电子行业深度报告：国产晶圆技术攻坚与供应链自主化-突围“硅屏障”

证券分析师：唐仁杰S0370524080002行业评级：增持 摘要 •晶圆制造材料、后道封装材料分别占据半导体材料市场规模62.8%、37.2%；其中，硅片市场规模占据22.9%，主导前道硅片制造材料市场。根据SEMI数据，连续三年扩产导致一定库存压力，下游需求减弱，2023年全球半导体材料市场小幅萎缩至667亿美元；其中，2023年晶圆制造材料较2022年下降7%至415亿美元。硅片出货周期基本同步于半导体产业链景气周期，但领先于半导体设备资本开支。2024年全球硅片出货面积约12,266MSI(百万平方英寸），较23年下降3%。2024年Q3，全球硅片出货面积企稳回升，Q3、Q4同比增长6.24%、6.78%。 •硅片尺寸越大，单片硅片制造芯片数量越高，边缘损耗越小，单位芯片成本越低。同样工艺条件下，12英寸半导体硅片可适用面积超过8英寸硅片的2.25倍。根据SUMCO预测，云计算及存储需求，预计2021-2025年，12英寸半导体晶圆在高性能计算及DRAM需求复合年增长率分别为14.7%、10%。 •“贸易战”影响下，国产12英寸大硅片或加快渗透。当前全球12英寸硅片形成“寡头”竞争格局，且基本由日本企业主导。12英寸硅片产能CR5约达80%，出货量占比也高达80%。需求端：基于国内明确的晶圆厂（Fab)扩建计划，预计2026年中国大陆地区对12英寸硅片的需求将超过300万片/月，占届时全球12英寸硅片需求的1/3，其中以中芯国际、华虹集团、长江存储、长鑫存储为代表的全部内资晶圆厂12英寸硅片需求将超过250万片/月。 •半导体制造领域，使用杂质含量较高的石英坩埚或高纯度石英组件会对半导体器件的生产和功能产生多种不利影响。铝、硼和磷等杂质，即使是极少量的杂质，也会成为无意的掺杂剂，改变硅晶片的电气特性。这些变化会导致掺杂浓度的不良变化，从而导致晶圆上半导体的电性能不一致。 •电子级硅片对原材料纯度要求较高，电子级多晶硅的纯度要求在9N（99.9999999%)，甚至11N纯度。通过化学还原生成多晶硅料再进行提纯，从而得到电子级多晶硅。根据中国地质科学郑州矿产综合利用研究所预测，预计到2025年我国4N5级及以上高纯石英用量将超过25万吨，年复合增长率约20%，国内高纯石英供需缺口将超过10万吨。 •硅片加工工艺极其复杂，包括截断、滚磨、切片、倒角、双面研磨、抛光，后续仍需表面处理及清洁、测试。工艺生产中，裸晶圆主要考虑表面颗粒与杂质、表面粗糙度和平整度、厚度、翘曲度与弯曲度、电阻率及掺杂浓度均匀性等相关指标。 •相关公司：300mm大硅片及重掺工艺生产商:高纯度石英制品供应商，半导体业务占比持续提升，凯德石英（835179.BJ)；12英寸外延片产能快速爬坡，立昂微(605358.SH)；CMP设备龙头华海清科（688120.SH）；CMP抛光液+抛光垫鼎龙股份（3000054.SZ）；无图型检测设备，中科飞测（688361.SH） •风险提示：晶圆代工厂及IDM厂扩产不及预期、硅片厂规模化效应失效、半导体行业周期性下行、政治、政策不确定性因素及其他宏观因素 目录 一、半导体材料市场概览：硅片主导晶圆制造材料 七、硅片加工工艺：工业硅->电子级多晶硅 二、半导体材料市场概览：2023年半导体材料市场小幅萎缩 八、硅片加工工艺：直拉法、区熔法制备硅锭 九、硅片加工工艺：截断、滚磨、切片、倒角、双面研磨、抛光 三、半导体材料市场概览：24年三季度，全球硅片出货面积企稳 四、硅片市场：AI及高性能算力需求催化大尺寸硅片 十、硅片的表面处理、清洗及检测 五、大尺寸硅片仍由海外主导，国内需求持续扩张 十一、硅片分类：退火片、外延片、SOI 六、电子级硅片对生产设备材料要求极为严格，我国相应原材料储备量较少 十二：相关公司 风险提示：晶圆代工厂及IDM厂扩产不及预期、硅片厂规模化效应失效、半导体行业周期性下行、政治、政策不确定性因素及其他宏观因素 