲Smart-cut 方式形成絕緣體上矽
二、高壁壘製造技術1、製造技術
矽片的原材料是石英，也就是通常說的沙子，可以直接在自然界開採。晶圓製造的過程可以通過幾步來完成：主要有脫氧提純、提煉多晶矽、單晶矽錠（矽棒）、滾磨、晶片切割、晶圓拋光、退火、測試，包裝等步驟。
▲CZ（直拉法）半導體矽片製造過程
▲CZ 法拉單晶示意圖
脫氧提純：矽片製造的第一步是將石英礦石進行脫氧提純，主要工藝有分選、磁選、浮選、高溫脫氣等等。主要將礦石中的主要鐵、鋁雜質去除掉。
提煉多晶矽：在得到相對較純的 SiO2 後，經過化學反應，生成單晶矽。主要反應為 SiO2+C→Si+CO，反應完成後的CO直接揮發掉，所以只剩下矽晶體。此時的矽為多晶體矽，並且為粗矽，含有很多雜誌。為了過濾掉多餘雜質，必須將得到的粗矽進行酸洗，常用的酸是鹽酸（HCl）、硫酸（H2SO4）等，用酸浸泡後的矽含量一般在 99.7%以上。在酸洗的過程中，雖然將鐵，鋁等等元素也溶於酸且過濾掉。但是矽也和酸反應生成 SiHCl3（三氯氫矽）或 SiCl4（四氯化矽）。但是這兩種物質都是氣態，所以酸洗過後，原來的鐵、鋁等雜質已經溶於酸，但是矽已經變為氣態。最後將高純的氣態 SiHCl3 或者 SiCl4 用氫氣還原得到高純多晶矽。
直拉法（CZ）法生產單晶矽：矽片主要用在邏輯，存儲器晶片中，市場佔比約為 95%；直拉法最早起源於 1918 年 Czochralski從熔融金屬中拉制細燈絲，所以又叫 CZ 法。這是當今生長單晶矽的主流技術。主要流程是在坩堝中放入多晶矽，加熱使之熔融，然後夾住一塊單晶矽的籽晶，將它懸浮在坩堝之上，直拉時，一端插入熔體直到融化，然後再緩慢旋轉並向上提拉。這樣在液體與固體的界面就會經過逐漸冷凝形成單晶。由於整個過程可以看作是複製籽晶的過程，所以生成的矽晶體是單晶矽。另外，晶圓的摻雜也是在拉單晶的過程中進行的，通常有液相摻雜和氣相摻雜兩種。液相摻雜就是指在坩堝中參雜 P 型或者 N 型元素，在拉單晶的過程中，可以直接將這些元素拉到矽棒中。
▲CZ 法拉單晶的方法
▲拉單晶之後的矽棒
直徑滾磨：由於在拉單晶的過程中，對於單晶矽棒的直徑控制較難，所以為了得到標準直徑的矽棒，比如 6 寸、8寸、12 寸等等。在拉單晶後會將矽錠直徑滾磨，滾磨後的矽棒表面光滑，並且在尺寸誤差上更小。
切割倒角：在得到矽錠之後，就進行晶圓切割，將矽錠放臵在固定切割機上，按照已經設定好的切割程式進行切割。由於矽片的厚度較小，所以切割後的矽片邊緣非常鋒利。倒角的目的就是形成光滑的邊緣。倒角後的矽片有較低的中心應力，因而使之更牢固，並且在以後的晶片製造中不容易碎片。
拋光：拋光的主要目的是將晶圓的表面變得更加平滑，平整無損傷，並且保證每片晶圓的厚度一致性。
測試包裝：在得到拋光好的矽片後，需要對矽片的電學特性進行測試，比如電阻率等等參數。大部分矽片廠都有外延片服務，如果需要外延片，再進行外延片生長。如果不需要外延片就會打包包裝，運往其他外延片廠或者晶圓廠。
區熔法（FZ）：這種方法的矽片主要用在部分功率晶片中，市場佔比約為 4%；用 FZ（區熔法）製作的矽片主要用作功率器件。並且矽片尺寸以 8 英寸，6 英寸為主，目前約有 15%的矽片使用區熔法製作。與 CZ 法製作的矽片相比，FZ 方法最大的特點就是電阻率相對較高，純度更高，能夠耐高壓，但是製作大尺寸晶圓較難，而且機械性質較差，所以常常用於功率器件矽片，在集成電路中使用較少。
