行業觀察|昔日冷門賽道加速“回春”,半導體材料為何成掣肘全球產業發展的關鍵?

語言: CN / TW / HK

作者|韋世瑋

編輯|石亞瓊

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近半個月來的局勢,對全球半導體供應鏈來說無疑是雪上加霜,本就受供應鏈短缺困擾的半導體行業,這次又在氖氣、鈀元素等半導體材料領域面臨衝擊。

在過去,每當人們談論半導體國產替代,往往將目光聚焦在半導體裝置、晶片設計、製造封測這些熱門賽道,處於更上游的原材料領域鮮少有人問津。實際上, 半導體材料支撐著積體電路(IC)晶片從製造到封測的每一個環節,是半導體行業重要的物質基礎,其質量的好壞不僅決定了最終晶片質量,也影響著下游應用端的效能。

據國際半導體產業協會SEMI資料,2020年全球半導體材料市場銷售額達553億美元(約3490.1億人民幣),同比增長5%。其中,晶圓製造材料和封裝材料的營收分別為349億美元(約2202.6億人民幣)、204億美元(約1287.5億人民幣),同比增長6.5%和2.3%。

SEMI還預測,2021年全球半導體材料市場銷售額將達565億美元(約3565.8億人民幣)。這是什麼概念?據世界半導體貿易統計組織(WSTS)相關資料,2021年全球半導體市場規模將達4694.03億美元(29613.2億人民幣),同比增長8.4%,創下歷史新高。也就是說,在龐雜的半導體行業中,半導體材料就約佔整體半導體市場價值的10%。

WSTS對2019-2021年全球半導體材料市場資料

半導體材料的技術壁壘高、價值高、生產難度大等特性,使其成為各國科技貿易競爭之間的重要籌碼。例如,在2019年日本宣佈加強對韓國的光刻膠、高純度氟化氫、含氟聚醯亞胺三種半導體材料的出口限制,就嚴重動搖了韓國從半導體到顯示器行業的供應鏈。

據韓國貿易協會報告資料,韓國半導體和顯示器行業對日本光刻膠、高純度氟化氫、氟聚醯亞胺三種半導體材料的依賴程度分別為43.9%、93.7%、91.9%。面對日本的出口限制,韓國緊急尋找替代品,多次加大資金投入,以緩解供應危機。

在龐大且環環相扣的半導體產業鏈中,半導體材料的重要性不言而喻。這次,我們以半導體晶圓製造材料為切入點,通過對其進行拆解和分析,探究這個隱祕賽道背後的格局與 壁壘半導體材料為何能成為掣肘全球產業發展的關鍵?中國半導體材料市場在其中又扮演著什麼樣的角色?

一、晶圓製造材料是核心,矽片佔比超整體材料三分之一

若從製造工藝來區分,半導體材料可分為晶圓製造材料、封裝材料兩大類。其中, 晶圓製造材料是半導體材料的核心, 包括矽片、光刻膠、掩膜版、電子特氣、溼化學品、濺射靶材、CMP拋光材料等。

據深港證券相關報告資料,矽片在晶圓製造材料中的佔比最高,約37.6%,超過整體材料的三分之一,其次分別為電子特氣(13.2%)、掩膜版(12.5%)。從市場年複合增長率角度看,在2010-2019年,晶圓製造材料中增速最快的材料為超淨高純試劑(8.9%),其次為光刻膠配套試劑(6%)、拋光材料(5.1%)、光刻膠(4.3%)、ESG(4.1%)、掩膜版(2.7%)、靶材(2%)、矽片(1.7%)等。

2020年晶圓製造材料佔比(圖源:華創證券)

我們簡單分析其中三類核心的晶圓製造材料:

  • 矽片

矽在半導體材料中的重要性在於, 目前超90%的IC晶片都是以矽片為襯底製造出來的, 矽片的質量好壞直接影響著矽片上晶片的最終質量,換句話說,整個半導體產業都建立在矽材料之上。

目前,市場上主流的矽片尺寸為8英寸和12英寸,市場根據晶片型別及成本考慮選擇不同尺寸的矽片作為襯底,例如功率半導體和微控制器主要採用8英寸矽片、邏輯晶片和儲存晶片則採用12英寸矽片。

大尺寸矽片(12英寸)在成本和效率上都具有明顯的優勢。一方面,在相同工藝下,大尺寸矽片能製造的晶片數量更多,例如12英寸矽片的可使用面積是8英寸的2倍以上,可使用率是8英寸的2.5倍左右;另一方面,由於矽片為圓形、晶片為方形,也就意味著在製造晶片時會浪費掉邊緣無法利用的區域,而矽片尺寸越大,這部分損失比也就越小。

