中国半导体十大新材料替代现状

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　　虽然中国市场巨大，但是在半导体领域目前仍然处于关键器件被海外“卡脖子”的状态。在2019年华为事件后，中国已经开始加速国产链的重塑，几乎所有科技龙头，甚至部分海外龙头也在加快国产链公司导入。 

▲国产替代空间测算

　　2、市场持续增长 

　　上看，我国半导体市场规模超万亿，半导体产业已成为国家战略新兴产业的重要部分，而超三分之二的半导体产品需从国外进口，高端领域几乎完全依赖进口情况急需改变，尤其是2018年中美贸易摩擦以来，中兴、华为事件更是给中国半导体行业敲响警钟。

　　半导体产业呈现技术密集、资本密集及和产集群的特点。半导体核心产业链包括半导体产品的IC设计、IC制造和IC封测。目前已经形成EDA工具、IP供应商、IC设计、Foundry厂、封测厂的高效稳定的深度分工模式。目前全球半导体正在经历从中国台湾向中国大陆的第三次产业转移，历史上看，前两次的行业转移分别发生在20世纪80年代和20世纪90年代末，分别从美国本土到日本和美日向韩国、中国台湾的转移。目前我们已经看到设计、制造、设备等半导体环节已经逐步的向中国转移。

▲半导体上下游产业链，以及半导体材料在产业链所处位置

▲半导体材料分类

　　简单来看，半导体制造所需要的材料主要分布在一下四步之中： 

　　1.掺杂/热处理：溅射靶材，湿法化学品、化学气体，CMP抛光垫和抛光液； 

　　2.蚀刻/清洁：掩模/光罩，溅射靶材，CMP抛光垫和抛光液； 

　　3.沉积：化学气体，CMP抛光垫和抛光液； 

　　4.光刻：掩模/光罩、光刻胶、光刻胶显影液、熔剂、剥离剂。

　▲晶圆制造过程所需材料

　　晶圆制造材料包含硅、掩膜版、光刻胶、电子气体、CMP抛光材料、湿化学品、溅射靶材等，其中硅片约占整个晶圆制造材料的三分之一。 

　　▲半导体原材料分布情况

　　3、进口替代序幕开启 

　　全球半导体材料市场回暖。经历了2015-2016连续两年产业规模下滑后，2017年和2018年半导体材料市场回复增长，产业规模达约520亿美金。以地域结构来看，全球所有地区半导体材料市场规模均实现了不同程度的增长，但是其中中国大陆的增速领先。 

　　产业持续东移，中国大陆增速第一。从占比来看，半导体材料市场中，中国台湾依然是半导体材料消耗最大的地区，全球占比22.04%。中国大陆占比19%排名全球第三，略低于19.8%的韩国。然而中国大陆占比已实现连续十年稳定提升，从2006年占全球比重11%，到2018年占比19%。产业东移趋势明显。 

　▲全球半导体材料销售额分布

　　根据SEMI统计数据，我国半导体材料市场规模为85亿美元，同比增长12.3%，其中晶圆制造材料及封装材料市场规模为约28.2亿美元和56.8亿美元。未来2年我国半导体材料市场规模将持续高速增长，预计2020年我国半导体材料市场规模达107.4亿美元，其中晶圆制造材料市场规模达40.9亿美元，2016-2020年CAGR为18.3%；封装材料市场规模达66.5亿美元，2016-2020年CAGR为9.18%。 

　　在国家产业政策大力扶持和国内半导体市场稳定增长等利好条件下，特别是国家“02专项”等专业化科研项目的培育下，国内半导体材料领域将涌现更多具有国际竞争力的公司和产品，在更多关键半导体材料领域实现进口替代，打破国外厂商的垄断。 

　　半导体芯片制造工艺半导体将原始半导体材料转变成半导体芯片，每个工艺制程都需要电子化学品，半导体芯片造过就是物理和化学的反应过程，半导体材料的应用决定了摩尔定律的持续推进，决定芯片是否将持续缩小线宽。目前我国不同半导体制造材料的技术水平不等，但整体与国外差距较大，存在巨大的国产替代空间。

