1、2020年深度行业分析研究报告目录1.万丈高楼从地起，半导体产业始于硅片.41.1半导体硅片生产.51.1.1单晶硅生长技术是关键技术之一.51.1.2从“锭”到“片”.61.2半导体硅片持续进化.71.2.1硅片向大尺寸迭代.71.2.2各尺寸硅片满足各种需求.92.终端市场回暖，需求沿产业链传导.92.112英寸硅片需求增长势头强劲.102.1.1存储芯片成12英寸硅片需求增长重要推力之一.112.1.2半导体行业持续景气，12英寸硅片需求强劲.112.28英寸硅片再次迎来黄金机会.122.2.1新能源汽车、车联网等拉动汽车电子增长.132.2.2工业物联网.142.2.38英寸晶圆代工厂

2、需求持续增大.153.硅片扩产长路漫漫，硅片产能利用率将保持在高位.163.112英寸硅片产能从过剩到紧缺.173.28英寸硅片扩产面临限制.184.从日本半导体产业发展看我国崛起之路.184.1产业转移成就日本半导体产业发展.184.2我国硅片产业目标明确，走出坚定步伐.205.新冠疫情已成为最大X因素.24插图目录图1：2016-2018全球晶圆制造材料市场结构（单位：亿美元）.5图2：2018年全球晶圆制造材料细分产品拆解.5图3：硅片生产流程.5图4：直拉单晶硅生长示意图.6图5：各种类硅片.7图6：硅片尺寸发展历史.8图7：2015-2021年全球12寸硅片市场占比情况及预测.8图8

3、：2007年至2019年全球硅片面积出货量（百万平方英寸）.9图9：2020年半导体出货量占比情况.9图10：半导体出货量.10图11：NAND闪存应用份额.11图12：2018年12英寸硅片下游应用占比.11图13：12英寸硅片需求预测（百万片/月）.12图14：2018年8英寸硅片下游应用占比.13图15：中国新能源汽车销售量（2014-2019）.14图16：车联网示意图.14图17：工业互联网产值预测(单位：十亿美元).15图18：8英寸晶圆厂产能展望.162图19：2009-2019年全球硅片销售（单位：十亿美元）.16图20：2018年全球硅片市场份额.16图21：全球12英寸硅片

4、产能及需求.17图22：各尺寸硅片出货面积占比.18图23：半导体产业转移情况.19图24：日本“VLSI技术研究组合”项目.19图25：VLSI研究协会研究工作架构.19图26：全球半导体市场规模（单位：十亿美元）及中国占比情况.21图27：2018年中国8英寸和12英寸硅片产品市场供给情况（单位：万片/月）.21表格目录表1：半导体材料性能比较.4表2：12英寸硅片下游应用.10表3：8英寸硅片下游应用.12表4：联合实验室人员配置及任务分工.19表5：我国国家层面硅片产业部分政策.22表6：中国8/12英尺大硅片规划产能情况（万片/月）.2331.万丈高楼从地起，半导体产业始于硅片半导体

5、材料在不断进化，但硅材料仍为主流。半导体产品被广泛应用于各类电子产品中，其重要性不言而喻。半导体材料作为制造基础，至今已发展到第三代。根据发展历史，第一代半导体是“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。得益于第一代半导体材料应用，集成电路产业得以快速发展。第二代半导体材料是化合物半导体，以砷化镓、磷化铟和氮化镓等为代表，其促成信息产业崛起；而第三代半导体材料主要包括碳化硅、氮化镓、金刚石等，其具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，成为下一代信息技术的关键之一。虽然半导体材料已经发展到第三代，但由于制备工艺、后续加工及原料来源等因素影响，硅材料依然是主流半导体材料。表1：

6、半导体材料性能比较半导体材料带隙（eV）熔点（K）主要应用第一代半导体锗1.11221硅0.71687低压、低频、中功率晶体管、光电探测器第二代半导体砷化镓1.41511微波、毫米波器件、发光器件碳化硅3.052826第三代半导体氮化镓3.41973氮化铝6.22470金刚石5.5大于38001、高温、高频、抗辐射、大功率器件2、蓝、绿、紫发光二极管、半导体激光器氧化锌3.372248资料来源：互联网公开资料，研究所不同应用场景对硅纯度要求有所不同。硅极少以单质的形式存在于自然界中，但在岩石、砂砾、尘土之中其以硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在。在地壳中，硅是第二丰富的元素，其构成地壳总质量的26

