详细盘点！全球硅晶圆市场发展历程

来源:芯世相发布时间:2023-06-217922浏览

全球硅晶圆市场发展历程（作者：张朦月、林育西）

20世纪中期以来，伴随着第三次技术革命，半导体行业也在悄然发展。
50年代欧美半导体产业起步，此后经历了几次大规模的技术突破与产业转移。对于硅晶圆产业，发展重点先后从欧美转移到到日韩，再到中国台湾，随后近10年在中国大陆也有了较为快速的发展。
根据不同时期的市场格局以及产业分布特征，可以总体划分为四大发展阶段：

第一阶段：1958年硅片发明开始，早期厂商进入硅晶圆生产领域，行业初步发展；
第二阶段：1971年日本半导体产业计划开始，行业分化，形成美日两大阵营；
第三阶段：1991年8吋硅片应用，单位生产成本大大降低；收购兼并盛行，各家抢占市场份额；
第四阶段：2001年12吋硅片应用，日本厂商超越美国占据优势地位，行业格局趋于稳定。

此外，根据现有数据整理得到1976年以来全球半导体市场的发展情况如图1所示。长期来看，全球半导体市场规模和硅晶圆出货面积都呈现出稳步增长态势；而站在短期视角，半导体行业则以5年左右为一个小周期，呈现出周期性波动的特征。
本章将从全球硅晶圆市场发展历程的角度，梳理其变动的总体趋势与阶段特征；同时立足四大发展阶段，并结合行业周期视角，将主要硅晶圆供应商的发展脉络进行对比分析，以期为读者提供更为详尽的解读。
图1：1976年以来全球半导体市场概况

第一阶段：20世纪50-60年代

硅晶圆行业起步，

美商占据先发优势

硅晶圆行业于20世纪50年代起步，60年代尚处于前期成长阶段。
这一时期，硅晶圆制造工艺初步发展：1960年出现了0.75吋（约20mm）的单晶硅片；1965年以分立器件为主的晶体管，开始使用少量的1.25吋小硅片；此后，逐渐发展出2吋、3吋硅片。这期间，化学机械抛光（CMP）等技术已开始应用于晶圆制造。
在这一阶段，欧美电子产业初步发展。西屋（美国）、IBM（美国）、西门子（德国）等电子巨头成为早期硅的生产厂商，随后一些化学公司加入阵营，构成了硅晶圆行业的早期市场格局。并且这一时期的硅晶圆厂商主要依靠自身业务增长，发展相对缓慢。
美国的MEMC为这一时期发展起来的代表厂商。1959年孟山都化学公司建立子公司MEMC，致力于对硅材料的研究，以期赶上当时新兴的电子行业的热潮。MEMC作为先入者，早在60年代就占据了美国硅晶圆市场80%的份额，为成为未来的行业领导者奠定基础。
欧洲的半导体产业与美国几乎同时起步。在硅晶圆制造领域，德国的瓦克化学早在1953年就开始了在高纯硅领域的研发，并于1968年成立了致力于硅晶圆生产的子公司Wacker Chemitronic，这也是当今全球第四大晶圆供应商世创电子Siltronic的最早雏形。此外，丹麦的Topsil、意大利的美娜诺（Merano）与黛娜米德诺贝尔硅（ Dynamit Nobel Silicon (DNS) ）也均为这一时期成立的硅晶圆生产厂商，后为环球晶圆所收购。
而同一时期，日本企业通过对美国的技术引进，也开始布局硅晶圆产业。信越化学便是从1960年进军硅晶圆行业，1967年成立信越半导体；SUMCO的前身小松电子金属也于这一时期成立。
虽然欧美与日本开始布局硅晶圆产业的时间相差不大，但由于当时日本电子行业相关产业集群及供应链的发展落后于欧美，在这一时期日本厂商总体处于竞争弱势，美国厂商无论在技术或市场份额上均占据统治地位。
表1：第一阶段-市场概况

数据来源：企业官网，根据互联网资料自行整理
而对于这一时期的晶圆厂商来说，前期玩家不多，硅晶圆市场处于寡头垄断状态，且主要厂商间技术差异较小。单就技术节点而言，并未在这一时期拉开明显差距。
图2：第一阶段：前期玩家不多，彼此间技术差异较小