硅片产业链上下游 •材料：IC级多晶硅、化学试剂、包装材料•设备：拉晶、切割、研磨、抛光、外延及量测设备 上游原材料及设备 •抛光片•外延片•假(陪)片（flow check或测试用dummy wafer）•SOI等特殊硅片 中游硅片制造 •晶圆厂 •Foundry，如台积电、中芯国际•IDM，如英特尔、SK海力士、长江存储等•应用•逻辑芯片、模拟芯片、CIS芯片、功率等•终端•智能手机、电脑、服务器、物联网、汽车电子、工业电子等 下游终端 半导体材料市场概览：硅片主导晶圆制造材料 •根据Semi数据，晶圆制造材料、后道封装材料分别占据半导体材料市场规模62.8%、37.2%；其中，硅片市场规模占据22.9%，主导前道硅片制造材料市场。 半导体材料市场概览：2023年半导体材料市场小幅萎缩 •根据SEMI数据，连续三年扩产导致一定库存压力，下游需求减弱，2023年全球半导体材料市场小幅萎缩至667亿美元；其中，2023年晶圆制造材料较2022年下降7%至415亿美元。 •分地区销售额来看，2023年中国台湾连续十四年位居全球第一，收入为192亿美元；中国大陆销售额占比提升至19.61%；除中国大陆地区，其他地区均呈现不同程度的下降（2022年中国大陆地区销售额为129亿美元，2023年为131亿美元）。 数据来源：SEMI，金元证券研究所 数据来源：SEMI，金元证券研究所 半导体材料市场概览：24年三季度，全球硅片出货面积企稳 •硅片出货周期基本同步于半导体产业链景气周期，但领先于半导体设备资本开支。2024年全球硅片出货面积约12,266MSI(百万平方英寸），较23年下降3%。2024年Q3，全球硅片出货面积企稳回升，Q3、Q4同比增长6.24%、6.78%。 数据来源：SEMI，金元证券研究所 数据来源：SEMI，金元证券研究所 硅片市场：AI及高性能算力需求催化大尺寸硅片 •按照掺杂类型，半导体硅片可分为P型、N型，驱动自由载流子分别为空穴（正电荷）、电子（负电荷），当前存储、逻辑芯片多采用P型硅片。按照掺杂浓度可分为重掺杂、轻掺杂；根据工艺不同，可分类为硅抛光片、外延片及SOI等。 •2024年下半年随着下游复苏，半导体行业开始回暖，但电子级硅片属于半导体产业上游，前期库存仍需一定时间消化，导致电子级硅片市场回暖存在滞后性 数据来源：SEMI，金元证券研究所 硅片市场：AI及高性能算力需求催化大尺寸硅片 •大尺寸硅片降本。根据尺寸（直径）大小，半导体硅片可分为4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸。6英寸及以下尺寸主要用于MOSFET功率器件、IGBT、MEMES、分立器件等；8英寸主要应用于射频芯片、模拟芯片、面板驱动、CIS等；而12英寸主要应用于高端XPU逻辑芯片。硅片尺寸越大，单片硅片制造芯片数量越高，边缘损耗越小，单位芯片成本越低。同样工艺条件下，12英寸半导体硅片可适用面积超过8英寸硅片的2.25倍。根据SUMCO预测，云计算及存储需求，预计2021-2025年，12英寸半导体晶圆在高性能计算及DRAM需求复合年增长率分别为14.7%、10%。 数据来源：SUMCO，金元证券研究所 数据来源：SUMCO，金元证券研究所 硅片市场：AI及高性能算力需求催化大尺寸硅片 •人工智能催化下，高性能算力、高IO、多层堆叠3D NAND等推动12英寸硅片需求。举例而言，随着NAND Flash堆叠层数提升至200层、300层，甚至400层，按目前业内技术路线共识，所有厂商均会切换至通过2片晶圆键合制作1个NANDFlash完整晶圆的工艺，相当于12英寸硅片需求翻倍。 •根据SUMCO预测，2025年一季度，300mm晶圆出货量恢复，200mm晶圆出货量预计继续受到客户生产调整的影响；价格方面，300mm和200mm晶圆的长期合同价格保持稳定，但小直径晶圆的现货价格因地区和用途而异。