半導體材料,主要分為基體材料、晶圓制造材料、封裝材料和關鍵元器件材料。本文聚焦在晶圓制造材料,梳理全球相關市場供需狀況,以及本土相關市場、產品、企業區域分布和關鍵領域龍頭企業的狀況,希望籍此分析國內的晶圓制造材料產業現狀和發展趨勢。


全球市場供需兩旺


全球半導體材料市場持續增長,自2018年以來每年超過500億美元。芯片發貨量的增加以及芯片制造和封裝廠對先進工藝不斷增長的需求成為主要推手。2020年,全球半導體材料市場增長了5%,銷售收入達到553億美元,創下了新的行業記錄。盡管疫情的影響還在持續,但這一增長勢頭在整個2021年一直持續。據TECHET統計數據,今年全球半導體材料市場將超過570億美元,預計到2025年,所有半導體材料的年復合增長率不低于5.3%,其中增長最快的包括硅晶圓、清洗材料、拋光液材料和光刻膠這些晶圓制造材料。

 

全球材料市場規模


圖:全球材料市場規模
來源:SEMI


從2020年的情況看,晶圓制造材料的收入增長了6.5%,達到349億美元,其中,光刻膠和配套試劑、濕化學制品和化學機械拋光CMP(漿料和墊子)的增長最為強勁。


就晶圓制造材料市場結構而言,硅片占比最大,占比為32.9%。其次為氣體,占比為14.1%,光掩膜排名第三,占比為12.6%,其后分別為拋光液和拋光墊、光刻膠配套試劑、光刻膠、濕化學品、濺射靶材,比分別為7.2%、6.9%、6.1%、4%和3%。

 

晶圓制造材料市場結構


圖:晶圓制造材料市場結構
來源:與非研究院


在光刻膠類別中,先進制程的光刻膠在2020年出現了22%的增長,這主要是因為先進光刻技術工藝對縮放的持續追求,擴大了EUV的使用和關鍵層的多圖案化,以刺激193 nm和13.5nm光刻膠的更高消耗,推動了需求。特別是,EUV正在快速應用于高吞吐量生產的前沿邏輯器件,使用了超過85個沉積和蝕刻工具,并在2020年年底前投入量產。


相較而言,硅片市場過去一直是周期性的,通常對供求動態很敏感。2020年,全球硅片出貨量比2019年增長了5%,但由于2020年上半年的軟定價,硅市場收入與2019年持平。SEMI預計,隨著市場對300 mm外延晶圓的強勁需求,以及200 mm和300 mm拋光晶圓的增長,硅片市場在今年得到強勁反彈,預計硅片出貨面積同比增長13.9%,達到近140億平方英寸(MSI)的創紀錄高點。而在2024年,全球硅片出貨量將實現強勁增長。

 

全球硅片產量預測


圖:全球硅片產量預測
*全電子級硅片-不包括非拋光及再生硅片
*出貨只限于半導體用途,不包括太陽能應用。
來源:SIA            整理:與非研究院


國內材料產業增勢迅猛


由于和制造產業高度相關,半導體材料市場的集中度也非常高。從區域角度來看,十多年來,臺灣地區一直是全球最大的半導體材料消費市場。而隨著半導體制造業的擴張,中國大陸也在2020年成為全球第二大原材料市場,韓國排名第三。

 

全球區域材料市場規模


圖:全球區域材料市場規模
來源:SEMI           整理:與非研究院


2015-2019年,國內半導體材料市場規模逐年增長,從2015年的61億美元增長至2019年的87億美元,年復合增長率為9.3%。2019年在全球半導體材料下行趨勢下,中國大陸是唯一半導體材料市場規模增長的地區。預測2021年中國半導體材料市場規模將達99億美元。

 

中國半導體材料市場規模


圖:中國半導體材料市場規模
來源:與非研究院


隨著半導體材料市場規模的擴大,國產化已是大勢所趨,目前,國內的上游晶圓制造材料廠商包括硅晶圓、光刻膠及配套試劑、超凈高純化學試劑、光掩膜版、拋光液、光刻膠和特種氣體。并且在這些領域形成了一批龍頭企業,如光刻膠領域中目前唯一具備ArF光刻膠生產能力的南大光電,該公司也是特種氣體的頭部企業;布局半導體光刻膠全產業鏈的晶瑞股份,以及KrF光刻膠企業彤程新材、上海新陽等;特種氣體領域除南大光電外,還有雅克科技,華特氣體、金宏氣體等;濕電子化學品龍頭企業江化微。

 

