半导体行业各类新产业发展推动市场需求持续旺盛

半导体行业各类新产业发展推动市场需求持续旺盛 一、 半导体行业各类新产业发展推动市场需求持续旺盛 半导体行业虽然呈现周期性波动的特性，但整体增长趋势并未发生变化，每次技术变革持续带动行业增长。以物联网为代表的新需求所带动的如云计算、人工智能、大数据等新应用的兴起，逐渐成为半导体行业新一代技术变革动力。同时，新能源驱动的智能汽车已经成为万物互联的关键节点，随着智能汽车复杂程度的提高，智能汽车网联化、智能化以及电动化程度进一步提升，新能源汽车行业对汽车半导体元件的需求势必会大幅增长，因此汽车板块对半导体产业而言属于推动其长期发展的新引擎。半导体下游应用领域的不断延展带动了市场需求的持续旺盛。 二、 半导体材料景气持续，市场空间广阔 半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。无论从科技或经济发展的角度来看，半导体都至关重要。2010年以来，全球半导体行业从PC时代进入智能手机时代，成为全球创新最为活跃的领域，广泛应用于计算机、消费类电子、网络通信和汽车电子等核心领域。半导体产业主要由集成电路、光电子、分立器件和传感器组成，据WSTS世界半导体贸易统计组织预测，到2022年全球集成电路占比84．22%，光电子器件、分立器件、传感器占比分别为7．41%、5．10%和3．26%。 半导体工艺复杂，技术壁垒极高。芯片生产大体可分为硅片制造、芯片制造和封装测试三个流程。其中硅片制造包括提纯、拉单晶、磨外圆、切片、倒角、磨削、CMP、外延生长等工艺，芯片制造包括清洗、沉积、氧化、光刻、刻蚀、掺杂、CMP、金属化等工艺，封装测试包括减薄、切割、贴片、引线键合、模塑、电镀、切筋成型、终测等工艺。整体而言，硅片制造和芯片制造两个环节技术壁垒极高。 目前多晶硅厂商多采用三氯氢硅改良西门子法进行多晶硅生产。具体工艺是将氯化氢和工业硅粉在沸腾炉内合成三氯氢硅，通过精馏进一步提纯高纯三氯氢硅，后在1100℃左右用高纯氢还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上，进而得到电子级多晶硅。目前8寸和12寸硅片大多通过直拉法制备，部分6寸和8寸硅片则通过区熔法制得。直拉法是将高纯多晶硅放入石英坩埚内，通过外围的石墨加热器加热至1400℃，随后坩埚带着多晶硅融化物旋转，将一颗籽晶浸入其中后，由控制棒带着籽晶作反方向旋转，同时慢慢地、垂直地由硅融化物中向上拉出，并在拉出后和冷却后生长成了与籽晶内部晶格方向相同的单晶硅棒。区熔法利用高频线圈在多晶硅棒靠近籽晶一端形成熔化区，移动硅棒或线圈使熔化区超晶体生长方向不断移动，向下拉出得到单晶硅棒。单晶硅棒研磨成相同直径，然后根据客户要求的电阻率，多采用线切割将晶棒切成约1mm厚的晶圆薄片。 三、 半导体材料市场规模快速增长 随着下游电子设备硅含量增长，半导体需求快速增长。在半导体工艺升级+积极扩产催化下，半导体材料市场快速增长。据SEMI报告数据，2021年全球半导体材料市场收入达到643亿美元，超过了此前2020年555亿美元的市场规模最高点，同比增长15．9%。晶圆制造材料和封装材料收入总额分别为404亿美元和239亿美元，同比增长15．5%和16．5%。此外，受益于产业链转移趋势，2021年国内半导体材料销售额高达119．3亿美元，同比增长22%，增速远高于其他国家和地区。 四、 光刻胶：半导体工艺核心材料，道阻且长 光刻胶是光刻工艺最重要的耗材。光刻胶是一种通过特定光源照射下发生局部溶解度变化的光敏材料，主要作用于光刻环节，承担着将掩模上的图案转化到晶圆的重要功能。进行光刻时，硅片上的金属层涂抹光刻胶，掩膜上印有预先设计好的电路图案，光线透过掩膜照射光刻胶。如果曝光在紫外线下的光刻胶变为溶剂，清除后留下掩膜上的图案，此为正性胶，反之为负性胶。 （一）先进制程推动产品迭代，半导体光刻胶壁垒最高 光刻胶可以根据曝光光源波长、显示效果和化学结构三种方式进行分类。