摘要:近日,有业内人士向芯智讯爆料,陶氏杜邦在停止了相关半导体材料的对国内存储晶圆厂的供应之后,上周又暂停了对国内某逻辑晶圆厂的供应。这也迫使国内晶圆厂积极备货和加快国产半导体材料验证。目前国产半导体材料整体还相对薄弱,2021年国内半导体材料国产化率仅约10%左右,这对于国产半导体材料厂商来说既是一个机遇,也是一个巨大挑战。

国产化率不足10%!一文看懂国产半导体材料产业现状-芯智讯

10月下旬,一张在各业内微信群广泛传播的截图显示,有业内人士援引国内头部晶圆厂内部消息爆料称,半导体材料大厂美国陶氏杜邦和德国AZ公司开始准备暂停供应大陆半导体材料。(详见:传美国杜邦及德国AZ将暂停对华供应!相关国产半导体材料个股大涨

近日,有业内人士向芯智讯爆料,陶氏杜邦在停止了相关半导体材料的对国内存储晶圆厂的供应之后,上周又暂停了对国内某逻辑晶圆厂的供应。这也迫使国内晶圆厂积极备货和加快国产半导体材料验证。目前国产半导体材料整体还相对薄弱,2021年国内半导体材料国产化率仅约10%左右,这对于国产半导体材料厂商来说既是一个机遇,也是一个巨大挑战。

下面借用国信证券最新的一份关于半导体材料领域的深度报告(芯智讯有删减及增加部分内容)来为大家展示国产半导体材料行业的现状。

一、半导体材料是半导体产业的基石

1、半导体材料贯穿了半导体生产的整个流程

半导体产业链一般分为设计、制造和应用三个环节。半导体材料在半导体产业链中位于制造环节上游,和半导体设备一起构成了制造环节的核心上游供应链,是推动半导体产业链发展的基石。

按照应用环节半导体材料可以分为制造材料与封测材料。其中,晶圆制造材料主要包括硅片、特种气体、掩膜版、光刻胶及配套材料、湿电子化学品、靶材、CMP 抛光液&抛光垫等;封装材料主要包括封装基板、引线框架、键合丝、包封材料、陶瓷基板、芯片粘接材料等。

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晶圆制造材料中,硅片为晶圆基底材料;掩膜版用于光刻工艺底板;光刻胶用于将掩膜版上的图案转移到硅片上;靶材用于薄膜沉积;电子特气用于氧化、还原、除杂;湿电子化学品用于清洗、刻蚀;抛光材料用于实现平坦化。

封装材料中,封装基板与引线框架用于保护、支撑芯片及建立芯片与 PCB 间的连接;键合丝用于连接芯片和引线框架;粘合材料用于芯片贴片;陶瓷封装体用于绝缘打包。

细分市场中,制造材料市场占比 63%,硅片在制造材料中占比最高。2021 年半导体材料全球整体市场空间约 643 亿美元。其中制造材料市场规模约 404 亿美元,占比 63%;封测材料市场规模约 239 亿美元,占比 37%。

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2021 年晶圆制造材料市场细分占比中,硅片占比 41%最高,市场份额约 126 亿美元;掩膜版、电子特气分别占比 16%、15%,市场份额约 49 亿美元、45 亿美元;CMP 材料、光刻胶、湿电子化学品、靶材分别占比 10%、8%、6%、4%,市场份额分别为 30 亿美元、25 亿美元、20 亿美元和 11 亿美元。

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2、全球半导体材料行业市场规模整体呈上升态势

根据 SEMI 数据,2015-2021 年全球半导体材料行业市场规模整体呈不断上涨态势,2015 年市场规模为 432.9 亿美元,2021 年增长到 643 亿美元,CAGR 为 6.8%。2019 年全球半导体材料行业市场相比 2018 年下降 1.12%,主要系 2019 年下游增速放缓,叠加贸易摩擦,使得半导体产业整体低迷,增速下滑。2020 与 2021 年由于 5G 和新能源的快速发展,大幅提升了半导体产业的市场需求,半导体材料市场规模快速上升,2021 年达到 643亿美元,同比增长 15.86%。

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分产品的市场规模来看,晶圆制造材料占比不断提升。2011 年到 2020 年,晶圆制造材料占比较封装材料不断上升,2011 年晶圆制造材料和封装材料占比分别为50.63%和 49.37%,2020 年晶圆制造材料和封装材料占比分别为 63.11%和 36.89%。晶圆制造材料占比提升的原因是先进制造的持续发展,对晶圆制造环节的材料提出了更高的要求,加工工艺步骤的不断增加也提升了晶圆制造材料的消耗量。

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3、中国集成电路市场保持高增速,国内半导体材料的市场空间广阔

根据中国半导体行业协会发布的统计数据显示,2021 年中国集成电路产业销售额为 10458.3 亿元,同比增长 18.2%。其中,设计业销售额为 4519 亿元,同比增长 19.6%;制造业销售额为 3176.3 亿元,同比增长 24.1%;封装测试业销售额 2763 亿元,同比增长 10.1%。

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晶圆厂扩产推动材料需求上升,中国大陆是全球新建晶圆厂数量最多的国家。SEMI 预计,2020 年至 2024 年间将有众多晶圆厂上线,包括 25 座 8 英寸晶圆厂和 60 座12 英寸晶圆厂,其中中国是新增数量最多的国家,中国国内新增 14 座 8 英寸和15 座 12 英寸,中国台湾新增 2 座 8 英寸和 15 座 12 英寸,在新建 8 英寸晶圆厂方面,中国国内的数量远远超过其他国家/地区。2021、2022 年中国国内新建数量分别为 5 座和 3 座,2024 年中国国内的 12 英寸寸晶圆厂市场份额上升至 20%,相较于 2015 年增长 12%,产能达到 150 万片/月。晶圆厂的扩产将刺激上游半导体材料行业的市场需求。

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根据 IC insights 预计,2022 年全球新投产 10 座 12 英寸晶圆厂,将带来全球晶圆产能 8.7%的增幅,高于 2021 年的 8.5%,并预计 2022 年全球晶圆厂的产能利用率仍将超过 90%,预计为 93%。

根据 Knometa Research 数据,2021 年全球的晶圆产能达到了 2143 万片/月(按 8 寸晶圆当量),其中中国国内月产能为 350 万片,仅占全球产能的 16%。中国国内的产能份额在过去两年中每年增加 1pct,自 2011年以来累计增加 7pct,预计到 2024 年中国在全球 IC 晶圆产能中的份额将达到近19%。

另外随着先进制程不断发展,制程提升会增加工艺难度和加工步骤数,28nm 刻蚀步骤仅 40 步,5nm 刻蚀步骤提升至 160 步,工序的增多也扩大了对上游材料的需求。

根据 SEMI 数据,2021 年,中国台湾地区仍是全球半导体材料最大的市场。但中国大陆市场增速最快,2021 年增长 21.90%至 119 亿美元,占全球市场的18.56%。

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中国集成电路仍以进口为主,国产替代空间巨大。根据中国海关总署数据,2021年中国进口的芯片总量为 6354.8 亿个,同比增长了 16.9%;进口金额突破到了近4326 亿美元,同比增长 23.6%,均创下历史新高。2017-2021 年,我国集成电路进口数量约为出口数量 2 倍,进口金额约为出口金额 4 倍,总体仍高度依赖进口。

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我国半导体材料国产化率 2021 年仅约 10%,主要系产业起步较晚,在品类丰富度和竞争力处于劣势。今年 10 月 7 日美国BIS出台管制新规制裁我国半导体先进制程产业,短期对集成电路制造业各环节造成一定冲击,但长期来看我国集成电路产业必将走上独立自主创新之路,管制新规将进一步催化设备及材料端国产化趋势,特别是在成熟制程,预计国产材料及设备能够得到更多的验证资源和机会,国产替代周期有望缩短。

