来源：网络 半导体材料与工艺设备
一、晶圆代工产业地位及概述
1、晶圆加工分类
晶圆加工属于晶圆制造领域，按照厂商类型可分为IDM和Foundry模式，IDM属于重资产模式，为IC设计—IC制造—IC封测一体化垂直整合，主要企业为三星等，Foundry模式厂商相较IDM仅具备IC制造和封测能力，剥离了设计业务。就作用而言，晶圆专业代工厂商降低了IC产业的进入门槛，激发了上游IC设计厂商的爆发，以及产品设计和应用的创新，继而加速了IC产品的开发应用周期，拓展了下游IC产品应用。
半导体IDM、Fabless、Foundry三种模式对比
资料来源：公开资料整理
2、晶圆加工流程
对单晶裸片进行初步加工得到晶圆，接下来将光罩上的电路图刻蚀到晶圆上，主要工序皆由晶圆代工厂完成。主要包括扩散、薄膜生长、光刻、刻蚀、离子注入、抛光等工序，对应设备主要有扩散炉、氧化炉、CVD/PVD设备、清洗设备、光刻机、刻蚀系统、离子注入机、抛光机等。作为半导体生产流程的直接生产，晶圆加工步骤众多，设备要求极高，虽然国内具备完整生产能力，受限于高端设备和技术封锁，高端产品仍未突破，其中光刻、离子注入和抛光（抛光垫）等工艺设备国内尚未突破。
晶圆厂半导体制造流程及相关半导体设备示意图
资料来源：《半导体制造技术》，华经产业研究院整理
2020年中国半导体设备与原材料国产化率
资料来源：公开资料整理
二、晶圆代工产业链
1、产业链
半导体行业的生产模式分为IDM和Fabless +Foundry，IDM集IC设计、制造与封装测试为一体,属于重资产模式，对于企业的资金要求极高，Fabless +Foundry模式将晶圆制造生产部分委任给Foundry可降低Fabless设计的准入门槛，降低资金投入，有助于企业技术快速突破。
晶圆代工产业链简图
资料来源：公开资料整理
2、成本端
晶圆生产成本投资额中，晶圆设备通常占比总晶圆项目投资额8成左右，以国内最大的代工厂中芯国际为例，其12英寸芯片SN1项目的总投资额中生产设备购置及安装费占比80.9%。从台积电单片晶圆成本来看，主要成本是折旧费用，占比近5成，除此之外专利费用也是较大成本占比。总体来看，晶圆生产中设备及技术专利等占据主要成本。
全球晶圆代工龙头电单片晶圆成本结构占比
资料来源：台积电年报，华经产业研究院整理
根据摩尔定律，约18月集成电路晶体管数量将增加一倍，技术持续发展下集成电路线宽不断缩小，集成电路的设备投资呈指数级上升趋势。根据IBS统计，5nm产线的设备投资高达数百亿美元，是16/14nm产线投资的两倍以上，是28nm的四倍左右。目前三星已正式宣布3nm工艺量产，台积电预计2022年下半年呈现量产，随着技术持续靠近硅基物理极限，未来技术方向或是“双层堆叠”等。
全球不同制程晶圆每5万片产能设备投资额走势图
资料来源：中芯国际招股书，华经产业研究院整理
作为晶圆生产中最核心也是技术壁垒最厚的光刻机，7nm制程及以下仅EUV光刻机具备生产能力，技术被阿斯麦垄断，全球仅有的出货量皆来自这家企业。数据显示，随着先进制程需求持续增长，EUV全球销量持续增长，2021年销量达42台，每台均价达1.5亿欧元左右，主要原因随着阿斯麦EUV光刻机持续迭代（最新量产型号为 TWINSCANNXE :3400D），单机产能持续提高下产品均价持续走高。
2018-2021年全EUV光刻机销量及均价走势
资料来源：阿斯麦公告，华经产业研究院整理
除开高昂的设备成本外，晶圆材料作为晶圆代工生产基本组成，晶圆代工技术迭代离不开晶圆制造材料的发展与更新。目前晶圆制造材料众多，包括硅片、光掩膜版、光刻胶及附属产品、电子特种气体、湿法电子化学品、CMP抛光材料等。硅片作为晶圆基本载体市场份额占比最高，达37%。
2020年全球晶圆制造材料市场份额占比情况
资料来源：SEMI，华经产业研究院整理
3、需求端
