事 項
硅片是半導體行業最重要的上游原材料,硅片材料的自主可控是行業發展的必然趨勢。在硅片供需缺口持續擴大的情況下,國內硅片項目迎來建設大潮,為硅片生產設備帶來國產化的黃金機會。
主要觀點
1. 半導體硅片供需缺口將持續擴大,量價齊升格局將持續
供給端看,半導體硅片行業的過剩產能已經得到消化,現有產能提升空間有限。供應商對新產能的擴產比較謹慎,且從投建到量產尚需2-3年時間,未來2-3年內半導體硅片的供給將維持穩定。
需求端看,半導體生產商推進先進制程量產,消費電子、汽車電子、人工智能、5G、物聯網等新興行業的需求,以及全球范圍內晶圓代工廠的興建潮將不斷提升半導體硅片需求,供需缺口將進一步擴大,硅片漲價趨勢將持續,半導體硅片行業將持續量價齊升高景氣格局。
2. 國內大硅片自給率低下,上游材料自主可控勢在必行
8寸、12寸大硅片由日、韓、臺等幾家巨頭壟斷,國內廠商僅能滿足10%的8寸硅片需求,12寸硅片完全依賴進口。在大陸密集投建晶圓廠的背景下,國內供需格局將更加嚴峻。
上游硅材料的自主可控是我國半導體產業發展的必經之路,否則我國大力發展的半導體產業將時刻面臨材料短缺、產業鏈斷裂的威脅。目前已有硅片巨頭為給臺積電等供貨砍掉國內廠商訂單的案例,若不實現硅片國產化的突破,國內半導體產業的貨源將不能得到保證,甚至需要提價來爭搶貨源。
3. 國產硅片項目陸續上馬,帶來龐大設備需求
國內已有多個國產硅片項目開始建設,根據規劃將達到185萬片/月的8寸硅片產能,以及144萬片/月的12寸硅片產能,若能順利實現量產,將極大程度上緩解國內硅片依賴進口的局面。
根據我們的測算,硅片國產化將在2018-2020年間帶來220億的設備投資需求,其中單晶爐設備需求達到55億,設備的投資高峰期將在2019、2020年。此外隨著新進入者不斷進入市場,名義建設產能將不斷提升,持續提高硅片生產設備的行業天花板。
4.推薦標的:國內晶體硅生長設備龍頭——晶盛機電
晶盛機電是國內單晶爐設備龍頭,產品廣泛應用于光伏、半導體等行業。公司8寸半導體單晶爐已經實現產業化,獲得國內知名硅片供應商肯定,12寸單晶爐已經具備產業化能力。公司還將產品體系向磨切削設備、CMP拋光設備等硅片深加工領域持續擴展,形成量產供應能力后將享受成倍市場空間。此外公司還與中環、無錫政府合作切入大硅片生產領域,不斷加強自身的市場地位和競爭能力。
光伏行業的景氣持續和單晶加速替代多晶的趨勢促使光伏廠商紛紛擴產單晶產能,公司與中環等光伏廠商有密切合作,17年至今合計獲得38.6億光伏訂單。18年中環的單晶產能預計翻番,公司將持續受益于中環的擴產節奏,將不斷斬獲光伏設備訂單。
5.風險提示
硅片國產化進程不及預期,下游需求不及預期,市場競爭風險。
報告正文:
一、半導體硅片供不應求,持續量價齊升高景氣
(一)行業重回景氣周期,半導體硅片量價齊升
硅片是最重要半導體制造原材料,占比達1/3。硅是目前最主要的半導體基底材料,90%以上的半導體芯片產品是用硅片作為基礎材料而制作出來的。硅片也是半導體芯片生產過程中的最重要原材料,在所有芯片制造原材料中的需求占比長期在33%左右。2016年全球半導體制造材料市場規模達247億美元,其中硅片占比32%,達到80億美元,是占比最大的半導體制造材料。
半導體行業重回景氣周期,全年銷售額直逼4000億美元大關。2016年下半年起,全球半導體銷售額開始重回增長軌道,月度銷售額同比增速開始由負轉正,半導體行業進入新一輪景氣周期。截止2017年11月,半導體銷售額已連續14個月超過300億美元,不斷刷新歷史記錄。2017年1-11月全球半導體銷售總額已經達到3671億美元,同比增長21%,SEMI認為全年銷售額突破4000億美元大關基本沒有懸念,到2019年則有望達到5000億美元。
量升:半導體市場與硅片市場存在高度的一致性,半導體銷售額的強勢復蘇伴隨著硅片出貨量的同期大增。SEMI的統計數據顯示,2017年Q3全球半導體硅片出貨量合計達到2997百萬平方英寸,同比增長9.8%,已連續6個季度刷新最高出貨量記錄。2016Q4-2017Q3這一年期間,半導體硅片出貨量達到11597百萬平方英寸,同比增長10.7%,呈現出與半導體市場復蘇的高度一致性。