二、半导体硅片:半导体器件的主要载体,集成电路大厦之地基

硅片是半导体器件的主要载体,在半导体材料占比最高。硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料,多晶硅是单质硅的一种形态。通常按照纯度不 同 , 将 多 晶 硅 分 为 工 业 级 ( 纯 度 在 95%-99% ) 、 太 阳 能 级 ( 纯 度 在99.99%-99.9999%)和电子级(纯度在 99.9999999%-99.999999999%)。电子级的多晶硅经过拉单晶硅锭、切割和后续一系列加工后,成为半导体硅片。

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硅片位于半导体制造产业链上游。在半导体制造产业链中,硅片是基础材料,位于制造产业链的上游,集成电路结构是以硅片为基础搭建而成的,硅片是芯片制造的核心原材料。

1、半导体硅片制造流程与分类

半导体硅片制造流程复杂,主要包括拉单晶和硅片的切磨抛外延等工艺。半导体硅片的生产流程复杂,涉及工序较多。研磨片工序包括拉单晶、截断、滚圆、切片、倒角、研磨等,抛光片是在研磨片的基础上经边缘抛光、表面抛光等工序制造而来;抛光片经外延工艺制造出硅外延片,经退火热处理制造出硅退火片,经特殊工艺制造出绝缘体上硅 SOI。硅片制造过程中需要经过多次清洗,在销售给客户之前还需要经过检验和包装。

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根据掺杂程度不同,半导体硅片可分为轻掺和重掺。重掺硅片的掺杂元素掺入量大,电阻率低,一般用于功率器件等领域产品;轻掺硅片掺杂浓度低,一般用于集成电路领域,技术难度和产品质量要求更高。由于集成电路在全球半导体市场中

占比超过 80%,全球对轻掺硅片需求更大。根据工艺,半导体硅片可分为研磨片、抛光片及基于抛光片制造的特殊硅片外延片、SOI 等。研磨片可用于制造分立器件;轻掺抛光片可用于制造大规模集成电路或作为外延片的衬底材料,重掺抛光片一般用作外延片的衬底材料。相比研磨片,抛光片具有更优的表面平整度和洁净度。

在抛光片的基础上,可以制造出退火片、外延片、SOI 硅片和结隔离硅片。退火片在氢气或氩气环境下对抛光片进行高温热处理,以去除晶圆表面附近的氧气,可以提高表面晶体的完整性。外延片是在抛光片表面形成一层气相生长的单晶硅,可 满 足 需 要 晶 体 完 整 性 或 不 同 电 阻 率 的 多 层 结 构 的 需 求 。SOI 硅 片(Silicon-On-Insulator)是在两个抛光片之间插入高电绝缘氧化膜层,可以实现器件的高集成度、低功耗、高速和高可靠性,在活性层表面也可以形成砷或砷的扩散层。结隔离硅片是根据客户的设计,利用曝光、离子注入和热扩散技术在晶圆表面预形成 IC 嵌入层,然后再在上面生长一层外延层。

应用最广的三类硅片是抛光片、外延片与以 SOI 硅片。抛光片直接用于制作半导体器件,广泛应用于存储芯片与功率器件等,也可作为外延片、SOI 硅片的衬底材料;外延片是由抛光片经过外延生长而形成,常在 CMOS 电路中使用,如通用处理器芯片、图形处理器芯片等,也应用于应用于二极管、IGBT 等功率器件的制造;SOI 硅片是由抛光片经过氧化、键合或离子注入等工艺处理后形成,具备耐高压、耐恶劣环境、低功耗、集成度高等特点,主要应用于智能手机、WiFi 等无线通信设备的射频前端芯片,也应用于功率器件、传感器、硅光子器件等芯片产品,价格是一般硅片的 4-5 倍。

根据应用场景不同,半导体硅片可分为正片、假(陪)片。正片用于半导体产品的制造,假片用来暖机、填充空缺、测试生产设备的工艺状态或某一工艺的质量状况。假片一般由晶棒两侧品质较差部分切割而来,由于用量巨大,在符合条件的情况下部分产品会回收再利用,回收重复利用的硅片称为可再生硅片。据观研网数据,65nm 制程的晶圆代工厂每 10 片正片需要加 6 片假片,28nm 及以下制程每 10 片正片则需要加 15-20 片假片。

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2、半导体市场推动硅片市场增长,大尺寸硅片需求提升

中国半导体硅片市场增速明显。根据 SEMI 数据,2016-2018 年,全球半导体硅片市场总体处于上升增速明显,2018-2020 年小幅回落,2021 年重拾升势,全球市场规模 126 亿美元。

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中国国内半导体硅片市场自 2015 年起迅速上升,2021 年中国市场规模 16.6 亿美元,2015-2021 年 CAGR 为 27%,市场增速明显。

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半导体含量提升推动硅片出货面积增加,2021 年全球硅片出货面积创历史新高。历史上半导体行业的年均增速高于电子系统整体市场,主要驱动力是电子系统中使用的半导体的含量不断增加。比如随着全球手机、汽车和个人电脑出货量增长趋于成熟和放缓,电子系统市场 2011-2021 年的年均复合增长率为 3.5%,而半导体行业 2011-2021 年的年均复合增长率为 6.5%。

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根据 IC Insights 的数据,2021年电子系统中的半导体含量提高到了 33.2%,创历史新高,同时预期终值将超过40%。在半导体含量推动作用下,硅片出货面积呈上升趋势,根据 SEMI 的数据,2021 年全球硅片出货面积 141.65 亿平方英寸,创历史新高。

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集成电路制程缩小推动硅片向大尺寸发展。半导体硅片通常可以按照尺寸、工艺两种方式进行分类。按照尺寸分类,主流半导体硅片分为 150mm(6 英寸)、200mm(8 英寸)与 300mm(12 英寸)等规格。硅片诞生于 1960 年,初始为 23mm,此后逐步向大硅片发展,2002 年 300mm(12 英寸)硅片实现量产,台积电、Intel等企业仍有 450mm 硅片的研发规划。

根据摩尔定律,集成电路上的晶体管每隔 18 个月要翻一倍,相对应的成本就下降一半,而大尺寸硅片能够提高单个硅片上集成的芯片数量,芯片尺寸越小,硅片尺寸越大,单个芯片的制造成本越低,可以显著降低边际成本。因此,制程的不断缩小推动硅片向大尺寸发展。

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先进制程占比上升,推动 12 英寸芯片需求提升。根据 IC insight 预测,2021-2024年,全球芯片制造产能中 10nm 以下制程占比迅速上升。2021 年,10nm 以下制程占比为 16%,2024 年将上升至 29%,而先进制程基本是以 12 英寸硅片为主,先进制程的发展将刺激 12 英寸硅片需求。

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半导体硅片新增需求集中在 8 英寸和 12 英寸,6 英寸及以下尺寸硅片需求稳定。根据 Omdia 的数据,6 英寸及以下尺寸的半导体硅片需求量在 2000 年到 2015 年之间曾下降趋势,2015 年后基本保持稳定;12 英寸硅片从 2001 年商业化生产后,需求量持续攀升;8 英寸硅片需求量波动相对较少。Omdia 预计 2021 至 2025 年,8 英寸和 12 英寸半导体硅片需求量将增加,6 英寸及以下尺寸硅片需求保持平稳。

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从出货片数来看,2021年12英寸占比 47.7%,8英寸占比 34.3%,小尺寸占比18.0%;从出货面积来看,2021 年 12 英寸占比 70.9%,8 英寸占比 22.6%,小尺寸占比 6.5%。

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基于成本考虑,分立器件继续沿用小尺寸,集成电路向大尺寸迁移。分立器件由于价格偏低,生产厂商对于投资大尺寸产线动力不足,目前仍以 6 英寸及以下硅片为主。集成电路使用大尺寸硅片带来的经济效益明显,比如 12 英寸面积是 8英寸的 2.25 倍,可使用率是 8 英寸的 2.5 倍左右,单片可产出的芯片数量增加,单个芯片的成本随之降低。若硅片尺寸增大带来的成本节约可以弥补投资大尺寸晶圆制造产线的成本,厂商便有向大尺寸迁移的动力。目前商用的最大半导体硅片尺寸是 12 英寸,18 英寸(450mm)硅片由于工艺和技术难度较大,目前还没有看到量产的可能。

