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半導(dǎo)體制造材料基本概述

半導(dǎo)體材料基本概述

      半導(dǎo)體行業(yè)具有技術(shù)難度高、投資規(guī)模大、產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)長、產(chǎn)品種類多、更新迭代快、下游應(yīng)用廣泛的特點，產(chǎn)業(yè)鏈呈垂直化分工格局。半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)鏈包含設(shè)計、制造和封裝測試環(huán)節(jié)，半導(dǎo)體材料和設(shè)備屬于芯片制造、封測的支撐性行業(yè)，位于產(chǎn)業(yè)鏈最上游。
      半導(dǎo)體設(shè)備、材料、工藝相輔相成，互為表里。一方面三者相互依存，晶圓制造商必須購買設(shè)備和材料獲取相應(yīng)的制程技術(shù)（量測數(shù)和相關(guān)制程參數(shù)設(shè)定是其采購標準）。另一方面三者相互制約，每一種材料的改進或改變都意味著相應(yīng)大量單一工藝和整體工藝的再研發(fā)，三者發(fā)展需齊頭并進。
       按應(yīng)用環(huán)節(jié)劃分，半導(dǎo)體材料主要可分為制造材料和封裝材料。主要的制造材料包括：硅片（硅基材料）、光刻膠及配套試劑、高純試劑、電子氣體、拋光材料、靶材、掩膜版等；主要的封裝材料包括：引線框架、封裝基板、陶瓷基板、鍵合絲、包裝材料及芯片粘接材料等。

半導(dǎo)體制造材料簡介

      半導(dǎo)體制造材料是半導(dǎo)體制造過程中所需的材料，包含硅片、光刻膠、光掩膜、濺射靶材、CMP 材料、電子特氣、濕化學品、石英等細分子領(lǐng)域。半導(dǎo)體加工分為芯片設(shè)計、芯片制造和封裝測試三個環(huán)節(jié)，半導(dǎo)體芯片制造過程中，所有工藝均在硅片襯底上進行，具體工藝包括前期硅片準備、薄膜氧化/沉積、化學機械研磨、光刻、刻蝕或離子注入、去光刻膠等步驟，以上步驟組成一個循環(huán)。一般半導(dǎo)體制造需要經(jīng)過十幾至幾十次循環(huán)才可全部加工完畢，進入下一輪的封裝測試環(huán)節(jié)。

全球半導(dǎo)體制造材料市場規(guī)模

      SEMI數(shù)據(jù)顯示，2018年全球半導(dǎo)體材料市場銷售額約519.4億美元，其中制造材料銷售額約322億美元，封裝材料銷售額約197億美元。在整個電子信息產(chǎn)業(yè)中，半導(dǎo)體材料的產(chǎn)值雖不能算極高，但卻具有極大的附加值和特有的產(chǎn)業(yè)生態(tài)支撐作用，半導(dǎo)體材料的自主可控關(guān)乎整個電子信息產(chǎn)業(yè)生態(tài)安全。
圖表5  2018年全球半導(dǎo)體材料市場銷售額
      根據(jù) SEMI 統(tǒng)計，2018年全球半導(dǎo)體材料市場為322.3億美元，其中硅片、光掩膜、光刻膠和光刻膠輔助材料、濕化學品、電子特氣、濺射靶材、CMP拋光材料市場分別為121.2、40.4、39.6、16.1、42.7、8、21.7億美元，其中以硅片市場最大，市場占比最高；2018年硅片、光掩膜、光刻膠和光刻膠輔助材料、濕化學品、電子特氣、濺射靶材、拋光材料的市場增速分別為31%，7.7%，6.7%，6.6%，10.3%，6.7%，17.3%，均實現(xiàn)了較高幅度增長。