價升:半導體硅片的供需逆轉導致硅片的價格開始了飆漲之路,2017年內,日本信越(ShinEtsu)、SUMCO等全球半導體硅片主要供應商已經連續多次調漲12英寸硅片價格,且漲價趨勢正快速從12英寸硅片向8英寸、6英寸硅片蔓延。SUMCO的12英寸硅片簽約價已提高到每片120美元,相比16年底的75美元上漲幅度達到60%。環球晶圓、臺勝科等硅晶圓廠商18年首季合約價依舊上揚。
硅片的漲價促使臺積電等主要的晶圓代工廠商紛紛傾向與硅片供應商簽訂長期的保量不保價合約,以保證未來的擴產計劃不受影響。而一些規模較小的半導體新進入者,只能通過溢價的方式來爭搶貨源,包括合肥晶合、合肥睿力等,都提出20%的溢價來和臺積電爭搶硅片原材料。
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(二)12寸硅片占主流,8寸硅片需求穩中有升
半導體硅片向大尺寸發展,12寸硅片占據主流。硅片的尺寸越大,單個硅片上可以排布的芯片數量越多,單個芯片的生產成本就越低。在降低生產成本的驅動下,半導體硅片不斷向著大尺寸發展,基本上每十年提升一個臺階。目前用于生產的半導體硅片中,12寸(300mm)硅片占據主流,2016年12寸硅片的市場份額達到78%,且占比在不斷提升,2020年12寸硅片占比預計達到84%。12寸硅片市場份額的快速增長主要來自手機等智能終端中的邏輯芯片、儲存芯片的需求的快速提升。
8寸硅片需求較為穩定,仍有增長空間。2011-2016年間,8寸硅片的需求都較為穩定,在2000-2100百萬平方英寸中波動,SEMI預計2017-2020年8寸硅片的需求將維持這一現狀。然而事實上隨著汽車電子、工業自動化、以及指紋識別等技術在智能手機上的普及,8寸硅片的市場需求仍有一定的提升空間。
至于其他尺寸硅片,6英寸及以下的硅片市場需求將逐步萎縮,更大尺寸的450mm(18寸)硅片則至少要到2020年才能達到量產的要求,因此未來3年內,12寸硅片占據市場主流,8寸硅片需求穩中有升的局面仍將持續。
(三)供需格局:供不應求局面將長期持續,量價齊升格局仍將持續
1.供給端:硅片產能彈性小,供給格局將保持穩定
由于半導體硅片產業經歷了多年的低潮期,過剩產能得到消化,目前全球主要的硅片生產商的12寸硅片產能已經全開,難以向上提升,8寸硅片產能還有一定提升空間。新增產能方面,過去幾年硅片生產商幾乎沒有擴產,短期內看不到可以很快達產的產能。且新增硅片產能需要大量的資金投入,1萬片12英寸硅片的月產能需要10-12億元的投資,對于規模較小的硅片提供商來說,它們更傾向于通過現有產能實現盈利,對投資新建產能持謹慎態度。SUMCO等全球領先的半導體硅片生產商具有擴產意向,但新建產能從興建到達產尚需2-3年時間。因此半導體硅片的供給格局比較穩定,在未來2-3年內12寸硅片供給幾乎不會有增長,8寸硅片供給有少量增長,總的來說硅片產能將不會實現顯著的提升。
2.需求端:四大因素共促需求增長
需求端來看,四大方面的因素促使半導體硅片的需求進一步提升。
因素一:臺積電、三星等全球主要半導體生產商進入高端制程工藝競賽。目前臺積電、三星的最先進量產芯片制程已經達到10nm,并繼續往更低制程領域拓展,力求在技術上占據競爭的優勢。臺積電7nm制程已簽下40多家客戶,涵蓋移動通訊、高速運算和人工智能(AI)等領域,包括蘋果iPhone處理器芯片大單,并計劃于2020年量產5nm制程工藝。三星的7nm制程工藝也在布局中,并計劃于2020年推出4納米制造工藝,瞄準臺積電的5納米工藝。
高端制程工藝競賽將進一步加速半導體產品的小制程化,20nm及以下先進工藝在晶圓代工中的比例會越來越高。先進的制程工藝要求將為表面質量更高的12寸硅片帶來巨大的需求,同時先進工藝的較低生產良率也加大了硅片的消耗。