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3、行业竞争格局:日系厂商占据主导,国产化率不足5%

根据SEMI的数据显示,2020年全球半导体硅片市场,主要被日本信越(28.0%)、日本胜高(21.9%)、中国台湾环球晶圆(15.1%)、韩国SK Siltron(11.6%)、德国Siltronic(11.3%,已被环球晶圆收购)这五大家所占据。即便是中国大陆最大的半导体硅片厂商——沪硅产业集团,在全球市场也只有约2.2%的市场份额,不过这也是沪硅产业首度上榜。整体的国产化率不足5%。

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国内市场主要被日本信越、日本胜高及环球晶圆等占据,中国大陆厂商市占率不足 5%。

目前,我国硅片企业目前在6吋硅片已具备较强实力,8吋与12吋产线也在积极建设和验证中。本土产业链公司包括沪硅产业、TCL中环、立昂微、神工股份、中晶科技、奕斯伟硅片技术、麦斯克、中欣晶圆、有研硅等。其中,截至今年9月,上海新昇的12吋硅片出货量已超340万片。

三、掩膜版:图形转移传送带,光刻复制的蓝本

掩膜版是微电子制造过程中的图形转移母版,是半导体行业生产制造过程中重要的关键材料。掩膜版的作用是将设计者的电路图形通过曝光的方式转移到晶圆上,从而实现批量化生产。作为光刻复制图形的基准和蓝本,掩膜版是连接工业设计和工艺制造的关键,掩膜版的精度和质量水平会直接影响最终芯片产品的优品率。

以晶圆制造为例,其制造过程需要经过多次曝光工艺,利用掩膜版的曝光掩蔽作用,在半导体晶圆表面形成栅极、源漏极、掺杂窗口、电极接触孔等。

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光掩膜制作对环境要求十分苛刻:1.要保证恒温恒湿环境:温度保持 23±0.5℃(10 级净化房),23±0.3℃(1 级净化房),湿度保持 50±5%RH;2.要保证高净化空间:大多数区域要求 10 级净化,局部区域要求 1 级净化(每立方英尺的空间内,直径大于 0.5 微米的尘埃颗粒数不能超过 1 个)。

在半导体制造产业链中,掩膜版位于中游。掩膜版的主要原材料包括掩膜基板、光学膜、化学试剂以及包装盒等辅助材料,掩膜版主要应用于平板显示、半导体、触控和电路板的制造过程。平板显示、半导体等中游电子元器件厂商的终端应用主要包括消费电子(电视、手机、笔记本电脑、平板电脑、可穿戴设备)、家用电器、车载电子、网络通信、LED 照明、物联网、医疗电子以及工控等领域。

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光掩膜生产工艺流程主要包括 CAM 图档处理、光阻涂布、激光光刻、显影、蚀刻、脱膜、清洗、宏观检查、自动光学检查、精度测量、缺陷处理、贴光学膜等环节。

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1、全球掩模版市场稳步提升,半导体用光掩膜版增长迅猛

全球半导体掩膜版市场保持高速发展的态势。根据 SEMI 数据,自 2012 年起,在经过连续七年的增长后,2019 年全球半导体掩膜版市场规模达到 41 亿美元;SEMI预计未来全球半导体掩膜版市场将保持稳健增长的态势,2021 年市场规模将超过44 亿美元。分地区来看,随着国内半导体产业占全球比重的逐步提升,国内半导体掩膜版市场规模也逐步扩大;根据 SEMI 数据,2019 年国内半导体掩膜版市场规模 1.44 亿美元,预计 2021 年将达到 1.95 亿美元(CAGR: 16.32%)。

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半导体掩膜版的技术更新主要体现在图形尺寸、精度及制造技术等方面。半导体技术节点由 130nm、100nm、90nm、65nm 等逐步发展到 28nm、14nm、7nm、5nm 等;半导体掩膜版也从激光直写光刻、湿法制程、光学检测等逐步发展为电子束光刻、干法制程、电子显微检测。同时,相移掩膜技术(PSM)、邻近光学效应修正(OPC)技术等也越来越多的应用于先进制程半导体掩膜版制造领域。

2020 年半导体光掩膜版需求首次超越 FPD 光掩膜版需求量。根据智研咨询数据,从光掩膜版需求量来看,IC 用光掩膜玻璃基板需求从 2015 年的 2.9 万平方米增长到 2020 年的 5.6 万平方米,FPD 光掩膜玻璃基板需求从 2015 年的 4.1 万平方米增长到 2020 年的 5.3 万平方米,IC 用光掩膜版首次超越 FPD(平板显示)光掩膜版需求量。

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半导体掩膜版以成熟制程为主,未来先进制程占比不断上升。整体来看,不同制程半导体掩膜版占比中,130nm 以上制程占比 54%,是目前主流制程;28-90nm 制程占比 33%,22nm 以下制程占比 13%,长期来看,随着先进制程不断发展,半导体掩膜版在先进制程占比会不断提升。

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2、行业竞争格局:美日韩厂商处于领先地位

掩膜版行业的主要厂商有美国的福尼克斯及其韩国子公司 PKL,韩国的 LG-IT,日本的 SKE、HOYA、Toppan(日本凸版印刷)、DNP,中国的台湾光罩、清溢光电、路维光电。

其中,LG-IT 和 SKE 的掩膜版产品主要布局在平板显示掩膜版领域,均拥有 G11 掩膜版生产线;Toppan 和台湾光罩掩膜版产品主要布局在半导体掩膜版领域;福尼克斯、DNP、HOYA 的掩膜版产品同时布局在平板显示掩膜版领域和半导体掩膜版领域,均拥有 G11 掩膜版生产线;清溢光电和路维光电的掩膜版产品种类多样,应用领域广泛,包括平板显示掩膜版、半导体掩膜版、触控掩膜版和电路板掩膜版等,其中路维光电拥有 G11 掩膜版生产线。

在平板显示掩膜版市场,美国、日本、韩国的掩膜版厂商处于垄断地位。根据Omdia 数据,2020 年全球各大掩膜版厂商平板显示掩膜版的销售金额前五名分别为福尼克斯、SKE、HOYA、LG-IT 和清溢光电,前五名掩膜版厂商的合计销售额占全球平板显示用掩膜版销售额的比例约为 88%。根据 Omdia,2020 年路维光电平板显示掩膜版市场份额位列全球第八,国内第二。

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在半导体领域,半导体掩膜版的主要参与者为晶圆厂自行配套的掩膜版工厂和独立第三方掩膜版生产商。

由于用于芯片制造的掩膜版涉及各家晶圆制造厂的技术机密,因此晶圆制造厂先进制程(45nm 以下)所用的掩膜版大部分由晶圆厂自己的专业工厂生产。比如英特尔、三星、台积电和中芯国际内部都有光掩模制造业务。

但对于 45nm 以上等比较成熟的制程所用的标准化程度更高的掩膜版,晶圆厂出于成本的考虑,更倾向于向独立第三方半导体掩膜版厂商进行采购。

根据 SEMI 数据,2019 年在半导体芯片掩膜版市场,晶圆厂自行配套的掩膜版工厂占据 65%的份额;在独立第三方掩膜版市场,半导体芯片掩膜版技术主要由美国福尼克斯、日本 DNP 和 Toppan 掌握,市场集中度较高。中国大陆厂商份额极低。

3、未来发展方向:掩膜版趋向大尺寸和高精度

FPD 掩膜版趋向大尺寸方向。近几年面板厂商积极投资与扩产高世代产线,面板尺寸的增大带动掩膜版朝大尺寸化方向发展,同时带动大尺寸掩膜版的需求增长。面板的世代数按照产线所应用的玻璃基板的尺寸划分,面板代数越高,玻璃基板尺寸越大,切割的屏幕数目越多,利用率和效益就越高。55 英寸及以上显示产品的需求增加引领全球平板显示产业向 8 代线和 10 代线迈进,8.5 代线可高效切割 32 吋、48 吋、55 吋电视,8.6 代线可高效切割 50 吋、58 吋电视,10.5 代线可高效切割 65 吋、75 吋电视。