圖表5  全球半導(dǎo)體制造材料細分市場規(guī)模

圖表6  半導(dǎo)體材料細分市場占比

圖表7  半導(dǎo)體材料細分市場占比

中國半導(dǎo)體制造材料市場發(fā)展現(xiàn)狀

       目前，全球半導(dǎo)體制造材料基本為美日公司壟斷。如全球硅片市場中，日本信越化學、日本SUMCO、德國Siltronic、中國臺灣環(huán)球晶圓、韓國SK Siltron市場份額分別為27.58%、24.33%、14.22%、16.28%、10.16%，共占據(jù)超過 90%市場份額；光刻膠市場則主要由日本合成橡膠、東京應(yīng)化、美國陶氏、住友化學、富士膠片壟斷；CMP材料主要由美國陶氏、卡伯特微電子、日本 Fujimi 壟斷等。
       在美日公司占據(jù)優(yōu)勢的情況下，我國半導(dǎo)體制造材料市場國產(chǎn)化率目前處于較低水平。目前12英寸硅片國產(chǎn)化率僅約10%，深紫外型光刻膠基本依靠進口；濺射靶材國產(chǎn)化率處于30-40%之間；拋光材料中，拋光液國產(chǎn)化率約20%，拋光墊目前僅有一家公司可生產(chǎn)，基本依靠進口；電子特氣國產(chǎn)化率約25%；濕化學品國產(chǎn)化率約25%。目前半導(dǎo)體材料國產(chǎn)率均較低，未來國內(nèi)公司突破技術(shù)壁壘，實現(xiàn)對應(yīng)產(chǎn)品量產(chǎn)后，國內(nèi)半導(dǎo)體制造材料產(chǎn)品有望替代進口產(chǎn)品，實現(xiàn)行業(yè)的快速發(fā)展。
       從技術(shù)水平上看，除硅片和濺射靶材目前國內(nèi)公司可生產(chǎn)對應(yīng)最新制程的產(chǎn)品外，其他幾種制造材料，我國或無法生產(chǎn)、或僅有少數(shù)品種可達到最新制程對應(yīng)技術(shù)水平。其中光掩膜、電子特氣、CMP材料和濕化學品，目前國內(nèi)產(chǎn)品可達到主流制程對應(yīng)技術(shù)水平。而光刻膠領(lǐng)域，目前主流制程對應(yīng)技術(shù)水平的產(chǎn)品國內(nèi)依然處于主要依靠進口的階段。
在國產(chǎn)化率和國內(nèi)產(chǎn)品技術(shù)水平均有成長空間的情況下，國家為扶持集成電路相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，也出臺了一系列政策，先后頒布了《鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干政策》《中國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》《關(guān)于進一步鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展企業(yè)所得稅政策的通知》等政策?！秶壹呻娐樊a(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》中，明確提出要突出芯片設(shè)計-芯片制造-封裝測試-裝備與材料全產(chǎn)業(yè)鏈布局。
       此外，在資金方面，國家也對半導(dǎo)體制造材料行業(yè)予以了大力支持。2014年，工信部成立國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金（簡稱“大基金”），大基金一期從成立到投資完畢歷時將近4年，一期總投資額為1387億元，其中投資裝備材料業(yè)的投資比重為7%，約 98 億元。2019年10月，大基金二期成立，根據(jù)《關(guān)于征集浙江省數(shù)字經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)投資基金項目的通知》，大基金二期將重點投向芯片制造及設(shè)備材料、芯片設(shè)計、封裝測試等產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)。未來待大基金二期投資項目落地，預(yù)計半導(dǎo)體材料行業(yè)將得到進一步的資金支持。

硅片市場分析

硅片定義

     硅片又被稱為硅圓晶片，是集成電路制作中最為重要的原材料。硅片制備通常先利用直拉法等晶體生長技術(shù)，將高純的多晶硅原材料制備成單晶硅，再通過切、磨、拋等加工工藝，將單晶硅制備成拋光硅片。從而使其成為集成電路的基體材料。