區熔法製作單晶矽棒總共分為三步：1、加熱多晶矽，籽晶接觸，向下旋轉拉單晶。在真空或者惰性氣體環境下的爐室中，利用電場給多晶矽棒加熱，直到被加熱區域的多晶矽融化，形成熔融區。2、用籽晶接觸熔融區，並融化。3、通過移動電場加熱位臵，使多晶矽上的熔融區不斷上移，同時籽晶緩慢旋轉並向下拉伸，逐漸形成單晶矽棒。因為在區熔法中不適用坩堝，所以避免了很多汙染源，用區熔法拉的單晶具有純度高的特點。
▲FZ 法拉單晶空間結構
▲FZ 拉單晶示意圖
2、製造成本
半導體矽片在純度和電學特性方面較新能源矽片有更高要求，所以在製造過程中需要更多的純化步驟和供應原料，造成製造原料的種類更加多樣化。所以矽料成本佔比相對減少，但是製造費用佔比會相對增加。
對於半導體矽片來說，原材料成本是主要成本，約佔主營業務成本的 47%。其次是製造費用，約佔 38.6%，與半導體製造業類似，矽片行業屬於資本密集型行業，對固定資產投資需求較高，會因機器設備等固定資產折舊產生較高的製造費用。最後是直接人工費用，佔比約為 14.4%。
在矽片製造的原材料成本中，多晶矽是主要原材料，佔比約為 30.7%。其次是包裝材料，佔比約為 17.0%。由於半導體矽片對於潔淨度和真空要求較高，特別是對於矽片這種極易氧化的物質，對包裝的要求會比新能源矽片要求要高很多。因此在成本構成中，包裝材料佔比較高。石英坩堝佔比約為原材料成本的8.7%。半導體矽片製造所用的石英坩堝也是一次性坩堝，但是對於坩堝的物理特性，熱學特性等等要求更高。拋光液，研磨輪，拋光墊總共佔比 13.8%，主要用在矽片拋光過程中。
▲2018 年矽產業營業成本構成
▲2018 年矽產業原材料構成
水電費用約佔製造成本的 15%：在製造成本費用中，水電費用總和約佔整個製造費用的 15%，其中電費約佔 11.4%，水費約佔 3.4%。在對應金額方面，根據矽產業集團的 2018 年財務數據，電費和水費的總成本和包裝材料成本相當，約佔多晶矽材料的一半。電費比石英坩堝略高 20%左右。
▲2018 年矽產業製造費用佔比
▲ 2018 年矽產業集團部分成本構成（單位：萬元）
3、矽片製造四個壁壘
矽片的壁壘較高，特別是對於半導體矽片而言，主要壁壘有四個：技術壁壘，認證壁壘，設備壁壘和資金壁壘。
▲ 矽片製造產業的主要壁壘
技術壁壘：矽片的技術指標比較大，除去常見的尺寸大小，拋光片厚度等等外，還有矽片的翹曲度，電阻率，彎曲度等等。在主流的 300mm 矽片方面，由於先進位程對於矽片的均勻性要求較高，所以相對於 200mm 晶圓，增加了平整度，翹曲度，彎曲度，表面金屬殘餘量等等參數來監測 300mm 矽片的質量要求。在純度方面，先進位程的矽片要求在 9N（99.9999999%）-11N(99.999999999%)左右，是矽片供應商的主要技術壁壘。
矽片是高度定製產品；純度是矽片的最基本參數，也是主要技術壁壘。除此之外，矽片不是通用型產品，無法複製。大矽片在各個晶圓代工廠的規格完全不同，各個終端產品的用途不同也會導致矽片的要求規格完全不同。這就要求矽片廠商要根據不同的終端客戶產品來設計和製造不同的矽片，這就更大增加了矽片供應難度。
▲公司細分業務盈利預測
認證壁壘：晶片製造企業對於各類原材料的質量有著嚴苛的要求，對供應商的選擇也非常謹慎。進入晶片製造企業的供應商名單具有較高的壁壘。通常，晶片製造企業會要求矽片供應商提供一些矽片進行試生產，並且大多數用在測試片，而不是晶圓量產片。通過測試片後，會小批量試生產量產片，待通過內部認證後，晶片製造企業會將產品送至下遊客戶處，獲得其客戶認證後，才會對矽片供應商進行最終認證，最後籤訂採購合同。半導體矽片企業的產品進入晶片製造企業的供應鏈需要經歷較長的時間，對於新供應商的認證周期最短也需要 12-18 個月。