除此之外,还可以采用套切等技术,生产出尺寸差异化的产品,后续可根据市场需求灵活调整。举例来说,8.5 代线切割 65 寸电视的效率为 64%,但是可以采用66 吋 32 吋电视套切,实现 94%的切割效率;8.6 代线切割 90 吋电视的效率为 74%,但是可以采用 90 吋 23.3 吋电视套切,实现 91%的切割效率;10.5 代线切割 65吋、75 吋电视都可以达到 90%以上的切割效率。

FPD 掩膜版趋向高精度方向。超高清视频产业发展前景广阔,带动掩膜版朝着高精细化的方向发展。《超高清视频产业发展行动计划(2019-2022 年)》指出:“到 2022 年,我国超高清视频产业总体规模超过 4 万亿元、4K 产业生态体系基本完善,8K 关键技术产品和产业化取得突破。8K 电视终端销量占电视总销量的比例超过 5%,同时超高清视频用户数达到 2 亿”。掩膜版作为平板显示制造过程的关键材料,对面板产品的精度起决定性的作用,这意味着高清化对掩膜版的精度提出更高要求。随着平板显示解析度不断提高,TFT 半导体主动层材料已逐步采用 LTPS/Oxide 技术,并朝着 LTPO(低温多晶氧化物)等新技术演变。对于掩膜版的配套技术要求,主要体现在曝光分辨率(最小线宽线缝)、最小孔或方块、CD 均匀性以及套合精度的不断提升。

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半导体领域,掩膜版技术更新主要体现在图形尺寸、精度及制造技术等方面。以掩膜版最小图形尺寸为例,180nm 制程节点半导体产品所对应的掩膜版最小图形尺寸约为 750nm,65nm 制程节点产品对应约 260nm,28nm 制程节点产品对应约120nm。可以看出,半导体掩膜版图形尺寸及精度随着半导体技术节点的演化而逐步提升,目前主流制程在 100-400nm 工艺区间。

掩膜版精度的提升,主要表现为对基板材料和生产工艺的进一步升级。在基板材料上,石英基板与苏打基板相比,具有高透过率、高平坦度、低膨胀系数等优点,通常应用于对产品图形精度要求较高的行业,因此基板材料逐渐由苏打基板转为石英基板。生产工艺方面,随着集成电路技术节点推动,对于掩膜版 CD 精度、TP精度、套合精度控制、缺陷管控等环节提出了更高的要求。

四、特种气体:制造工艺不可或缺的原材料,产品需求走向高端化

工业气体是现代工业的基础原材料,在国民经济中有着重要地位和作用。按制备方式和应用领域的不同,工业气体可分为大宗气体和特种气体。

 大宗气体根据制备方式的不同可分为空分气体和合成气体(空分气体是应用低温原理从空气中分离出组分的气体,合成气体是指由两种或两种以上的物质人工合成的气体),通常指纯度要求低于 5N(N 为 Nine 简写,5N 表示小数点后5 个 9,即 0.99999),产销量大的工业气体。

 特种气体指被应用于特定领域,对纯度、品种、性质有特殊要求的工业气体,根据具体应用不同可分为电子特气、高纯气体和标准气体,广泛应用于集成电路、显示面板、光伏能源、光纤光缆、新能源汽车、航空航天、环保、医疗等领域。

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电子特气是市场规模占比最高的特种气体。电子特气是纯度和质量稳定性最高要求最高的特种气体,纯度一般在 6N 以上。特种气体按应用领域分类可分为电子特气、医疗气体、标准气体、激光气体、食品气体、电光源气体等,电子特气在其中占比超过 60%。电子特气广泛应用于集成电路制造领域和半导体照明领域,其中集成电路制造中主要用于硅片制造、氧化、离子注入、CVD、刻蚀等环节,半导体照明中主要用于外延片制造和刻蚀环节。

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1、国内电子特气市场高速增长,在集成电路中占比最高

全球电子特气市场稳步扩大。根据 TECHCET 数据,2021 年全球电子特气市场规模约 45.4 亿美元,预计 2022 年将达到 50 亿美元,预计 2025 年将达到 60.2 亿美元,2017-2025 年 CAGR 值为 6.2%,全球电子特气市场逐年扩增。

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中国电子特气市场呈现高速增长的状态。根据中国半导体工业协会和 SEMI 数据,2021 年中国电子特气市场规模约 196 亿元,预计 2022 年将达到 220.8 亿元,2025年达到 316.6 亿元,2016-2025 年 CAGR 值为 14.2%,主要原因是下游行业的高速发展加大企业对电子特气的需求,而国家政策一直在大力发展我国半导体产业,在政策利好与需求升级的双轮驱动下,中国电子特气市场发展迅速。

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下游应用中,电子特气在集成电路中占比最高。根据亿渡数据,应用于集成电路的电子特气占比约为 43%,是电子特气占比最高的应用,此外,用于显示面板占比 21%,LED 占比 13%,光伏 6%。

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集成电路中用于刻蚀和掺杂的电子特气比例最高,分别占比 36%和 34%,主要系当前制程刻蚀环节以干法刻蚀为主,电子特气是主要刻蚀剂;掺杂环节电子特气是提供掺杂元素的主要掺杂剂,所以占比较高。

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2、行业竞争格局:高端气体被国外巨头垄断,国产替代需求提升

中国电子特气市场主要被国外气体巨头垄断。市场竞争方面,全球电子特气市场市场规模占比最高的是德国林德、法国液化空气、美国空气化工和日本大阳日酸四家公司,2020 年分别占比 20.2%、15.5%、6.6%、5.5%,共 47.7%。

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中国电子特气市场方面也由四家公司垄断,市场份额分别为空气化工24.8%、林德 22.6%、液化空气 22.3%、大阳日酸 16.1%,共 85.8%。国产厂商占比不到15%。

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国产特种气体主要劣势在高端气体领域落后于国外。目前国产特种气体产品主要集中于在中低端产品市场,在集成电路制造应用更广的高端特气市场,国产厂商存在产品品类不齐全,品种纯度不高等问题,因此国产电子特气主要集中于清洗和部分蚀刻、光刻低精度环节,对掺杂、沉积以及其他刻蚀、光刻的高精度环节,主要依赖海外进口。

国产特种气体具备运输优势和价格优势。特种气体属于危险化学品,对于产品的包装和运输有很高要求,一旦发生泄漏会引起严重的后果,因此进口特种气体存在多种不便。如国家进出口管制、交付周期长、容器规格要求高、运输不便、售后困难等。而国产特种气体不存在进出口管制问题,运输和售后也更为便利。价格方面国产特气相较于国外更低,约为 60%-80%,有助于下游企业降低生产成本。

国家政策大力扶持,助力特种气体国产化。从 2009 年开始,国家不断出台新的政策法规,来支持工业气体行业的发展,重点支持特种气体,尤其是应用于集成电路的电子级特种气体的相关研发和产业化。进入十四五后,中国工业气体工业协会和工信部先后颁布了《中国气体工业“十四五”发展指南》和《“十四五”原材料工业发展规划》,进一步助力特种气体的国产替代发展。

目前中国大陆半导体领域对于电子特气的需求主要还是依赖于进口,国产电子特气厂商主要有华特气体、金宏气体、绿菱气体、凯美特气、三孚股份、和远气体、雅克科技、昊华科技、正帆科技、巨化股份等厂商,南大光电通过控股的飞源气体也有供应电子特气,整体国产化率不到15%。

五、光刻胶:集成电路制造之纽带,光刻刻蚀衔接链

光刻胶是半导体制造光刻工艺的关键材料。光刻胶为利用光化学反应进行微细加工图形转移的媒体,由成膜剂、光敏剂、溶剂和添加剂等主要成分组成的对光敏感的感光材料,被广泛应用于光电信息产业的微细图形线路的加工制作,是微细加工技术的关键性材料。