中國晶圓制造材料龍頭廠商


圖:中國晶圓制造材料龍頭廠商
來源:與非研究院


根據與非研究院統計,目前,國內晶圓制造材料企業約128家,從分布區域看,十分廣泛。按集中度排名前五的省份依次是江蘇省26家,上海12家,北京10家,山東、浙江和廣東各9家,河南7家。具體分布詳見下圖(詳細統計名錄見附錄)。

 

中國大陸上游晶圓制造材料廠商區域分布


圖:中國大陸上游晶圓制造材料廠商區域分布
來源:與非研究院


在晶圓制造材料中,光刻膠、靶材和特種氣體因為在半導體器件制造過程中發揮關鍵作用,因此尤為重要。作為芯片制造的核心流程,光刻工藝通過將具有細微幾何圖形結構的光刻膠留在襯底上,再通過刻蝕等工藝將該結構轉移到襯底上。光刻膠作為影響光刻效果的核心材料,成為國內企業重點布局的電子產業關鍵材料之一,目前國產替代趨勢正勁。


從光刻膠市場看,中國大陸領跑全球。根據Cision數據,2019年,全球整體光刻膠市場規模為91億美元,而到 2022年則有望達到105億美元,年均復合增速5%,其中中國占據光刻膠最大的市場份額。SEMI預計,2015-2020 年中國光刻膠市場規模將由100億元增長至176億元,年均復合增速12.0%。


雖然市場需求強勁,但目前我國半導體光刻膠制造能力仍較弱,中國光刻膠企業主要生產技術水平較低的PCB用光刻膠,占整體生產結構中的94%,半導體光刻膠則主要依賴進口。目前,在全球半導體光刻膠領域,主要由日本合成橡膠(JSR)、東京應化(TOK)、羅門哈斯、日本信越和富士材料等頭部廠商所壟斷。其中,在高端半導體光刻膠市場上,全球的EUV和ArF光刻膠主要是JSR、陶氏和信越化學等供應商,占有份額最大的是JSR、信越化學,TOK也有研發。


從國內的光刻膠市場來看,低端的中g線/i線光刻膠自給率約為20%,KrF光刻膠自給率不足5%,而高端的ArF光刻膠完全依賴進口,是國內半導體的卡脖子領域。


不過,這一情況正在改變,除了國家對半導體產業的政策支持,下游廠商也從供應鏈安全角度考慮開始扶持國產光刻膠,而全球晶圓廠的擴產潮也帶來了爆發的需求和新一輪的認證窗口期。


另外,今年2月,日本福島東部海域發生7.3級地震導致信越化學福島工廠生產暫停,其KrF光刻膠產線受到嚴重破壞。重建一條KrF光刻膠產線(特別是樹脂產線)需要大約2-3年,因此進一步加劇了半導體光刻膠產能的短缺,有部分中小晶圓廠已經斷供,國內光刻膠企業正在抓住這個寶貴的替代窗口期加快產品進度。


目前,晶瑞電材高端KrF(248)光刻膠已完成中試并已進入客戶測試階段,其ArF(193)高端光刻膠研發工作已正式啟動。此外,廣信材料擬定增募資5.7億元用于年產5萬噸電子感光材料及配套材料項目,加速布局光刻膠領域。


相較于光刻膠,國內在特種氣體領域有著更好的基礎。特種氣體是指在半導體芯片制備過程中需要使用到的各種氣體,可劃分為摻雜氣、外延氣、離子注入用氣、LED用氣、蝕刻用氣、化學汽相沉淀用氣、載運和稀釋氣體等幾大類,種類繁多,在半導體工業中應用的有110余種電子氣體,常用的有20-30種。目前,國內企業產品已基本可以覆蓋電子氣體品類。

 

國內企業電子氣體品類


圖:國內企業電子氣體品類
來源:與非研究院


國內另一個產業基礎較好的關鍵材料是濺射靶材。濺射靶材主要應用于超大規模集成電路芯片、液晶面板、薄膜太陽能電池制造的物理氣相沉積(PVD)工藝,用于制備電子薄膜材料靶材市場最大的下游應用包括半導體、液晶面板等在內的電子行業。其中,半導體芯片是金屬濺射靶材的主要應用領域之一,對靶材成分、組織和性能要求最高。在純度上,通常要求達到99.9995%(5N5)以上,價格最為昂貴。


