解密5种半导体材料替代趋势-血氧仪OLED-COG液晶屏-触摸板
2020-04-28


半导体材料的进口替代趋势。

根据美国半导体产业协会的统计,可以看到全球半导体销售额呈现逐年增长的姿态,从2001年的1472.5亿美元一路提升至 2019 年的 4110 亿美元。虽然在 2019 年全球半导体销售额因为消费电子市场疲软从而略微下滑,但是从 19 年 6 月开始全球半导体销售额呈现恢复的态势,环比数据明显优于 2018 年同月份环比数据。目前随着下游多方需求恢复的共振,将史无前例的带动半导体行业在 5G 的飞速发展,再创新高。

半导体材料
1、 行业全面复苏LCD厂商
根据美国半导体产业协会的统计,可以看到全球半导体销售额呈现逐年增长的姿态,从2001 年的 1472.5 亿美元一路提升至 2019 年的 4110 亿美元。虽然在 2019 年全球半导体销售额的略微下滑主要由于全球贸易环境的紧张,以及半导体最主要的下游消费电子市场自 17H2 的疲软,但是在 19H2 我们也看到了半导体市场随着 5G 时代到来的重现生机。
▲全球半导体销售额情况

从 2018 年 12 月开始,半导体月度销售额持续下滑至 2019 年 5/6 月,但是从 6 月开始全球半导体销售额呈现恢复的态势,环比数据明显优于 2018 年同月份环比数据。
▲2018 年及 2019 年全球半导体月度销售额对比(十亿美元)

中国市场巨大,国产替代需求强劲。而对于未来的半导体市场来看,我们认为中国将会是未来最大的半导体市场。2015 年中国在全球半导体销售额上占据了全球的 24%,至 2019 年中国已经将其占比提升至 35%。
▲中国近年占全球半导体销售额情况(十亿美元)LCD厂商

▲2016~2021 年全球半导体各应用市场的年复合增速预测

然而虽然中国市场巨大,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
从市场上看,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。
▲华为国产替代链示意图LCD厂商

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LCD厂商

与半导体全球市场相之匹配的,全球半导体材料的销售额也在同步增长,至 2018 年全球半导体材料销售额达到 519.4 亿美元,创下历史新高。销售增速 10.65%,创下了自2011 年以来的新高;近年来,中国大陆半导体材料的销售额保持稳步增长,增速方面一直领先全球增速。
▲全球半导体材料市场销售额

▲中国大陆半导体材料市场增速 vs.全球

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

▲封装及晶圆制造材料市场规模及增速(单位:亿美元)

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。LCD厂商
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

半导体材料可分为晶圆制造材料和封装材料,晶圆制造材料是半导体材料市场的主力军。根据 wind 数据,2018 年,全球半导体材料销售规模为 519.4 亿美元,同比增长 10.7%,其中晶圆制造材料及封装材料销售额分别为 322 亿美元和 197 亿美元,同比增长 15.9%和 3.1%。
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%。

▲2013-2018 年全球半导体市场销售规模(亿美元)

▲2016-2020 年我国半导体材料市场规模(亿美元)

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。LCD厂商
▲2012-2017 年我国占半导体制造材料国产化情况(%)

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。
▲半导体材料国产化进程

从技术层面出发再至半导体封装材料进出口金额及量(由于缺乏晶圆制造数据,故以封装材料为例说明),可以看到中国对于半导体封装材料进口量的需求巨大,同时再对比进出口单价情况,从 2017 年开始计算,出口单价仅为进口单价的约为 60%,价格悬差巨大,也再次反映了中国虽然对于半导体材料的需求巨大,但是由于目前技术能力有限所致进出口贸易悬差巨大,也因此存在巨大的国产替代空间。
▲半导体封装材料进出口额(万美元)

▲半导体封装材料进出口量(吨)

▲半导体封装材料进口单价情况

4、 硅片:半导体材料基石
纵观半导体硅片的技术演变历程,可以看到从早在 20 世纪 70 年代,硅片的尺寸就逐步的向着更大尺寸发展。截止至目前全球硅片市场最大的量产型硅片尺寸为 300mm,也即是所谓的“12 英寸硅片”。
根据目前 SEMI 对于全球各类半导体硅片的出货量统计,我们也看到半导体市场对于12 英寸硅片的需求及使用也是逐步增加。2011 年,200mm 半导体硅片市场占有率稳定在 25-27%之间;2016 年至 2017 年,由于汽车电子、智能手机用指纹芯片、液晶显示器市场需求快速增长,200mm 硅片出货面积同比增长 14.68%;2018 年,200mm 硅片出货面积达到 3278.00 百万平方英寸,同比增长 6.25%。2018 年,300mm 硅片和 200mm硅片市场份额分别为 63.31%和 26.34%,两种尺寸硅片合计占比接近 90.00%。LCD厂商
▲半导体硅片技术演变史

▲全球各类型半导体硅片出货面积占比

▲12 寸晶圆全球产能及需求对比表

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。
▲较大尺寸晶圆具备更高的理论生产效率

▲8 英寸及 12 英寸理论成本变化情况

由于半导体行业与全球宏观形势紧密相关,全球半导体硅片行业在 2009 年受经济危机影响,出货量与销售额均出现下滑;2010 年智能手机放量增长,硅片行业大幅反弹;2011年-2016 年,全球经济复苏但较为低迷,硅片行业易随之低速发展;2017 年以来,得益于半导体终端市场需求强劲,半导体市场规模不断增长,于 2018 年突破百亿美元大关。
▲全球半导体硅片市场规模(亿美元)

▲全球半导体硅片出货面积(百万平方英寸)

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。LCD厂商
▲中国大陆半导体硅片市场规模(亿美元)

▲全球硅片市场竞争格局及市占率

5、 光刻胶:逐步突破
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
▲正性光刻胶和负性光刻胶反应原理

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。

▲不同分类下的光刻胶分类

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。

▲ASML 光刻机

▲全球半导体光刻胶及配套试剂市场规模

▲中国半导体光刻胶及配套试剂市场规模

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。
▲光刻胶主要生产企业

▲国内半导体产品结构

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。

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LCD厂商
▲CMP 材料细分市场份额

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。
▲全球 CMP 材料市场规模情况(亿美元)

▲我国 CMP 材料市场规模情况(亿元)

而随各类芯片的技术的进步,抛光步骤也随之增长,从而实现了抛光垫及抛光液用量市场的持续增长。同时随着芯片制程的提高带动的抛光材质技术要求的提升,以及整体半导体芯片市场的复苏,我们可以预期到未来 CMP 市场的量价的多重提高。

▲CMP 抛光步骤随逻辑芯片和存储芯片技术进步而增加

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、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。

▲抛光液主要生产企业
▲抛光垫主要生产企业

7、 湿电子化学品
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。

▲美国 SEMI 工艺化学品的国际标准等级

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;台湾地区和韩国公司主要有台湾东应化、台湾联士电子、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。
▲我国电子特气市场规模(亿元)LCD厂商

▲高纯电子特气市场格局(按应用)

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。LCD厂商



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