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2017 年中國半導體消費額 1315 億美元，佔全球32%，已成為全球最大市場，但芯片自給率僅 14%，具有較大追趕空間。值得一得的是，晶圓需求全球化合物半導體 IDM 呈現三寡頭格局，Skyworks、 Qorvo、Broadcom 在砷化鎵領域分別佔據 30.7%、28%、7.4%市場份額。化合物半導體晶圓代工領域穩懋佔比 66%，為絕對龍頭。本期智芯研報帶大家從晶圓應用看自主可控。

一、半導體晶圓概述

▌1. 從半導體晶圓材料說起：硅與化合物半導體

晶圓（wafer）是製造半導體器件的基礎性原材料。極高純度的半導體經過拉晶、切片等工序製備成為晶圓，晶圓經過一系列半導體制造工藝形成極微小的電路結構，再經切割、封裝、測試成為芯片，廣泛應用到各類電子設備當中。晶圓材料經歷了 60 餘年的技術演進和產業發展，形成了當今以硅為主、新型半導體材料為補充的產業局面。

20 世紀 50 年代，鍺（Ge）是最早採用的半導體材料，最先用於分立器件中。集成電路的產生是半導體產業向前邁進的重要一步，1958 年 7 月，在德克薩斯州達拉斯市的德州儀器公司，傑克·基爾比製造的第一塊集成電路是採用一片鍺半導體材料作為襯底製造的。但是鍺器件的耐高溫和抗輻射性能存在短板，到 60 年代後期逐漸被硅（Si）器件取代。硅儲量極其豐富，提純與結晶工藝成熟，並且氧化形成的二氧化硅（SiO2）薄膜絕緣性能好，使得器件的穩定性與可靠性大為提高，因而硅已經成為應用最廣的一種半導體材料。

半導體器件產值來看，全球 95%以上的半導體器件和 99%以上的集成電路採用硅作為襯底材料。2017 年全球半導體市場規模約 4122 億美元，而化合物半導體市場規模約 200億美元，佔比 5%以內。從晶圓襯底市場規模看，2017 年硅襯底年銷售額 87 億美元，GaAs襯底年銷售額約 8 億美元。GaN襯底年銷售額約 1 億美元，SiC 襯底年銷售額約 3 億美元。硅襯底銷售額佔比達 85%+。在 21 世紀，它的主導和核心地位仍不會動搖。但是 Si 材料的物理性質限制了其在光電子和高頻、高功率器件上的應用。

20 世紀 90 年代以來，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭腳。GaAs、InP 等材料適用於製作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，是製作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料，廣泛應用於衛星通訊、移動通訊、光通信、GPS 導航等領域。但是 GaAs、InP材料資源稀缺，價格昂貴，並且還有毒性，能汙染環境，InP 甚至被認為是可疑致癌物質，這些缺點使得第二代半導體材料的應用具有很大的侷限性。

第三代半導體材料主要包括 SiC、GaN 等，因其禁帶寬度（Eg）大於或等於 2.3 電子伏特（eV），又被稱為寬禁帶半導體材料。和第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點，可以滿足現代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求，是半導體材料領域最有前景的材料，在國防、航空、航天、石油勘探、光存儲等領域有著重要應用前景，在寬帶通訊、太陽能、汽車製造、半導體照明、智能電網等眾多戰略行業可以降低 50%以上的能量損失，最高可以使裝備體積減小 75%以上，對人類科技的發展具有里程碑的意義。

化合物半導體是指兩種或兩種以上元素形成的半導體材料，第二代、第三代半導體多屬於這一類。按照元素數量可以分為二元化合物、三元化合物、四元化合物等等，二元化合物半導體按照組成元素在化學元素週期表中的位置還可分為 III-V 族、IV-IV 族、II-VI族等。以砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的化合物半導體材料已經成為繼硅之後發展最快、應用最廣、產量最大的半導體材料。化合物半導體材料具有優越的性能和能帶結構：（1）高電子遷移率；（2）高頻率特性；（3）寬幅頻寬；（4）高線性度；（5）高功率；（6）材料選擇多元性；（7）抗輻射。因而化合物半導體多用於射頻器件、光電器件、功率器件等製造，具有很大發展潛力；硅器件則多用於邏輯器件、存儲器等，相互之間具有不可替代性。