数据来源：企业官网，根据互联网资料自行整理

第二阶段：20世纪70-80年代

行业分化，技术迭代，

形成美日两大阵营

经过早期的资本与技术积累，硅晶圆行业于70年代后进入行业分化的加速扩张阶段。在这一时期，无论是技术迭代抑或产能扩张都呈现出高速发展的态势。
在制造工艺方面，1975年4吋单晶硅片开始在全球市场上普及，80年代前后5吋、6吋硅片开始大规模生产。其中，从100mm开始，硅片边缘被打磨成圆形，大大减少了晶片碎裂的可能性并提高了良率，为其尺寸的进一步扩大奠定基础。与此同时，外延晶圆也得到更加广泛的应用。
70年代以来，随着消费电子的兴起，家用游戏机、录像机、个人电脑、CD相继问世，半导体市场空前扩大，也引发硅晶圆厂商的扩张热潮。这一时期，众多厂商进行了大规模的海外产能扩张，硅片产能逐步向亚太地区转移，一定程度上带动了亚太地区半导体产业的发展。
这一时期，以MEMC为代表的美国厂商继续保持领先发展态势，先后在马来西亚、意大利、日本、英国、韩国、中国台湾等地都建立了本地工厂；与此同时，日本厂商虽然在这时仍处于追随地位，但已在悄然蓄力，相关产业链逐步完善，为90-00年代的厚积薄发奠定基础。
这一阶段日本半导体产业的发展呈现出计划性、规模性的特征：1971年日本通商产业省制定了赶超美国的半导体产业计划；1976年成立“超大规模集成电路技术研究组织”（VLSI），获得了NEC、富士通、日立、东芝、松下等企业共计760亿日元的投资。
伴随着日本半导体行业的崛起，美日半导体贸易摩擦也在加剧，从1977年至1996年持续了整整20年。尽管面临着不利的国际环境，日本厂商仍于80年代迅速崛起，至80年代中期达到与美国相等的市场份额。
值得注意的是：由于这一时期硅片厂商都进行了大规模的产能扩张，再叠加行业经济周期的影响，80年代以来半导体行业出现了几次低谷，硅片价格也出现阶段性的下滑趋势。对此，美日晶圆厂商采取了完全不同的应对策略：对于硅片价格的下滑，日本厂商进一步采取低价竞争战略争夺市场份额；而美国厂商在此竞争压力下却显然处于被动地位，利润下降乃至频频亏损。如1989年孟山都集团下定决心剥离MEMC一般，美国逐步将以硅片为代表的半导体材料产业向外转移，本土则将发展重点转移到了下游的芯片设计与制造；而日本的竞争优势也逐步向上游的材料、设备行业转移。
此外，在这一时期，各国（地区）政府也都意识到了半导体作为战略性支柱产业的重要性，纷纷加大对半导体产业的政策扶持与投资力度。如欧洲在80年代提出了欧洲信息技术研究战略计划（ESPRIT）与欧洲半导体亚微米硅联合计划（JESSI）等，加强半导体领域欧盟成员国间的合作，“报团取暖”以提升欧洲产业竞争力；而韩国与中国台湾等地也在政府的推动下积极布局半导体产业，并享受到欧美产业转移的红利。
表2：第二阶段-市场概况

数据来源：企业官网，根据互联网资料自行整理
图3：第二阶段：主要晶圆厂商加速海外扩张，形成美日两大阵营

数据来源：企业官网，根据互联网资料自行整理

第三阶段：20世纪90年代

收购兼并盛行，

加速抢占市场份额

以1991年8吋硅片的应用作为时间节点，硅晶圆行业随之进入第三发展阶段——加速抢占市场份额的阶段。而随着市场的日渐成熟，硅晶圆以及其所处的半导体行业也开始呈现出稳定的周期性波动态势。
在制造工艺方面，8吋片的应用是一个里程碑式的节点。比起在80年代得到广泛应用的6吋片，单个8吋晶圆上可以生产的芯片数量翻了一倍，大大降低了单位生产成本，晶圆厂商的边际毛利得到大幅提升。
此外，这一时期SOI技术得到广泛应用。SOI晶圆最早产生于80年代。由于其具有寄生电容小、短沟道效应小、继承密度高、速度快、功耗低、衬底噪声低等优点，使得其广泛应用于射频前端芯片中。1992年成立的Soitec是SOI硅片的龙头供应商。
纵观这一时期的市场格局，8吋片的应用很大程度上替代了原有的小尺寸硅片，很快凭借其成本优势成为主力晶圆，各大供应商纷纷扩产以抢占市场份额。尽管在此前80年代内存价格暴跌的低迷周期中，日本有着比美国更好的表现；但随着行业生机的恢复，再加上美国厂商长期的技术积累，在这一阶段，对于8吋晶圆，美商仍然占据主动地位，承包了主要市场份额。
日本半导体产业虽然在80年代初期获得了快速发展，但在90年代受到美国、韩国甚至中国台湾地区厂商的挤压，并未能一直延续高速增长的势头，在美日之争中仍处于跟随地位。但其总体正处于积蓄力量的阶段，在这一时期，信越等大企业加强了产业链的收购整合，为21世纪初的厚积薄发奠定基础。
而这一时期欧洲的半导体产业继续保持稳步发展，在汽车及工业半导体领域建立优势地位，但总体市场份额不大；韩国则在存储器领域及相关产业链形成独特竞争优势，随着三星、SK海力士等企业成为全球内存芯片领导者，由于这些公司的内存产品严重依赖硅晶圆，极大推动了韩国硅晶圆行业的需求和增长；而对于中国台湾地区，这一时期半导体产业链上下游已基本完备，主要硅晶圆厂商开始在全球范围内扩展业务。
表3：第三阶段-市场概况

