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半导体材料市场规模快速上升

发布时间:2022-11-29阅读:2693

10月下旬,一张在各业内微信群广泛传播的截图显示,有业内人士援引国内头部晶圆厂内部消息爆料称,半导体材料大厂美国陶氏杜邦和德国AZ公司开始准备暂停供应大陆半导体材料。
近日,有业内人士向芯智讯爆料,陶氏杜邦在停止了相关半导体材料的对国内存储晶圆厂的供应之后,上周又暂停了对国内某逻辑晶圆厂的供应。
这也迫使国内晶圆厂积极备货和加快国产半导体材料验证。
目前国产半导体材料整体还相对薄弱,2021年国内半导体材料国产化率仅约10%左右,这对于国产半导体材料厂商来说既是一个机遇,也是一个巨大挑战。
下面借用国信证券最新的一份关于半导体材料领域的深度报告(芯智讯有删减及增加部分内容)来为大家展示国产半导体材料行业的现状。
一、半导体材料是半导体产业的基石
1、半导体材料贯穿了半导体生产的整个流程
半导体产业链一般分为设计、制造和应用三个环节。半导体材料在半导体产业链中位于制造环节上游,和半导体设备一起构成了制造环节的核心上游供应链,是推动半导体产业链发展的基石。
按照应用环节半导体材料可以分为制造材料与封测材料。其中,晶圆制造材料主要包括硅片、特种气体、掩膜版、光刻胶及配套材料、湿电子化学品、靶材、CMP 抛光液&抛光垫等;封装材料主要包括封装基板、引线框架、键合丝、包封材料、陶瓷基板、芯片粘接材料等。

晶圆制造材料中,硅片为晶圆基底材料;掩膜版用于光刻工艺底板;光刻胶用于将掩膜版上的图案转移到硅片上;靶材用于薄膜沉积;电子特气用于氧化、还原、除杂;湿电子化学品用于清洗、刻蚀;抛光材料用于实现平坦化。
封装材料中,封装基板与引线框架用于保护、支撑芯片及建立芯片与 PCB 间的连接;键合丝用于连接芯片和引线框架;粘合材料用于芯片贴片;陶瓷封装体用于绝缘打包。
细分市场中,制造材料市场占比 63%,硅片在制造材料中占比最高。2021 年半导体材料全球整体市场空间约 643 亿美元。其中制造材料市场规模约 404 亿美元,占比 63%;封测材料市场规模约 239 亿美元,占比 37%。

2021 年晶圆制造材料市场细分占比中,硅片占比 41%最高,市场份额约 126 亿美元;掩膜版、电子特气分别占比 16%、15%,市场份额约 49 亿美元、45 亿美元;CMP 材料、光刻胶、湿电子化学品、靶材分别占比 10%、8%、6%、4%,市场份额分别为 30 亿美元、25 亿美元、20 亿美元和 11 亿美元。

2、全球半导体材料行业市场规模整体呈上升态势
根据 SEMI 数据,2015-2021 年全球半导体材料行业市场规模整体呈不断上涨态势,2015 年市场规模为 432.9 亿美元,2021 年增长到 643 亿美元,CAGR 为 6.8%。
2019 年全球半导体材料行业市场相比 2018 年下降 1.12%,主要系 2019 年下游增速放缓,叠加贸易摩擦,使得半导体产业整体低迷,增速下滑。
2020 与 2021 年由于 5G 和新能源的快速发展,大幅提升了半导体产业的市场需求,半导体材料市场规模快速上升,2021 年达到 643亿美元,同比增长 15.86%。

分产品的市场规模来看,晶圆制造材料占比不断提升。
2011 年到 2020 年,晶圆制造材料占比较封装材料不断上升,2011 年晶圆制造材料和封装材料占比分别为50.63%和 49.37%,2020 年晶圆制造材料和封装材料占比分别为 63.11%和 36.89%。
晶圆制造材料占比提升的原因是先进制造的持续发展,对晶圆制造环节的材料提出了更高的要求,加工工艺步骤的不断增加也提升了晶圆制造材料的消耗量。

3、中国集成电路市场保持高增速,国内半导体材料的市场空间广阔
根据中国半导体行业协会发布的统计数据显示,2021 年中国集成电路产业销售额为 10458.3 亿元,同比增长 18.2%。
其中,设计业销售额为 4519 亿元,同比增长 19.6%;制造业销售额为 3176.3 亿元,同比增长 24.1%;封装测试业销售额 2763 亿元,同比增长 10.1%。

