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八大半导体材料的国产替代趋势。
编辑| 智东西内参
半导体材料和设备是半导体产业链的基石，是推动集成电路技术创新的引擎。晶圆厂必须购买设备和材料并获取相应的制程工艺才能正常运作。另一方面，三者相互制约，材料的改进常常需要设备和工艺的同步更新，才能有效避免木桶效应。
在整个电子信息产业中，半导体材料行业因其具有极大的附加值和特有的产业生态支撑作用而往往成为国家之间博弈的筹码。目前大量国内半导体材料，正处于“从0到1”的验证关键阶段。
本期的智能内参，我们推荐方正证券的报告《半导体材料研究框架系列：详解八大芯片材料》，揭秘硅片、光刻胶、电子特气等八种半导体制造材料的国产化进程。如果想收藏本文的报告，可以在智东西（公众号：zhidxcom）回复关键词“nc599”获取。
来源 方正证券
原标题：
《半导体材料研究框架系列：详解八大芯片材料》
半导体材料是一类具备半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内），一般情况下导电率随温度的升高而提高。半导体材料具有热敏性、光敏性、掺杂性等特点，是用于晶圆制造和后道封装的重要材料，被广泛应用于汽车、照明、家用电器、消费电子、信息通讯等领域的集成电路或各类半导体器件中。
半导体材料位居产业链上游，种类繁多。芯片制造工序中各单项工艺均配套相应材料。按应用环节划分，半导体材料主要分为制造材料和封装材料。主要制造材料包括硅片（硅基材料）、光刻胶及配套试剂、高纯试剂、电子气体、抛光材料、靶材、掩模板等；主要的封装材料包括：引线框架、封装基板、陶瓷基板、键合丝、包装材料及芯片粘接材料等。
半导体材料市场规模庞大，行业景气度高。2020年全球半导体材料市场规模达到53亿美元，近5年CAGR为5%。半导体材料主要分为晶圆制造材料和封装材料，2011年晶圆制造材料与封装材料市场份额平分秋色，占比均在50%左右。2020年晶圆制造材料占比上升至63.11%，封装材料下降至36.89%。
随着国内电子产品制造业的飞速发展，中国半导体产业市场潜力巨大。据中国电子材料行业协会数据统计，2013-2020年，中国半导体材料行业市场规模呈波动上行趋势，近五年CAGR达高10%，高于全球水平。
根据SEMI数据，2020年，中国半导体材料市场规模达638亿元，我们测算中国市场约占全球市场份额17% 。SEMI预计2021年全球半导体材料市场将可达到565亿美元，同比增长2.2%，中国大陆市场将达到104亿美元规模，同比增长9.2%。
占比方面，2011年，晶圆制造材料与封装材料市场份额平分秋色，占比均在50%左右，而2020年，晶圆制造材料占比上升至63.1%，封装材料下降至36.9%，未来制造材料占比有望更进一步提升。
在中期维度方面，封装材料基于更高的国产化率，能够更早地实现国产替代。同时，国内封测全球领先，定增扩产明显，下游驱动更为直接。在长期维度方面，半导体制造材料相较于封装材料拥有更高的壁垒和国产化潜力，所以制造材料的长期成长空间更大。
半导体制造材料中，硅片占比最大（约33%），其次是气体和光刻胶及配套试剂。半导体封装材料中，封装基板占比最大（约40%），其次是引线框架和键合线。整体来看，各细分半导体材料市场普遍较小。
半导体材料细分行业众多，是产业链中细分领域最多的产业链环节，每一个大类材料包括几十种甚至上百种具体产品，细分子行业高达数百个。如高纯化学试剂中，常用的包括各类酸（如硫酸、盐酸、硝酸、磷酸）、碱（如氢氧化铵、氢氧化钾）、有机溶剂、氧化试剂等。结合半导体材料的行业特征，半导体材料公司应当积极寻找各材料之间共性，不断扩充品类，形成平台化布局，为客户提供一体化的解决方案。