硅片分類

      ①根據(jù)晶胞排列是否有序，硅片可分為單晶硅和多晶硅，二者在力學、光學、熱線、以及電學等物理性質(zhì)上存在差異，單晶硅的電學性質(zhì)通常優(yōu)于多晶硅。
半導(dǎo)體硅片均為單晶硅，硅片純度要求高，為 99.9999999%（9N）以上；半導(dǎo)體硅片表面的平整度、光滑度以及潔凈度要求高，需要經(jīng)過后續(xù)的研磨倒角、拋光、清洗等環(huán)節(jié)。半導(dǎo)體硅片的高規(guī)格要求使得其制造工藝復(fù)雜，四大核心步驟包括多晶硅提純與多晶硅料的鑄錠、單晶硅生長以及硅片切割成型。作為晶圓制造的原材料，硅片質(zhì)量直接決定了晶圓制造環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性。
       ②硅片產(chǎn)品按照加工工序可分為拋光片、退火片、外延片、節(jié)隔離片和絕緣體上硅片五大類產(chǎn)品。
拋光片：直接從單晶硅柱上切割出厚度約1mm的原硅片，然后對其進行拋光鏡面加工。
退火片：把拋光片置于充滿氬氣或氧氣的高溫環(huán)境退火得到，可大幅減少拋光片表面的氧氣含量，保持晶體完整性。
外延片：在拋光片表面采用應(yīng)用氣相生長技術(shù)在拋光片表面外延生出單晶結(jié)構(gòu)層，能夠在低電阻襯底上形成一個高電阻層。
節(jié)隔離片：在拋光片的基礎(chǔ)上，通過光刻法、離子注入、熱擴散技術(shù)等技術(shù)嵌入中間層，然后再通過氣相生長技術(shù)在硅片外面形成平滑的外延層。
SOI片（絕緣體上硅片）：三明治結(jié)構(gòu)，最下層是拋光片，中間層是掩埋氧化層（BOX），頂層是活性層也是拋光片。SOI 硅片可以使半導(dǎo)體器件設(shè)計者將器件和周圍部分完全隔離。
       ③按尺寸大小分類，目前主流硅片可分為6英寸、8英寸、12英寸硅片。8英寸硅片主要應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)電子、移動通信、物聯(lián)網(wǎng)；12英寸硅片主要應(yīng)用于智能手機、計算機、云計算、人工智能、固態(tài)存儲硬盤等。

      目前制備單晶硅片的方法主要為查克洛斯基法（Czochralski method，CZ法），且只有該方法能夠做出直徑大于8寸的晶圓，該方法成本較低，因為它能夠使用晶體碎片和多晶硅，并且能夠?qū)诫s化物通過與硅一起熔化及凝固而生長除高摻雜的單晶硅。CZ法包括裝料、融料，晶籽與熔硅的熔接、引細頸、放肩、等徑生長、收尾、切片、平坦化與腐蝕等步驟。當單晶棒鋸切完成后，利用機械方式將晶圓邊緣磨光，并將切片過程中造成的鋒利邊緣磨圓，圓的邊緣可以避免晶圓制造過程中的機械處理時形成缺口或碎裂。接著晶圓使用傳統(tǒng)的研磨料進行粗磨拋光，除去大部分由晶圓切片造成的表面損傷，并同時形成平坦的表面以滿足光科技術(shù)的需要。然后用濕法刻蝕除去鋸切過程、邊緣磨圓和研磨中造成的損傷。

