一文看懂，集成电路原材料（上）

    转自：动力谷智略 2020年4月24日

           集成电路产业是先进制造业的基础产业，其下游应用端涵盖了汽车、通信、电器、计算机、航空、光伏等各大行业。半导体技术的进步和产业的发展催生和推动了物联网、人工智能、大数据和工业互联网等新兴产业。

为加深对集成电路产业链的了解，我们将推出集成电路系统产业链系列相关报告，供读者参考。

          Part01 半导体材料市场

          半导体材料是集成电路产业的立足根本，也是我国集成电路产业的竞争短板之一。半导体材料属于高壁垒行业，技术含量高、生产难度大。半导体材料的国产化率仍处于较低水平，国内相关企业相比国际龙头的竞争力仍有较大差距。

         全球半导体材料市场规模

         半导体原材料是集成电路产业的基石，集成电路生产的各个环节均要用到半导体原材料，如光刻环节需要使用掩膜版和光刻胶及清洗用的各类湿化学品，刻蚀环节需要用到硅片、电子气体等。随着集成电路技术节点的不断进步，对于所用原材料的纯度、尺寸及一系列物理化学性质的要求越来越严格，原材料的成本也随着提升，原材料市场整体规模不断上升。

          2018年，全球半导体原材料销售额为519.4亿美元，创历史新高，同比增长10.65%，增速达到2011年以来的新高。2018年全球半导体销售额为4687.8亿元，其中半导体材料的销售额占全球半导体销售总额的11.08%。

            资料来源：WIND，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

           半导体材料市场的增速与整个半导体市场高度同步，表现出明显的周期性，与全球GDP的增速呈现明显的正相关，不过其波动幅度远大于GDP的波动幅度，半导体材料行业是典型的周期性行业。

           资料来源：WIND，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

           中国大陆半导体材料市场规模

           2018年，我国大陆半导体材料销售额为84.4亿美元，占全球半导体材料销售额的16.25%。大陆半导体材料市场规模增速较快，2006年至2018年间，复合增长率为11.11%，而同期全球半导体材料市场的复合增长率为2.81%。大陆市场占全球市场比例越来越高，主要是因为我国汽车、电子、通信等半导体应用端产业的快速增长驱使国际集成电路制造厂商纷纷来华建厂以及国内集成电路制造企业的迅速发展。据SEMI估计，2017-2020全球将有62座新晶圆厂投产，其中26座坐落中国大陆，占总数的42%。

           资料来源：WIND，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

          日本是半导体材料领域的霸主

          在全球半导体材料领域，日本占据了半壁江山，是当仁不让的霸主。在2019年前5个月，日本生产的半导体材料占全球产量的52%。在半导体制造过程包含的19种核心材料中，日本市占率超过50%份额的材料就占到了14种。

          资料来源：互联网，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

           中国自给率低

           2018年，中国大陆是全球半导体材料第三大市场，仅次于中国台湾和韩国，然而国内半导体原材料市场的自给率非常低，大部分原材料均很大程度上依赖进口，尤其是核心高端半导体材料，以硅晶圆为例，8寸硅晶圆自给率仅百分之十五，百分之八十五依赖进口，12寸硅晶圆进口比重更高达百分之九十九。

           资料来源：WIND，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

           Part 02 半导体材料的应用与市场竞争格局

           集成电路生产大致可分为设计、制造、封装和测试四个环节。其中设计环节主要通过计算机软件完成，制造、封装和测试环节均需要在十分严格的工厂环境中进行，并且生产过程工艺复杂，步骤繁多，对材料的纯度、规格、温度、PH值、微观物理结构等等都有十分严格的要求。

          资料来源：互联网，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

          半导体材料主要运用于制造和封装环节，且大部分材料均为消耗性材料，在集成电路制造过程中需要多次投入。

            资料来源：公开资料，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

             资料来源：安集科技招股说明书，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

           硅片

           01硅的应用

           硅是集成电路生产中最重要的原材料，硅片市场约占整个半导体材料市场的三分之一。目前，90%以上的集成电路芯片是用硅片作为衬底制造出来的，硅是集成电路的承载基础。

          硅片的质量直接影响集成电路芯片的品质，集成电路制造所用的硅片的纯度和原子排列方式都有非常严格的要求，通常其纯度不得低于99.9999%，高端芯片的硅片材料纯度甚至需要达到99.9999999%以上，也就是说杂质的含量低于10^(-9)。

           02硅片的生产工艺

           集成电路生产用到的硅是单晶硅片，硅晶体按晶胞排列是否规律，可分为单晶硅和多晶硅。单晶硅晶胞在三维方向上整齐重复排列，而多晶硅晶胞则呈不规律排列。单晶硅在力学性质、电学性质等方面，都优于多晶硅，只有单晶硅才能满足集成电路生产的工艺要求。