根据Mordor intelligence数据，受疫情影响2020年全球硅片市场规模107.9亿美元。随着未来晶圆厂新增产能的不断开出，半导体硅片未来6年年复合增速6.1%，2026年市场将达到154亿美元。预 计2021年12寸和8寸片的市占率分别为71.2%和22.8%。
依据前瞻产业数据，我们测算2021年中国半导体硅片市场规模预计150亿元，未来5年年复合增速13.3%左右，预计2026年市场规模280亿元。2020年，沪硅产业、中环股份、立昂微、中晶科技合计占国内半导体硅片市场的31.9%，国内常见大尺寸硅片主要依赖进口。
2021年8寸片国内供应商有沪硅产业、中环股份、立昂微、中欣晶圆等。12寸片的供应商有沪硅产业、立昂微、中环股份等。沪硅产业硅片全系列布局，12寸片已进入中芯国际供应链；立昂微重点布局功率领域重掺；神工股份作为国内硅料龙头，单晶硅经验丰富，重点布局8寸轻掺。
中国半导体硅片产业链涉及电子级多晶硅制造、半导体硅片制造、半导体器件制造等环节，参与主体主要类型为半导体硅片制造商，半导体全产业链一体化厂商以及多领域布局的半导体材料生产商。
目前，上游原材料领域，电子级多晶硅主要依赖进口，仅有少有的几家公司能够批量生产；中游半导体硅片制造环节，中环股份、沪硅产业、立昂微等都实现了8寸和12寸硅片的量产；下游半导体制造环节，中芯国际、华虹半导体、华润微等已经开启国产替代。
依据techcet数据，2020年全球电子气体市场规模58.5亿美元，预计在2025年将超过80亿美元，年复合增速达到6.5%。2020年全球电子特气市场规模为41.9亿美元，预计在2025年将超过60亿美元，年复合增速7.5%左右。2020年全球电子气体市场中，按价值计算，电子大宗占比28.4%，电子特种占比71.6%。
2020年中国电子气体市场规模达到173.6亿元，预计未来5年年复合增速12%左右。2020年国内电子气体下游应用集成电路及器件领域占比44.2%；面板领域占比34.7%；太阳能及LED等领域占比21.1%。
电子气体国产化程度较高。国内电子气体供应商有金宏气体、华特气体、中船重工等。中船重工以三氟化氮和六氟化钨见长；金宏气体是国产特气龙头公司，提供液态二氧化碳、超纯氨等；华特气体是国内唯一通过ASML光刻气认证的企业，主要包括一些含氖特气。
随着全球半导体产业链向国内转移，国内电子气体市场增速明显，远高于全球增速。近年来国内半导体市场发展迅速，相关下游领域的快速发展将带动未来特种气体的增量需求。2019年中国电子特气行业市场规模约为140.2亿元，2020年电子特气市场规模达到173.6亿元，同比增速达23.8%，其中集成电路及器件领域占比44.2%；面板领域占比34.7%；太阳能及LED等领域占比21.1%。
国内特种气体大多依赖进口，2018年海外大型气体公司占据了85%以上的市场份额，国产化率不足15%，进口制约较为严重。随着技术的逐步突破，国内气体公司在电光源气体、激光气体、消毒气等领域发展迅速，但与国外气体公司相比，大部分国内气体公司的供应产品仍较为单一，纯度级别不高，尤其在集成电路、液晶面板、LED、光纤通信、光伏等高端领域，相关特种气体产品主要依赖进口。
根据中国工业气体工业协会统计，集成电路生产用的特种气体，中国仅能生产约20%的品种，其余均依赖进口。目前中国国内企业所能批量生产的特种气体仍主要集中在集成电路的清洗、蚀刻、光刻等工艺环节，对掺杂、沉积等工艺的特种气体仅有少部分品种取得突破。基于安全的自主可控仍然是特种气体长期国产替代的主旋律。
光刻胶经过几十年不断的发展和进步，应用领域不断扩大，衍生出非常多的种类，根据应用领域，光刻胶可分为半导体光刻胶、平板显示光刻胶和PCB光刻胶，其技术壁垒依次降低。相应地，PCB光刻胶是目前国产替代进度最快的，LCD光刻胶替代进度相对较快，半导体光刻胶目前国产技术较国外先进技术差距最大。