全球半導(dǎo)體硅片市場發(fā)展現(xiàn)狀

      根據(jù)SEMI統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球半導(dǎo)體硅片市場規(guī)模在2009年受經(jīng)濟危機影響而急劇下滑，2010年大幅反彈。2011年到2013年銷售額連續(xù)兩年下降，主要系300毫米大硅片的普及造成硅片單位面積的制造成本下降同時加上企業(yè)擴能競爭激烈，2013年全球硅片的市場規(guī)模只有75億美金。2014年受汽車電子及智能終端的需求帶動，12寸大硅片價格止跌反彈，全球硅片出貨量與市場規(guī)模開始復(fù)蘇。受益于半導(dǎo)體行業(yè)及晶圓產(chǎn)能增長，2016年來，全球硅片出貨量和價格持續(xù)上行。2016-2018 年，全球半導(dǎo)體硅片銷售金額從72.09億美元增長至113.81億美元，根據(jù)Gartner的預(yù)測，到2020年全球硅片市場規(guī)模將達到110億美元左右。
      從全球來看，硅材料具有高壟斷性，全球一半以上的半導(dǎo)體硅材料產(chǎn)能集中在日本，尤其是隨著尺寸越大、壟斷情況就越嚴重。2018年，全球前五大半導(dǎo)體硅片廠份額近92%，其中Shin-Etsu(信越化工)、Sumco、Siltronic、Global Wafers(環(huán)球晶圓)與SK Siltron分別占比為28.50%、25.15%、14.69%、14.04%、10.50%。國內(nèi)硅片材料重點企業(yè)包括硅產(chǎn)業(yè)/上海新昇、中環(huán)股份、有研新材等。

圖表10 2018年全球前五大半導(dǎo)體硅片廠份額

我國半導(dǎo)體硅片市場發(fā)展現(xiàn)狀

       受益于晶圓廠產(chǎn)能向中國轉(zhuǎn)移，中國半導(dǎo)體硅片市場也實現(xiàn)了大幅增長。2016年至2018年，中國大陸半導(dǎo)體硅片銷售額從5億美元上升至9.92億美元，增長率為40.88%，遠高于同期全球半導(dǎo)體硅片的CAGR25.65%。
      從目前主流的8英寸硅片和12英寸硅片兩個品類來看，2016-2018年二者出貨量均實現(xiàn)了快速增長。2016-2018年，受益于汽車電子、智能手機用指紋芯片、液晶顯示器市場需求快速增長，8英寸硅片出貨面積從2690百萬平方英寸上升至3278百萬平方英寸，CAGR 為 10.39%；2016-2018年，受益于人工智能、區(qū)塊鏈、云計算等市場發(fā)展，12英寸硅片出貨面積從6817百萬平方英寸上升至8005百萬平方英寸，CAGR為8.36%。
       2018年中國芯片制造產(chǎn)能中，65nm以下制程約1.2萬片/月，占比 50%，比例低于世界平均水平62%。根據(jù)統(tǒng)計的國內(nèi)晶圓廠目前已公布制程在建項目中，65nm以下制程占比 60%，高于目前50%的比例。未來隨著新的晶圓廠投產(chǎn)，預(yù)計65nm以下制程占比將得以提升。而由于65nm以下制程主要使用12英寸硅片，對應(yīng)晶圓制程產(chǎn)能的提高將推動未來國內(nèi)12英寸硅片市場強勁增長。
       8英寸硅片需求方面，根據(jù)普華永道咨詢數(shù)據(jù)，2018-2022年，以汽車和工業(yè)應(yīng)用半導(dǎo)體市場增長最快，其中汽車應(yīng)用半導(dǎo)體市場 CAGR達12.1%，四年內(nèi)市場增長250億美元，工業(yè)應(yīng)用半導(dǎo)體市場 CAGR達10.7%，四年內(nèi)市場增長270億美元。8英寸硅晶圓下游應(yīng)用一般為汽車電子、工業(yè)電子、移動通信、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，其原因為：1、上述幾種領(lǐng)域芯片的生產(chǎn)不需要對應(yīng)12英寸硅片的最新制程工藝；2、物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展下“類少量多”的需求被打破，每種芯片所需產(chǎn)量不高，12英寸硅片降低成本的優(yōu)勢不再顯著。隨8英寸硅片下游的汽車和工業(yè)應(yīng)用半導(dǎo)體市場近年來以較快增速發(fā)展，對應(yīng)8英寸硅片需求也將得到較有力的刺激和拉升。
       現(xiàn)階段來看，國內(nèi)硅片在建或規(guī)劃產(chǎn)能較高。目前國內(nèi)用于新建硅片廠商的投資金額超過1500億元，硅產(chǎn)業(yè)、超硅半導(dǎo)體、有研半導(dǎo)體、金瑞泓、中環(huán)半導(dǎo)體、中芯晶圓、寧夏銀和等公司均開始興建或計劃建設(shè)硅片加工廠。根據(jù)華夏幸福研究院統(tǒng)計結(jié)果，假若目前新建或規(guī)劃硅片產(chǎn)能完全投產(chǎn)，預(yù)計8英寸硅片產(chǎn)量可達406萬片/月，12英寸硅片產(chǎn)量可達665萬片/月。