此外，測試片到量產片的認證壁壘：目前國內的 12 寸晶圓大多停留在測試片的供應上，但是測試片的認證程序和量產片的認證程序完全不同，量產矽片的認證標準更加嚴格。測試矽片由於不製造晶片，所以只需要晶圓代工廠自己認證，並且只需要在當前製造站點得到認證就可以。但是對於量產矽片來說，必須得到終端 fabless 客戶的認證，並且要得到整個製造流程各個步驟的監測才可以批量供應。一般情況下，為了保持矽片供應和晶片良率的穩定。晶圓製造商與矽片供應商一旦建立供應關係後，不會輕易更換供應商，且雙方建立反饋機制，滿足個性化需求，矽片供應商與客戶的粘性不斷增加。新矽片廠商如果加入到供應商行列，必須提供比原有供應商更加緊密的合作關係和更高的矽片質量。所以在矽片行業，矽片供應商和晶圓製造商的粘性較大，新晉供應商打破粘性的難度較大 。
設備壁壘：製造矽片的核心設備是單晶爐，可謂是矽片中的「光刻機」。國際主流矽片廠商的單晶爐都是自己製造。比如信越和 SUMCO 的單晶爐是公司獨立設計製造或者通過控股子公司設計製造，其他矽片廠商無法購買。其他主要的矽片廠商都有自己的獨立單晶爐供貨商，並且籤訂嚴格的保密協定，導致外界矽片廠商無法購買，或者只能購買到普通單晶爐，而對於高規格單晶爐無法供貨。所以設備壁壘也是國內廠商無法進入全球矽片主流供應商的原因。
資金壁壘：半導體矽片製造工藝複雜，需要購買先進，昂貴的生產設備，也需要根據客戶的不同需求不斷進行修改和調試。由於設備折舊等固定成本較高，下遊需求的變化對矽片企業的產能利用率影響較大，從而對矽片製造公司的利潤影響較大。特別是新進入矽片行業的公司，在沒有達到規模出貨之前，幾乎一直處於虧損狀態，對資金壁壘要求較高。另外，由於晶圓廠對於矽片的認證周期較長，這期間需要矽片製造商持續投入，也需要大量資金。
三、仍將是半導體材料之王目前，半導體晶圓市場是以矽材料為主。矽材料佔比約為整個半導體市場的 95%。其他材料主要是化合物半導體材料，以第二代半導體材料 GaAs 晶圓和第三代半導體材料 SiC，GaN 晶圓為主。其中，矽晶圓以邏輯晶片，存儲晶片等等為主，是應用最廣泛的半導體晶圓材料。GaAs 晶圓以射頻晶片為主，主要應用場景是低壓，高頻率；第三代半導體材料以高功率，高頻率晶片為主，主要應用場景是大頻率，高功率。
▲晶圓材料佔比
▲不同材料晶圓的適用範圍
化合物半導體和矽材料不是競爭關係，而是互補關係；半導體材料（特指晶圓，襯底和外延片材料）的發展規律包含三個路線，分別是尺寸，速度和功率，三種路線對應的是第一代，第二代和第三代半導體材料 。
▲第一/二/三代材料性能對比
第一代半導體材料：大尺寸路線：第一代半導體材料是指矽材料。矽材料是發展最早的晶圓材料，也是現階段技術最成熟，成本最低，產業鏈最完善的材料。同時，由於矽片的尺寸變大，導致單個晶片成本減小。主要應用領域是邏輯晶片和低壓，低功耗領域。矽晶圓尺寸從 2 寸，4 寸，6 寸，8 寸，再到當今主流的 12 寸晶圓技術。典型的矽片公司如日本的信越化學，sumco 等等。目前國際主流晶圓廠中，都是以矽材料作為主要生產材料。
▲不同晶圓尺寸對比
第二代半導體材料：高速度路線。由於在射頻電路中需要晶片可以承受高頻率開關，所以發明了第二代半導體晶圓。主要應用領域是射頻電路，典型終端領域是手機等移動終端的射頻晶片。第二代半導體主要是以 GaAs（砷化鎵），InP（磷化銦）為代表的半導體材料，其中 GaAs 是當今常用的移動終端射頻晶片材料。典型代工企業有臺灣穩懋，宏捷，美國 Skyworks，qorvo 等等是射頻晶片 IDM 公司。目前主流是在 4 寸和 6 寸晶圓為主。
