国内半导体材料制造及晶体生长设备市场竞争格局分析

国内半导体材料制造及晶体生长设备市场竞争格局分析 一、 国内半导体材料制造及晶体生长设备市场竞争格局 截至目前，中国大陆半导体硅片厂商技术发展相对落后，国内主要硅片厂商以生产200mm（8英寸）及以下抛光片、外延片为主，300mm（12英寸）产能规模占比相对较低。目前国内8英寸和12英寸硅片合计产能分别约为月产183万片及54万片。随着国家及行业的政策不断支持，国内半导体产业链快速发展，硅片厂商的数量及技术水平不断发展，预计到2025年，8英寸和12英寸硅片规划产能分别为月产365万片和310万片，产能增幅分别为99．45%和474．07%，具有较大的市场发展空间。 二、 电子特气：半导体制造的血液 电子特种气体又称电子特气，是电子气体的一个分支，相较于传统工业气体，纯度更高，其中一些具有特殊用途。电子特气下游应用广泛，是集成电路、显示面板、太阳能电池等行业不可或缺的支撑性材料。在半导体领域，电子特气的纯度直接影响IC芯片的集成度、性能和良品率，在清洗、气相沉积成膜（CVD）、光刻、刻蚀、离子注入等半导体工艺环节中都扮演着重要的角色。 （一）电子特气种类较多，广泛应用于半导体工艺 电子特气可以根据其化学成分本身和用途的不同进行分类。根据化学成分的不同，电子特气可分为氟系、硅系、硼系、锗系氧化物和氢化物等几大类别。 （二）电子特气占比仅次于硅片，国内市场规模快速增长 半导体市场发展迅速，为上游电子特气市场打开成长空间。根据SEMI数据，在晶圆材料328亿美元的市场份额中，电子特气占比达13%，43亿美元，是仅次于硅片的第二大材料领域。近年来，伴随下游晶圆厂的加速扩张，特气市场景气度向好，需求量有望持续扩容。根据SEMI数据，2020年全球晶圆制造电子气体市场规模为43．7亿美元。在全球产业链向国内转移的趋势下，中国电子特气市场规模在过去十年快速增长，2020年达到了173．6亿元。 特气市场毛利率高、盈利能力强。在各半导体材料领域中，电子特气公司的平均毛利率处于较高水平。对比半导体产业链来看，晶圆厂的盈利能力最强，例如世界最大晶圆代工厂台积电的毛利率为51．6%，国内晶圆厂龙头中芯国际的毛利率约为30%。而对于特种气体公司来说，电子特气平均毛利率能达到近50%。世界第二的法国液化空气集团，2010年-2019年的毛利率稳定在60%-65%，而一般化工气体或大宗气体的毛利率仅在20-30%水平。国内企业电子特气毛利率相对较低，约为30%-40%，相较国际巨头有一定差距，未来成长空间广阔。伴随技术研发的进步和需求量的增长，电子特气厂商盈利能力有望持续升级。 （三）纯度为特种气体重要指标，提纯为核心技术瓶颈 特种气体纯度提升为核心技术瓶颈。集成电路对电子特气的纯度有着苛刻的要求，因为在芯片加工过程中，极微量的杂质也可能导致产品重大缺陷，特种气体纯度越高，产品的良率越高、性能越优。伴随IC芯片制程技术的不断发展，产品的生产精度越来越高，用于集成电路制造的电子特气亦提出了更高的纯度要求。 电子特气的纯度主要受三个因素影响：一是提纯技术。电子特气的分离和提纯原理上可分为精馏分离、分子筛吸附分离以及膜分离三大类。在实际提纯分离过程中，为提升效率和良品率，会利用多种方法进行组合，配置工艺更为复杂，还需保证产品配比精度，因此抬高了研发壁垒。二是气体检测技术。随着电子特气的纯度越来越高，对分析检测方法和仪器提出了更高的要求。目前国外电子气体的分析己经经历了离线分析、在线分析、原位分析等几个阶段，对于高纯度电子特气的分析已开发出完整的测试体系。而由于我国电子特气行业重生产而轻检测，因此分析方法和仪器同国外厂商都有一定差距。三是气体的储存和运输。高纯电子特气运输为一大难关，在储存和运输过程中要求使用高质量的气体包装储运容器、以及相应的气体输送管线、阀门和接口，以防止气体二次污染。