光刻胶按其形成的图像分类有正性、负性两大类。在光刻胶工艺过程中,涂层曝光、显影后,曝光部分被溶解,未曝光部分留下来,该涂层材料为正性光刻胶。如果曝光部分被保留下来,而未曝光被溶解,该涂层材料为负性光刻胶。

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光刻胶成分主要包括溶剂、光引发剂、成膜树脂和添加剂。其中溶剂主要起溶解作用,占比 50%-90%;光引发剂是核心部分,在特定光辐射能下回产生化学反应,占比 1%-6%;成膜树脂起粘合作用,占比 10%-40%;添加剂分为单体和助剂,主要对光化学反应和整体性能起调节作用,占比小于 1%。

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光刻胶按照用途主要分为半导体用光刻胶、平板显示用光刻胶和 PCB 光刻胶三类。自 1959 年被发明以来就应用于半导体产业,是半导体工业最核心的工艺材料之一;随后光刻胶被改进运用到印制电路板的制造工艺,成为 PCB 生产的重要材料;二十世纪 90 年代,光刻胶又被运用到平板显示的加工制作,对平板显示面板的大尺寸化、高精细化、彩色化起到了重要的推动作用。

不同品类半导体用光刻胶应用于不同制程节点。光刻胶根据对应波长,主要品类分为紫外光谱(300-450nm)、g-line(436nm)、i-line(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)和 EUV(13.5nm)。目前 g-line、i-line 广泛应用于 0.5um 以上和0.5-0.35um 制程,KrF 多应用于 0.25-0.13um,ArF 应用于 130-7nm,EUV 应用于7nm 及以下。

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1、光刻胶市场规模稳定扩增,细分市场需求趋向于高端化

全球光刻胶市场与国内光刻胶市场稳定扩增。根据 reportlinker 数据,2019 年全球光刻胶市场规模为 82 亿美元,预计 2021 年市场规模约 92 亿美元,预计 2026年将达到 123 亿美元,2019-2026 年 CAGR 值为 5.9%。根据中商情报网数据,2017年中国光刻胶市场规模为 58.7 亿元,2021 年中国光刻胶市场规模为 93.3 亿元,预计 2022 年达到 98.7 亿元,2017-2022CAGR 值为 10.9%,保持稳定增长。

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光刻胶细分市场中,KrF、ArF 市场占比最高。截至 2021 年,KrF、ArF、ArFi 市场规模为 6.9 亿美元、1.96 亿美元和 7.59 亿美元,市场占比 34.7%、9.9%和 38.2%;g&i line 光刻胶市场 2.92 亿美元,市场占比 14.7%;EUV 光刻胶市场为 0.51 亿美元,市场占比 2.6%,KrF、ArF 光刻胶市场占比最高,覆盖了 250nm-7nm 的绝大部分制程。

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出货量 EUV 光刻胶 CAGR 增速最快,KrF、ArFi 保持高增速。根据 TECHCET 数据,2020 年 g&i line、KrF、ArF、ArFi、EUV 光刻胶出货量分别为 3658 千升、3307千升、549 千升、1190 千升、18 千升,预计到 2025 年将分别增长至 4048 千升、4965 千升、602 千升、1630 千升、145 千升,2020-2025 年 CAGR 中,EUV 光刻胶增速最高为 51.8%,KrF、ArFi 分别为 8.5%和 6.5%,g&i line、ArF 增速为 2%、1.8%。

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下游出货量应用于 Logic 和 NVM 出货量增长较多,DRAM 保持持平。从下游出货情况看,2021 年 Logic、DRAM、NVM 出货量分别为 5954、1565、1853 千升,预计到2025 年将分别增加至 6774、1615、3002 千升。Logic 和 NVM 出货量增长较多,主要系先进制程发展增加了光刻步骤数及存储器的快速放量。

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2、光刻胶产业从欧美转向日本,核心市场被国外占据

光刻胶产业从欧美转向日本。在集成电路制造业精细加工从微米级、亚微米级、深亚微米级进入到纳米级水平的过程中,光刻胶起着举足轻重的作用,全球光刻胶供应市场高度集中,核心技术一直掌握在日、美等国际大公司手中。光刻胶产业早先被欧美厂商主导,1950 年,德国 Kalle 公司率先发明 g 线、i 线光刻胶;1980 年,IBM 研制成功 KrF 光刻胶技术;1995 年,东京应化研发出 KrF 正性光刻胶迅速开始占领光刻胶市场;此后,日本企业开始统治光刻胶市场。JSR 和东京应化先后于 2000 和 2001 年推出了 ArF 光刻胶产品;2002 年,东芝开发出 22nm的低分子 EUV 光刻胶。

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光刻胶核心市场主要被国外厂商占据。截止 2021 年,美日韩企业占据了 88%的光刻胶市场份额,其中东京应化 27%、陶氏 17%、合成橡胶 13%、住友化学 12%、韩国东进 11%、富士胶片 8%。光刻胶组分决定了光刻胶的质量,也是光刻胶技术壁垒所在。

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国内知名光刻胶企业包括南大光电、晶瑞电材、彤程新材、上海新阳等。由于我国光刻胶产业起步较晚,目前市场份额占比较低。

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3、国产光刻胶国产替代空间广阔,配套材料市场增长迅速

国内光刻胶生产集中于 PCB 光刻胶,半导体光刻胶和平板显示光刻胶具有光阔的国产替代空间。根据 Research in China 数据,全球光刻胶市场三大组成部分是半导体光刻胶、平板显示光刻胶和 PCB 光刻胶,市场份额分别为 23.3%、25.9%和23.6%。半导体光刻胶在三者中是技术难度相对高、成长性好的细分市场。

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目前我国半导体光刻胶和平板显示光刻胶制造能力仍较弱,只占整体生产结构的 2%和3%,主要生产技术水平较低的 PCB 用光刻胶,占整体生产结构中的 94%,半导体光刻胶及面板光刻胶国产替代空间广阔。

晶圆厂扩产叠加贸易摩擦,刺激光刻胶国产替代需求。2022-2025 年是国内晶圆厂产线投产期,外部压力增大,国产光刻胶进入认证窗口。受益于 5G 通讯、新能源汽车等行业快速发展,半导体行业进入迅速扩张期。据 SEMI 统计,预计至 2024年底,中国国内将建立 31 座大型晶圆厂,主要集中于成熟制程,随着晶圆厂产线投产,光刻胶验证进入导入期。另一方面由于中美贸易冲突,刺激光刻胶国产替代需求,国产光刻胶发展迎来机遇。

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光刻胶配套材料市场规模不断提升。在光刻胶使用过程中,光刻胶配套材料是光刻胶使用过程中不可或缺的一部分。包括稀释剂、显影液、漂洗液、蚀刻液、去胶液等,主要采用基础化工原料,包括氢氟酸、异丙醇、硝酸、氢氧化钾、四甲基氢氧化铵、无水乙醇、双氧水、硫酸、氢氧化钠等制造。根据 SEMI 数据,全球半导体光刻胶配套材料市场规模稳步增长,2016 年为 19.1 亿美元,2021 年达到了 32.3 亿美元,CAGR 为 11.1%。

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六、湿电子化学品:保证工艺精度的重要材料,国产替代任重道远

湿电子化学品又称工艺化学品,是微电子、光电子湿法工艺(主要包括湿法刻蚀、湿法清洗)制程中使用的各种液体化工材料。湿电子化学品按照大类一般可划分为通用化学品(通常为超净高纯试剂)和功能性化学品。湿电子化学品主要用于半导体、光伏太阳能电池、LED 和平板显示等电子信息产品的清洗、蚀刻等工艺环节。

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半导体行业由于精细加工要求,对湿电子化学品要求更高。SEMI 将半导体用湿电子化学品按金属杂质、控制粒径、颗粒个数和应用范围等指标制定国际 5 个等级分类标准。不同线宽的集成电路制程工艺中必须使用不同规格的超净高纯化学品进行蚀刻和清洗,且湿电子化学品的纯度和洁净度对集成电路的成品率、电性能及可靠性均有十分重要的影响。