晶圆代工作为半导体中游制造领域，整体需求受半导体整体产业景气度影响较大，随着全球和中国消费电子和汽车电子市场规模稳步扩张，整体晶圆代工产能持续扩张。数据显示，2021年全球半导体市场规模达5559亿美元，同比2020年增长26.2%。中国集成电路销售额超万亿元，达10458.3亿元，同比2020年增长18.2%。晶圆代工短期波动整体受电子信息产业需求相关性较高，2022年来看，PC、智能手机等电子产业需求增速放缓，预计整年产业小幅度增长。
2017-2021年全球半导体市场规模及增长率
资料来源:WSTS，华经产业研究院整理
三、全球晶圆代工现状
1、市场规模
随着全球智能手机和PC需求回暖、汽车电子产业快速扩张，全球芯片需求持续扩张，尤其是2020-2021年新能源汽车快速发展背景下，汽车芯片需求爆发，供不应求背景下带动晶圆开工率和产能大幅度提升，数据显示，全球2021年晶圆代工销售额增长26%达1101亿美元。2022年来看，早期预计2022年将保持20%以上幅度增长，7月主要下游企业AMD、英伟达和苹果下调订单量，预计增长将下降，维持在10%左右。
2016-2021年全球晶圆代工销售额及变动情况
注：纯晶圆代工和IDM
资料来源：IC Insights，华经产业研究院整理
2、产能、产量和产能利用率
下游需求持续扩张背景下，全球晶圆产能稳步扩张，受产业周期波动影响，2019-2020年年整体产能利用率出现较大幅度下降，主要原因是2019年下游存储器和智能手机需求市场疲软等因素，叠加英特尔价格下降，整体市场景气度下降。2020年全球疫情同时产能出现较大增长，部分企业停工导致整体产能利用率下降，实际产量存在明显增长，2021年晶圆需求爆发，下游汽车和消费电子企业需求持续增长，产能和产能利用率达到近年来新高，产能增长8.5%至2.425亿片（全球折合8英寸晶圆），产能利用率达93.8%。2022年来看，产能有望超过2.6亿片，七月份各大下游企订单量砍单背景下，叠加通胀和供应链紧张等因素整体产能利用率将维持90%左右。
2016-2021年全球晶圆产能、产量及产能利用率
注：折合8英寸
资料来源：IC Insights，Knometa Research，WSTS，SIA，华经产业研究院整理
3、制程结构
就晶圆制程结构而言，目前成熟制程（28nm及以上）占比约76%左右，2020年以来，随着智能手机、TWS耳机等需求增长带动OLED面板、电源管理芯片、射频芯片和传感器等需求持续增长，成熟制程产能出现严重短缺，从预计新建产能来看， 2022年各晶圆代工厂多半将扩产重心放置于12英寸（28nm及以上）晶圆产能，而主要扩产动能来自于台积电、联电、中芯国际（0981.HK）、华虹等。短期来看，先进制程受限于成本和技术普及率较低，成熟制程仍将保持高景气度，占比将维持在7成以上。
2021-2024年全球晶圆代工成熟及先进制程占比
资料来源：TrendForce，华经产业研究院整理
四、晶圆代工国内现状
1、全球地位及规模
早期我国纯晶圆代工占比全球市场份额达10%以上，随着国内技术停滞叠加全球晶圆制程技术难度持续加深，2007-2014年我国纯晶圆代工市场份额持续下降，随着国内中芯国际和联电企业技术相继突破28制程，整体市场份额趋向稳定，近年来下游需求推动国内纯晶圆代工产能稳步上升，但受限于尖端代工技术差距，同时中芯国际被美国列入实体名单，国内尖端晶圆代工差距中短期内增长有限。
2002-2021年中国纯晶圆代工市场份额占比走势图
资料来源：IC Insights，华经产业研究院整理
就规模而言，目前国内整体纯晶圆代工规模表现为稳步增长趋势，2021年国内新能源汽车销量爆发叠加智能手机需求回暖，国内晶圆需求爆发式增长，产能持续偏紧，价格高涨下销售额增长40.9%，以国内纯晶圆加工占比8成计算，规模约在75亿美元左右。就趋势而言，受限于先进制程技术先进，尖端产品整体价格和利润更高，但随着传感器、电源管理芯片等成熟制程整体需求在短期仍将保持高位，国产企业仍存在较大扩张空间，长期来看，中美关系持续偏紧背景下，突破技术封锁同时提升全球晶圆代工竞争力仍是国内产业升级关键因素。
2016-2021年中国纯晶圆代工销售额及增长率
资料来源：IC Insights，华经产业研究院整理
2、技术及制程差距