  • 光刻膠

簡單來說,光刻膠主要用於將電路圖案轉移到半導體晶片上, 是光刻環節最重要的耗材,也是晶圓製造材料中技術壁壘最高的品類之一。 在整個矽片製造工藝中,光刻的成本約佔總體的三分之一,耗時約佔40%-60%;在刻蝕過程中,光刻膠則主要起到防腐蝕的保護作用。

從需求看,光刻膠又可分為半導體光刻膠、面板光刻膠、PCB光刻膠三大類,不同類別下還劃分了不同的具體品種,具有品類多、專用性極強等特點,其中半導體光刻膠的技術壁壘最高。同時,不同專用環節對光刻膠的溶解性、耐蝕刻性、耐熱性、感光性等都著嚴格要求,這就導致不同品質等級的光刻膠在製造工藝、化學結構、反應機理、效能等方面有著較大的差異化。

解析度、對比度、敏感度等是光刻膠的核心技術引數,隨著未來市場對晶片小型化需求的發展,光刻膠將進一步朝著高解析度、高對比度、高敏感度等方向發展。

半導體晶圓

  • 電子特氣

電子特氣包括氦、氖、氬、氪、氙、氡等稀有氣體,是晶圓製造材料中僅次於矽片的第二大耗材,廣泛應用於晶圓製造過程的擴散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、拋光、金屬化等多道環節。據SEMI資料,在2019年全球約328億美元(約2069.8億人民幣)的晶圓製造材料市場中,電子特氣規模就佔了13%,約43億美元(約271.4億美元)。

電子特氣根據純度不同可分為普通氣體、純氣體、高純氣體、超高純氣體四個等級,而純度對晶片成品率、效能和壽命都有著直接影響,純度每提升一個數量級都將讓器件效能實現有效提升。因此,電子特氣的合成和提純是主要的技術門檻。

電子特氣在半導體制造過程中的應用(圖源:華創證券)

二、國外巨頭壟斷半導體材料市場,我國本土玩家起步晚但後勁足

縱觀整個半導體材料領域,由於其技術壁壘高、生產難度大、驗證週期長等特點,導致 大部分半導體材料都處於寡頭壟斷的局面,核心技術長期掌握在歐美、日本、德國、韓國等國家手中。

其中,日本就供應了全球超50%的半導體材料,例如全球超70%的光刻膠均由日本生產,由JSR、東京應化、信越化學、富士電子4家企業瓜分。而在半導體制造過程所需的19種核心材料中,日本就佔到了14種,處於絕對領先地位。

此外在矽片市場,2018年全球近90%的市場都被日本信越化學、日本SUMCO、中國臺灣環球晶圓 、德國、韓國SK Siltron佔據,市場集中度非常高。

相比之下, 我國本土半導體材料行業起步晚、發展慢,加之本土市場長期被國外巨頭牢牢佔據,導致本土玩家呈現“小而散”的格局。 例如在2018年,我國電子特氣行業的88%市場份額仍被美國空氣化工、德國林德集團、法國液化空氣、日本大陽日酸4家巨頭瓜分,國產進口替代率僅為20%左右。

不過,隨著國產替代浪潮的推動,如今越來越多的本土企業開始切入半導體材料領域,大大推動了國產半導體行業技術自主性的發展。

比如在電子特氣方面,華特氣體、金巨集氣體、雅克科技、南大光電、昊華科技、中船重工七一八所等企業都是國產電子特氣的代表性玩家。其中,華特氣體成立於1999年,核心研發面向積體電路、新型顯示面板等高階領域的特種氣體,以及普通工業氣體、氣體裝置與工程,2019年在科創板上市。

目前,華特氣體已實現對國內8寸以上IC製造廠超過80%的客戶覆蓋率,不僅滿足了中芯國際、華虹巨集力、長江儲存、武漢新芯、華潤微電子、京東方等國內玩家的多種氣體材料需求,還成功進入了英特爾、美光科技、德州儀器、海力士等國外領先的半導體企業供應鏈。

在2020年,我國電子特氣市場規模為150億元,佔全球市場48%。中國半導體行業協會預計,2024年我國電子特氣市場規模將達230億元,全球市場佔比接近60%。

值得注意的是,得益於半導體國產替代意識提高對IC產業規模的進一步拉昇,全球半導體材料市場的重心正逐漸向亞洲轉移。據Maximize Market Research資料,若以區域劃分,從2006-2019年,中國臺灣的半導體材料市場份額從18.1%增長至21.7%,韓國從13.1%增長至16.94%,中國大陸則從6.4%提升至16.67%,而日本、北美、歐洲等國家及地區的市場份額逐漸下滑。