　　4、硅片：半导体材料基石 

　而硅片之所以趋向于大尺寸，其主要原因是因为单位晶圆生产效率的提高。虽然生产大尺寸硅片所需要的设备、材料成本等均有所提高，但是考虑到自动化带来的人工费用的减少以及单片硅片的面积之大，以200mm（9寸）和300mm（12寸）硅片进行比较，12英寸硅片的单位成本仅为9英寸硅片的70%~80%。 

　　由于成本及良率，12寸硅片仍为主流，技术略有所停滞的当前，国内厂商具备追赶及替代的机会。

　2008年至2013年，中国大陆半导体硅片市场发展趋势与全球半导体硅片市场一致。2014年起，随着中国半导体制造生产线投产、中国半导体制造技术的不断进步与中国半导体终端市场的飞速发展，中国大陆半导体硅片市场步入飞跃式发展阶段。2016年-2018年，中国半导体硅片销售额从5.00亿美元上升至9.96亿美元，年均复合增长率高达41.17%。中国作为全球最大的半导体终端市场，未来随着中国芯片制造产能的持续扩张，中国半导体硅片市场的规模将继续以高于全球市场的速度增长。

　　光刻胶，目前作为半导体生产中光刻工艺的核心材料，其主要工作原理是：光刻工艺利用光刻胶对于各种特殊射线及辐射的反应原理，将事先制备在掩模上的图形转印到晶圆，建立图形的工艺，使硅片表面曝光完成设计的电路图，做到分辨率清晰和定位无偏差电路，就如同建筑物一楼的砖块砌起来和二楼的砖块要对准，叠加的层数越高，技术难度大。 

　　同样光刻胶从功能上又可分为正性及负性光刻胶：正性光刻胶之曝光部分发生光化学反应会溶于显影液，而未曝光部分不溶于显影液，仍然保留在衬底上，将与掩膜上相同的图形复制到衬底上；而负性光刻胶之曝光部分因交联固化而不溶于显影液，而未曝光部分溶于显影液，将与掩膜上相反的图形复制到衬底上。

▲光刻胶构成

　　按照应用领域的不同，光刻胶又可以分为印刷电路板（PCB）用光刻胶、液晶显示（LCD）用光刻胶、半导体用光刻胶和其他用途光刻胶。PCB光刻胶技术壁垒相对其他两类较低，而半导体光刻胶代表着光刻胶技术最先进水平。

　　行业壁垒高耸，研发能力要求极高，资金需求巨大。在上述我们也对众多光刻胶进行了简单的分类，但实际操作中由于各个客户的产品的要求不同，对应的光刻胶的具体要求将更会是千奇百怪。这一点将会直接导致光刻胶企业在生产制作光刻胶的时候需要具备足够的配方研发能力，对众多国内仍在起步的厂商无疑是个巨大的挑战。另一方面由于光刻胶最终需要应用在光刻机上，以ASML为例，EUV光刻机常年保持在1亿欧元左右，248nm的KrF光刻机也基本维持在一千万欧元以上。

　　全球共有5家主要的光刻胶生产企业。其中，日本技术和生产规模占绝对优势。

　　国内半导体光刻胶技术和国外先进技术差距较大，仅在市场用量最大的G线和I线有产品进入下游供应链。KrF线和ArF线光刻胶核心技术基本被国外企业垄断，国内KrF已经通过认证，但还处于攻坚阶段；我们乐观预计ArF光刻胶在2020年能有效突破并完成认证。

《2018年5月24日，国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”专项（以下简称02重大专项）实施管理办公室组织任务验收专家组、财务验收专家组对02重大专项”极紫外光刻胶材料与实验室检测技术研究”项目进行了任务验收和财务验收 》

　　6、CMP：突破重围，国产化启动 

　　CMP化学机械抛光（ChemicalMechanicalPolishing）工艺是半导体制造过程中的关键流程之一，利用了磨损中的“软磨硬”原理，即用较软的材料来进行抛光以实现高质量的表面抛光。通过化学的和机械的综合作用，从而避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤和由单纯化学抛光易造成的抛光速度慢、表面平整度和抛光一致性差等缺点。