7、.4%。所以，硅来源较为广泛，在生产中较为容易获取，进而解决硅片制备所需原料的问题。目前，多晶硅纯度从99.9999%至99.999999999%（6-11个9）不等，根据使用场景对于纯度要求有所差异，其中太阳能光伏级多晶硅纯度要求较低，而电子级多晶硅纯度则要求较高。多晶硅经过进一步加工制造可制得单晶硅，单晶硅是硅片上游材料。硅片在晶圆制造材料中占比最大。晶圆制造是半导体产业中重要一环，生产过程中会涉及多种材料。据SEMI,2018年全球半导体材料销售额达到519亿美元，增长10.6%，其中晶圆制造材料和封装材料的销售额分别为322亿美元和197亿美元，同比增长率分别为15.9%和3.0%。根

8、据细分产品销售情况，2018年硅片占晶圆制造材料市场比值为38%，比重为相关材料市场第一位。所以，硅片作为半导体生产重要原材料之一，硅片制备技术将对半导体产业发展产生一定的影响。4图1：2016-2018全球晶圆制造材料市场结构图2：2018年全球晶圆制造材料细分产品拆解（单位：亿美元）数据来源：SEMI、研究所数据来源：SEMI，研究所1.1半导体硅片生产根据硅片生产流程，首先通过提纯硅氧化得到多晶硅，其后通过单晶硅生长工艺得到硅片原始材料单晶锭，再通过切片、研磨、抛光等硅片制造工艺得到抛光硅片。通过对抛光硅片进行特殊工艺处理，可得到退火片、外延片等具备特殊性能硅片。图3：硅片生产流程资料来

9、源：SUMCO，研究所1.1.1单晶硅生长技术是关键技术之一直拉法生长技术是目前较为主流长晶工艺。单晶硅是由单一籽晶生长的单晶体硅材料，它具有晶格完整、缺陷和杂质很少等特点。根据单晶硅生长方式进行分类，可将其分为5区熔单晶硅（FZ-Si）和直拉单晶硅（CZ-Si），其中所涉及的工艺为区熔法和直拉法。相较于区熔法，直拉法能支持12英寸等大尺寸硅片生产，而区熔法则用于8英寸及以下尺寸硅片生产。所以，直拉法是目前较为主流长晶工艺。直拉法主要工艺包括多晶硅原料装料、多晶硅融化、种晶、缩颈、放肩、等径生长和收尾等。直拉法制备工艺是通过加热放置于坩埚内的多晶硅原料使其成为溶液，并通过安置在炉体上方的籽晶轴

10、，使得单晶晶种能与硅溶液进行接触。通过籽晶轴转动和上下移动，硅液会沿着籽晶表面凝结和生长，最终形成单晶锭。随着直拉法工艺不断深入，基于基础工艺的新工艺在持续开发，目前已开发出磁控直拉单晶生长、连续加料直拉单晶硅生长和重装料直拉单晶生长等工艺。图4：直拉单晶硅生长示意图资料来源：集成电路产业全书，研究所在直拉单晶生长过程中需要添加不同元素以满足不同需求。为满足不同器件制备的要求，在晶体生长时需要掺入微量电学性的杂质（掺杂剂）。其中P型半导体，硼（B）是最常用的掺杂剂；而对于N型半导体，磷（P）、砷（As）和锑（Sb）都可以作为掺杂剂。除掺杂剂外，一般情况下在直拉过程中需要避免杂质引入，否则将影响

11、单晶硅、器件的性能和质量。由于单晶硅生长情况对于硅片生产影响较大，所以单晶硅生长技术在硅片生产中是关键技术之一。总结：单晶锭是硅片生产原料，目前生产单晶锭以直拉法为主。在生产过程中通过添加不同的掺杂剂以制备具有不同性能的半导体，但需要对其他杂质进行严格管控，否则成品质量将受到影响。所以，单晶硅生长技术在硅片生产中是关键技术之一。1.1.2从“锭”到“片”硅片制造工艺实现从“锭”到“片”转换。当完成单晶硅生长工艺后，需要通过硅片制造技术来实现硅片生产。根据生产流程，单晶硅锭需要通过切断、切片、研磨、抛光、清洗五大步骤从而得到抛光硅片。其中，通过切断得到适合切片的晶棒；切片是将晶棒切成具有一定厚度