因素二:儲存器市場仍將火爆,廠商擴產帶動12寸硅片需求。DRAM、NAND等儲存器芯片的價格大漲是2017年半導體行業銷售額同比大增的重要因素,IC insights預計2017年DRAM、NAND銷售額同比增幅達到74%、44%。在儲存器價格維持高位、市場需求仍旺盛的情況下,三星、SK海力士、英特爾等廠商紛紛擴產DRAM與3D NAND,新建產能已陸續投產。儲存器生產主要采用12寸硅片,擴產將帶來12寸硅片需求的進一步提升。
因素三:消費電子、汽車電子、人工智能、5G、物聯網等行業的新需求導致半導體芯片應用領域快速擴張。以智能手機為例,隨著手機雙攝像頭、指紋識別、人臉識別、無線充電等新功能的普及,單臺手機所需的芯片數量快速增加。而汽車電子、人工智能、物聯網行業近年來呈現快速發展的趨勢,對各類控制芯片和管理芯片的需求呈現高速增長態勢,為半導體芯片的需求帶來了新的增量空間。
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因素四:全球范圍內興建晶圓代工廠,勢必提升原材料硅片需求。SEMI預計2017-2020年間,全球將有62座新建晶圓廠投入營運。這62座晶圓廠中,只有7座是研發用的晶圓廠,其他晶圓廠都是量產型廠房。IC insights則預計全球12英寸晶圓廠數量將在2020年達到117座,較2015年增加22座。考慮到中國也在大量投建12寸晶圓廠,2020實際上的12寸晶圓廠數量可能會遠超IC insights的預期。
(1)12寸硅片:消費電子、大數據、云計算將帶來持續的需求提升
消費電子智能化、高性能化發展提升12寸硅片需求。12寸半導體硅片主要用于生產大批量的、功能復雜的芯片,例如電腦、手機等消費電子產品上的CPU、GPU、CIS等邏輯芯片,以及DRAM、NADA等儲存器芯片。雖然電腦、平板電腦、手機等消費電子產品近年來的出貨量已經基本見頂,但單個產品由于功能的豐富和智能化程度的提高,對于半導體芯片的需求量也隨之提升。例如目前的智能手機,雙攝像頭逐漸成為標配,蘋果手機則掀起了指紋識別、面部識別、無限充電的潮流,此外手機、電腦的處理芯片性能不斷提升,儲存空間和內存不斷增大,這些消費電子產品的發展趨勢都極大的提升了半導體芯片,進而提升了12寸半導體硅片的市場需求。
SUMCO預計到2020年,單臺智能手機上用于邏輯處理、圖像處理和儲存的芯片將達到約5.8平方英寸,相較2016年的4.5平方英寸提升近30%,用于智能手機的12寸半導體硅片需求則預計從每月的170萬片增長至每月220萬片。
除了消費電子產品外,物聯網、大數據、云計算、數據中心等新興行業同樣帶來了對儲存器芯片、邏輯芯片等半導體芯片大量的新增需求。SUMCO預計2016-2020年期間,12寸硅片的月總需求將從530萬片增長至640萬片,增長主要來自于邏輯芯片、DRAM和NADA。
此外區塊鏈技術的發展也使得比特幣等虛擬貨幣的挖礦需求不斷上升,比特幣挖礦芯片進而帶來12寸硅片的新增需求,據報道今年1月比特大陸已經緊急向臺積電下單,規模達到10萬片挖礦芯片。
(2)8寸硅片:汽車電子、智能手機、工廠自動化保障需求持續增長
8寸硅片目前主要用于電源管理芯片、功率器件、微控制器等半導體產品的生產。2016年以來,智能手機、汽車電子、工廠自動化行業需求的提升導致8寸硅片的市場需求不斷提高。2017年第二季度起,8寸硅片的需求開始超過產能,8寸硅片的供給開始趨緊。
8寸硅片需求將增長25%。根據SUMCO的估計,2016-2020年間,8寸硅片的需求量將從460萬片/月增長至574萬片/月,增長幅度最大的領域來自于智能手機。但從增長的絕對值上看,汽車電子領域的增長幅度最大,到2020年,汽車電子領域對于8寸硅片的需求將占到總需求的1/3,工業自動化則將占27%的需求,位居第二。