      為推動硅片這一占半導(dǎo)體制造材料份額最高的子行業(yè)盡快實現(xiàn)國產(chǎn)化，我國政府也出臺了一系列相關(guān)政策，支持硅片行業(yè)發(fā)展。2012 年工信部發(fā)布的《電子信息制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》提出需要發(fā)展“半導(dǎo)體材料行業(yè)重點發(fā)展硅材料（硅單晶、拋光片、外延片、絕緣硅、鍺硅）及化合物半導(dǎo)體材料”；2016年發(fā)布的《高新技術(shù)企業(yè)認定管理辦法》提出“國家重點支持的高新技術(shù)領(lǐng)域：半導(dǎo)體新材料制備與應(yīng)用技術(shù)中，大尺寸硅單晶生長、晶片拋光片、SOI片及 SiGe/Si外延片制備加工技術(shù)；大型 MOCVD關(guān)鍵配套材料、硅襯底外延和OLED照明新材料制備技術(shù)；大尺寸砷化鎵襯底、拋光及外延片、GaAs/Si材料制備技術(shù)等”；2017年發(fā)布的《“十三五”先進制造技術(shù)領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》提出“面向45-28-14納米集成電路工藝，重點研發(fā)300毫米硅片、深紫外光刻膠、拋光材料、超高純電子氣體、濺射靶材等關(guān)鍵材料產(chǎn)品，通過大生產(chǎn)線應(yīng)用考核認證并實現(xiàn)規(guī)?；N售”等。


上海硅產(chǎn)業(yè)

      上海硅產(chǎn)業(yè)主要從事半導(dǎo)體硅片的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，主要產(chǎn)品是300mm及以下的半導(dǎo)體硅片，是中國大陸規(guī)模最大的半導(dǎo)體硅片制造企業(yè)之一，率先實現(xiàn)300mm半導(dǎo)體硅片規(guī)?；N售，打破了我國300mm半導(dǎo)體硅片國產(chǎn)化率幾乎為0的局面，推進了我國半導(dǎo)體關(guān)鍵材料生產(chǎn)技術(shù)?自主可控的進程。下游應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)，是生產(chǎn)集成電路、分立器件等半導(dǎo)體產(chǎn)品的關(guān)鍵材料，具體應(yīng)用于存儲芯片、傳感器芯片、射頻芯片、邏輯芯片、模擬芯片、分立器件、功率器件等中。
       2018年公司營業(yè)總收入為10.10億元，營業(yè)成本為7.88億元，毛利為2.22億元，毛利率為21.98%。其中硅片業(yè)務(wù)總收入為10.08億元，總成本為7.88億元，毛利為2.2億元，毛利率為21.83%。
       公司的8英寸及以下半導(dǎo)體硅片主要應(yīng)用于傳感器、射頻前端芯片、模擬芯片、功率器件、分立器件等領(lǐng)域。公司8英寸及以下半導(dǎo)體硅片產(chǎn)品可應(yīng)用于 90nm、0.11μm、0.13μm、0.18μm、0.25μm、0.35μm、0.5μm 等制程。在SOI硅片方面，公司掌握了SIMOX、Bonding、Simbond、Smart CutTM 等先進的SOI硅片制造技術(shù)，可以提供多種類型的SOI硅片產(chǎn)品。公司12英寸半導(dǎo)體硅片主要應(yīng)用于存儲芯片、圖像處理芯片、通用處理器芯片、功率器件等領(lǐng)域。公司嚴格執(zhí)行了內(nèi)部產(chǎn)品質(zhì)量控制制度，12英寸半導(dǎo)體硅片產(chǎn)品可應(yīng)用于40-28nm、65nm、90nm 制程，公司目前正在研發(fā)可用于20-14nm 制程的 12 英寸半導(dǎo)體硅片。同時，生產(chǎn)12英寸半導(dǎo)體硅片的公司子公司上海新昇，生產(chǎn)8英寸及以下半導(dǎo)體硅片的Okmetic和新傲科技均取得了 ISO 9001:2015、IATF 16949:2016質(zhì)量體系認證。