我国加工工艺整体落后以及不符合国际规范，大部分市场被国外公司占据。专业人才缺乏，技术人员培养目前面临较大困局。电子气体生产环节较多、操作复杂，因此企业除了研发人才，还需要大量掌握生产技术、具有实际操作经验的技术人员。据统计，培养一名合格的生产技术工人至少需要2年时间，但目前国内各大院校基本未设立工业气体学科，因此企业需要花费大量时间和资金成本对新进人员进行深度培养，制约了我国企业技术创新水平的提升速度。 （四）外企垄断电子特气市场，国内企业本土化优势显著 电子特气市场正处于稳定增长阶段，从地理位置上看，亚太地区是电子特气的最大消费市场。国内电子特气相关需求一直依赖进口，主要市场由空气化工、德国林德集团、液化空气和太阳日酸等国外厂商占据，CR4约88%，形成寡头垄断的局面。 国际局势叠加国内新兴产业迅速发展，本土化优势显著。新兴终端市场加速成长，国内企业经过多年技术积累有望迎来国产化全面开花。伴随俄乌战争、经济制裁等事件的频繁发生，国际局势变得更加复杂动荡。在此背景下，进口产品价格昂贵、运输不便，本土化产品供应稳定、性价比高等特点更为显著，国内下游企业逐步转向国产供应。电子特气国产化是必然趋势，将在市场化因素主导下全面加速。截至2022年Q1，我国拥有众多生产工业气体的企业，其中约一半位于华东地区。由于行业技术壁垒高且客户粘性大，短期内行业的马太效应将继续延续，但近些年国家推出的相关支持政策及法律法规有望在往来助力相关细分行业的内资企业大力发展。 三、 先进制程持续升级，半导体材料同步提升 进入21世纪以来，5G、人工智能、自动驾驶等新应用的兴起，对芯片性能提出了更高的要求，同时也推动了半导体制造工艺和新材料不断创新，国内外晶圆厂加紧对于半导体新制程的研发，台积电已于2020年开启了5nm工艺的量产，并于2021年年底实现3nm制程的试产，预计2022年开启量产。此外台积电表示已于2021年攻克2nm制程的技术节点的工艺技术难题，并预计于2023年开始风险试产，2024年逐步实现量产。随着芯片工艺升级，晶圆厂商对半导体材料要求越来越高。 四、 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。 五、 硅片：供需持续紧张，加速 硅片是半导体上游产业链中最重要的基底材料之一。硅片是以高纯结晶硅为材料所制成的圆片，一般可作为集成电路和半导体器件的载体。与其他材料相比，结晶硅的分子结构较为稳定，导电性极低。此外，硅大量存在于沙子、岩石、矿物中，更容易获取。因此，硅具有稳定性高、易获取、产量大等特点，广泛应用于IC和光伏领域。 （一）半导体硅片纯度极高，大尺寸为大势所趋 硅片可以根据晶胞排列是否有序、尺寸、加工工序和掺杂程度的不同等方式进行分类。根据晶胞排列方式的不同，硅片可分为单晶硅和多晶硅。硅片是硅单质材料的片状结构，有单晶和多晶之分。单晶是具有固定晶向的结晶体材料，一般用作集成电路的衬底材料和制作太阳能电池片。多晶是没有固定晶向的晶体材料，一般用于光伏发电，或者用于拉制单晶硅的原材料。单晶硅用作半导体材料有极高的纯度要求，IC级别的纯度要求达9N以上（99．9999999%），区熔单晶硅片纯度要求在11N（99．999999999%）以上。 根据尺寸大小的不同，硅片可分为50mm（2英寸）、75mm（3英寸）、100mm（4英寸）、150mm（6英寸）、200mm（8英寸）及300mm（12英寸）。英寸为硅片的直径，目前8英寸和12英寸硅片为市场最主流的产品。8英寸硅片主要应用在90nm-0．25μm制程中，多用于传感、安防领域和电动汽车的功率器件、模拟IC、指纹识别和显示驱动等。12英寸硅片主要应用在90nm以下的制程中，主要用于逻辑芯片、储存器和自动驾驶领域。 