据SEMI数据显示，2016-2019年，全球半导体光刻胶的市场规模从15亿美元增长至2019年的18亿美元。根据Research andMarkets，2020年全球半导体光刻胶市场规模达20.4亿美元，如此推算近4年年复合增速达8%。光刻胶市场主要由日美韩公司垄断，大陆企业市占率不足10%，其中在全球半导体光刻胶市场中，日本企业牢牢占据龙头地位，至少占据60%以上。
高端光刻胶国外企业长期垄断，对中国芯片制造造成卡脖子风险。由于高端光刻胶的保质期很短（通常只有6个月左右甚至更短），一旦遇到贸易冲突或自然灾害，中国集成电路产业势必面临芯片企业短期内全面停产的严重不利局面。
掩膜版是微电子制造中光刻工艺所使用的图形母版。全球半导体用光掩膜版市场持续增长。根据SEMI数 据统计，2019年全球半导体芯片用掩膜版市场规模41亿美元，预计2022年市场规模将达到44亿美元。
受益于过去几年中国大陆晶圆制造的快速发展，中国大陆半导体芯片掩膜版市场规模出现快速增长的趋势。2019年中国半导体掩膜版市场规模为1.44亿美元，预计2021年将达到1.95亿美元，年均复合增长率达16.32%。
光掩膜版市场集中度高，整体被国外公司所主导。Photronics、日本DNP、日本Toppan三家占据半导体掩膜版80%以上的市场份额。中国光掩膜版行业仅能满足国内中低档产品市场需求。据Omdia统计，2020年全球平板显示掩膜版企业销售排行榜，清溢光电作为中国大陆唯一上榜企业，排名第五，其他为日美韩企业。近年来，国内企业通过不断的技术研发和产品升级，逐渐缩小与国际竞争对手的市场地位差距。
湿电子化学品是电子行业湿法制程的关键材料，按用途可分为通用化学品(超净高纯试剂)和功能性化学品(以光刻胶配套试剂为代表)， 通用湿电子化学品是指在集成电路、液晶显示器、太阳能电池、LED制造工艺中被大量使用的液体化学品，主要包括过氧化氢、氢氟酸、硫酸、磷酸、盐酸、硝酸、氢氧化铵等；功能湿电子化学品是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。2019年中国湿电子化学品需求以通用湿电子化学品为主，占据88.2%市场份额。
在国内半导体晶圆加工领域中，需求量较大的湿电子化学品主要是硫酸、双氧水、氨水、显影液、氢氟酸。前四种湿电子化学品品种主要应用于晶圆的湿清洗。
中国湿电子化学品市场规模逐年上升，未来预计保持上升趋势。2011-2020年，全球湿电子化学品市场规模逐步扩大，复合年增速8.06%，2020年市场规模达到50.84亿美元。2011-2020年中国湿电子化学品市场规模一直呈现上涨趋势，复合年增速高于全球水平，为15.35%，2020年中国市场规模约为100.62亿元。
中国湿电子化学品主要集中在G2、G3水平。目前国外湿电子化学品生产企业已实现G5标准产品的量产，而国内主流产能仍停留在G2、G3。
目前全球范围内从事湿电子化学品研究开发及大规模生产的厂商主要集中在美国、德国、日本、韩国、中国台湾等地区。目前在半导体领域的超净高纯化率的整体国产化率23%左右。
根据前瞻产业研究院，中国湿电子化学品未来仍稳定上涨，预计2027年达到接近200亿元。根据晶瑞电材公告，未来中国半导体行业湿电子化学品以年化增速19%保持增长，2022年市场总需求量达到59.5万吨。
在半导体湿化学品供应商方面，市场份额主要掌握在欧美、日本、韩国等国家的企业手中，包括德国巴斯夫，美国亚什兰化学、Arch化学，日本关东化学、三菱化学、京都化工、住友化学、和光纯药工业，鑫林科技，韩国东友精细化工等，上述公司占全球市场份额的85%以上。
目前，国内湿电子化学品行业规模以上生产企业有30多家，但在经营规模、产品类别、战略重点等方面与国际企业存在一定差异。
CMP 抛 光 材 料 包 括 抛 光 液 （ 占 整 个 抛 光 材 料 比 例 约50%）、抛光垫和钻石碟。CMP工艺是通过表面化学作用和机械研磨的技术结合来实现晶圆表面微米/纳米级不同材料的去除，从而达到晶圆表面的高度（纳米级）平坦化效应，使下一步的光刻工艺得以进行。