▲CMP工艺工作原理

　　CMP抛光材料主要包括抛光液、抛光垫、调节器、清洁剂等，其市场份额分别占比49%、33%、9%和5%。至2018年市场抛光液和抛光垫市场分别达到了12.7和7.4亿美元。

 目前市场上抛光垫目前主要被陶氏化学公司所垄断，市场份额达到90%左右，其他供应商还包括日本东丽、3M、中国台湾三方化学、卡博特等公司，合计份额在10%左右。抛光液方面，目前主要的供应商包括日本Fujimi、日本HinomotoKenmazai，美国卡博特、杜邦、Rodel、Eka、韩国ACE等公司，占据全球90%以上的市场份额，国内这一市场主要依赖进口，国内仅有部分企业可以生产，但也体现了国内逐步的技术突破，以及进口替代市场的巨大。

　　湿电子化学品，也叫超净高纯试剂，为微电子、光电子湿法工艺制程中使用的各种电子化工材料。主要用于半导体、太阳能硅片、LED和平板显示等电子元器件的清洗和蚀刻等工艺环节。按用途主要分为通用化学品和功能性化学品，其中通用化学品以高纯溶剂为主，例如氧化氢、氢氟酸、硫酸、磷酸、盐酸、硝酸等；功能性化学品指通过复配手段达到特殊功能、满足制造中特殊工艺需求的配方类或复配类化学品，主要包括显影液、剥离液、清洗液、刻蚀液等。 

　　湿电子化学品目前广泛应用在半导体、平板显示、太阳能电池等多个领域，湿电子化学品在半导体晶圆制程中应用于晶圆清洗、刻蚀、显影和洗涤去毛刺等工艺，在晶圆领域制造和封测领域应用分布广。国际半导体材料和设备组织（SEMI）制定了5个超纯净试剂的国际分类标准，应用领域的不同对超纯净试剂要求的等级也不同，半导体领域要求的等级比平板显示和光伏太阳能电池领域的要求高，基本集中在SEMI3、G4的水平，我国的超纯净试剂研发水平与国际水平上游差距，大多集中在G2的水平。

　　全球的湿电子化学品市场大多被欧美和日本公司占据，其中欧美公司主要有BASF、霍尼韦尔、ATMI、杜邦、空气产品公司，合计占比37%左右；日本公司主要有关东化学、三菱化学、京都化工、住友化学、宇部兴产、森田化学等，合计占比34%左右；中国台湾和韩国公司主要有东应化、联士电子、鑫林科技、东友、东进等，合计占比17%左右。 

　　在众多工艺化学品企业中，上海新阳已成为先进封装和传统封装行业所需电镀与清洗化学品的主流供应商，其超纯电镀硫酸铜电镀液已成功进入中芯国际、海力士的28nm大马士革工艺制程，成为Baseline产品，进入工业化量产阶段；湖北兴福电子材料有限公司磷酸、浙江凯圣氟化学有限公司氢氟酸等也都在8-12英寸工艺认证中取得较好效果，即将投入量产应用。 

　　8、电子特气：需求空间大，拉开进口替代序幕 

　　电子特种气体是集成电路、显示面板、光伏能源、光纤光缆等电子产业加工制造过程中不可或缺的关键材料，其市场规模保持高速发展。2010-2018年，我国电子特气市场规模复合增速达15.3%，2018年我国电子特气市场规模达121.56亿元。其中，半导体制造用电子特气市场规模约45亿元。根据前瞻产业研究院预测，2024年我国电子特种气体市场规模将达到230亿元，2018-2024年复合增速将达11.2%。电子特气将为中国新兴产业的发展注入新动力。