第三代半導體材料：高功率路線：幾乎在相同起點，最有機會。第三條路線是功率變大，從而促使在高功率電路領域廣泛應用，主要材料是 SiC 和 GaN。主要終端是工業，汽車等領域。功率路線在矽材料上發展了 IGBT 晶片，而比 IGBT 擁有更高性能的是 SiC（碳化矽）和 GaN（氮化鎵）材料。目前 SiC 晶圓以 4 寸和 6 寸為主，GaN 材料以 6寸和 8 寸為主。世界主要代工廠如美國的 Cree，wolfspeed 和德國的 X-Fab。但是在此領域，國際巨頭的發展也比較緩慢，國內諸如三安光電等企業，雖然在技術水平上還有一定差距，但是處於整個行業起步階段，是最有可能打破國外壟斷，在國際功率代工版圖上佔據一席之地。
化合物材料需要矽襯底：目前雖然有 SiC，GaN 晶圓的晶片大量使用，比如小米，oppo，realme 發布的 GaN 充電器，特斯拉發布的 model3 使用 SiC MOSFET 代替 IGBT。但是對於晶圓來講，目前大多消費類化合物半導體晶片是以矽片為襯底，然後再做化合物外延片，在外延片上再製作晶片。
化合物半導體晶圓成本較高：目前由於化合物半導體產業鏈不夠完整，所以化合物半導體產能較低，化合物半導體晶圓價格較高。導致終端用戶接受度較低，消費電子方面還是以「矽襯底+化合物外延片」作為主流解決方案。在汽車領域，目前還是以矽基IGBT作為主流解決方案。矽基IGBT晶片成本較低，而且可選電壓範圍較大。而SiC MOSFET器件的價格是矽基 IGBT 的 6 至 10 倍。對比英飛凌 650V/20A 的技術參數下，SiC-MOSFET 和 Si-IGBT 的性能參數， SiC-MOSFET 依然在性能參數方面優於 Si-IGBT，但是在價格方面 SiC-MOSFET 是 Si-IGBT 的 7 倍。而且 SiC 器件隨著導通電阻的減小，SiC-MOSFET 價格呈指數級增長，比如導通電阻在 45 毫歐姆時，SiC-MOSFET 只有 57.6 美元，導通電阻在 11 毫歐姆時，價格為 159.11 美元，在導通電阻等於 6 毫歐姆時，價格已經達到 310.98 美元。
▲英飛凌 SiC-MOSFET 與 Si-IGBT 對比
▲英飛凌 SiC-MOSFET 價格和導通電阻的關係
四、 國產發力，市場潛力巨大1、矽片市場迎來增長周期
半導體製造材料佔比逐年增加。半導體材料可分為封裝材料和製造材料（包含矽片和各種化學品等等）。從長期看，半導體製造材料和封裝材料處於同趨勢狀態。但是從 2011 年之後，隨著先進位程的不斷發展，半導體製造材料的消耗量逐漸增加，製造材料和封裝材料的差距逐漸增加。2018 年，製造材料銷售額為 322 億美元，封裝材料銷售額為197 億美元，製造材料約為封裝材料的 1.6 倍。半導體材料中，製造材料佔比約為 62%，封裝材料佔比 38%。
▲2018 年半導體材料消耗佔比
▲半導體製造材料成本佔比
矽片是半導體製造中的第一大耗材；在製造材料中，矽晶圓作為半導體的原材料，佔比最大，達到 37%。自從 2017年以來，隨著「阿爾法狗」擊敗李世石，以人工智慧為首的新星技術是推動全球半導體發展的主要技術。特別是在 2018年，全球存儲器需求激增，再加上區塊鏈技術的爆發，再矽晶圓的需求上創下歷史新高。全球半導體出貨量的增加也帶動了矽片出貨的高速增加。在出貨量方面，在 2018 年全球矽晶圓出貨面積首次超過 100 億平方英寸，達到 127 億平方英寸，2019 年由於上半年貿易摩擦問題，導致出貨面積有所減少，達到 118 億平方英寸。在市場營業額方面，2018年全球市場銷售額為 114 億美元，2019 年達到 112 億美元。