2021年，全球晶圆制造用抛光液市场规模预计将从2020年 的16.6亿美元增长至18亿美元，增长率为8%，预计未来五年复合增长率为6%。根据江苏省半导体行业协会报告，2020年中国的CMP抛光材料市场规模达到34.1亿元，同比增长3%。
CMP国产化率较低。安集科技掌握抛光液核心技术；鼎龙股份主攻抛光垫，其中抛光硬垫对标陶氏。随着制程节点的进步，CMP技术越来越重要，已成为0.35μm以下制程不可或缺的平坦化工艺，且随着多层布线的数量及密度增加，其对后续工艺良率的影响越来越大。此外，先进封装技术的应用使CMP从集成电路前道制造环节走向后道封装环节。
对于逻辑芯片，制程的缩小意味着光刻次数和刻蚀次数增加，也带动CMP工艺步骤数增加。7nm制程需要30次CMP工艺步骤，较14nm制程大幅提升。同时，对于存储芯片，随着2D NAND向3D NAND转变，CMP的工艺步骤几乎翻倍，带动了钨抛光液及其他抛光液需求的持续快速增长。
CMP材料要求主要体现在“难”、“专”、“多”三个方面。以抛光液为例，根据应用的不同工艺环节，可以将抛光液分为硅抛光液（硅片回收、存储、CIS）、铜及铜阻挡层抛光液（14-130nm逻辑芯片和存储芯片）、钨抛光液（逻辑和存储芯片）、介质层抛光液（存储芯片）、浅槽隔离抛光液以及用于先进封装的硅通孔抛光液等。另外，同一技术节点根据不同客户技术需求也有不同配方，其中，纳米磨料是决定抛光液性能的关键原料，价值约占抛光液价值的三分之一。
CMP材料的属性决定了CMP拥有很高的技术和客户壁垒。面对CMP材料较低的国产化率，CMP抛光液、抛光垫、修整盘已被列为国家重点新材料，未来CMP材料的国产化率将显著加快。
根据中研网数据，2020年全球抛光材料市场约30亿美元，抛光液/抛光垫市场规模分别为16.6/10.2亿美元，国内抛光液/抛光垫市场分别为20/12亿元（全球占比不足20%）。国内市场增速有望高于显著全球市场，2025年抛光液/抛光垫市场有望占全球市场的25%，市场规模分别达40/27亿元，2021-2025年CAGR达15%。
依据2020年全球半导体制造材料349亿美元规模和靶材3%左右占比计算，2020年全球靶材市场规模10.5亿美元左右。根据techcet数据，2020-2024年全球靶材市场年复合增速5%，预 计2024年全球溅射靶材市场12.8亿美元左右。
2020年，中国半导体用靶材市场规模约为17亿元，同比增长12.9%。预计2021-2026年, 中国半导体靶材的市场规模保持10%-15%增长率，到2026年，中国半导体用靶材行业市场规模达33亿元。
靶材国产化率较高。国内靶材供应商有江丰电子、有研新材、阿石创、隆华科技等。江丰电子对标霍尼韦尔，产品包括铝钯、钛靶、铜钯等；有研新材产品则包括12寸高纯金属靶材。
靶材是沉积薄膜的重要原料，主要应用于面板显示、半导体、磁记录薄膜、太阳能领域，其中应用于半导体的靶材纯度要求最高。全球半导体靶材市场呈现寡头垄断格局，其中日矿金属、霍尼韦尔、东曹和普莱克斯四家企业占据了全球80%的市场份额。国内半导体靶材主要供应商有江丰电子、有研新材等，隆华科技、阿石创的靶材主要用于面板产业。
前驱体是半导体薄膜沉积工艺的主要原材料，化学性质上半导体前驱体为携有目标元素，呈气态或易挥发液态，具备化学热稳定性，同时具备相应的反应活性或物理性能的一类物质。在薄膜、光刻、互连、掺杂等半导体制造过程中，前驱体主要应用于气相沉积(包括物理沉积PVD、化学气相沉积 CVD 和原子气相沉积 ALD)，以形成符合半导体制造要求的各类薄膜层。
此外，前驱体也可用于半导体外延生长、刻蚀、离子注入掺杂和清洗等，是半导体制造的核心材料之一，也可用于薄膜封装技术(TFE)中，发挥水汽阻隔、延长有机发光物质寿命的作用，是 OLED 工艺中的核心技术之一。半导体前驱体产品主要应用于半导体存储和逻辑芯片的CVD和ALD等沉积成膜技术中。