           资料来源：《芯片制造——半导体工艺制程实用教程》，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

          （1）硅片生产流程

           硅片的制备从晶体生长开始，形成单晶锭后经过修整和磨削再切片，再经过边缘打磨、精研、抛光等步骤后，最后检查得到的硅片是否合格。

硅片制造流程

           资料来源：《半导体制造技术》，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

          （2）单晶硅生产

           自然界中的硅绝大部分是以SiO2（泥土、沙子）的形式存在，半导体制作的第一个阶段是利用化学反应将泥土转化成硅化物气体，例如等到四氯化硅或者三氯硅烷，此时得到的硅化物气体含杂质较多，第二个阶段在利用硅化物气体与氢气反应，得到纯度较高的固态硅单质，此时的硅为多晶硅。

         氢气还原三氯硅烷：

         利用多晶硅制备单晶硅碇的工艺叫做单晶生长。单晶生长分为直拉（CZ）法和区熔（FZ）法，直拉法是目前主流的生长方法，占据90%市场。

         直拉法晶体生产系统

         资料来源：《芯片制造——半导体工艺制程实用教程》，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

         区熔法晶体生产系统

          资料来源：《芯片制造——半导体工艺制程实用教程》，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

          直拉法更容易生长大直径单晶硅，成本更低，生长出的单晶硅大多用于集成电路元件。区熔法生长出的单晶硅纯度较高，主要用于功率半导体。但区熔法较难生长出大直径单晶硅，一般仅用于8寸或以下直径工艺。

         03硅片市场

         当前市场上半导体硅片以12英寸和8英寸为主，12英寸的硅片在2009年开始市场份额超过50%，且逐年增长，预计2019年，12英寸硅片的市场份额将超过70%。

          硅片的直径越大，单个硅片能生产的芯片数量也就越多，12英寸的硅片能生产的芯片数量是8英寸的2.25倍，为了节省生产成本，硅片的直径越做越大是必然趋势。1980年代是4英寸硅片占主流，1990年代是6英寸占主流，2000年代是8英寸占主流，到2010年代12英寸硅片已经成为主流。

         （1）全球市场

          据SEMI统计，2019年全球硅晶圆面积出货量总计11,810百万平方英寸，2019年的销售额总计111.5亿美元。

           资料来源：SEMI，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

           半导体硅片投入资金多，研发周期长，是技术壁垒和资金壁垒都极高的行业。由于下游客户认证时间长，硅片厂商需要长时间的技术和经验积累来提升产品的品质，满足客户需求，以获得客户认证。

           目前全球硅片市场处于寡头垄断局面，市场集中度相当高，前五大企业占据全球90%的市场份额，日本两大厂商信越化学和SUMCO合计占有53%的市场份额，是硅片市场的主导者。

             资料来源：芯思想研究院，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

           （2）国内市场

            我国硅晶圆产业起步较晚，技术底子薄，自给率非常低，主要依赖进口，在2017年之前，我国大陆仅在4至6英寸硅片领域实现了大规模产量，基本满足了国产需求，然而大尺寸（8英寸和12英寸）硅片的自给率很低，尤其是12英寸硅片，目前仅有上海新昇、中环股份和金瑞泓等企业能够少量生产。上海新昇12英寸硅片产品已经通过华力微和中芯国际的认证，正片2019年已得到长江存储的采购，目前处于国内领先地位。

           资料来源：互联网，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

          光刻胶

          01光刻胶的应用

         光刻胶是光刻过程中的重要耗材。光刻是将图形由掩膜版上转移到硅片上，为后续的刻蚀步骤做准备。在光刻过程中，需在硅片上涂一层光刻胶，经紫外线曝光后，光刻胶的化学性质发生变化，在通过显影后，被曝光的光刻胶将被去除，从而实现将电路图形由掩膜版转移到光刻胶上。再经过刻蚀过程，实现电路图形由光刻胶转移到硅片上。在刻蚀过程中，光刻胶起防腐蚀的保护作用。

          光刻主要包括薄膜生长、上胶、曝光和显影等环节。光刻是整个集成电路制造过程中耗时最长、难度最大的工艺，耗时占集成电路制造50%左右，成本约占集成电路生产成本的1/3。

         光刻工艺图示

           资料来源：互联网，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

           02光刻胶的成分与特性

          光刻胶一般由4部分组成：树脂型聚合物、感光剂、溶剂和添加剂。

          树脂聚合物是一种惰性的聚合物（包含碳、氢、氧的有机高分子）基质，用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。树脂聚合物给予了光刻胶其机械和化学性质，例如粘附性、柔顺性和热流稳定性，其对光不敏感，紫外光曝光后它不会发生化学变化。感光剂是光刻胶材料中的光敏成分，它对光形式的辐射能，特别在紫外区，会发生反应。感光剂对于光能发生化学反应。溶剂使得光刻胶保持液体状态，使光刻胶能涂抹到硅片衬底上。添加剂用来控制和改变光刻胶材料的特定化学性质或光响应特性，各个制造商均有独自的配方，不对外公开。

光刻胶的核心产品要素：

          资料来源：《半导体制造技术》，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

根据显示效果的不同，可将光刻胶分为正性光刻胶和负性光刻胶。正性光刻胶显影时未曝光部分溶解于液，形成的图与掩膜版相反。负性光刻胶显影时曝光部分溶解于液，形成的图与掩膜版相同。由于负性光刻胶显影时易变形和膨胀，分辨率一般只能达到2微米，所以正性光刻胶的应用更为普及。