8寸硅片在智能手機上的應用主要包括指紋識別芯片和圖像傳感器芯片。如今指紋識別在中高端手機中基本標配,在千元機型逐漸開始標配,未來2-3年仍將持續放量,預計2017、2018年全球指紋識別芯片需求量將達10億、12億片,同比增長33%、20%,預計將帶來同樣水平的8寸硅片需求增長。而手機攝像頭功能的不斷豐富,以及雙攝像頭配置的不斷普及,也使得CIS圖像識別芯片的需求高速增長。預計在消費電子和汽車電子的共同驅動下,CIS芯片的市場規模將從2015年的103億美元增長至2021年的188億美元,復合增長率達到10.4%。
汽車正從一個機械產品向電子產品發展,越來越多的電子功能被搭載到汽車上,包括高級駕駛輔助系統(ADAS)、車載娛樂系統、自動制動系統、自動駕駛系統等,涉及到功率半導體、控制芯片、電源管理芯片等多種半導體產品。汽車電子的市場空間預計將從2016年的3000億美元增長至2020年的4000億美元,對8寸硅片的需求也將從115萬片/月增長到1900萬片/月,增長幅度將超過硅片供給增加。
3.半導體硅片供需缺口將進一步擴大,硅片價格繼續上漲
根據前面的分析,直到2020年,12寸硅片的供給基本不會有大的變化,8寸硅片通過利用部分閑置產能有一定的提升空間,但提升幅度有限,總的來說半導體硅片的供給將維持穩定。而下游智能手機、汽車電子等行業需求的不斷提升將導致半導體硅片的需求同步提升。
2017年Q2起,半導體硅片市場已經出現了供不應求的情況,未來三年內半導體硅片的供不應求將是常態化現象,且供需缺口有不斷擴大的趨勢。SUMCO預測2018年12寸硅片的供需缺口將達到80-90萬片/月,8寸硅片需求缺口將達到20-25萬片/月。
目前許多半導體芯片生產商通過使用庫存硅片的方法應對短期硅片材料的缺口,長期供給則通過于硅片生產商簽訂長期協議的方式,且協議基本上都采用保量不保價的形式,可以預見未來幾年硅片市場都將是賣方市場,硅片生產商將不斷上漲硅片價格來應對供需的失衡。作為下游客戶的晶圓代工廠等芯片生產商,則只能被動的接受價格,并將價格轉移至其下游客戶,事實上今年一季度臺積電等主要的晶圓代工商已經將代工價格提升了5%-10%。
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二、中國硅片市場:海外廠商壟斷+供需缺口擴大,硅片國產化勢在必行
(一)海外廠商壟斷半導體硅片市場
半導體硅片生產對于純凈度、加工精度有極高的要求。目前最先進的半導體芯片量產制程已經達到10nm級別,意味著相鄰線路間只有10個原子的間距,是頭發寬度的一萬分之一。要保證最后的產品能實現預定的功能,半導體硅片的純凈度和表面平整度都要達到很高的標準。
生產過程方面,晶體生長步驟必須保證晶棒內部晶向的完全一致性,從原子層面防止內部缺陷的產生,其后的打磨、拋光等過程,則要實現硅片表面的完全平整,用于最先進制程的硅片要達到表面的高度差不超過百分之一納米。
純凈度方面,首先作為硅片生產的原材料多晶硅,其純度要達到99.9999999%(9個9),最先進的制程工藝則要達到99.999999999%(11個9)的純度,而光伏硅片只需達到5-7個9的純度。另外在硅片生產完成后,還需對硅片進行嚴格的清洗步驟,保證表面微粒大小小于百分之一納米水平,雜質含量小于百億分之一的水平。
半導體硅片行業呈寡頭壟斷格局,海外廠商占據9成以上份額。半導體硅片生產的嚴苛要求導致該行業具有很高的技術和資金壁壘,全球范圍內只有少數企業具有大量提供半導體硅片的實力和能力。目前日本信越半導體(Shin-Etsu)、日本勝高科技(SUMCO),臺灣環球晶圓(Global Wafers,2016年收購美國SunEdison Semiconductor后市場份額躍居第三),德國Siltronic,韓國LG Siltron五家企業占據半導體硅片92%的市場份額,形成寡頭壟斷的市場格局。在300mm(12寸)大硅片上,以上五家企業的壟斷形式更加明顯,占據近98%的市場份額。
(二)國產大硅片自給率低,晶圓廠密集投建進一步擴大供需缺口
國內企業僅少數能提供8寸硅片,12寸硅片尚無量產能力。目前中國大陸小尺寸的4-6寸硅片(含拋光片、外延片)的年產量已經達到5200萬片,基本上實現了自給自足。但是受制于硅材料純度和大硅片的生產良率,僅有浙江金瑞泓、昆山中辰(臺灣環球晶圓)、北京有研總院、河北普興、南京國盛、中國電科46所以及上海新傲等數家廠商具有量產8寸硅片及外延片的能力,12寸硅片目前只有上海新昇為中芯國際等代工企業提供少量的樣片和測試片,尚無大規模量產的能力。