根据曝光波长的不同，目前市场上应用较多的光刻胶可分为g线、i线、KrF、ArF和EUV5种类型。光刻胶波长越短，加工分辨率越高，不同的集成电路工艺在光刻中对应使用不同波长的光源。随着芯片制程的不断进步，每一代新的光刻工艺都需要新一代的光刻胶技术与之相匹配。g/i线光刻胶诞生于20世纪80年代，当时主流制程工艺在0．8-1．2μm，适用于波长436nm的光刻光源。到了90年代，制程进步到0．35-0．5μm，对应波长更短的365nm光源。当制程发展到0．35μm以下时，g/i线光刻胶已经无法制程工艺的需求，于是出现了适用于248纳米波长光源的KrF光刻胶，和193纳米波长光源的ArF光刻胶，两者均是深紫外光刻胶。EUV（极紫外光）是目前最先进的光刻胶技术，适用波长为13．5nm的紫外光，可用于10nm以下的先进制程，目前仅有ASML集团掌握EUV光刻胶所对应的光刻机技术。 根据显示效果的不同，光刻胶可分为正性和负性。如果光刻胶是正性的，在特定光线照射下光刻胶会发生反应并变成溶剂，曝光部分的光刻胶可以被清除。如果为负性光刻胶，曝光的光刻胶反应不再是溶剂，未曝光的光刻胶被清除。 光分解型光刻胶采用含有重氮醌类化合物材料作为感光剂，光线照射后发生光分解反应，由油性变为水性溶剂，可制造正性光刻胶。光交联型光刻胶采用聚乙烯醇月桂酸酯作为光敏材料，光线照射后形成一种网状结构的不溶物，可起到抗蚀作用，适用于制成负性光刻胶。化学放大型光刻胶使用光致酸剂作为光引发剂，光线照射后，曝光区域的光致酸剂会产生一种酸，并在后热烘培工序期间作为催化剂移除树脂的保护基团，使树脂变得可溶。化学放大光刻胶对深紫外光源具有良好的光敏性，具有高对比度、分辨率等优点。 （二）光刻胶市场稳定增长，ArFi占比最高 半导体光刻胶市场增速稳定。伴随芯片制程工艺的升级，光刻胶市场需求量也随之增加。根据TECHECT数据，2021年全球光刻胶市场规模约为19亿美元，同比增长11%，预计2022年将达到21．34亿美元，同比增长12．32%。具体来看，在7nm制程的EUV技术成熟之前，ArFi光刻胶仍是市场主流，占比高达36．8%，KrF和g/i光刻胶分别占比为35．8%和14．7%。 目前国内从事半导体光刻胶研发和生产的企业包括晶瑞股份、南大光电、上海新阳、北京科华等。主要以i/g线光刻胶生产为主，应用集成电路制程350nm以上。KrF光刻胶方面，北京科华、徐州博康已实现量产。南大光电ArF光刻胶产业化进程相对较快，公司先后承担国家02专项高分辨率光刻胶与先进封装光刻胶产品关键技术研发项目和ArF光刻胶产品的开发和产业化项目，也是第一家ArF光刻胶通过国内客户产品验证的公司，其他国内企业尚处于研发和验证阶段。 五、 CMP：半导体平坦化核心技术，国内龙头放量在即 CMP，又名化学机械抛光，是半导体硅片表面加工的关键技术之一。CMP是半导体先进制程中的关键技术，伴随制程节点的不断突破，CMP已成为0．35μm及以下制程不可或缺的平坦化工艺，关乎着后续工艺良率。CMP采用机械摩擦和化学腐蚀相结合的工艺，与普通的机械抛光相比，具有加工成本低、方法简单、良率高、可同时兼顾全局和局部平坦化等特点。其中化学腐蚀的主要耗材为抛光液，机械摩擦的主要耗材为抛光垫，两者共同决定了CMP工艺的性能及良率。 （一）CMP系统复杂，抛光液和抛光垫为核心 CMP系统主要耗材可分为抛光液和抛光垫，分别占据抛光材料成本的49%和33%。其他抛光材料还包括抛光头、研磨盘、检测设备、清洗设备等。抛光液是一种由去离子水、磨料、PH值调节剂、氧化剂以及分散剂等添加剂组成的水溶性试剂。在抛光的过程中，抛光液中的氧化剂等成分与硅片表面材料产生化学反应，在表面产生一层化学反应薄膜，后由抛光液中的磨粒在压力和摩擦的作用下将其去除，最终实现抛光。抛光液可根据应用工艺环节、配方中磨粒、PH值的不同进行分类。 根据配方中磨粒的不同，可分为二氧化硅、氧化铈、氧化铝磨粒等三大类。