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超净高纯试剂是湿电子化学品的重要组成部分,占比 88.2%。超净高纯试剂按照性质划分可分为:酸类、碱类、有机溶剂类和其它类,主要包括双氧水、氢氟酸、硫酸、磷酸、盐酸、硝酸、氢氧化铵等。根据中国电子材料行业协会统计,湿电子化学品中占比较高的是双氧水(18.9%)、氢氟酸(18.1%)、硫酸(17.3%)、硝酸(16.2%)等;在半导体加工领域,需求量较大的产品是硫酸(32.8%)、双氧水(28.1%)、氨水(8.3%)、主要应用于晶圆的清洗环节。

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1、湿电子化学品市场稳步增长,中国市场扩张迅速

全球湿电子化学品市场规模稳步增长,2025 年需求量增加 50%以上。根据智研咨询数据,全球湿电子化学品市场规模 2011 年为 25.3 亿美元,2020 年为 56.8 亿美元,2011-2020 年 CAGR 值 9.4%。需求量方面,根据中国电子材料行业协会数据,2021 年全球湿电子化学品需求量为 458.3 万吨,半导体需求量 209 万吨,显示面板需求量 167.2 万吨,光伏等其他需求量 82.1 万吨。

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预计到 2025 年全球湿电子化学品需求量将达到 697.2 万吨,半导体需求量 313 万吨,显示面板需求量 244万吨,光伏等其他需求量 140.2 万吨,总需求量将增加 50%以上。

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湿电子化学品中国市场快速增长,2025 年需求量超过 70%。中国湿电子化学品市场规模 2011 年为 27.8 亿元,2021 年为 137.8 亿元,CAGR 值 17.3%,高于全球平均增速,预计 2022 年将达到 163.9 亿元,2028 年将达到 301.7 亿元。2021 年中国湿电子化学品需求量为 213.5 万吨,半导体需求量 70.3 万吨,显示面板需求量77.8 万吨,光伏需求量 65.4 万吨。

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预计到 2025 年中国湿电子化学品需求量将达到 369.6 万吨,半导体需求量 106.9 万吨,显示面板需求量 149.5 万吨,光伏需求量 113.1 万吨,总需求量超过 70%。

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2、晶圆厂扩产刺激需求,贸易摩擦加速国产替代

晶圆厂扩产刺激湿电子化学品材料需求。8 吋及 12 吋产能扩张带动高纯试剂需求进一步提升,12 吋晶圆制造过程中所使用的湿电子化学品约为 24 千克/片,8 吋晶圆消耗量约为 12 吋晶圆消耗量的五分之一,约为 5 千克/片左右,6 吋晶圆消耗量约为 12 吋晶圆消耗量的八分之一左右,约为 3 千克/片。

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中美贸易摩擦,推动湿电子化学品国产替代进程。湿电子化学品在全球半导体市场规模占比 6.7%,约 20 亿美元,国内市场规模约 6 亿美元。

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在湿电子化学品的主要应用中,半导体用湿电子化学品国产化率较低,约为 20%,显示面板国产化率约为 40%,具有广阔的国产替代空间。近年中美贸易持续摩擦,会对电子材料的供应格局产生一定影响,刺激湿电子化学品的国产替代需求,推动国产替代进程。

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3、国外巨头占据湿电子化学品高端市场,国产替代任重道远

目前全球范围内从事湿电子化学品研究开发及大规模生产的厂商主要集中在美国、德国、日本、韩国、中国台湾等地区。主要企业包括德国巴斯夫、美国亚什兰化学、Arch 化学,日本关东化学、三菱化学、京都化工、住友化学,中国台湾新林科技,韩国东友精细化工等。前瞻产业研究院数据显示 2019 年中国国内在国内湿电子化学品市场供应分布仅占 9%,欧美企业和日本企业占比超过 60%。

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我国湿电子化学品多集中于低端市场,高端市场亟需突破。国内湿电子化学品主要供应光伏市场、低代线平板显示市场和 6 寸及以下半导体市场,G6、G8 代线平板显示和 8 寸及以上半导体市占率仅为 10%。我国湿电子化学品由于起步较晚,品类丰富度及提纯技术水平相对落后于国外领先企业,因此多集中于低端市场,但国内厂商积极开拓高端湿电子化学品市场,头部厂商已具备了生产 G4、G5 标准的部分湿电子化学品品类的能力,同时结合运输、价格和售后等方面的本土化优势,未来湿电子化学品的高端市场国产替代空间广阔。

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总结来说,国产湿电子化学品市场主要问题在于品种单一,纯度不足,在半导体所需的 G4、G5 的超净高纯试剂市场占比偏低,国内半导体用湿电子化学品市场中,欧美日韩企业占比近 80%,国产化率仅约 10%。

目前国内的湿电子化学品企业主要有巨化股份(中巨芯)、上海新阳、多氟多、江化微、晶瑞电材、湖北兴发集团、飞凯材料、盛剑环境、石大胜华等,不过与全球头部湿电子化学品厂商所提供的产品仍有一定的差距。

七、CMP材料:抛光液&抛光垫,平坦化技术核心材料

CMP 是一种化学腐蚀和机械研磨相结合的平坦化半导体表面工艺,是集成电路晶圆制造中实现晶圆全局均匀平坦化的关键工艺。半导体制造分为前道工艺和后道工艺,其中前道工艺指在晶圆上形成器件的工艺过程,也称晶圆制造,后道工艺指将晶圆上的器件分离,封装的工艺过程。前道工艺共有七大工艺步骤,分别为氧化/扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、清洗与抛光、金属化,通过循环重复上述工艺,最终在晶圆表面形成立体的多层结构,实现整个集成电路的制造。

在晶圆制造的各个阶段,晶圆表面都要进行平坦化处理以保持完全平坦。目的是去除多余的材料,或者是为了建立极其平坦的基底,以便添加下一层电路特征。如果晶圆制造过程中无法做到纳米级全局平坦化,既无法重复进行光刻、刻蚀、薄膜和掺杂等关键工艺,也无法将制程节点缩小至纳米级的先进领域,因此随着超大规模集成电路制造的线宽不断细小化而产生对平坦化的更高要求需求,CMP在先进工艺制程中具有不可替代且越来越重要的作用。

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CMP 抛光垫和抛光液是化学机械抛光环节的核心耗材。CMP 工艺过程中涉及的耗材包括:抛光机、抛光液、抛光垫。根据 SEMI 2018 年数据,CMP 抛光材料在集成电路制造材料成本中占比 7%,其中 CMP 抛光垫、CMP 抛光液、CMP 清洗液分别占比 33%、49%、5%,合计占 CMP 抛光材料成本的 85%以上。

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全球晶圆厂积极扩产提升 CMP 材料需求。根据国际半导体协会 SEMI 数据,2021年全球晶圆制造材料市场同比增长 15.5%,达到 404 亿美元,晶圆封装材料市场规模同比增长 16.5%,达到 239 亿美元。硅、湿化学品、CMP 和光掩模领域在晶圆制造材料市场中增长强劲。

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1、制程缩小提高 CMP 次数,封装工艺进步拓宽 CMP 边界

晶圆制程缩小需大幅提高 CMP 次数,导致 CMP 抛光耗材在晶圆制造过程中消耗量增加。根据 Cabot 微电子数据,14 纳米以下逻辑芯片工艺要求的关键 CMP 工艺将达到 20 步以上,使用的抛光液将从 90 纳米的约 5 种抛光液增加到 20 余种,种类和用量迅速增长;7 纳米及以下逻辑芯片工艺中 CMP 抛光步骤甚至可能达到 30 步,使用的抛光液种类接近 30 种。CMP 的应用边界,从最初的 STI(浅沟槽隔离层)拓展到 ILD(层间介质)、Metal(金属互连层)、TM(顶层金属)等。

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目前逻辑芯片正向 7nm 以下先进制程发展,台积电 5nm 产品已于 2020 年下半年实现量产出货,而芯片制程从成熟制程 28nm,先进制程 14nm 上升到 7nm 后,CMP抛光步骤大幅增加。