2006-2019年全球報道體材料區域格局(圖源:前瞻產業研究院)

同時據SEMI釋出的相關資料,2020年中國大陸的半導體材料市場銷售額增速達8.45%,超過韓國成為全球第二,並預計中國大陸市場將在2021年突破100億美元(約631億人民幣)大關,進一步拉大與韓國的差距。

三、機會與挑戰並存,國產半導體材料發展道阻且長

長期來看,我國半導體材料市場發展潛力巨大,主要得益於晶片技術迭代、全球產業鏈轉移和國家政策推動這三大因素。

  • 晶片技術迭代

近年來5G、人工智慧(AI)、汽車電子、資料中心/雲端計算等行業應用的發展,對晶片效能提出了更高要求,晶片製程節點需要向更極致的目標推進,目前臺積電、三星電子的晶片製程技術都已推進至5nm製程,並向著3nm及以下製程突破。

值得注意的是,依照摩爾定律,積體電路上可容納的電晶體數量,每隔18至24個月就會增加一倍,效能也將提升一倍。但隨著摩爾定律逐漸放緩,晶片的物理尺寸逐漸逼近極限,如何進一步提升電晶體密度、縮短柵極間距等,不僅要依靠晶片結構技術的迭代,半導體材料的創新也是其中的關鍵。

  • 全球產業鏈轉移

行業觀點認為,全球半導體產業鏈重心經過從美國到日本(20世紀70-80年代)、日本到韓國和中國臺灣(20世紀90-21世紀初)兩次遷移後,如今正逐漸向中國大陸轉移,尤其是IC製造環節。一方面在於,韓國和中國臺灣逐漸失去勞動力成本的優勢;另一方面,中國大陸的晶圓廠及產能正處於高速擴張階段,將進一步刺激半導體材料市場需求的增長。

據SEMI資料,1995-2020年,中國大陸晶圓產能市場份額已從1.7%提升至22.8%,成為第一大晶圓生產國,其他地區均有下滑,並預測到2021年年底,中國大陸8英寸晶圓廠的產能將居全球市場首位,市場份額將達到18%,其次是日本和中國臺灣地區,分別是16%。

半導體行業三次產業鏈轉移(圖源:華創證券)

  • 國家政策推動

在2014年國務院釋出《國家積體電路產業發展推進綱要》後,全國各地區紛紛佈局IC製造、設計、封測三大環節,但對更上游的半導體裝置和材料領域關注較少。

不過,2019年10月啟動的國家大基金二期就提出了要重點投資半導體裝置和材料領域,共募集資金2000億元左右,預期可撬動社會融資6000-8000億元,現已進入全面投資階段。工信部曾表示,2020年上半年我國生產的IC已超1000億塊,同比增長16.4%,保持了較快的增長勢頭。

實際上,除了國家大基金積極推動本土半導體材料行業的發展外,我國也有越來越多的投資機構及下游終端企業開始加大對半導體材料的投資佈局。

據云岫資本釋出的《2020年中國半導體行業投資解讀》資料,儘管IC設計仍是2020年國內半導體投資的重點,總投資案例數接近70%,但過去較為冷門的半導體材料和裝置領域的投資熱度正顯著增長,案例總數從2019年的13%攀升到了19%。其中, 2020年半導體材料領域總融資金額超過120億人民幣,但該領域所投的專案普遍處於早期階段,B輪及之前的比重超過50%。

與此同時,包括華為旗下哈勃投資、中芯聚源等機構正加大對半導體材料領域的投資。例如,哈勃投資在2019年(2家)到2020年(7家)共投資了9家材料及裝置公司,包括從事材料砷化鎵及磷化銦襯底(單晶片)研發和生產的鑫耀半導體、以及山東天嶽、瀚天天成等碳化矽材料公司。

整體來看,儘管我國半導體材料產業發展仍道阻路長,但隨著我國半導體材料產業的建設熱情被點燃,從國家政策、市場資本到人才迴流都在加速整個產業的自主化發展,產業的高階核心技術、先進性也在持續地打磨、突破和創新。相信在未來,我們終將會掌握半導體市場真正的話語權。

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參考來源:

[1]《半導體材料系列報告(一)產業轉移與政策呵護雙重動力,半導體材料國產化程序持續加速》,華創證券

[2]《疫情之下 材料崛起》,深港證券