12、和平整度的硅片；研磨工艺，可去除硅片切片表面残留的损伤层，并6使硅片具有一定的几何精度；抛光工艺，通过化学和机械作用，去除硅片表面残留的微缺陷和损伤层，获得硅抛光片；硅片清洗是去除硅片表面各种沾污。通过这一系列加工工艺后，可得到抛光硅片。通过对抛光硅片进行特定工艺处理可得到具有特殊性能硅片。抛光硅片是目前应用范围最广、最基础的硅片，以抛光片为基础进行二次加工可得到具有特殊性能的硅片。退火片制作工艺是一个升温再降温的过程，通过将抛光片置于氢或氩气中加热，随即进入到退火过程。与抛光片相比，其表面含氧量大幅减少，从而拥有更好的晶体完整性。外延片通常采用化学气相沉积（CVD）技术，反应原理为硅的气态化

13、合物在硅片表面发生反应，并以单晶薄膜的形态沉积在硅衬底表面。SOI硅片具有三层结构，自上而下分别为顶层硅片（SOI层）、氧化层和硅衬底；目前，氢注入剥离键合技术（Smart-Cut）、硅片直接键合技术（SDB）和注氧隔离技术（SIMOX）是三个最具有竞争力的SOI制备技术；由于SOI硅片具有氧化层，从而减少硅片的寄生电容以及漏电现象。具有特殊性能的硅片能满足不同应用场景需求，是半导体产业中不可或缺的一部分。图5：各种类硅片资料来源：SUMCO，研究所1.2半导体硅片持续进化由于抛光片是应用最为广泛的硅片，所以下文均以抛光片为讨论主体。1.2.1硅片向大尺寸迭代大硅片成为发展趋势。随着单晶硅制造

14、技术提升，硅片的尺寸在逐步提升。硅片尺寸从最初2英寸，到4英寸，5英寸，6英寸，8英寸，再到12英寸，其尺寸在持续增加。目前，硅片发展史具有多种表述。其中，据SEMI相关产品数据，4英寸硅片产生于1986年，6英寸产生于1992年，8英寸产生于1997，12英寸产生于2005年。而行业内根据各尺寸硅片市场占比情况进行划分，4英寸、6英寸和8英寸分别为1980年代、1990年代和2000年代占据主流位置；而12英寸硅片产线是英特尔和IBM于2002年首先建成，而到2005年12英寸产品市场占比达到20%且市场占比持续增大。根据硅片发展路径，7大尺寸硅片将是行业发展趋势。图6：硅片尺寸发展历史资料

15、来源：SEMI，研究所下一代产品竞争力不足，12英寸硅片市场份额将有望保持。根据市场占比情况，在2017年12英寸硅片市场份额为66.1%且其份额在持续增大。自2005年起12英寸硅片被大规模使用以来至今已超过10年，在硅片向大尺寸发展的背景下，硅片产品理应进行迭代。18英寸硅片是下一代技术节点，以英特尔、台积电等厂商和学校为首的相关研发专案已经取得了一定进展，但因不具备生产效益而有所搁置。所以，12英寸硅片尚未受到产品迭代所带来的影响，有望在较长一段时间内保持市场地位。图7：2015-2021年全球12寸硅片市场占比情况及预测资料来源：华经情报网，研究所生产成本等成为推动大硅片发展的重要推力

16、。目前，集成电路发展两条技术主线是硅片尺寸扩大和芯片制程技术提升。其中，硅片尺寸扩大能有效降低成本，而这也成为硅片向大尺寸发展的重要推力。以8英寸和12英寸硅片为例，12英寸硅片较8英寸在面积上提升约2.25倍。由于可用生产面积扩大，使得单硅片芯片产出数量也有所差异，其中，8英寸硅片产出约为88块，而12英寸硅片产出约为232块，12英寸硅片产出较8英寸硅片提升约2.64倍，产出增长较硅片面积增长更多。此外，由于边缘芯片减少，产品成品率将上升，使得产出会更高。在芯片生产过程中由于产出更高，使得设备使用率提升。所以，无论是从产量，还是从设备使用率角度，大硅片能使芯片生产成本下降，使得晶圆代工厂利