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存储芯片的封装工艺进步,让 CMP 工艺从前道延展到后道。存储芯片由 2D NAND向 3D NAND 技术变革,也会使 CMP 抛光步骤数近乎翻倍。集成电路 2D 存储器件的线宽已接近物理极限,NAND 闪存已进入 3D 时代。随着系统级封装等新的封装方式的发展,技术实现方法上出现了倒装、凸块、晶圆级封装、2.5D 封装和 3D 封装等先进封装技术。目前 64 层 3D NAND 闪存已进入大生产,232 层闪存已经推出,目前处于扩产周期。

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此外,TSV 硅通孔技术作为一项高密度封装技术也需要用到 CMP。TSV 正在逐渐取代目前工艺比较成熟的引线键合技术,被认为是第四代封装技术。由于 TSV 技术中需要使用 CMP 工艺,进行通孔大马士革铜工艺淀积后的正面抛光,用来平坦化和隔开另一面沉积的导体薄膜,便于金属布线,也会用于晶圆背面金属化和平坦化的减薄抛光,因此 CMP 抛光材料将在先进封装工艺中寻找到新的市场空间。

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2、国产替代突破技术壁垒,国内厂商缩短验证周期

①抛光垫:

抛光垫的自身硬度、刚性、可压缩性等机械物理性能对抛光质量、材料去除率和抛光垫的寿命有着明显的影响。硬度即定期保持形状精度的能力,采用硬质抛光垫可以获得较好的工件平面度,使用软质抛光垫可以加工变质层和表面粗糙度都很小的抛光平面。可压缩性决定抛光过程中抛光垫和工件表面的贴合程度,影响材料去除率和表面平坦化程度。可压缩性越大,贴合越紧密,去除率越高。目前,国际先进厂家在 3D-NAND 等高要求的生产环节中应用固定研磨颗粒的抛光垫,其产品融合了原本存在于抛光液的抛光颗粒,抛光垫重要性有望进一步提高。

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CMP 抛光垫行业具有技术密集、资金密集、客户验证壁垒高的特点,导致抛光垫全球市场集中度高,主要被陶氏化学占据,占全球 79%的市场份额,美日 5 大厂商占据 91%的份额。过去,国内抛光所用 CMP 抛光垫,几乎全部依赖进口。目前中国国内仅鼎龙股份有能力大批量提供,是国内唯一一家全面掌握抛光垫全流程核心研发和制造技术的 CMP 抛光垫供应商。目前陶氏化学垄断了中国近 90%的 CMP抛光垫市场供给,是国产替代的主要对象。

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抛光垫行业的壁垒主要包括:技术壁垒、专利壁垒和客户认证壁垒。技术上,抛光垫需要持续试错,形成稳定有效的材料配方、制作工艺及设计图案,从而获得较好的抛光速率和抛光效果,在各项指标上达到较好的平衡。

专利方面,国产抛光垫目前专利技术仍积累较浅。日本、美国在抛光垫领域技术积累全球领先,中国排名第 5。据《集成电路制造业用高分子聚合物抛光垫专利分析》一文统计,截至 2017 年,在全球 2918 个核心专利族中,有效专利 1511 个。其中日本有效专利占比 41%,美国占比 33%,处于领先地位。中国有效专利数占比13%,排名第四。公司截止 2021 年底已获得授权的专利 686 项,其中抛光垫制造及工艺相关发明及创新有效专利约 54 项,与国际领先企业仍有一定差距。

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②抛光液:

抛光液由去离子水、磨料、PH 值调节剂、氧化剂以及分散剂等添加剂组成。在抛光过程中,抛光液中的氧化剂等成分与硅片表面材料产生化学反应并在表面形成化学反应薄膜,后由抛光液中的磨粒在压力和摩擦的作用下将其去除,从而实现抛光。根据应用环节、配方中磨粒、PH 值的不同,抛光液可以进行不同分类。

按照应用环节分类:可分为硅抛光液、铜抛光液、阻挡层抛光液、钨抛光液、钴抛光液、介质层(TDL)抛光液、浅槽隔离(STI)抛光液和硅通孔(TSV)抛光液。

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按照配方中磨粒分类:可分为二氧化硅、氧化铈、氧化铝磨粒等。二氧化硅磨粒优点是活性强、易于清洗、分散性及选择性好,多用于硅及层间氧化硅介电层的抛光,缺点是硬度大,容易对硅片表面造成损伤,且抛光效率低;氧化铝磨粒优点是抛光效率高,缺点是硬度大、选择性低、易出现团聚,因此抛光液中常需加入各类稳定剂和分散剂,导致成本上升;氧化铈磨粒优点是硬度低,抛光效率高,平坦度高,清洁无污染,缺点是团聚严重,需加入各类稳定剂和分散剂,且铈属于稀有金属,成本偏高。

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按照 PH 值分类:可分为酸性抛光液和碱性抛光液。酸性抛光优点是抛光效率高、可溶性强,多用于对铜、钨、铝、钛等金属材料进行抛光,缺点是腐蚀性强导致选择性低,易降低抛光设备的寿命及可靠性,所以需要在抛光液中添加抗蚀剂(BTA)提高选择性,但 BTA 对抛光液的稳定性会造成一定影响;碱性抛光液优点是腐蚀性低、选择性高,多用于抛光硅、氧化物及光阻材料等非金属材料的抛光,缺点是抛光效率较低,原因是不容易找到在弱碱性中氧化势高的氧化剂。

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抛光液在材料成本中占比最高。根据 SEMI 数据,全球 CMP 材料成本占比中,抛光液用量最大,其中抛光液占比 49%,抛光垫占比 33%,合计占比 82%,钻石碟占比9%,清洗液占比 5%。根据 Cabot Microelectronics 和 TECHCET 数据,全球 CMP 抛光液 2016 年市场规模为 11 亿美元,2021 年为 18.9 亿美元,2016-2021 年 CAGR值为 11.4%。预计 2026 年将达到 25.3 亿美元。

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根据观研天下数据,2018 年 TOP5 厂商为 Cabot Microelectronics、Versum、日立、富士美、陶氏,合计占市场 80%以上市场份额。然而抛光液市场格局有分散化趋势,国产替代机会更大。美国的 Cabot Microelectronics 是全球抛光液市场龙头,2000 年市占率高达 80%,不过到 2017 年 Cabot Microelectronics 全球市占率降低至 36%。其他主要供应商包括 Hitachi、Fujimi、Versum 等,市占率分别为 15%、11%、10%。抛光液市场分散程度相对较高,多元化发展趋势明显,国产厂商实现替代机会较大。目前安集微电子已经形成替代,但全球市占率仅有 2%。

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从国内CMP抛光液市场格局来看,Cabot Microelectronics市场份额高达29.0%,安集微电子市场份额为13%,紧随其后的则是Hitachi、Fujimi、Versum、富士胶片、陶氏等,市场份额分别为12.0%、5.0%、4.0%、3.0%、3.0%。

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国内厂商加快验证周期。核心客户认证体系壁垒方面,由于抛光垫和抛光液对芯片良率影响较大,但成本占比较相对较低,在稳定而成熟的 FAB 厂中,为确保芯片良率,一般很少替换原有稳定的供应商。半导体 Fab 厂具有资本密集和技术密集的属性,对于上游半导体原材料的稳定性和良品率有极高的要求,因此对于原材料供应商认证门槛极高、认证周期较长。目前在半导体产业链安全可控的大环境下,国内厂商速度加快,验证周期缩短到半年左右。

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八、靶材:PVD 沉积核心材料,薄膜沉积重要组成部分

靶材是 PVD 的核心材料。物理气相沉积(Physical Vapor Deposition)技术是制备电子薄膜材料的主要技术之一,是利用物理方法在基板表面沉积薄膜的方式,根据沉积方式的不同,PVD 分为溅射法和蒸镀法,被沉积的材料称为靶材。靶材是 PVD 的核心材料。