图：HBM及3D NAND将成为300mm硅片的需求增长动力 数据来源：SEMI，金元证券研究所 大尺寸硅片仍由海外主导，国内需求持续扩张 •“贸易战”影响下，国产12英寸大硅片或加快渗透。当前全球12英寸硅片形成“寡头”竞争格局，且基本由日本企业主导。12英寸硅片产能CR5约达80%，出货量占比也高达80%。 •供给端：根据SEMI统计及公开数据统计，2024年全球12英寸硅片月均出货量约865万片/月，信越化学、SUMCO、环球晶圆、SK Siltron合计月均出货占比约79.08%。 •需求端：基于国内明确的晶圆厂（Fab)扩建计划，预计2026年中国大陆地区对12英寸硅片的需求将超过300万片/月，占届时全球12英寸硅片需求的1/3，其中以中芯国际、华虹集团、长江存储、长鑫存储为代表的全部内资晶圆厂12英寸硅片需求将超过250万片/月。 硅光-伏产业链及集成电路用硅抛光片产业链全景 数据来源：金元证券研究所 电子级硅片对生产设备材料要求极为严格，我国相应原材料储备量较少 •在半导体制造领域，使用杂质含量较高的石英坩埚或高纯度石英组件会对半导体器件的生产和功能产生多种不利影响。铝、硼和磷等杂质，即使是极少量的杂质，也会成为无意的掺杂剂，改变硅晶片的电气特性。这些变化会导致掺杂浓度的不良变化，从而导致晶圆上半导体的电性能不一致。 •半导体硅片对原材料纯度要求较高，电子级多晶硅的纯度要求在9N（99.9999999%)，甚至11N纯度。通过化学还原生成多晶硅料再进行提纯，从而得到电子级多晶硅 •电子级硅片生产工艺对原材料高纯度石英砂纯度要求在4N5（99.995%），甚至5N（99.999%，如SibelCo的IOTA-8，金属杂质含量不超过10mg/Kg） 电子级硅片对生产设备材料要求极为严格，我国相应原材料储备量较少 •目前，我国石英矿床主要有七种工业类型，即天然晶体、石英砂岩、石英岩、脉状石英、粉末石英、石英砂和花岗岩石英。截至2022年，石英岩和脉状石英的总储量分别达到13.6418亿吨和8210万吨。但是，能够用作高纯度石英原料的天然水晶、脉状石英、花纲伟岩较少。 •根据中国地质科学郑州矿产综合利用研究所预测，预计到2025年我国4N5级及以上高纯石英用量将超过25万吨，年复合增长率约20%，国内高纯石英供需缺口将超过10万吨。 数据来源：《Research Status and Challenges of High-Purity Quartz ProcessingTechnology from a Mineralogical Perspective in China》，金元证券研究所 硅片加工工艺：工业硅->电子级多晶硅 •工业硅→电子级多晶硅： •通过石英砂与还原碳在电弧炉（SAF）反应得到冶金级硅（MG-Si）•真空精炼（VLF）与定向凝固（DS）进行冶金预钝化•氯化：把实心硅转化为可精馏的氯硅烷，使用镍基或内衬高纯石英的流化床反应器；高纯石英喷嘴能抑制Fe、Ni等金属污染。把难以在冶金环节去掉的B、P等元素转化为挥发性氯化物，为后续精馏做准备。•精馏，利用沸点差“深度洗涤”氯硅烷•化学气相沉积（CVD）：把高纯气体重新转回固态硅，可通过西门子法或流化床颗粒CVD•STC闭环：四氯化硅的再氢化。CVD副产的大量STC会被送入石英管式氢还原炉，在1000-1100℃下重新变成TCS，再回到第4步使用。•酸洗与分级。Siemens粗棒或FBR颗粒在切割、分级后，用HF/HNO₃等对表面进行化学去污。酸槽和托盘可以是高纯PVC配合石英格篮，去除最后痕量金属和氧化皮。•洁净包装 •从氯化开始直到CVD结束，高温区与强氯氢混合气直接接触的所有内壁、喷嘴、钟罩、炉管几乎都必须用4-5 N以上石英制造。在Siemens反应器和STC氢化炉里，石英对金属杂质的“屏障”作用最为关键——如果局部纯度降到3N，蒸发出来的Fe、Cr便足以使最终硅