二氧化硅磨粒活性强、易于清洗且分散性及选择性好，多用于硅、SiO2层间介电层的抛光。缺点是硬度大，容易对硅片表面造成损伤，且抛光效率较低。氧化铝磨粒抛光效率高，但硬度强、选择性低且团聚严重，因此抛光液中常需加入各类稳定剂和分散剂，导致成本相对较高。氧化铈磨粒硬度低，抛光效率高，平坦度高，清洁无污染，但团聚严重，也需加入各类稳定剂和分散剂，且铈属于稀有金属，成本较高。 根据PH值的不同，可分为酸性抛光液和碱性抛光液。酸性抛光液具有抛光效率高、可溶性强等优点，多用于对铜、钨、铝、钛等金属材料进行抛光。其缺点是腐蚀性较大，对抛光设备要求高，所以常选择向抛光液中添加抗蚀剂（BTA）提高选择性，但BTA的添加容易降低抛光液的稳定性。不同于酸性抛光液，碱性抛光液具有腐蚀性小、选择性高等优点，多数用于抛光硅、氧化物及光阻材料等非金属材料。碱性抛光液的缺点也较为明显，因为不容易找到在弱碱性中氧化势高的氧化剂，所以抛光效率较低。 抛光垫是负责输送和容纳抛光液的关键部件。在抛光的过程中，抛光垫具有把抛光液有效均匀地输送到抛光垫的不同区域、清除抛光后的反应物、碎屑等、维持抛光垫表面的抛光液薄膜，以便化学反应充分进行、保持抛光过程的平稳、和晶圆片表面不变形等功能。 （二）工艺制程持续升级，CMP市场稳定增长 半导体行业高景气带动CMP市场稳定增长。伴随半导体材料行业景气度向上，CMP材料市场有望受下游市场驱动，保持稳健增速。2020年全球抛光液和抛光垫全球市场规模分别为13．4和8．2亿美元。中国CMP材料市场涨幅趋势与国际一致，2021年抛光液和抛光垫市场规模分别为22和13亿元。中国正全面发展半导体材料产业，CMP抛光产业未来增长空间广阔。 先进制程为CMP材料市场扩容提供动力。随着芯片制程不断微型化，IC芯片互联结构变得更加复杂，所需抛光次数和抛光材料的种类也逐渐变多。在芯片制造过程中，需要将电路以堆叠的方式组合起来，制程越精细，所堆叠的层数就越多。在堆叠的过程中，需要使用到氧化层、介质层、阻挡层、互连层等多个薄膜层交错排列，且每个薄膜层所用到的抛光材料也不相同。此外，随着D存储芯片结构逐渐由2D转向3D，CMP抛光层数和所用到的抛光材料种类也在不断增加。根据美国陶氏杜邦公司公开数据，5nm制程中抛光次数将达25-34次，64层3DD芯片中的抛光次数将达到17-32次，抛光次数均较前一代制程大幅增加。伴随制程工艺的发展，CMP材料市场有望不断扩容，成长空间较大。 定制化抛光材料为未来发展趋势。定制化发展有望给国产企业带来更多机遇，国内CMP抛光材料企业可以凭借本土化优势与国内晶圆制造商展开深度合作，专注于具有专用性产品的研发。专用化、定制化有望成为CMP材料制造商产业升级趋势。 （三）CMP壁垒较高，产品配方具备较强 为匹配晶圆加工制程，CMP技术平整度要求高。CMP抛光材料的技术更新动力源自下游晶圆的技术更新。晶圆制程工艺不断提升，从10nm到现在5nm、3nm，工艺制程迭代速度极快。为了满足精细化程度更高的工艺制程，对CMP材料的要求也随之变高。当前IC芯片要求全局平整落差100A°-1000A°（约等于原子级10-100nm）的超高平整度。 配方的调配为一大技术难点。由于CMP抛光液应用众多，不同的客户有不同的需求，专用性较强，且需要加入氧化剂、络合剂、表面活性剂、缓蚀剂等多种添加试剂，如何调配出合适的抛光液配方需要企业长时间的技术积累和不断的研发尝试。目前许多配方受到专利保护，行业研发壁垒高。试错成本高、认证时间长。企业需要不断找到合适配方、稳定制作工艺及设计图案，从而获得较好的、稳定的抛光速率和抛光效果，因此CMP材料的研究消耗时间成本较高，需要较长时间来试错摸索工艺指标、产品配方等对物理参数及性能的影响，形成较高的行业know-how壁垒。 （四）竞争格局高度集中，国内厂商加速追赶 CMP抛光液市场，美国Carbot是国际龙头，安集科技为国内龙头。目前全球抛光液市场主要由美日厂商垄断，美国Cabot、美国Versum、