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溅射法是利用离子源产生的离子,在真空中加速聚集成高速离子流,轰击固体表面,离子和固体表面的原子发生动能交换,使固体表面的原子离开靶材并沉积在基材表面,从而形成纳米(或微米)薄膜。被轰击的固体是 PVD 沉积薄膜的原材料,称为溅射靶材。靶材质量的好坏对薄膜的性能起着至关重要的决定作用。

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真空蒸发镀膜是指在真空条件下,利用膜材加热装置(称为蒸发源)的热能,通过加热蒸发某种物质使其沉积在基板材料表面的一种沉积技术。被蒸发的物质是用真空蒸发镀膜法沉积薄膜材料的原材料,称之为蒸镀材料。真空蒸发镀膜技术具有简单便利、操作方便、成膜速度快等特点,主要应用于小尺寸基板材料的镀膜。

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按照应用不同、化学成分不同、形状不同,靶材产品有三种分类方式。按下游应用可分为半导体靶材、平面显示靶材、太阳能靶材和其他类;按形状不同可分为长靶、方靶和圆靶;按照化学成分不同,可分为金属靶材、化合物靶材和合金靶材。

靶材产业链可以分为金属提纯、靶材制造、镀膜和终端应用四个环节。首先是金属提纯,原材料铝、铜、钽、钛等金属以金属提纯方式形成高纯金属,作为靶材制造的原材料;第二环节是靶材制造,将高纯金属通过加工形成溅射靶材,制造好的靶材包括靶坯和背板两部分,靶坯是溅射靶材的主体,背板起固定靶坯的作用。第三个环节是镀膜,以溅射镀膜为例,以高速离子束流轰击靶坯,溅射出靶坯表面原子,沉积于基板从而制成电子薄膜,电子薄膜按照应用不同有不同分类;最后将薄膜材料应用于半导体芯片、平板显示器、信息存储、光学元器件、薄膜太阳能等不同领域。

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靶材市场主要分布于平板显示、记录媒体、太阳能电池和半导体四大领域,其中半导体占比约 10%。根据华经产业研究院数据,截至 2021 年,四大领域靶材市场占比约 94%,其中平板显示、记录媒体和太阳能电池占比较高,分别为 34%、29%和 21%,半导体占比约 10%。

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1、半导体靶材市场发展迅速,制造与封装不可或缺

根据 SEMI 数据,全球半导体靶材市场规模整体保持增长态势。2021 年为 16.95亿美元,同比增长超过 20%,其中晶圆制造用靶材 10.5 亿美元,封装用靶材 6.45亿美元。

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根据智研咨询数据,2021 年中国半导体靶材市场约,预计 2022 年中国半导体靶材的市场规模将达到 75.1 亿元,同比增长 19%,2018-2022 年,中国半导体靶材市场规模一直保持较快增速,CAGR 值为 22.1%。一方面系消费电子、5G、新能源等半导体下游应用快速发展,另一方面由于国内政策推动了半导体产业进一步向国内转移。

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靶材在晶圆制造与芯片封装中均有应用。在晶圆制造过程中,靶材主要用于晶圆导电层、阻挡层的沉积以及金属栅极的溅镀,在封装过程中主要用于贴片焊线过程中的镀膜。其中铜靶、铝靶常作为导电层,钽靶、钛靶常作为阻挡层,镍铬合金靶、钴靶、钨钛合金靶等常作为接触层。

铜、钽靶材受益于先进制程发展,铝、钛靶材受益于汽车电子发展。在晶圆制造过程中,在 110nm 以上的技术节点,常以铝和钛作为一组导电层和阻挡层来使用,进入 110nm 以下的技术节点后,出于对更高导电性能的要求,用铜替换铝作为导电层,用钽替换钛作为阻挡层。因此,先进制程的发展将刺激铜靶、钽靶的需求量增加,而汽车电子所需的功率芯片通常 110nm 以上制程即可满足,铝靶、钛靶将受益于汽车电子发展。

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2、靶材市场国产化率偏低,国内头部企业成长迅速

目前国内靶材市场 80%被美日企业所垄断,国产化率不足 20%。由于溅射镀膜工艺起源于国外,国外靶材公司相较于国内拥有更长时间的成长历史和技术积淀,在靶材市场处于主导地位,根据华经产业研究院数据,截至 2021 年,美日头部靶材企业占据了全球市场的 80%,其中 JX 日矿金属、霍尼韦尔、东曹和普莱克斯分别占比 30%、20%、20%和 10%。国内企业虽然处于国产替代初期,但头部厂商成长迅速,目前江丰电子、有研新材、阿石创、隆华科技、映日科技等在下游各领域国产企业均打开了一定市场。

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国家政策推进靶材发展,推动靶材国产化。近年来,国家不断出台新的政策法规,来推动靶材行业国产化的发展,特别是集成电路产业的靶材国产化。2021 年颁布的《“十四五”规划和 2035 年远景目标纲要》中,重点提到了集成电路攻关方面,高纯靶材为重点攻关方向之一,国家政策的大力扶持进一步助力靶材产业的国产替代发展。

在国家政策的支持下,国内企业在高纯靶材市场已打开一定空间,江丰电子、有研新材等厂商在国内外多家头部厂商已经具备一定的高纯靶材供货规模,随着晶圆集成度提升,靶材需求将继续向多品类、高纯度发展。

九、封装材料(该部分为芯智讯增加)

芯片在封装过程中,需要用到很多的封装材料,比如芯片粘结材料、键合线、引线框架、封装基板、陶瓷封装材料、塑封材料等。

日本是封装材料主要生产国,而包括美国和中国在内的其他国家也占有一定的市场份额。

比如在引线框架方面,韩国SK Material、日本Mitsui High-Tec,、中国香港ASM Pacific、日本Shinko、中国康强电子、中国华龙电子、中国永志电子等。

在键合线方面,主要有键合金线、键合铜线、键合银线、键合铝线。主要供应商有日本Tanaka Denshi、日本Nippon Micro、中国北京达博有色金属焊料(Doublink)、中国康强电子、中国烟台一诺电子材料、中国山东科大鼎新电子(KDDX)等。

在陶瓷封装材料方面,主要供应商为美国Amkor、美国Quik-Pak、日本特殊陶业株式会社(NGK/NT) 、英国Alent、日本Hitachi、日本Kyocera、韩国LG、日本Sumitomo 、德国BASF、日本Mitsui High-Tec、德国Henkel 、日本Toray、日本Tanaka 、中国宜兴电子器件总厂、中国三环集团、中国中瓷电子等。

在封装基板方面,这个前面在封测部分已经有介绍,主要的封装基板供应商包括:日本揖斐电(Ibiden)、中国台湾南亚科科技、日本神钢(Shinko)、韩国三星、中国台湾欣兴电子(Unimicron)、中国深南电路、中国珠海越亚和中国安捷利(AKM Electronics Industrial)。

在塑封材料(Encapsulation resins)方面,主要供应商包括日本Sumitomo、德国Henkel、日本Hitachi 、中国江苏中鹏新材料、中国飞凯材料、中国华海诚科新材料、中国衡所华威电子( Hysol Huawei)、中国宏昌电子等。

芯片粘结材料(Die attach materials),是采用粘结技术实现管芯与底座或封装基板连接的材料,在物理化学性能上要满足机械强度高、化学性能稳定、导电导热、低固化温度和可操作性强的要求。在实际应用中主要的粘结技术包括银浆粘接技术、低熔点玻璃粘接技术、导电胶粘接技术、环氧树脂粘接技术、共晶焊技术。环氧树脂是应用比较广泛的粘结材料,但芯片和封装基本材料表面呈现不同的亲水和疏水性,需对其表面进行等离子处理来改善环氧树脂在其表面的流动性,提高粘结效果。由于环氧树脂也是芯片主要的塑封材料,因此以上塑封材料的主要的供应商大多也属于芯片粘结材料的供应商,值得一提的是中国烟台德邦科技股份(Darbond)是国内专业提供针对集成电路用的固晶胶、邦定胶、导电胶、底部填充胶的厂商。

编辑:芯智讯-浪客剑        资料来源:国信证券、芯智讯