▲2009-2019 全球矽晶圓出貨面積
▲2009-2019 全球矽晶圓營業額
從晶圓的細分看，由於第二代半導體和第三代半導體材料成本較高，並且大部分化合物半導體都是以矽晶圓為襯底，所以全球晶圓襯底中，矽晶圓佔比達到 95%。從具體晶圓尺寸來看，全球矽晶圓以 12 寸晶圓為主，2018 年全球矽晶圓出貨中，12 寸晶圓佔比達到 64%，8 寸晶圓達到 26%。
▲矽晶圓不同尺寸出貨佔比
從終端應用來看，全球 12 寸晶圓消耗以存儲器晶片為主，Nand Flash 和 DRAM 存儲器總共佔比約為 75%，其中Nand Flash 消耗的晶圓約佔 33%，其中 Nand flash 又有 35%的下遊市場在智慧型手機市場。可見智慧型手機出貨量和容量的提升是推動 12 寸晶圓出貨的主要因素。在 12 寸晶圓中，邏輯晶片約佔 25%，DRAM 佔比約為 22.2%，CIS 等其他晶片約佔 20%。
2、中國半導體矽片市場空間巨大
中國半導體材料市場穩步增長。2018 年全球半導體材料銷售額達到 519.4 億美元，同比增長 10.7%。其中中國銷售額為 84.4 億美元。與全球市場不同的是，中國半導體材料銷售額從 2010 年開始都是正增長，2016 年至 2018 年連續3 年超過 10%的增速增長。而全球半導體材料市場受周期性影響較大，特別是中國臺灣，韓國兩地波動較大。北美和歐洲市場幾乎處於零增長狀態。而日本的半導體材料長期處於負增長狀態。全球範圍看，只有中國大陸半導體材料市場處於長期增長窗臺。中國半導體材料市場與全球市場形成鮮明對比。
▲全球半導體材料銷售額及增速（單位：十億美元）
▲ 各個國家和地區歷年半導體材料銷售額（單位：十億美 ）
全球半導體材料逐步向中國大陸市場轉移。從各個國家和地區的銷售佔比來看，2018 年排名前三位的三個國家或地區佔比達到 55%，區域集中效應顯現。其中，中國臺灣約佔全球晶圓的 23%的產能，是全球產能最大的地區，半導體材料銷售額為 114 億美元，全球佔比為 22%，位列第一，並且連續九年成為全球最大半導體材料消費地區。韓國約佔全球晶圓的 20%的產能，半導體材料銷售額為 87.2 億美元，佔比為 17%，位列第二名。中國大陸約佔全球 13%的產能，半導體材料銷售額為 84.4 億美元，約佔全球的 16%，位列第三名。但是長期來看，中國大陸半導體材料市場佔比逐年增加，從 2007 年的佔比 7.5%，到 2018 年佔比為 16.2%。全球半導體材料逐步向中國大陸市場轉移。
▲ 2018 年各個國家和地區的銷售佔比
▲ 半導體材料銷售額和中國大陸佔比(單位:十億美元)
全球晶圓產能將迎來爆發式增長。代表當今晶圓廠最先進技術的 12 寸晶圓廠，從 2017-2019 年三年時間是建廠高峰期，全球平均每年增加 8 座 12 寸晶圓廠。預計到 2023 年，全球有 138 座 12 寸晶圓廠。根據 IC Insight 統計，由於 2019 年上半年，中美貿易戰的不確定性，全球各大晶圓廠都推遲了產能增加計劃，但是並沒有取消。隨著 2019 年下半年中美貿易的復甦和 5G 市場的爆發，2019 年全年全球晶圓產能還是維持了 720 萬片的增加。但是隨著 5G 市場的換機潮來領，全球晶圓產能將在 2020 年至 2022 年迎來增加高峰期，三年增加量分別為 1790 萬片，2080 萬片和 1440萬片，在 2021 年將創下歷史新高。這些晶圓產能將會在韓國（三星，海力士），中國臺灣（臺積電）和中國大陸（長江存儲，長鑫存儲，中芯國際，華虹半導體等等）。其中中國大陸將佔產能增加量的 50%。