▌2. 晶圓製備：襯底與外延工藝

晶圓製備包括襯底製備和外延工藝兩大環節。襯底（substrate）是由半導體單晶材料製造而成的晶圓片，襯底可以直接進入晶圓製造環節生產半導體器件，也可以進行外延工藝加工生產外延片。外延（epitaxy）是指在單晶襯底上生長一層新單晶的過程，新單晶可以與襯底為同一材料，也可以是不同材料。外延可以生產種類更多的材料，使得器件設計有了更多選擇。

襯底製備的基本步驟如下：半導體多晶材料首先經過提純、摻雜和拉制等工序製得單晶材料，以硅為例，硅砂首先提煉還原為純度約 98%的冶金級粗硅，再經多次提純，得到電子級高純度多晶硅（純度達99.9999999%以上，9~11 個 9），經過熔爐拉制得到單晶硅棒。單晶材料經過機械加工、化學處理、表面拋光和質量檢測，獲得符合一定標準（厚度、晶向、平整度、平行度和損傷層）的單晶拋光薄片。拋光目的是進一步去除加工表面殘留的損傷層，拋光片可直接用於製作器件，也可作為外延的襯底材料。

外延生長工藝目前業界主要包括 MOCVD（化學氣相沉澱）技術以及 MBE（分子束外延）技術兩種。例如，全新光電採用 MOCVD，英特磊採用 MBE 技術。相比之下，MOCVD技術生長速率更快，更適合產業化大規模生產，而 MBE 技術在部分情況如 PHEMT 結構、 Sb 化合物半導體的生產中更適合採用。HVPE（氫化物氣相外延）技術主要應用於 GaN 襯底生產。LPE（液相沉積）技術主要用於硅晶圓，目前已基本被氣相沉積技術所取代。

▌3. 晶圓尺寸：技術發展進程不一

硅晶圓尺寸最大達 12 寸，化合物半導體晶圓尺寸最大為 6 英寸。硅晶圓襯底主流尺寸為 12 英寸，約佔全球硅晶圓產能 65%，8 寸也是常用的成熟製程晶圓，全球產能佔比 25%。 GaAs 襯底主流尺寸為 4英寸及 6 英寸；SiC 襯底主流供應尺寸為 2 英寸及 4 英寸；GaN 自支撐襯底以 2 英寸為主。

SiC 襯底目前尺寸已達 6 英寸，8 英寸正在研發（II-VI公司已製造出樣品）。而實際上主流採用的仍為 4 英寸晶圓。主要原因是（1）目前 6 英寸 SiC 晶圓大概是 4 英寸成本的 2.25倍，到2020 年大概為 2 倍，在成本縮減上並沒有大的進步，並且更換設備機臺需要額外的資本支出，6 英寸目前優勢僅在生產效率上；（2）6英寸 SiC 晶圓相較於 4 英寸晶圓在品質上偏低，因而目前 6 英寸主要用於製造二極管，在較低質量晶圓上製造二極管比製造MOSFET 更為簡單。

GaN 材料在自然界中缺少單晶材料，因而長期在藍寶石、SiC、Si 等異質襯底上進行外延。現今通過氫化物氣相外延(HVPE)、氨熱法可以生產 2 英寸、3英寸、4 英寸的 GaN自支撐襯底。目前商業應用中仍以異質襯底上的 GaN 外延為主，GaN 自支撐襯底在激光器上具有最大應用，可獲得更高的發光效率及發光品質。

二、硅：主流市場，細分領域需求旺盛

▌1.硅晶圓供給廠商格局：日廠把控，寡頭格局穩定

日本廠商佔據硅晶圓 50%以上市場份額。前五大廠商佔據全球 90%以上份額。其中，日本信越化學佔比 27%、日本 SUMCO 佔比 26%，兩家日本廠商份額合計 53%，超過一半，中國臺灣環球晶圓於 2016 年 12 月晶圓產業低谷期間收購美國 SunEdison 半導體，由第六晉升第三名，佔比 17%，德國 Siltronic 佔比13%，韓國 SK Siltron（原 LG Siltron，2017年被 SK 集團收購）佔比 9%，與前四大廠商不同，SK Siltron 僅供應韓國客戶。此外還有法國 Soitec、中國臺灣台勝科、合晶、嘉晶等企業，份額相對較小。