大尺寸为硅片主流趋势。硅片越大，单个产出的芯片数量越多，制造成本越低，因此硅片厂商不断向大尺寸硅片进发。1980年4英寸占主流，1990年发展为6英寸，2000年开始8英寸被广泛应用。根据SEMI数据，2008年以前，全球大尺寸硅片以8英寸为主，2008年后，12英寸硅片市场份额逐步提升，赶超8英寸硅片。2020年，12英寸硅片市场份额已提升至68．1%，为目前半导体硅片市场最主流的产品。后续18英寸硅片将成为市场下一阶段的目标，但设备研发难度大，生产成本较高，且下游需求量不足，18英寸硅片尚未成熟。 根据加工工序的不同，硅片可分为抛光片、外延片、SOI硅片等高端硅片。其中抛光片应用范围最为广泛，是抛光环节的终产物。抛光片是从单晶硅柱上直接切出厚度约1mm的原硅片，切出后对其进行抛光镜面加工，去除部分损伤层后得到的表面光洁平整的硅片。抛光片可单独使用于电动汽车功率器件和储存芯片中，也可用作其他硅片的衬底，成为其他硅片加工的基础。外延片是一种将抛光片在外延炉中加热后，通过气相沉淀的方式使其表面外延生长符合特定要求的多晶硅的硅片。该技术可有效减少硅片中的单晶缺陷，使硅片具有更低的缺陷密度和氧含量，从而提升终端产品的可靠性，常用于制造CMOS芯片。 根据掺杂程度的不同，半导体硅片可分为轻掺和重掺。重掺硅片的元素掺杂浓度高，电阻率低，一般应用于功率器件。轻掺硅片掺杂浓度低，技术难度和产品质量要求更高，一般用于集成电路领域。由于集成电路在全球半导体市场中占比超过80%，目前全球对轻掺硅片需求更大。 （二）受益晶圆厂积极扩产，硅片市场快速增长 含硅量提升驱动行业快速增长。伴随5G、物联网、新能源汽车、人工智能等新兴领域的高速成长，汽车电子行业成为半导体硅片领域新的需求增长点。据ICInsights数据，2021年全球汽车行业的芯片出货量同比增长了30%，达524亿颗。但全球汽车缺芯情况在2020年短暂缓解后，于2022年再度加剧，带动下游硅片市场需求量上升。据SEMI数据显示，2021年全球半导体硅片市场规模为126亿美元，同比增长12．5%。 （三）日韩厂商高度垄断，国内厂商加速突破 前五大制造商格局稳定，外资垄断现象持续。据SEMI数据，2020年全球前五大硅片制造商分别为日本信越化学、环球晶圆、德国世创、SUMCO和韩国SKSiltron，共占据86．6%的市场份额。国内市场在大尺寸硅片上对外资企业依然具有依赖性，主要进口地区为日本、中国台湾和韩国。 国产厂商加大研发投入，加速实现。由于硅片供应紧缺，海外大厂会优先保障海外晶圆厂硅片供给，给国内硅片厂带来了加速替代的机遇。国内供应商产品技术水平快速提升，国内晶圆厂对国产半导体材料的验证及导入正在加快，如沪硅产业、立昂微、中环股份等企业已顺利通过验证。中国大陆硅片整体产能加大投入，加速追赶国际龙头厂商。 六、 半导体材料为芯片之基，覆盖工艺全流程 半导体材料包括晶圆制造材料和封装材料。其中晶圆制造材料包括硅片、掩模版、电子气体、光刻胶、CMP抛光材料、湿电子化学品、靶材等，封装材料包括封装基板、引线框架、键合丝、包封材料、陶瓷基板、芯片粘结材料和其他封装材料。 具体来说，在芯片制造过程中，硅晶圆环节会用到硅片；清洗环节会用到高纯特气和高纯试剂；沉积环节会用到靶材；涂胶环节会用到光刻胶；曝光环节会用到掩模板；显影、刻蚀、去胶环节均会用到高纯试剂，刻蚀环节还会用到高纯特气；薄膜生长环节会用到前驱体和靶材；研磨抛光环节会用到抛光液和抛光垫。在芯片封装过程中，贴片环节会用到封装基板和引线框架；引线键合环节会用到键合丝；模塑环节会用到硅微粉和塑封料；电镀环节会用到锡球。 七、 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