▲ 2002-2023 年全球 12 寸晶圓廠數量
▲ 全球產能增加量 (單位:百萬片/年，8 寸等效晶圓)
中國大陸晶圓廠建設將迎來高速增長期。從 2016 年開始，中國大陸開始積極投資建設晶圓廠，陸續掀起建廠熱潮，根據 SEMI 預測，2017-2020 年全球將建成投產 62 座晶圓廠，其中中國有 26 座，佔總數的 42%。2018 年建造數量為 13 座，佔到了擴產的 50%。擴產的結果勢必導致晶圓廠的資本支出和設備支出的增加。據 SEMI 預計，到 2020年，中國大陸晶圓廠裝機產能達到每月 400 萬片 8 寸等效晶圓，與 2015 年的 230 萬相比，年複合增長率為 12%，增長速度遠遠高過其他地區。同時，國家大基金也對半導體製造業大力投入，在大基金一期投資中，其中製造業佔比高達 67%，遠遠高於設計業和封測業 。
▲2010-2020 中國半導體晶圓廠投資額（單位：億美元）
▲國家大基金一期投資比例
截至到 2019 年底，中國仍有 9 座 8 寸晶圓廠和 10 座 12 寸晶圓廠處於在建或者規劃狀態。另外，由於目前中國大多數 12 寸晶圓廠處於試量產或者小批量量產狀態，處於產能底部。在得到客戶的產品驗證和市場驗證之後，將會迎來產能爬坡階段，將會對上遊原材料出現巨大需求。
▲中國地區新增晶圓廠情況
5G 普及導致終端的含矽量上升：從 Iphone3 開始的智慧型手機時代開始，到以 Iphone5 為代表的 4G 手機，最後到現在的 5G 手機時代。手機的含矽量不斷增加。根據 tech insights，iFixit 等拆解機構對手機的物料成本分析，統計手機處理器（AP），基帶處理晶片（BP），存儲器（Nand flash，DRAM），攝像頭模組（CIS），射頻晶片（RF），電源管理晶片（PMIC），藍牙/wifi 晶片等等手機主要晶片的單機價值量，呈現逐漸增加趨勢，並且所佔單機總價值量的比例逐年增加。雖然在 IphoneX 階段，由於屏幕的變化，導致晶片佔比減小，但是隨著後續不斷優化，晶片成本佔比也逐年提高。到 4G 手機頂峰 Iphone11 pro max 時代，主要晶片佔比已經到達 55%，單機價值量約為 272 美元。從 Iphone3 到Iphone11pro max 的演變中，手機攝像頭從單射到 3 射，機身內存從 8GB 增長到 512GB，單機含矽量佔比從 37%增長到 55%，單機價值量從 68 美元增長到 272 美元。
2020 年時 5G 手機大規模量產元年，根據已經發布的三星 S20 和小米 10 手機的拆機分析，主要晶片的單機價值量和佔比比 4G 手機進一步提高。三星方面，主要晶片佔總物料成本的 63.4%，單機價值量已經達到 335 美元，比 Iphone11pro max 高 23%。小米方面，主要晶片的佔比更高，達到 68.3%，主要晶片單機價值量也達到了 300 美元。根據三星S20 和小米 10 的手機拆解，預計 5G 手機初期的主要晶片佔比約為 65%~70%，單機價值量在 300-330 美元左右。
▲主流智慧型手機 BOM 成本拆解
▲ 不同手機的主要晶片成本比例
