半导体材料行业深度报告：景气持续国产替代正当时.docx

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1、半导体材料行业深度报告：景气持续，国产替代正当时一、半导体材料景气持续，市场空间广阔(-)半导体工艺复杂,战略价值凸显半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。无论从科技或经济发展的角度来看，半导体都至关重要。2010年以来，全球半导体行业从PC时代进入智能手机时代，成为全球创新最为活跃的领域，广泛应用于计算机、消费类电子、网络通信和汽车电子等核心领域。半导体产业主要由集成电路、光电子、分立器件和传感器组成，据WSTS世界半导体贸易统计组织预测，到2022年全球集成电路占比84.22%,光电子器件、分立器件、传感器占比分别为7.41%、5.10%和 3.26%。半导体工艺复杂，技术壁

2、垒极高。芯片生产大体可分为硅片制造、芯片制造和封装测试三个流程。其中硅片制造包括提纯、拉单晶、磨外圆、切片、倒角、磨削、CMP、外延生长等工艺，芯片制造包括清洗、沉积、氧化、光刻、刻蚀、掺杂、CMP、金属化等工 艺，封装测试包括减薄、切割、贴片、引线键合、模塑、电镀、切筋成型、终测等工艺。整体而言，硅片制造和芯片制造两个环节技术壁垒极高。图表2半导体工艺、高纯硅拉单晶外81切片倒角CMP外延生去硅片清洗制造WAT漓试高纯特气高纯试剂贴片纣装封装引线键合丝基板框架星封料联微粉电镀弓I线鼻合切筋锡球硅提纯：目前多晶硅厂商多采用三氯氢硅改良西门子法进行多晶硅生产。具体工艺是将氯化氢和工业硅粉在沸腾炉

3、内合成三氯氢硅，通过精储进一步提纯高纯三氯氢硅，后在1100C左右用高纯氢还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上，进而得到电子级多 晶硅。拉单晶：目前8寸和12寸硅片大多通过直拉法制备，部分6寸和8寸硅片则通过区熔法 制得。直拉法是将高纯多晶硅放入石英生期内，通过外围的石墨加热器加热至1400C,随后用烟带着多晶硅融化物旋转，将一颗籽晶浸入其中后，由控制棒带着籽晶作反方向旋转，同时慢慢地、垂直地由硅融化物中向上拉出，并在拉出后和冷却后生长成了与籽晶内部晶格方向相同的单晶硅棒。区熔法利用高频线圈在多晶硅棒靠近籽晶一端形成熔化区，移动硅棒或线圈使熔化区超晶体生长方向不断移动，向下拉出得到单晶硅棒

4、。切片：单晶硅棒研磨成相同直径，然后根据客户要求的电阻率，多采用线切割将晶棒切 成约1mm厚的晶圆薄片。倒角：用具备特定形状的砂轮磨去硅片边缘锋利的崩边、棱角和裂缝等，可防止晶圆边缘碎裂，增加外延层和光刻胶层在晶圆边缘的平坦度。磨削：在研磨机上用磨料将切片抛光到所需的厚度，同时提高表面平整度。其目的在于 去除切片工序中硅片表面因切割产生的机械应力损伤层和各种金属离子等杂质污染。清洗：为了解决硅片表面的沾污问题，实现工艺洁净表面，多采用强氧化剂、强酸和去离子水进行清洗。薄膜沉积：即通过晶核形成、聚集成束、形成连续的膜沉积在硅片沉底上。薄膜沉积按照原理可分为物理工艺(PVD)和化学工艺(CVD)。

5、集成电路制造中使用最广泛的PVD技术是溅射镀膜，其基本原理是在反应腔高真空度背景下带正电的氮，离子在电场作用下，轰击到靶材的表面，撞击出靶材的原子或分子，沉积在硅片表面。化学气相沉积技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜。氧化：清洁完成后将晶圆置于800-1200C的高温环境下，通过氧气或蒸气在晶圆表面形成二氧化硅层，以保护晶圆不受化学杂质影响、避免漏电流进入电路、预防离子植入过程中的扩散以及防止晶圆在刻蚀时滑落。图表10干法氧化和湿法氧化示意图光刻：光刻技术用于电路图形生成和复制，是半导体制造最为关键的技术，耗时占IC制造50%,成本占IC制