各大廠商供應晶圓類別與尺寸上有所不同，總體來看前三大廠商產品較為多樣。前三大廠商能夠供應 Si 退火片、SOI 晶片，其中僅日本信越能夠供應 12 英寸 SOI 晶片。德國Siltronic、韓國 SK Siltron 不提供 SOI 晶片，SK Siltron 不供應 Si 退火片。而 Si 拋光片與Si 外延片各家尺寸基本沒有差別。

近 15 年來日本廠商始終佔據硅晶圓 50%以上市場份額。硅晶圓產能未發生明顯區域性轉移。根據 Gartner，2007 年硅晶圓市佔率第一日本信越（32.5%）、第二日本 SUMCO （21.7%）、第三德國Siltronic（14.8%）；2002 年硅晶圓市佔率第一日本信越（28.9%）、第二日本 SUMCO（23.3%）、第三德國 Siltronic（15.4%）。近期市場比較大的變動是 2016年 12 月臺灣環球晶圓收購美國 SunEdison，從第六大晉升第三大廠商。但日本廠商始終佔據 50%+份額。

日本在 fab 環節競爭力衰落而材料環節始終保持領先地位。

20世紀 80 年代中旬，日本半導體產業的世界份額曾經超過了 50%。日本在半導體材料領域的優勢從上世紀延續而來，而晶圓製造競爭力明顯減弱，半導體 fab 環節出現了明顯的區域轉移。究其原因，fab 環節離需求端較近，市場變動大；但硅晶圓同質化程度高，新進入玩家需要在客戶有比較久的時間驗證；且晶圓在晶圓代工中成本佔比 10%以下，晶圓代工廠不願為較小的價格差別冒險更換不成熟的產品。

▌2. 硅晶圓需求廠商格局：海外為主，國產廠商不乏亮點

IC 設計方面，巨頭把控競爭壁壘較高，2018 年以來 AI 芯片成為新成長動力。高通、博通、聯發科、蘋果等廠商實力最強，大陸廠商海思崛起。隨著科技發展引領終端產品升級， AI 芯片等創新應用對 IC 產品需求不斷擴大，預計到 2020 年 AI 芯片市場規模將從2016 年約 6 億美元升至 26 億美元，CAGR 達 43.9%，目前國內外IC 設計廠商正積極佈局 AI 芯片產業。英偉達是 AI 芯片市場領導者，AMD 與特斯拉正聯合研發用於自動駕駛的 AI 芯片。對於國內廠商，華為海思於 2017 年 9 月率先推出麒麟970 AI 芯片，目前已成功搭載入 P20等機型；比特大陸發佈的全球首款張量加速計算芯片 BM1680 已成功運用於比特幣礦機；寒武紀的 1A 處理器、地平線的征程和旭日處理器也已嶄露頭角。

IC 設計面向終端、面向市場成為必然，國內廠商優勢明顯。IC 設計業以需求為導向，才能夠更好服務於下游客戶。海思、展銳等移動處理芯片、基帶芯片廠商依靠近些年中國智能手機市場爆發迅速崛起，躋身世界 IC 設計十強，海思芯片已全面應用到華為智能手機當中，三星、小米等廠商亦採用了自研芯片，現今中國為全球最大的終端需求市場，因而國內IC 設計業有巨大發展優勢。

代工製造方面，廠商 Capex 快速增長，三星、臺積電等巨頭領銜。從資本支出來看，目前全球先進製程芯片市場競爭激烈，全球排名前三的芯片製造商三星、英特爾、臺積電的Capex 均達到百億美元級別，2017 年分別為 440/120/108 億美元，預計三星未來三年總Capex 接近 1100 億美元，英特爾和臺積電 2018 年 Capex 則預計分別達到 140 和120 億美元，均有較大幅度的增長，利於巨頭通過研發先進製程技術和擴張產線來佔領市場。從工藝製程來看，臺積電走在行業前列，目前已大規模生產 10nm 製程芯片，7nm 製程將於2018年量產；中國大陸最為領先的代工廠商中芯國際目前具備 28nm 製程量產能力，而臺積電早於 2011 年已具備 28nm 量產能力，相比之下大陸廠商仍有較大差距。