数据来源：企业官网，根据互联网资料自行整理
图4：第三阶段：各家抢占市场份额，大尺寸硅片成为产能建设重点

数据来源：企业官网，根据互联网资料自行整理

第四阶段：21世纪初

日本厂商超越美国占据优势地位；硅晶圆市场进入成熟阶段，行业格局趋于稳定

21世纪初12吋硅片的应用又带来了新的行业变革。
随着12吋晶圆在逻辑、存储等领域逐渐取代8吋晶圆成为主力晶圆，日本厂商抓住这一机遇，在12吋晶圆之争中一举打败美国，奠定了难以撼动的龙头地位。
比起在8吋晶圆应用之初就已经大量扩产的美国厂商，日本厂商则更多把精力放在12吋片的研发与制造中：如信越化学早在1999年就决定在白河工厂投资建设300mm晶圆产能，2001年初即实现量产。
由于当时正处于亚洲金融危机所导致的第五轮行业萧条期（见图1），同行业其他公司尚未反应过来，直至2002年底信越一直享受着300mm晶圆的独占利益；SUMCO自1999年成立起便致力于300mm晶圆业务；而对于美国公司MEMC，其对于300mm晶圆产线的投资甚至开始的更早。早在1997年，MEMC就在美国与日本工厂都投产了300mm产线，但由于1997年亚洲金融危机后需求急速下降，扩张后产能过剩的矛盾更加突出，再加上此前8吋晶圆之争中大耗元气，MEMC的经营状况急转直下。
在随后到来的第六轮繁荣周期中，日本厂商利用这次发展窗口大力加强300mm晶圆产能建设，最终实现了“弯道超车”。
表4：各供应商主要工艺节点

数据来源：企业官网，根据互联网资料自行整理
而单位均摊生产成本的进一步降低，再加上下游个人电脑、手机等终端强劲需求的拉动，主要硅晶圆供应商又陷入新的一轮扩产热潮。但由于行业周期性波动再叠加2008年金融危机的影响，在这一时期硅晶圆行业遭受了重大打击，并陷入危机后近十年的低回调整中。
图5：第四阶段：21世纪初硅晶圆行业的繁荣与萧条

与此同时，金融危机后的硅晶圆市场整体增速放缓，由成长期转入成熟期，收购兼并现有企业成为获取市场份额的主要手段，行业集中趋势进一步加强。并且，经历了此前十年的低回调整，主要硅晶圆供应商对于扩产采取了更加谨慎的态度。虽然硅晶圆行业仍呈现出繁荣与萧条交错的周期性波动态势，但产能过剩所导致的价格低迷周期及其所带来的冲击将更加和缓。
中国台湾的硅晶圆企业在这一时期获得了进一步发展，其中2011年成立的环球晶圆通过对其他晶圆供应商的收购，巩固了市场份额并大幅提高了产能，使得中国台湾在全球硅晶圆市场占据着越来越重要的地位。
中国大陆对半导体产业的重视在这一时期也得到提升。对于硅晶圆制造，中国专注于提高国内硅片产能，以减少对进口的依赖。本地晶圆制造商应运而生，并进行了投资以改进制造工艺和技术，已基本实现6吋及以下小尺寸硅片的国产替代，国产化率超过50%；而8吋硅片的国产替代正在进行中；2015年以后部分厂商率先开始了300mm晶圆产能建设，12吋硅片打破国内空白的局面。
此外，值得关注的是，部分硅晶圆厂商曾一度涉足太阳能业务。
2010年以前受到各国政府能源政策的推动，再叠加行业繁荣周期，光伏硅片供不应求，价格飞涨，MEMC、SUMCO、SK Siltron、Soitec等厂商在这一时期都曾将光伏硅片作为战略投资的重点。
不同于半导体硅片，由于光伏硅片本身便作为技术门槛较低的行业，难以形成长期竞争优势从而容易陷入价格战的旋涡，故而当经济危机后市场增速放缓，尤其自中国凭借成本优势成为第一大光伏生产国暨规则制定者以来，2011年后的光伏硅片价格更是一降再降。由于缺乏成本竞争力，其光伏业务无一不维持着极低的边际利润甚至处于连年亏损状态，最终走向被剥离的命运。
表5：第四阶段-市场概况

数据来源：企业官网，根据互联网资料自行整理
图6：第四阶段：加强300mm产能建设，市场集中度进一步提升

数据来源：企业官网，根据互联网资料自行整理
纵观半导体产业发展史，当前全球分工已形成了上游设计美国主导、材料设备日本领先、代工封测中国台湾引领的行业格局。而其中硅晶圆行业也于一次次的产业变革中逐步形成了以日本为主导，欧美、韩国、中国大陆及台湾地区各自开花的市场格局；并且随着市场的不断发展与厂商间的收购联合，行业集中度还在持续提升，市场稳定性将进一步增强。
通过对主要硅晶圆供应商发展脉络的对比分析我们可以看到：关于缔造行业龙头的重要影响因素，一个是技术发展水平，另外则是对投资方向与投资时点的选择。如何选择正确的投资时点，行业的周期性视角则至关重要。
下一章将立足第四发展阶段，将近20年主要硅晶圆供应商的财务与经营状况加以对比分析，在行业周期的视角下提供更为详尽的解读。
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