國內大硅片存在巨大供需缺口。國內8寸硅片的合計產能為每月23.3萬片,而8寸硅片需求則達到80萬片/月,2016年我國生產的8寸硅片數量僅為120萬片,只滿足了12.5%的國內需求,2017年產能利用率有所提高,但即使產能全開也僅能實現30%的自給率,缺口部分依賴進口。12寸硅片的國內需求則達到約50萬片/月,完全依賴進口來滿足需求。
中國大陸將迎來晶圓產線建設高峰期,硅片供需缺口將進一步擴大。根據SEMI的預測,2017-2020年間,全球將有62座新建晶圓廠投入營運,其中26座將位于中國大陸,占新增晶圓廠的比重達42%。目前已經統計到有近30條晶圓產線的建設規劃,其中17條已經開工建設,將在未來幾年內陸續投入運營。而半導體行業的高景氣度和中國大力發展半導體產業的決心預計將帶來更多的晶圓產線規劃,并促使更多的晶圓產線從規劃轉為落地。在晶圓產線建設大潮到來的背景下,國內半導體硅片的供需缺口勢必將進一步擴大。預計國內8寸硅片需求到2020年將提升至120萬片/月,增長50%。而12寸硅片需求將達到150-200萬片/月,是目前的3-4倍。
(三)供需格局倒逼半導體硅片國產化,上游材料自主可控勢在必行
上游硅材料的自主可控是我國半導體產業發展的必經之路。硅片是半導體產業發展的基礎材料,若是不能保證硅片材料的自主可控,我國大力發展的半導體產業將時刻面臨材料短缺、產業鏈斷裂的威脅,美國、日本、韓國、臺灣等地區都具有自主的硅片生產能力。目前信越、SUMCO等半導體硅片巨頭與三星、英特爾、臺積電等半導體生產巨頭都已具有長期合作的基礎,且能保證數額較大的需求量,因此在產能有限的情況下,硅片巨頭會優先給臺積電等廠商供貨。17年5月就出現了SUMCO砍掉武漢新芯的訂單,優先供給臺積電、英特爾、美光等大廠的事件。在未來供需格局進一步緊張的情況下,國內晶圓制造商可能必須通過提價的方式才能拿到足夠的硅片貨源,然而并不能保障充足的供應,也會增加自身的成本,唯一的解決辦法是實現半導體硅片材料的自主生產、自主可控。
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緊張的供需格局倒逼半導體硅片國產化,國產項目陸續上馬。2017年以來,中國大陸陸續已有十個國產硅片項目公布規劃,并有數個項目已開工建設,部分項目已經具有一定的8寸硅片產能。12寸硅片方面,上海新昇的300mm大硅片17年二季度已經開始向中芯國際等芯片代工企業提供樣片進行認證,并有擋片、陪片、測試片等產品實現銷售,目前測試線產能為1萬片/月,預計在2018年將月產15萬片300mm 大硅片,未來會擴大產能至月產60萬片,將填補我國12寸大硅片生產的空白。
這些國產硅片項目已公布的產能規劃達到185萬片/月的8寸硅片,以及144萬片/月的12寸硅片,若能順利實現量產,將極大程度上緩解國內硅片依賴進口的局面,并使國內半導體產業具有一定的硅片自主保障能力。
三、硅片國產化帶來超200億設備需求,單晶爐獨占55億
(一)硅片生產設備梳理:單晶爐等核心設備已實現國產化
半導體硅片的生產流程包括拉晶—>滾磨—>線切割—>倒角—>研磨—>腐蝕—>熱處理—>邊緣拋光—>正面拋光—>清洗—>檢測—>外延等步驟。其中拉晶、研磨和拋光是保證半導體硅片質量的關鍵。涉及到單晶爐、滾磨機、切片機、倒角機、研磨設備、CMP拋光設備、清洗設備、檢測設備等多種生產設備。
1.拉晶:直拉法是主流,國內已實現單晶爐國產化
硅片的生產原料是石英砂(SiO?),通過與碳發生氧化還原反應得到工業級硅,將工業級硅與鹽酸反應得到三氯硅烷,對三氯硅烷進行多次精餾,使其純度達到9個9以上,最后通過超高純的氫氣進行還原反應得到高純的多晶硅。半導體硅片生產所需的硅要達到電子級的純度(9-11個9),才能保證后續硅片的純凈度。