晶圓廠的建設增加矽片需求：晶圓廠產能擴張必然導致矽片的需求量上升。目前國內大力投資晶圓廠，形成了以長江存儲，合肥長鑫為主的存儲器產業，以中芯國際為主的邏輯晶片產業，以華虹半導體，積塔半導體為主的特色工藝產線，和以華潤微電子，士蘭微為主的功率器件代工廠。目前，中國大陸 2017/2018 兩年的矽片銷售額增長速度高於 40%。並且受益於大基金投資和國產代替的趨勢，下遊晶圓廠充分擴產能，帶動上遊矽片需求增加。根據 SUMCO預測，2020 年，中國大陸的 8 寸矽片需求約為 97 萬片，12 寸晶圓能達到 105 萬片。
▲中國大陸矽片銷售額和增速（單位：億美元）
▲中國大陸矽片需求變化（單位：萬片/月）
漲價周期+先進位程促進「價」的提升：根據歷史上矽片價格測算，目前處於新一輪漲價周期的起始端，在 2009年至 2011 年期間，智慧型手機迅速普及，手機含矽量提升，單位面積矽價格持續衝高，並且在 2011 年達到 1.09 美元/平方英寸。後來隨著矽片庫存的升高以及智慧型手機的銷售量下滑，單位面積的矽片價格持續下跌，並在 2016 年達到最低點，價格為 0.67 美元/平方英寸。2016 年穀歌「阿爾法狗」擊敗李世石，讓人工智慧登上了歷史的舞臺，全球的矽片需求提升，進入新一輪漲價周期階段。2019 年 5G 手機的發售，單位面積的矽片價格達到了 0.94 美元。隨著 2020年的 5G 手機大面積發售，拉動全球對矽片的需求，預計未來還有 2-3 年的漲價空間。
先進位程推動「價」的上漲；半導體矽片是晶片製作的基底材料，任何質量上的波動都會對晶片造成嚴重的影響。隨著先進位程的不斷發展，對於半導體矽片的雜質要求也越來越高。更高的要求導致矽片的製造工藝越來越難，所以價格越來越高。例如同樣時 12 寸矽片，7nm 工藝的矽片價格是 90nm 矽片價格的 4.5 倍。目前，中國大陸晶圓廠以建設 12 寸晶圓廠為主，矽片價格也遠遠高於 8 英寸晶圓。同時，由中芯國際，華虹半導體為代表的邏輯晶片代工廠，逐漸將製程從 28nm 轉移到 16/14nm 製程，提升了整體矽片價格。
12 寸製造線自 2000 年全球首開以來，市場需求增加明顯。2008 年出貨量首次超過 8 寸矽片，2009 年即超過其他尺寸矽片出貨面積之和。2016 年到 2018 年，由於 AI、雲計算、區塊鏈等新興市場的蓬勃發展，12 寸矽片年複合增長率為 8%。未來，12 寸矽片的市佔率將會繼續提高。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提高而越來越大，到 2022 年將會有 1000K/月的缺口。中國作為全球新興半導體製造基地，巨大的矽片缺口將會促進矽片國產化的速度。
根據 SUMCO 的統計數據，2018 年中國大陸的矽片銷售金額約為 9.3 億美元，同比增長 45%，是全球增長最快的矽片市場。受益於長江存儲，中芯國際，長鑫存儲等大型晶圓廠在 2020-2022 年的擴產計劃。預計到 2022 年底中國大陸等效 12 寸矽片需求將達到 201 萬/月，市場空間為 200 億元。
智東西認為，我國作為半導體產業第三次轉移的轉入國，半導體銷售額在全球市場中佔比在持續攀升。此外，我國是全球最大的消費電子產品生產國、出口國和消費國，對於半導體產品需求較大。所以，國產化水平將對產業安全有較大影響。矽片作為晶圓製造材料市 場中佔比最大的且最基礎品種，我國在矽片領域存在短板且在大矽片方面更為突出。但在國家政策和資金的扶持下，我國眾多企業紛紛規劃產線，對半導體大矽片進行布局。