6、造1/3。其主要流程包括清洗、涂胶、前烘、对准、曝光、后烘、显影、刻蚀、光刻胶剥离等，在光刻过程中，需在硅片上涂一层光刻胶,经紫外线曝光后,光刻胶发生变化,显影后被曝光的光刻胶可以被去除，电路图形由掩模版转移到光刻胶上，在经过刻蚀后电路图形即由掩模版转移到硅片上。刻蚀：是半导体制造工艺中的关键步骤，对于器件的电学性能十分重要。利用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料，目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩模版图形。按照刻蚀工艺划分，刻蚀主要分为干法刻蚀和湿法刻蚀，目前干法刻蚀在半导体刻蚀中占比约90%,而干法刻蚀又可分为化学去除、物理去除及化学物理混合去除三种方式，性能各有优劣。掺杂：在

7、半导体晶圆制造中，由于纯净硅的导电性能很差，需要加入少量杂质使其结构和电导率发生变化，从而变成一种有用的半导体，即为掺杂。目前可通过高温热扩散法 和离子注入法进行掺杂，其中离子注入法具备精确控制能量和剂量、掺杂均匀性好、纯度高、低温掺杂等优点，目前已成为0.25微米特征尺寸以下和大直径硅片制造的标准工艺。CMP：是集成电路制造过程中实现晶圆表面平坦化的关键工艺，其主要工作原理是在一定压力及抛光液的存在下，被抛光的晶圆对抛光垫做相对运动，借助纳米磨料的机械研磨作用与各类化学试剂的化学作用之间的高度有机结合，使被抛光的晶圆表面达到高度 平坦化、低表面粗糙度和低缺陷的要求。困表15 （ 示意图抛光垫

8、抛光液钻石碟金属化：在制备好的元器件表面沉积金属薄膜，并进行微细加工，利用光刻和刻蚀工艺刻出金属互连线，然后把硅片上的各个元器件连接起来形成一个完整的电路系统，并提供与外电路连接点的工艺过程。（二）半导体材料为芯片之基，覆盖工艺全流程半导体材料包括晶圆制造材料和封装材料。其中晶圆制造材料包括硅片、掩模版、电子气体、光刻胶、CMP抛光材料、湿电子化学品、靶材等，封装材料包括封装基板、引线框架、键合丝、包封材料、陶瓷基板、芯片粘结材料和其他封装材料。具体来说，在芯片制造过程中，硅晶圆环节会用到硅片；清洗环节会用到高纯特气和高 纯试剂；沉积环节会用至I靶材;涂胶环节会用到光刻胶;曝光环节会用到掩模板

9、；显影、蚀、去胶环节均会用到高纯试剂，刻蚀环节还会用到高纯特气；薄膜生长环节会用到前驱体和靶材；研磨抛光环节会用到抛光液和抛光垫。在芯片封装过程中，贴片环节会用到封装基板和引线框架；引线键合环节会用到键合丝；模塑环节会用到硅微粉和塑封 料；电镀环节会用到锡球。（三）中国为全球最大半导体市场，国产化提升大势所趋复盘半导体行业发展历史，共经历三次转移。第一次转移：1973年爆发石油危机，欧美 经济停滞，日本趁机大力发展半导体行业，实施超大规模集成电路计划。1986年，日本 半导体产品已经超越美国，成为全球第一大半导体生产大国；第二次转移：20世纪90年度，日本经济泡沫破灭，韩国通过技术引进实现DR

10、AM量产。与此同时，半导体厂 商从IDM模式向设计+制造+封装模式转变，催生代工厂商大量兴起，以台积电为首的中国台湾厂商抓住了半导体行业垂直分工转型机遇；第三次转移：2010年后，伴随国内手机厂商崛起、贸易摩擦背景下国家将集成电路的发展上升至国家战略，半导体产业链 逐渐向国内转移。表18半导体产业转移日本政府支持成果韩国、中国台湾地区研发成功与19%年之后，PC、手机成长1970-1990,大MJ或长；1990之后，, 机衰退1953197919901995中国为全球最大半导体市场，占比约1/3O随着中国经济的快速发展，在手机、PC、可 穿戴设备等消费电子，以及新能源、物联网、大数据等新兴领域