將多晶硅拉制成單晶硅棒主要有兩種技術工藝,直拉法(CZ法)和區熔法(FZ),區熔法得到的硅片純度更高,但成本更高,硅片尺寸偏小(只能生產150mm以下),主要用于功率器件硅片的生產。目前90%以上的半導體硅片通過直拉法生產。
直拉法是通過在惰性氣體(氮氣、氦氣為主)環境中,用石墨加熱器將坩堝中的多晶硅熔化得到液態硅(熔體),再以單晶硅的硅種與液體表面接觸,一邊旋轉一邊緩慢向上拉起,隨著晶種在直拉過程中離開熔體,熔體上的液體會因為表面張力而提高,晶種上的界面散發熱量并向下朝著熔體的方向凝固。隨著晶種旋轉著從熔體里拉出,與晶種具有同樣晶向的單晶就生長出來了。
拉晶步驟是半導體硅片生產過程中的關鍵步驟,很大程度上決定了硅片的質量。拉晶過程中用到的設備是單晶爐,單晶爐由爐體、熱場、磁場、控制裝置等部件組成,其中控制爐內溫度的熱場和控制晶體生長形狀的磁場是決定單晶爐生產能力的關鍵。
國內公司中,晶盛機電、理工晶科、南京晶能是領先的半導體硅生長設備單晶爐提供商。其中晶盛機電承擔的02專項“300mm硅單晶直拉生長設備的開發”、“8英寸區熔硅單晶爐國產設備研制”兩大項目,均已通過專家組驗收。晶盛的8寸直拉單晶爐和區熔單晶爐均已實現了產業化,為有研半導體、環歐半導體、金瑞泓等國內知名半導體硅片生產商累計供應了幾十臺設備。晶盛的12寸直拉單晶爐也已經可以滿足工業化量產的要求,預計將為國內大硅片項目供貨。南京晶能則率先實現了12寸直拉單晶爐的國產化,為新昇半導體的國產大硅片項目累計供了三臺設備,連續數月穩定運行,其技術先進性、使用節能性等指標甚至超越了國外設備,后續的訂單也在洽談中。
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2.磨、切、倒角設備:已部分實現國產化
單晶硅棒生產完成后,首先對晶棒進行“掐頭去尾”,切去晶棒兩端直徑較小的部分。然后對晶棒進行徑向研磨,由于晶棒生長過程中難以實現精確的直徑要求,一般會生長直徑高于預定目標的晶棒,然后再通過徑向研磨得到目標直徑的晶棒。隨后在晶棒上研磨出定位邊,用于指示硅片晶向。
以上過程涉及到的設備包括截斷機、滾磨機、磨面機等,技術含量較低,已經實現了設備的國產化,晶盛機電、天龍光電等國內上市公司均能提供相應產品。
晶棒加工完成后,需要將晶棒切割成預定厚度的硅片。8寸晶棒的切割一般采用內圓切割機,通過內圓刀片上的金剛石涂層進行切割。由于切割刀片的直徑太大會使得刀片容易發生變形,因此12寸硅片一般使用多線切割技術,采用金剛線與砂漿進行切割,多線切割不僅可以實現大直徑硅片的切割,而且切割損耗低于內圓切割技術。硅片切割完成后,需要對硅片進行倒角處理,通過倒角機對硅片的邊緣進行研磨,得到光滑的硅片邊沿。
硅片的切片機和倒角機對于切割研磨的精度控制和穩定性有很高的要求,目前只有中電科45所能提供部分切片機產品,主要還是依賴于進口產品。
3.研磨拋光設備:硅片質量的重要保障設備,已開啟國產化進程
硅片的表面完整度和平整度直接影響后續生產的良率和質量,因此需要通過研磨、腐蝕、拋光等工序對硅片表面進行深度加工。首先通過研磨設備移除硅片表面大部分的損傷,形成平坦的表面,達到微米級別的平整度。然后通過化學腐蝕去除表面的缺陷。最后使用CMP研磨設備進行精細的化學機械拋光,通過物理研磨加化學腐蝕的方式得到幾乎沒有缺陷的光滑鏡面表面。
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研磨、拋光設備已開始國產化進程。半導體硅片的研磨和CMP拋光設備同樣對于精度和穩定性有極高的要求,否則很難使硅片都達到預定的厚度。目前半導體硅片研磨設備和CMP拋光設備主要依靠進口,但已經開始了國產化的進程。晶盛機電已與美國知名拋光設備提供商Revasum公司就200mm硅片相關設備達成合作共識,其中8英寸拋光機計劃于2018年推出市場,未來有望將產品拓展至12英寸拋光設備。
(二)設備空間:未來三年合計空間達220億,單晶爐空間達55億