          03光刻胶市场

        （1）全球市场

         光刻胶产品的技术参数众多，纯度要求较高，行业进入壁垒很高。目前半导体光刻胶核心技术基本被日本和美国企业所垄断，产品也基本出自日本和美国公司，包括日本JSR、东京应化工业、罗门哈斯，信越化学、富士电子材料等企业。

          资料来源：前瞻产业研究院，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

          据SEMI统计，2018年全球半导体光刻胶销售额达到17.3亿美元，预计2019年销售额稍有下降。中国市场是半导体光刻胶全球最大的市场，市场规模占全球比重约为32%，其次是美洲（21%）、亚太（20%，除中国和日本）、欧洲（9%）和日本（9%）。

         （2）国内市场

          按应用领域划分，光刻胶可以分为半导体光刻胶、PCB光刻胶、LCD光刻胶等。从中国产品市场来看，PCB光刻胶市场份额占比最多，高达94.4%。LCD光刻胶市场份额占比第二，为2.7%。半导体光刻胶市场份额占比位居第三，仅为1.6%。总体看来，中国市场PCB光刻胶占据大部分市场份额，LCD光刻胶和半导体光刻胶所占份额非常低。

          半导体光刻胶相对而言技术含量最高，价格最昂贵。按照其曝光波长，半导体光刻胶可分为g线（436nm）、i线（365nm）、KrF（248nm）和ArF（193nm）等4个大类。其中，ArF光刻胶为目前分辨率最高的半导体光刻胶。g线和i线光刻胶为目前市场上使用量最大的光刻胶，ArF光刻胶市场增速最快。

           资料来源：CNKI，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

           国内光刻胶市场规模保持稳定增长，从2011年的30.4亿元增长到2018年的62.3亿元，复合增长率达11.59%，国内光刻胶市场以PCB光刻胶和LCD光刻胶为主，而半导体光刻胶市场规模不到40%。其中PCB光刻胶的自给率已超过50%，LCD光刻胶自给率不到10%，半导体光刻胶自给率更是低于5%，几乎全靠进口。国内企业中，飞凯材料、容大感光、广信材料等已有相应PCB光刻胶产品投产；永太科技CF光刻胶已通过客户验证，北京科华、苏州瑞红LCD光刻胶已量产，容大感光、飞凯材料均在积极布局。

          半导体光刻胶我国自给率极低。适用于6英寸硅片的g线/i线光刻胶的自给率约为20%，适用于8英寸硅片的KrF光刻胶的自给率不足5%，而适用于12吋硅片的ArF光刻胶完全依赖进口，最先进的EUV光刻胶目前仅有少数几家海外公司掌握了相关技术，且未实现产业化。

           半导体光刻胶国产化进程：

            资料来源：公开资料，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

           掩膜版

           01掩膜版的应用

          掩膜版是下游行业产品制造过程中的图形“底片”，是承载图形设计和工艺技术等知识产权信息的载体。在光刻过程中，掩膜版是设计图形的载体。通过光刻，将掩膜版上的设计图形转移到光刻胶上，再经过刻蚀，将图形刻到衬底上，从而实现图形到硅片的转移。

             掩膜版的应用图示：

          资料来源：清溢光电招股说明书，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

掩膜版的结构：

         资料来源：申港证券，株洲动力谷产业经济研究院有限公司

         石英玻璃和晶片是透光体，它们能将光线折射成不用的角度。而铬膜是不透光的，当照射到铬膜的光线无法透过，其他光线最终可以照射到下面的光刻胶上，因此通过光线的照射，在光刻胶特定的区域进行曝光，然后再经过显影，就可以在光刻胶上形成特定的图形，这就是光刻的基本原理。

          02掩膜版市场

         （1）全球市场

根据SEMI公布数据，2018年全球半导体掩模版销售额为35.7亿美元，占到半导体材料市场总额的13%。

           从生产商来看，目前全球掩膜版生产商主要集中在日本和美国的几个巨头，包括日本凸版印刷TOPAN、日本大印刷，美国Photronics，日本豪雅HOYA，日本SK电子等。其中，Photronics、大日本印刷株式会社DNP和日本凸版印刷株式会社Toppan三家占据全球掩膜版领域80%以上市场份额。

         （2）国内市场

          2018年，我国半导体材料总体市场规模为84.4亿美元，而掩膜版销售额占半导体材料市场总额的13%，据此推算，我国半导体掩膜版市场规模大致为10.97亿美元。

           目前我国掩膜版生产公司主要以外资为主，本土掩膜版厂商主要生产中低端产品，目前能达到的技术节点仍停留在微米级，高端半导体掩膜版几乎全部依赖进口或者是外资公司在国内的生产。国内生产半导体掩膜版的企业主要有路维光电、清溢光电，中科院微电子所、中国电子科技集团等科研院所内部也有自制掩膜版，中芯国际也有自制掩膜版业务。

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