封測方面，未來高端製造+封測融合趨勢初顯，大陸廠商與臺廠技術差距縮小。封裝測試技術目前已發展四代，在最高端技術上製造與封測已實現融合，其中臺積電已建立起CoWoS 及 InFO 兩大高階封裝生態系統，並計劃通過從龍潭延伸至中科將 InFO 產能擴增一倍，以滿足蘋果 A12 芯片的需求。封測龍頭日月光則掌握頂尖封裝與微電子製造技術，率先量產 TSV/2.5D/3D 相關產品，並於 2018 年 3 月與日廠 TDK 合資成立日月暘電子擴大 SiP佈局。由於封裝技術門檻相對較低，目前大陸廠商正快速追趕，與全球領先廠商的技術差距正逐步縮小，大陸廠商已基本掌握 SiP、WLCSP、FOWLP 等先進技術，應用方面 FC、SiP等封裝技術已實現量產。

新一輪區域轉移面向中國大陸。儘管目前 IC 設計、製造、封測的頂級廠商主要位於美國、中國臺灣。總體來看，半導體制造產業經歷了美國——日本——韓臺的發展歷程：1950s，半導體產業起源於美國，1947 年晶體管誕生，1958 年集成電路誕生。1970s，半導體制造由美國向日本轉移。DRAM 是日韓產業發展的重要切入點，80s 日本已在半導體產業處於領先地位。1990s，以 DRAM 為契機，產業轉向韓國三星、海力士等廠商；晶圓代工環節則轉向臺灣，臺積電、聯電等廠商崛起。2010s，智能手機、移動互聯網爆發，物聯網、大數據、雲計算、人工智能等產業快速成長。人口紅利，需求轉移或將帶動製造轉移，可以預見中國大陸已然成為新一輪區域轉移的目的地。

▌3. 硅晶圓下游應用拆分：尺寸與製程雙輪驅動技術進步

晶圓尺寸與工藝製程並行發展，每一製程階段與晶圓尺寸相對應。（1）製程進步→晶體管縮小→晶體管密度成倍增加→性能提升。（2）晶圓尺寸增大→每片晶圓產出芯片數量更多→效率提升→成本降低。目前 6 吋、8 吋硅晶圓生產設備普遍折舊完畢，生產成本更低，主要生產 90nm 以上的成熟製程。部分製程在相鄰尺寸的晶圓上都有產出。5nm 至 0.13μm則採用 12 英寸晶圓，其中 28nm 為分界區分了先進製程與成熟製程，主要原因是 28nm 以後引入 FinFET 等新設計、新工藝，晶圓製造難度大大提升。

晶圓需求總量來看，12 英寸 NAND 及 8 英寸市場為核心驅動力。存儲用 12 寸硅晶圓佔比達 35%為最大，8寸及 12 英寸邏輯次之。以產品銷售額來看，全球集成電路產品中，存儲器佔比約 27.8%，邏輯電路佔比 33%，微處理器芯片合模擬電路分別佔 21.9%和 17.3%。根據我們預測，全球 2016 年下半年 12 寸硅晶圓需求約 510 萬片/月，其中用於邏輯芯片的需求 130 萬片/月，用於 DRAM 需求 120 萬片/月，用於 NAND 需求 160 萬片/月，包括 NORFlash、CIS 等其他需求 100 萬片/月；8 寸硅晶圓需求 480 萬片/月，按面積折算至 12 寸晶圓約213 萬片/月，6 寸以下晶圓需求約當 12 寸 62 萬片/月。由此估算，包括 NAND、DRAM在內用於存儲市場的12 寸晶圓需求約佔總需求 35%，8 寸晶圓需求約佔總需求 27%，用於邏輯芯片的 12 寸晶圓需求約佔 17%。需求上看，目前存儲器貢獻晶圓需求最多，8 寸中低端應用其次。

下游具體應用來看，12 英寸 20nm 以下先進製程性能強勁，主要用於移動設備、高性能計算等領域，包括智能手機主芯片、計算機 CPU、GPU、高性能 FPGA、ASIC 等。 14nm-32nm 先進製程應用於包括 DRAM、NAND Flash 存儲芯片、中低端處理器芯片、影像處理器、數字電視機頂盒等應用。12 英寸 45-90nm 的成熟製程主要用於性能需求略低，對成本和生產效率要求高的領域，例如手機基帶、WiFi、GPS、藍牙、NFC、ZigBee、NOR Flash 芯片、MCU等。12 英寸或 8 英寸 90nm 至 0.15μm 主要應用於MCU、指紋識別芯片、影像傳感器、電源管理芯片、液晶驅動 IC 等。8 英寸 0.18μm-0.25μm 主要有非易失性存儲如銀行卡、sim 卡等，0.35μm 以上主要為MOSFET、IGBT 等功率器件。

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