半導體硅片的國產化進程將帶來巨大的生產設備投資需求,我們通過以下模型測算2017-2020年間,半導體硅片的國產化帶來的設備需求空間。
關鍵假設:
1.每臺單晶爐月產硅片1萬片。
2.調研了解到,硅片廠商在做設備投入時,會考慮多投30%的設備做為待機設備。
3.2020年12寸硅片國內需求量200萬片/月,國內供給量120萬片/月;8寸硅片國內需求量120萬片/月,國內供給量100萬片/月。
測算結果:
根據我們的模型測算,2018-2020年間8寸、12寸半導體硅片的國產化將帶來合計達到55億元的單晶爐設備需求,設備總需求空間則達到220億。分年份看, 2019、2020年對應較高的設備投資需求,考慮到項目方會提前進行設備采購,2018年預計就將有較大的實際設備投資需求。
各類設備中,單晶爐占據最大的需求空間,然而其他種類設備的合計空間仍然不可小覷,尤其是尚未實現國產化的設備,一旦國產化進程獲得突破,預計將快速占據國內市場份額。
此外,該模型的測算還有一隱含假設,即投產的國產化硅片項目以100%的產能進行供貨,實際上隨著羊群效應導致越來越多的國產硅片參與者進入市場,名義建設產能極有可能高于實際市場需求,那么各硅片供應商的實際產能利用率預期將低于100%,進一步提升硅片生產設備的需求空間,即新進入者的不斷進入市場將持續提升硅片生產設備的行業天花板。
四、推薦標的:晶盛機電——晶體硅生長設備龍頭,產品向下游不斷延伸
(一)晶盛機電——晶體硅生長設備龍頭,產品向下游不斷延伸
1.晶體硅生長設備龍頭,受益光伏業績顯著回升
晶盛機電前身是上虞晶盛機電工程有限公司,成立于2006年,2010年改制為股份有限公司,并于2012年5月登陸創業板上市。通過并購與自身的外延發展,公司實現了多元化的業務布局,覆蓋了光伏、半導體、LED、藍寶石四個領域。
晶體硅生長設備仍是公司最主要業務。公司的晶體硅生長設備可應用于光伏、半導體等下游領域,一直是公司的最主要業務,公司業務多元化之后晶體硅生長設備的營收占比有所下滑,但仍占到70%以上。2017年由于光伏行業對于晶體硅生長設備的需求出現爆發式增長,晶體硅生長設備的營收占比達到了82%。
受益光伏行業回暖,公司業績顯著回升。2006-2011年間光伏行業粗放式、野蠻式的發展致使行業整體呈現嚴重的產能過剩、價格戰激烈的格局,加上全球經濟衰退,美國“雙反”、歐洲“反傾銷”等因素,我國光伏行業迎來了寒冬,公司業績受行業影響也進入谷底。2015年起,受益于領跑者計劃、分布式光伏發展、光伏扶貧等因素的推動,國內光伏行業出現了明顯的復蘇。各大光伏廠商紛紛擴產,公司業績隨之顯著回升。2017年前三季度公司實現營業收入12.57億元,同比增長87%,實現歸母凈利潤2.53億元,同比增長95%,前三季度業績已經超過2016全年。其中2017Q3單季度實現營業收入4.49億元、歸母凈利潤1.11億元,是單季度業績的歷史最好水平。
2.國內稀缺的半導體硅生長設備龍頭,已突破12寸硅片生產技術
公司8寸單晶爐已經量產,12寸設備已滿足量產要求。公司承擔了02專項中的“300mm硅單晶直拉生長設備的開發”、“8英寸區熔硅單晶爐國產設備研制”兩大項目,均已通過專家組驗收。8英寸直拉、區熔單晶爐均已實現產業化,12英寸單晶爐已經具備工業化量產的要求。
公司產品已經批量供貨,獲國際一線廠商認可。公司半導體硅生長設備產品已經成功為有研半導體、環歐半導體、金瑞泓等國內知名半導體硅片生產商供貨,累計銷售了幾十臺設備,并建立了穩定的合作關系。2017年7月公司獲得臺灣合晶科技子公司900萬美元的設備訂單,標志公司產品質量已經獲得國際一線廠商的認同。
公司不斷豐富產品系列,業務向硅片深加工領域延伸。除了單晶爐外,公司還成功研發了單晶硅滾圓機、截斷機等半導體硅棒加工新設備,可用于單晶硅棒掐頭去尾、徑向研磨、開槽等工序。公司還與美國Revasum公司就200mm硅片相關設備達成合作共識,其中8英寸拋光機計劃于2018年推出市場。Revasum公司通過收購全球知名CMP設備制造廠商Strasbaugh公司,獲得了拋光設備的先進技術及專利,并已廣泛應用于硅片制造,功率設備,射頻,LED,MEMS以及移動應用市場等多個領域。上文提到磨切削、拋光設備合計市場空間與單晶爐相當。公司業務的不斷延伸將使公司得以享用成倍的市場空間。