全球半導體靶材供應基本上集中在美、日龍頭企業,如日礦金屬、霍尼韋爾、東曹、普萊克斯等,這些企業掌握了完整的制備技術,包括金屬提純、靶材制造、濺射鍍膜和終端應用各環節,2018年全球半導體用靶材市場規模為67.6億元,中國大陸和臺灣地區分別為10.9億元和15億元。中國整體對靶材的銷售額為25.9億元,需求量占全球比例高達38%。預計2022年全球及中國半導體對靶材的需求分別上升至86.3和21億元,中國占比達到24%。


總結


總的來看,現階段中國的晶圓制造材料市場的總體規模處于擴張期,增速明顯。國內的晶圓制造材料產業已經具有一定基礎,并在一些核心高端領域破局,打破壟斷形成替代。與非研究院認為,未來驅動國內晶圓制造材料產業實力持續增長的因素有四個:產能擴張、先進制造、新技術和應用、國家政策和資本的扶持。


就產能擴張而言,無疑,當前隨著中美貿易沖突的持續和全球半導體景氣周期的上行——包括本輪缺貨的影響刺激——全球正在進入半導體擴產周期。全球晶圓代工資本開支占收入比重達53%,連續三年提升,而整個半導體產能正在持續向國內轉移,2020-2030年,中國大陸半導體資本開支復合增速有望高于全球。


未來兩年,中國大陸和臺灣地區將分別建立8座晶圓廠,美國新建6座。這29座晶圓廠建成后將新增260萬片/月的晶圓產能,有望拉動全球晶圓制造材料市場規模繼續高速成長。


具體看,中國大陸晶圓代工廠未來的擴產規劃十分巨大,8寸的產能將從當前的74萬片/月增長至135萬片/月;12寸產能將從當前38.9萬片/月增長至145.4萬片/月,分別實現82%及274%的增長,這將直接帶動晶圓制造材料的需求。而從產能擴張結構看,12寸晶圓的增速將遠超8寸晶圓,這一制程結構的升級也將帶動更大的晶圓制造材料用量的增長。 


在先進制造方面,極紫外(EUV)和高數值孔徑(高NA)EUV、異構集成、材料和工藝創新以及FinFET是突破后摩爾定律發展半導體制造的動力。這一過程中,舊材料將被新材料取代,預計到2025年,30%的先進邏輯生產將依賴于新材料和新工藝。


在新技術和應用上,全球經濟數字化程度的提高,5G技術的部署,數據中心和云服務帶來的系統升級,以及對AI的強勁投資,這些新應用都需要更先進的芯片來支持,這也將依賴于先進制造,包括3D存儲和異構集成,這些都需要更多的處理步驟,從而推動更高的晶圓制造材料的消耗。


另一個來自于新應用的機遇是隨著全球碳中和目標的確定,圍繞綠色能源的應用推動了第三代半導體的發展,繼而增加了相關產能和材料的供應。截至2020年底,國內約有8條SiC制造產線,10條正在建設。7條GaN-on-Si產線,4條正在建設。目前,國內SiC導電型襯底產能(折合6英寸)約18萬片,外延22萬片,Si基GaN外延約28萬片。到2025年,我國新能源汽車板塊需75萬片等效SiC 6寸晶圓,快充部分需要67萬片GaN相關晶圓,現有產能與需求差距較大,需要在2025年前加速擴產,才能解決供給缺口。


另根據Yole數據,2025年全球功率器件市場規模將達25.62億美元,需求的釋放將帶動襯底產業蓬勃發展。2020年我國生產半絕緣型襯底9萬片/年,導電型襯底18萬片/年。預計2030年半絕緣型襯底產量將達20萬片/年,導電型襯底產量將達40萬片/年,大尺寸襯底將成為主流趨勢。國內相關龍頭企業的業績也反映出一些趨勢,例如天岳先進在2020年實現營收4.25億元,同比增長58.2%,其中碳化硅襯底產能4.81萬片/年,同比增長達140.5%。


在國家政策和資本扶持方面,前者結合當前全球政經環境毋庸贅言。在資金投入上,國家集成電路大基金已經開始介入。在與非網梳理的《國家集成電路大基金二期投資概覽》中,可以看到截至2021年10月22日,在大基金二期對外投資的15家企業(戰略配售除外)中,有兩家材料企業在列——派瑞特種氣體和南大光電,前者獲投7355萬元,后者大基金二期以1.833億元的價格認購其新增注冊資本6733.19萬元,認繳出資比例18.33%。


綜此,隨著半導體技術和應用的發展,產能的周期性擴張,以及國內產業成熟度的提高,作為半導體生產制造核心基礎的晶圓制造材料產業,正在給國內企業帶來一個充滿挑戰的發展機遇。

 

附錄:中國大陸晶圓制造材料企業名錄

 

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