技术持续发展背景下，晶圆制程持续发展，截止2022年7月底三星已宣布量产3nm工艺，国内晶圆产业起步较晚，受限于设备及材料等相关因素影响叠加技术封锁，我国晶圆代工目前仍仅可量产14nm制程晶圆，相较国际先进水平相差较大。
2015-2022年全球主要晶圆代工企业制程量产进度
资料来源：公开资料整理
五、晶圆代工竞争现状
1、市场集中度及营收
台积电作为全球最大晶圆代工厂，占据全球8成以上先进制程市场份额，特色工艺由于同等节点开发时间较早，技术领先叠加工艺库全，配合开发周期短，工艺稳定性相对更高，2021年占据全球50%以上市场份额，三星虽然同样具备生产尖端制程的能力，且整体芯片产量超过台积电，但受限于技术成熟度和良率等整体先进制程产量较少，占据全球第二市场份额。国内龙头中芯国际技术水平仅达到14nm制程，技术仍有较大追赶空间。
就利润对比而言，台积电利润远高于其他竞争对手，2021年毛利率51.6%，净利率37.4%；相比之下，联电毛利率33.8%，净利率26.5%，中芯国际毛利率30.79%，净利率32.61%。
2021年全球前十大晶圆代工厂市场份额占比
资料来源：IC Insights，企业公报，华经产业研究院整理
2021年全球前十大晶圆代工厂营收分布
资料来源：公开资料整理
2、尖端进程格局或变动
在尖端制程领域，技术持续迭代后，逐步形成台积电(Foundory模式)和三星（IDM模式）垄断技术情况，根据2021年台积电数据显示，其5nm制程占比整体19%市场份额，5nm制程工艺已经逐步从N5过渡到N4，而三星作为IDM模式的晶圆龙头产品一直受到诟病，产品良品率等较台积电有所差距，2022年英特尔（IDM模式）多年来首次计划200亿美元建造两座先进制程，或将从“两家竞争”转变为三足鼎立，从市场份额第三第四来看，2018年，格芯停止与台积电、三星在先进制程芯片的竞争，专注相对不那么先进的制程芯片，同年联电也宣布不再投资12nm以下先进制程。国内而言，中美贸易持续紧张下国产企业中芯国际虽有竞争先进制程的需求，但受限于美国实体名单，无法获取EUV光刻机，先进制程无法突破，虽然目前凭借成熟制程需求持续扩张占比全球第五，但先进制程仍是中国芯片崛起的关键。
2020-2021年台积电晶圆产品线宽结构占比
资料来源：公开资料整理
六、国产化进程
1、经营现状：持续扩张
就中国晶圆代工主要经营现状而言，中芯国际作为国内龙头企业营收受半导体整体景气度影响较大，2019年营收出现小幅度下降。2021年以来，半导体下游整体高景气度带动中芯国际和华虹营收和净利润出现双增长，净利润分别达112.03亿元和15.47亿元，其中中芯国际毛利率30.79%，净利率32.61%。
2017-2021年中芯国际和华虹营收及利润率
注：中美汇率以1美元=6.7元计算
资料来源：企业公报，华经产业研究院整理
2、产品结构：与国际水平差距较大
目前中国大陆上集成电路晶圆代工企业中，中芯国际和华虹半导体产品最为目前中芯国际技术产品包括0.35微米到14纳米不同技术节点的晶圆代工产品，实际生产应用上受限于良品等多因素，14nm和28nm制程占比15.1%左右，同时虽然中芯国际具备14nm量产水平，但高端材料及设备严重依赖进口，如光刻机等严重依赖阿斯麦DUV,完全国产化任重道远；华虹半导体整体发展较晚，目前产品中最先进制程55/65nm占比9.7%，差距较大。
2021年中芯国际和华虹晶圆制程结构占比
资料来源：企业公报，华经产业研究院整理
就研发投入情况而言，虽然2021年整体营收和利润水平持续向好，但令人不得不担心是其研发投入占比在2020-2021年持续下降的现状，数据显示，2020-2021年中芯国际研发投入出现两连降，分别为46.72亿元和41.21亿元，占比总营收分别下降至17%和11.6%，同时中芯国际研发人员的数量近年来也呈持续下滑态势，过去三年占全体员工的比重分别为16.0％、13.5％和9.9％。2022年一季度来看，上海疫情背景下，中心国际研发投入占比再次向下降，仅为8.9%。
2017-2021年中芯国际研发投入及营收占比