17、润增厚，从而间接推动硅片向大尺寸发展。81.2.2各尺寸硅片满足各种需求各种需求促生对不同尺寸硅片需求。不同尺寸硅片在应有场景中有所差异，下游对于硅片需求主要集中在8、12英寸。目前，12英寸硅片主要应用于制造智能终端中逻辑芯片和存储芯片等，而8英寸硅片主要应用于汽车电子、工业自动化和指纹识别等集成电路制造领域，6英寸及以下尺寸硅片主要应用于低端产品。所以，在不同领域应用不同尺寸的硅片，从而形成不同的需求。2.终端市场回暖，需求沿产业链传导终端市场需求将对产业链产生影响。硅片是晶圆制造上游材料，晶圆厂产能情况对硅片需求将产生影响。根据SEMI数据，硅片出货量存在一定周期性，2019年硅片出货量

18、有所下滑，但情况有望得到好转。受消费升级和数据流量爆发等因素诱发，终端市场持续向好，而需求沿着产业链向上游传递。在硅片向大尺寸发展的趋势中，8英寸和12英寸硅片作为主流硅片产品，在终端市场带动下需求将持续扩大。据ICinsights预计，2020年半导体总发货量将增长7，达到10,363亿个，这将是有史以来半导体总发货量第二次超过一万亿个单位。而在2020年半导体出货量中，预计光电器件、传感器和分立器这三项占69，集成电路占31。此外，2020年增长率最高的半导体细分领域场景包括智能手机、汽车电子以及人工智能、云和“大数据”系统、深度学习应用程序。图8：2007年至2019年全球硅片面积出货量

19、（百图9：2020年半导体出货量占比情况万平方英寸）数据来源：SEMI、研究所数据来源：ICinsights，研究所9图10：半导体出货量资料来源：ICinsights，研究所2.112英寸硅片需求增长势头强劲12英寸下游应用场景广阔。目前，12英寸硅片在下游产业中广泛应用，产品大多使用于制造消费电子芯片。根据12英寸晶圆制造精度进行分类，可分为先进制程和成熟制程。随着晶圆厂制程不断提升，将增加高质量12英寸大硅片需求。除晶圆制程提升外，终端市场向好是拉动硅片需求上升的动力。表2：12英寸硅片下游应用尺寸制程下游应用7nm高端智能手机主处理器（苹果A12、骁龙855等）高性能计算（个人电脑、服

20、务器CPU、矿机）10nm高端智能手机主处理器（苹果A11、骁龙845、麒麟970等）高性能计算（个人电脑、服务器、矿机）高端显卡（NVIDIAVolta、AMDVega20等）12英寸先进制程16/14nm20-22nm28-32nm智能手机处理器（骁龙660、骁龙821、联发科P22等）个人电脑CPU（IntelCoffeeLake）服务器处理器；矿机芯片；FPGA芯片等存储（三星DRAM、NANDFlash）低端智能手机处理器；个人电脑CPU;FPGA芯片；矿机芯片；数字电视、机顶盒处理器；移动端影像处理器等WiFi蓝牙芯片（博通、高通802.11ax芯片）；FPGA芯片（Xilinx7

21、系）音效处理芯片；存储芯片；ASIC芯片；数字电视、机顶盒；低电压、低功耗物联网芯片等DSP处理器（德州仪器）12英寸成熟制程45-65nm影像览感器（索尼移动端堆栈式CIS）传感器中枢（sensorhub）WiFi、蓝牙、GPS、NFC、ZigBee等芯片；非易失性存储90nm-0.13n物联网MCU芯片；汽车MCU芯片；射频芯片；基站通讯设备DSP、FPGA等。资料来源：互联网公开资料，研究所102.1.1存储芯片成12英寸硅片需求增长重要推力之一手机换机潮和数据流量爆发增加对NANDFlash需求。由于5G通信能支持增强移动宽带（eMBB）、高可靠低时延连接（uRLLC）和海量物联（eM