強強聯合,公司切入國產大硅片生產領域。2017年10月,公司發布公告,與無錫市人民政府、中環股份簽署了《戰略合作協議》,將共同在宜興市開展建設集成電路用大硅片生產與制造項目。11月公司與中環股份、中環香港、無錫產業發展集團共同出資50億元成立中環領先半導體公司,共同進行大硅片的研發和生產,公司出資5億元占10%股權。2017年12月底,該項目正式開工。本次的合作對象中,中環股份是國內最大、全球第三大的區熔硅片供應商,在半導體領域有多年的技術積累,無錫市則是我國集成電路產業發源地之一。本次合作集合了三家的各自優勢,將在技術、市場、稅收、人才等領域具有獨特的競爭優勢。公司也借此舉切入國產大硅片生產領域,并加強在設備領域的市場開拓和競爭優勢。
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3.單晶產能持續擴產,公司已獲大量光伏訂單
在國家光伏領跑者計劃、光伏扶貧、以及大力推動分布式光伏的政策推動下,2017年我國光伏行業延續了強勢的復蘇勢頭,前三季度新增裝機量42GW,累計裝機量達到120GW,已較2016年全年增長22%、55%。預計2017年全年新增裝機量將達到50GW,累計裝機量將達到128GW。疊加單晶加速替代多晶的趨勢,各大光伏廠商紛紛擴產單晶產能,帶來110-140億的單晶爐設備需求。
公司已獲得大量光伏設備訂單,18年將持續受益中環擴產。公司已打入除隆基外的各大光伏廠商供應體系,尤其與中環合作緊密,公司多次中標中環光伏硅晶體生長設備。近年來公司獲得的設備訂單大幅增長,根據公司公告,2017-2018年1月,公司已簽訂合同的光伏晶體硅生長設備合同總金額達到38.58億元,合計訂單金額已經達到2016年全年營收的354%。這些訂單的收入將在2017、2018年集中確認。2018年中環的單晶擴產仍將持續,預計到年底將把單晶產能從10GW提升至20GW以上,實現翻倍增長。公司將持續受益于中環的擴產節奏,預計18年將不斷斬獲光伏設備訂單。
(二)北方華創:半導體前道設備龍頭,單晶爐產品有望向半導體領域延伸
北方華創前身七星電子,2001年9月由北京電控整合原國營700廠、706廠、707廠、718廠、797廠、798廠的優質資產和業務成立,2016年通過非公開發行股份完成了與北方微電子的戰略重組,并引入了大基金成為公司股東。目前公司具有半導體設備、電子元件、真空設備、鋰電設備四大板塊的業務。
公司是半導體前道設備龍頭,產品包括刻蝕設備、物理氣相沉積設備(PVD)、化學氣相沉積設備(CVD)、清洗設備、氧化設備等,基本涵蓋了除光刻機外的各類前道半導體生產設備,是國內規模最大、產品體系最豐富、涉及領域最廣的高端半導體工藝設備供應商。公司65-28nm設備已經實現產業化,多種設備已經進入中芯國際等晶圓代工廠的供應鏈體系,并成為baseline機臺參與量產,14nm制程設備則已進入工藝驗證階段,有望在未來兩年內進入產線。
真空裝備方面,公司是國內最大的單晶爐制造企業之一,所研制的具有大裝爐量、高自動化程度特性的單晶爐,為全球產能領先的單晶硅材料制造商客戶提供了大量產能供應。憑借公司在半導體前道設備領域的技術積累和市場布局,公司單晶爐產品有望擴展至半導體硅片生產領域,實現產業上下游的貫通。
五、風險提示
硅片國產化進程不及預期:目前我國12寸大硅片的規模生產能力尚未得到驗證,若生產技術和工藝不能達到預定要求,或是國產硅片項目的落地和推進不及規劃預期,將對硅片生產設備的市場需求產生影響。
下游需求不及預期:若下游消費電子、汽車電子、人工智能、5G、物聯網等行業對于半導體芯片的需求不及預期,將會導致硅片生產設備需求的下降。
市場競爭風險:國產設備和進口設備還有一定差距,如果使用國產設備生產出的硅片良率與進口設備存在較大差距,將顯著影響國產設備的市場滲透率。