前驱体是半导体薄膜沉积工艺的主要原材料，化学性质上半导体前驱体为携有目标元素，呈气态或易挥发液态，具备化学热稳定性，同时具备相应的反应活性或物理性能的一类物质。
半导体的景气周期存在“设备先行，制造接力，材料缺货”的普遍规律。考虑到国内晶圆厂已经进入扩产环节，而且新增产能将于2022年陆续开出。晶圆产能扩充会直接导致上游材料端出现了供不应求的情况，从而形成周期性的“硅片危机”。
全球硅片大厂信越化学已经发布涨价声明，称在2021年4月对部分硅片产品提价。同时，沪硅产业董秘李炜在SEMICON CHINA 2021会议上曾表示目前有部分品类涨价，并非全部，而公司硅片的订单已经超过了供给能力。
随着国产替代的持续推进，相当部分的海外材料需求开始转向国内材料市场，将进一步加剧了国内材料的供不应求。以光刻胶为例，国内龙头晶瑞电材2021年光刻胶各品类产品价格均有不同程度上调，而且公司更改原眉山项目用于新增年产1200吨光刻胶。
2012-2020年中国半导体材料市场占全球比重稳步增长，从2012年的12.28%增长至2020年的17.7%，中国大陆排名全球第二。这主要是由于：第一，国内企业技术水平的不断提升，部分材料已经能实现国产化替代。第二，半导体材料随着半导体产业同步向中国发生转移，中国成为半导体材料主战场之一。
在国产材料替代方面，国内企业应锁定晶圆厂材料替代机遇，新旧产线同时推进。对于新产线，前期主要以抢占产线为主，成为一供、二供、三供，建立产品护城河。后期通过稳定供货，锁定先发优势。
一般而言，半导体材料下游认证壁垒高，客户粘性大。客户认证壁垒是国内半导体材料发展受阻的主要因素，企业短期实现壁垒突破存在一定困难，部分企业会通过进行并购快速切入相关半导体材料领域。目前能够完全突破壁垒的企业很少，大部分材料细分领域被日韩及欧美地区企业所把持。
客户认证壁垒主要体现在：首先，需要与下游进行来回多次试用、调试才能知道是否满足要求；其次，找到愿意进行试用的下游很难，一是来回修改会耗费大量人力物力，二是对原有供应商粘性较高，大多不会冒风险再进行尝试。
随着晶圆厂验证国产材料加速，未来2-3年是行业及相关公司发展的关键窗口期，半导体材料经历验证、试 用、爬坡放量，起码也要一年半的时间。国内主要半导体材料企业在2021年底和2022年期间进行大批的认证测试环节。其主要体现在硅片、光刻胶、电子特气三大半导体材料上。
根据IC insight预计，2020年中国晶圆代工厂市场规模同比增长26%，达到148.6亿美元，本土晶圆厂中芯国际、华虹半导体、武汉新芯总计仅占国内25%份额，提升空间巨大。同年12月，中国大陆占全球晶圆产能的15.3%，与日本仅差0.5%。根据SEMI数据，到2024年至少有38个新的300mm晶圆厂投产，其中中国大陆预计将建立8个新的300mm晶圆厂，并在2024年底之前将其300mm晶圆厂的市场份额大幅提高至20%，而在2015年这数字仅为8%。
根据SEMI数据，中国（不含中国台湾）晶圆制造产能（含外资在中国的晶圆厂）自2019年爆发以来，2021将同比增长17%，等效8寸月产能将超过350万片，维持全球第三。2019-2021年，中国存储类晶圆月产能将增长95%，晶圆代工类将增长47%，模拟类晶圆产能将增长29%。2019-2021中资晶圆厂的产能增长了60%。同期，随着国产DRAM和3D NAND的爆发，中资存储晶圆月产能提升至30万片。
智东西认为，对于半导体材料企业而言，在其研发、验证、产能建设过程中均需要有大量的资金投入。但是由于以光刻胶为代表的半导体材料的验证周期较长，相关企业难以快速取得产品销售收入，因此在各环节中半导体材料企业都将面临着不小的资金压力。并且半导体的产业链条非常复杂且长，单一国家或地区很难拥有完整的产业链，随着全球分工合作模式被打破，势必会出现竞争格局的改变。而中国半导体在政策、资金的推动下，在新的市场格局中有望突出重围。
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