22、TC）三大应用场景，其对社会发展具备重要意义。所以，各国对于5G网络建设都较为重视。而对于普通消费者而言，4G手机无法支持5G网络，若想使用5G网络其需要对终端设备进行升级。所以，在通信升级时代将会出现手机换机潮。IDC预计，2020年5G智能手机出货量将占智能手机总出货量的8.9%，到2023年，这一比例将增长至28.1%。根据目前各大手机厂商所推出5G产品数据，大部分手机NAND容量为128G起，容量较4G手机有一倍的提升。手机对于存储芯片需求将会逐步显现。此外，数据流量爆发将增加数据中心需求，根据IDC数据显示，2016-2021年全球数据中心流量复合增速将达25%；而云数据中心流量增速

23、将会更快，年复合增长率为27%。数据流量爆发使得相关厂商会加大对服务器等基础设施投入。由于服务器等基础设施中需要使用到固态硬盘，而硬盘是NANDFlash重要应用场景之一，所以这将会激发NANDFlash需求上升。Gartner预计NAND复苏将在2020年继续，这是由于固态硬盘的强劲需求以及5G智能手机的大量增加使低位供应增长所致。图11：NAND闪存应用份额图12：2018年12英寸硅片下游应用占比数据来源：DRAMeXchange、研究所数据来源：SUMCO，研究所存储芯片推动12寸硅片需求。除NANDFlash外，DRAM作为存储的一种，前期受到市场需求不振影困扰，但这种情况自2019

24、年下半年已有所改善。DRAM作为电子产品重要组件之一，在AI和5G两大应用的拉动下，景气度有望持续好转。根据2018年12英寸硅片下游应用占比数据，存储芯片（DRAM、2DNAND、3DNAND）占比已超过50%。所以，无论是NANDFlash，还是DRAM，在终端设备需求持续向好将会沿产业链传导到存储芯片，从而使得晶圆厂对硅片需求上升。小结：存储芯片作为电子产品中不可或缺的一部分，其需求将会随着终端产品出货量和单体使用量上升而增加。此外，存储芯片在12英寸硅片下游应用中占比超过50%，所以其需求增加将沿产业链传导到硅片。2.1.2半导体行业持续景气，12英寸硅片需求强劲12英寸硅片月需求量总

25、体呈现上升趋势。根据SUMCO所发布数据显示，自2005年12英寸硅片大规模应用以来，其每月需求量总体保持上升趋势。其中，2005年月需求量约11为1百万片，而2018年已超过6百万片。与其他尺寸硅片相比，12英寸硅片在2008年出货量首次超过8寸硅片，2009年即超过其他尺寸硅片出货面积之和。2016年到2018年，由于AI、云计算、区块链等新兴市场的蓬勃发展，12寸硅片年复合增长率为8%。目前受到消费升级等因素刺激，对于12英寸硅片需求将有望持续扩大。图13：12英寸硅片需求预测（百万片/月）资料来源：SUMCO，研究所总结：由于受消费升级和数据流量爆发等因素催化，终端设备和基础配套设备需

26、求将会上升。除存储芯片外，电子设备中还包含CPU、GPU等高端逻辑芯片，而这些芯片大多数都依赖于12英寸晶圆制造。所以，在终端市场持续向好背景下，12英寸硅片需求有望持续增加。2.28英寸硅片再次迎来黄金机会8英寸晶圆制造技术依旧保持竞争力。12英寸晶圆厂进入门槛较高，对于环境和设备等要求较为苛刻，所以其产品主要为精密制程的电子产品。而在制程等要求较低或对成本较为敏感的产品，一般使用8英寸或6英寸硅片进行生产。但随着6英寸产品逐步向8英寸转移，8英寸晶圆厂将承接部分产品生产需求。此外，由于8英寸晶圆已具备成熟特种工艺，在小尺寸晶粒模拟内容容量或高电压支持具备优势，所以对于具备特殊要求的器件大部

27、分仍以8英寸晶圆制造为主。根据8英寸硅片下游应用数据，功率分立器件、MEMS、模拟、CIS、射频等产品是主要应用方向。表3：8英寸硅片下游应用尺寸制程下游应用指纹识别芯片影像传感器8英寸0.13n-0.15nMCU电源管理芯片液晶驱动IC传感器芯片0.18n-0.25n影像传感器（如索尼相机CIS）12eNVM嵌入式非易失性存储芯片（银行卡、SIM卡、身份证等）资料来源：互联网公开资料，研究所图14：2018年8英寸硅片下游应用占比资料来源：SEMI，研究所2.2.1新能源汽车、车联网等拉动汽车电子增长相较传统汽车，新能源汽车中功率半导体价值增大。功率器件是分立器的一种，其是专门用来进行功率处