 电子特气按照用途可分为蚀刻及清洗气体、成膜气体、掺杂气体三大类。在半导体集成电路中，电子气体主要应用于蚀刻、掺杂、CVD、清洗等。在晶圆制程中部分工艺涉及气体刻蚀工艺的应用，主要涉及CF4、NF3、HBr等；掺杂工艺即将杂质掺入特定的半导体区域中以改变半导体的电学性质，需要用到三阶气体B2H6、BF3以及五阶气体PH3、AsH3等；在硅片表面通过化学气相沉积成膜（CVD）工艺中，主要涉及SiH4、SiCl4、WF6等。 

　　在显示面板产业中，在薄膜工序中需要通过化学气相沉积在玻璃基板上沉积薄膜，需要使用SiH4、PH3、NF3、NH3等。在干法蚀刻工艺中，需要在等离子气态氛围中选择性腐蚀基材，需要用到SF6、HCl、Cl2等；在LED产业中，外延技术需要高纯电子特气包括高纯砷烷、高纯磷烷、高纯氨气，HCl和Cl2常常用做蚀刻气；在太阳能光伏产业中，晶体硅电池片生产中的扩散工艺需要用到POCl3，减反射层等PECVD工艺需要用到SiH4、NH3，蚀刻需要用到CF4。薄膜太阳能电池在沉积透明导电膜工序中需要用到B2H6等。

　　三氟化氮（NF3）是目前应用最广的电子特气，占全球电子气体产量约50%。NF3在卤化氮中最稳定，是一种强氧化剂。在离子蚀刻时裂解为活性氟离子，氟离子对硅化合物、钨化合物有优异的蚀刻速率和选择性。并且，三氟化氮在蚀刻时，蚀刻物表面不留任何残留物，是良好的蚀刻、清洗剂。大量应用于半导体、液晶和薄膜太阳能电池生产工艺中。

　　两个主要因素推进了我国电子特气的需求高速增长。首先，近年来电子气体下游产业技术快速更迭。例如，集成电路领域晶圆尺寸从6寸、8寸发展到12寸甚至18寸，制程技术从28nm到7nm；显示面板从LCD到刚性OLED再到柔性、可折叠OLED迭代；光伏能源从晶体硅电池片向薄膜电池片发展等。下游产业的快速迭代让这些产业的关键性材料电子特气的精细化程度持续提升。并且，由于全球半导体、显示面板等电子产业链不断向亚洲、中国大陆地区转移，近年来以集成电路、显示面板为主的电子特气需求快速增长。我国集成电路2010-2018年销售额复合增速达20.8%，对电子特气的需求带来了持续、强劲的拉动。 

然而，目前我国电子特气进口依赖度高，进口替代潜力较大。随着我国半导体、显示面板市场的快速扩张，包括电子特气在内的上游原材料实现进口替代意义重大。目前我国电子特气企业产品供应仍较为单一，但在政策扶持及下游需求的拉动下，我国电子特气企业体量、产品品种迅速发展，该领域进口替代已拉开序幕。

　　显示材料：面板行业转移升级

　有机发光材料：国内企业发力

 ▲PMOLED膜层结构

　　在大国间贸易摩擦频繁的大背景下，国产材料自主可控成为国内下游OLED面板厂商首先考虑的问题，一些大厂也有意扶持国内上游材料厂商，以减少对国外材料的依赖，这也为上游OLED材料厂商提供了前所未有的机遇。

　　 

▲LCD与柔性OLED在材料上的对比

    虽然目前半导体市场的需求在中国，但在半导体领域目前仍然处于关键器件被海外“卡脖子”。中国在2017年半导体原材料国产化仅约为20%，出口半导体材料的单价也仅为进口单价的60%，差距甚大。虽然中国半导体制造材料的技术与国外差距仍然巨大，而技术的差距则致使部分国产材料无法满足芯片所需。但是由于目前摩尔定律的放缓，对于材料的升级需求相对放缓的情况下，中国厂商则具备了该赛道上追赶甚至超车的机会。目前国内在硅片、光刻胶、CMP、湿化学品等多方面均实现了一部分的国产替代，在半导体材料领域，中国厂商具备着巨大的国产化空间的同时，技术的同步提高将会给予这些厂商更好的发展空间。

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