中環(huán)股份
    公司主營業(yè)務(wù)包括新能源材料，半導(dǎo)體材料，電力，半導(dǎo)體器材，服務(wù)業(yè)收入，融資租賃等，下游應(yīng)用于集成電路、消費類電子、電網(wǎng)傳輸、風能發(fā)電、軌道交通、新能源汽車、航空、航天、光伏發(fā)電、工業(yè)控制等行業(yè)。公司致力于半導(dǎo)體節(jié)能產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)，在硅材料相關(guān)技術(shù)和晶體生長相關(guān)技術(shù)方面具有世界先進和國內(nèi)領(lǐng)先的比較優(yōu)勢，產(chǎn)品創(chuàng)新上實現(xiàn)差異化，不斷增強產(chǎn)品結(jié)構(gòu)豐富性，進行產(chǎn)業(yè)鏈延伸。發(fā)揮產(chǎn)業(yè)協(xié)同優(yōu)勢與中科院簽訂戰(zhàn)略合作，同時設(shè)立中國科學院微電子研究所天津分所，組織實施橫跨天津、內(nèi)蒙、江蘇的?集成電路用半導(dǎo)體大硅片項目。
2018年，公司實現(xiàn)營業(yè)收入137.6億元，同比增長42.63%，實現(xiàn)歸母凈利潤6.3億元，同比增長8.16%。其中半導(dǎo)體材料占公司總營收的7.4%，新能源材料占公司總營收87.9%。
結(jié)語

      硅片作為集成電路基石之一，其重要性不言而喻。近幾年，由于通信、消費電子等終端產(chǎn)品帶動需求的增加，中國半導(dǎo)體硅片市場也實現(xiàn)了大幅增長，吸引了整個產(chǎn)業(yè)界對硅晶圓產(chǎn)業(yè)的關(guān)注。但目前來看，大尺寸硅片的國產(chǎn)化率并不高，特別是在12寸硅片的生產(chǎn)方面，遠不能滿足市場需求，基本以進口為主。隨著5G時代啟幕，國家政策的大力扶持，為本土硅片企業(yè)發(fā)展壯大營造了良好的產(chǎn)業(yè)環(huán)境和難得的窗口期。
      為降低進口依賴度，彌補半導(dǎo)體硅片的國產(chǎn)供應(yīng)缺口，提升大尺寸硅片生產(chǎn)國產(chǎn)化率，仍需做好幾方面的工作：一是加大政策傾斜力度。持續(xù)頒布集成電路領(lǐng)域優(yōu)惠政策，加大資金扶持，加速半導(dǎo)體材料行業(yè)的發(fā)展；二是提升技術(shù)研發(fā)水平。大硅片生產(chǎn)技術(shù)在硅材料純度、材料切割、打磨等加工過程的精度方面具有很高要求，國內(nèi)硅片生產(chǎn)企業(yè)要突破技術(shù)壁壘，提升國內(nèi)企業(yè)的技術(shù)研發(fā)水平，加快企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新步伐；三是加強高新人才培養(yǎng)。深入實施人才優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略，構(gòu)筑一流人才隊伍的支撐保障體系，既要引進“高精尖缺”境外人才，又要注重培養(yǎng)本土專業(yè)人才，打造半導(dǎo)體材料高端人才隊伍，充分發(fā)揮人才在創(chuàng)新能力提升中的核心作用；四是深化國際間交流合作。利用市場優(yōu)勢，加強協(xié)作與信息共享，謀求共同發(fā)展，實現(xiàn)互利共贏。