28、理的半导体器件，其具有承受高电压、通过大电流的能力，能实现变压、变频、功率管理等各种功能。根据新能源汽车工作原理，电池通过持续向电机输出，为车辆提供动力来源。所以，在新能源汽车中会使用到大量电力设备，其中功率半导体即是重要一环。根据StrategyAnalytics分析，在传统内燃机车上，功率半导体装机价值为71美元，占据车用半导体总价值的21%;而对于混合动力车，则在传统内燃汽车基础上新增的功率半导体价值为354美元，占据新增总价值的76%;在纯电动车上，功率半导体价值为387美元，占据车用半导体总价值的55%。根据相关数据测算，传统汽车和纯电车车用半导体价值分别约为338美元和703美元。

29、所以，除功率半导体价值上升外，汽车电子价值也在上升。新能源汽车市场火爆。目前，各大车企纷纷布局新能源汽车并计划在未来推出一定数量新能源汽车。而电动车巨头特斯拉在电动车领域已取得一定成就，其在全球范围内已经建成投产2座整车组装超级工厂，其2020年目标交付量为50万辆。新能源汽车热潮已经席卷全球。根据中国汽车工业协会所公布数据，中国新能源汽车销售量总体呈现上升趋势并在2018年突破100万辆。随着新能源汽车加速推出市场，新能源汽车渗透率有望逐步提升。13图15：中国新能源汽车销售量（2014-2019）资料来源：中国汽车工业协会，Wind，研究所汽车电子除受新能源汽车拉动外，车联网将成为拉动汽车

30、电子增长的强大拉力。汽车电子是车联网的基础。车联网是由车辆位置、速度和路线等信息构成的巨大交互网络。车联网的实现需要通过多个数据采集器对车辆信息进行采集，并通过网络将数据传输到中央处理器进行处理，从而实现数据的分析和处理并做出响应决策。数据收集是车联网中第一步，而其需要通过数个传感器协同工作来进行采集。所以，车联网落地将会增加汽车电子使用量。图16：车联网示意图资料来源：互联网公开资料，研究所2.2.2工业物联网5G通信为工业互联网注入新活力。对于工业而言，加工准确度和精度是两个较为重要指标。所以，工业互联网中时延将成为决定产品品质的重要因素之一。此外，由于涉及多种设备协同作业，在连接密度方面

31、也有所要求。而5G通信具有低时延、高连接密度等特点，能为工业互联提供通信保障。所以，工业互联网在5G加持下，其适用性将会有所加强。根据GSMA预测，到2025年，工业互联网产值将达到3710亿元，占世界14GDP的0.34%。图17：工业互联网产值预测(单位：十亿美元)资料来源：GSMA，研究所工业互联网将拉动工业半导体需求。2015年国务院印发中国制造2025，其中明确提到坚持走中国特色新型工业化道路，以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向，促进产业转型升级。智能制造是重点工作之一，而工业互联网是实现智能制造的关键基础设施。为实现目标，对制造业进行升级必不可少。

32、由于自动化、机器人等设施在我国制造业中渗透率不高，所以对基础设施升级将是第一步。此外，工业互联网还会涉及到其他配套设备和生产控制等。所以，工业互联网中会涉及多种工业半导体产品，如传感器、功率器件等，从而激发对工业半导体产品需求。2.2.38英寸晶圆代工厂需求持续增大下游行业景气度持续攀升，8英寸晶圆厂产能持续落地。随着新能源汽车和工业智能装备等快速普及，对于模拟和分立器件的需求在逐步加大，而这使得汽车电子和工业控制领域在相关领域市场份额扩大，下游景气度提升也将传导到上游产业。自2018年7月以来，全球增加了7个200mm新厂房。而在接下来的2019年到2022年间，全球预计总共将有16个厂房或产线，其中14个为批量Fab厂。根据SEMI预测，到2