11、的快速推动下，中国半 导体市场快速增长。据WSTS数据显示，2021年全球半导体销售达到5559亿美元，而中国仍然为全球最大的半导体市场，2021年销售额为1925亿美元，占比34.6%O国产化率极低，提升自主能力日益紧迫。近年来，随着产业分工更加精细化，半导体产业以市场为导向的发展态势愈发明显。从生产环节来看，制造基地逐步靠近需求市场，以减少运输成本；从产品研发来看，厂商可以及时响应用户需求，加快技术研发和产品迭代。我国作为全球最大的半导体消费市场，半导体封测经过多年发展在国际市场已经 具备较强市场竞争力，而在集成电路设计和制造环节与全球领先厂商仍有较大差距，特别是半导体设备和材料。SIA数

12、据显示，2020年国内厂商在封测、设计、晶圆制造、材料、设备的全球市占率分别为38%、16%、16%、13%、2%,半导体材料与设备的国产替代重要性日益凸显。二、市场规模快速增长，本土厂商进展顺利（一）半导体材料量价齐升，硅片为单一最大品类1、先进制程持续升级，半导体材料同步提升进入21世纪以来，5G、人工智能、自动驾驶等新应用的兴起，对芯片性能提出了更高的要求，同时也推动了半导体制造工艺和新材料不断创新，国内外晶圆厂加紧对于半导体新制程的研发，台积电已于2020年开启了 5nm工艺的量产，并于2021年年底实现3nm制程的试产，预计2022年开启量产。此外台积电表示已于2021年攻克2nm制

13、程的技术节点的工艺技术难题，并预计于2023年开始风险试产，2024年逐步实现量产。随 着芯片工艺升级，晶圆厂商对半导体材料要求越来越高。2、半导体景气度超预期，晶厂商积极扩产目前部分终端需求仍然强劲，晶圆代工厂产能利用率维持历史高位，预计全年来看结构性缺货状态依旧严峻。据SEMI于2022年3月23日发布的最新一季全球晶圆厂预测报告，全球用于前道设施的晶圆厂设备支出预计将同比增长18%,并在2022年达到1070亿美元的历史新高。由于半导体材料与下游晶圆厂具有伴生性特点，本土材料厂商将直接受益于中国大陆晶圆制造产能的大幅扩张。成熟制程供需持续紧张，国内晶圆厂扩产规模维持高位。受益于成熟制程旺

14、盛需求及大陆地区稳定的供应链，大陆晶圆厂快速扩产。根据SEMI报告，2022年全球有75个正在进行的晶圆厂建设项目，计划在2023年建设62个。2022年有28个新的量产晶圆厂 开始建设，其中包括23个12英寸晶圆厂和5个8英寸及以下晶圆厂。分区域来看，中国晶圆产能增速全球最快，预计22年8寸及以下晶圆产能增加9%, 12寸晶圆产能增加17%o3、工艺升级+积极扩产，半导体材料市场规模快速增长随着下游电子设备硅含量增长，半导体需求快速增长。在半导体工艺升级+积极扩产催化下，半导体材料市场快速增长。据SEMI报告数据，2021年全球半导体材料市场收入达到643亿美元，超过了此前2020年555亿

15、美元的市场规模最高点，同比增长15.9%o晶圆制造材料和封装材料收入总额分别为404亿美元和239亿美元，同比增长15.5%和16.5%。此外，受益于产业链转移趋势，2021年国内半导体材料销售额高达119.3亿美元，同比增长22%,增速远高于其他国家和地区。4、半导体材料市场较为分散，硅片为单一最大品类半导体材料种类繁多，包括硅片、电子特气、掩模版、光刻胶、湿电子化学品、抛光液、抛光垫、靶材等。据SEMI数据显示，硅片为半导体材料领域规模最大的品类之一，市场份额占比达32.9%,排名第一，其次为气体，占比约14.1%,光掩模排名第三，占比为12.6%0此外，抛光液和抛光垫、光刻胶配套试剂、光刻胶、湿化学品、溅射靶材的占比分别为 7.