晶圆厂扩产推动材料需求上升,中国大陆是全球新建晶圆厂数量最多的。
SEMI 预计,2020 年至 2024 年间将有众多晶圆厂上线,包括 25 座 8 英寸晶圆厂和 60 座12 英寸晶圆厂,其中中国是新增数量最多的国家,中国国内新增 14 座 8 英寸和15 座 12 英寸,中国台湾新增 2 座 8 英寸和 15 座 12 英寸,在新建 8 英寸晶圆厂方面,中国国内的数量远远超过其他国家/地区。
2021、2022 年中国国内新建数量分别为 5 座和 3 座,2024 年中国国内的 12 英寸寸晶圆厂市场份额上升至 20%,相较于 2015 年增长 12%,产能达到 150 万片/月。晶圆厂的扩产将刺激上游半导体材料行业的市场需求。根据 IC insights 预计,2022 年全球新投产 10 座 12 英寸晶圆厂,将带来全球晶圆产能 8.7%的增幅,高于 2021 年的 8.5%,并预计 2022 年全球晶圆厂的产能利用率仍将超过 90%,预计为 93%。
根据 Knometa Research 数据,2021 年全球的晶圆产能达到了 2143 万片/月(按 8 寸晶圆当量),其中中国国内月产能为 350 万片,仅占全球产能的 16%。
中国国内的产能份额在过去两年中每年增加 1pct,自 2011年以来累计增加 7pct,预计到 2024 年中国在全球 IC 晶圆产能中的份额将达到近19%。
另外随着先进制程不断发展,制程提升会增加工艺难度和加工步骤数,28nm 刻蚀步骤仅 40 步,5nm 刻蚀步骤提升至 160 步,工序的增多也扩大了对上游材料的需求。
根据 SEMI 数据,2021 年,中国台湾地区仍是全球半导体材料最大的市场。但中国大陆市场增速最快,2021 年增长 21.90%至 119 亿美元,占全球市场的18.56%。

中国集成电路仍以进口为主,国产替代空间巨大。
根据中国海关总署数据,2021年中国进口的芯片总量为 6354.8 亿个,同比增长了 16.9%;进口金额突破到了近4326 亿美元,同比增长 23.6%,均创下历史新高。
2017-2021 年,我国集成电路进口数量约为出口数量 2 倍,进口金额约为出口金额 4 倍,总体仍高度依赖进口。


我国半导体材料国产化率 2021 年仅约 10%,主要系产业起步较晚,在品类丰富度和竞争力处于劣势。
今年 10 月 7 日美国BIS出台管制新规制裁我国半导体先进制程产业,短期对集成电路制造业各环节造成一定冲击,但长期来看我国集成电路产业必将走上独立自主创新之路,管制新规将进一步催化设备及材料端国产化趋势,特别是在成熟制程,预计国产材料及设备能够得到更多的验证资源和机会,国产替代周期有望缩短。
二、半导体硅片:半导体器件的主要载体,集成电路大厦之地基
硅片是半导体器件的主要载体,在半导体材料占比最高。硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料,多晶硅是单质硅的一种形态。
通常按照纯度不同,将多晶硅分为工业级(纯度在95%-99%)、太阳能级(纯度在99.99%-99.9999%)和电子级(纯度在99.9999999%-99.999999999%)。
电子级的多晶硅经过拉单晶硅锭、切割和后续一系列加工后,成为半导体硅片。

硅片位于半导体制造产业链上游。在半导体制造产业链中,硅片是基础材料,位于制造产业链的上游,集成电路结构是以硅片为基础搭建而成的,硅片是芯片制造的核心原材料。
1、半导体硅片制造流程与分类
半导体硅片制造流程复杂,主要包括拉单晶和硅片的切磨抛外延等工艺。半导体硅片的生产流程复杂,涉及工序较多。
研磨片工序包括拉单晶、截断、滚圆、切片、倒角、研磨等,抛光片是在研磨片的基础上经边缘抛光、表面抛光等工序制造而来;抛光片经外延工艺制造出硅外延片,经退火热处理制造出硅退火片,经特殊工艺制造出绝缘体上硅 SOI。
硅片制造过程中需要经过多次清洗,在销售给客户之前还需要经过检验和包装。

根据掺杂程度不同,半导体硅片可分为轻掺和重掺。重掺硅片的掺杂元素掺入量大,电阻率低,一般用于功率器件等领域产品;轻掺硅片掺杂浓度低,一般用于集成电路领域,技术难度和产品质量要求更高。由于集成电路在全球半导体市场中
占比超过 80%,全球对轻掺硅片需求更大。根据工艺,半导体硅片可分为研磨片、抛光片及基于抛光片制造的特殊硅片外延片、SOI 等。
研磨片可用于制造分立器件;轻掺抛光片可用于制造大规模集成电路或作为外延片的衬底材料,重掺抛光片一般用作外延片的衬底材料。相比研磨片,抛光片具有更优的表面平整度和洁净度。
在抛光片的基础上,可以制造出退火片、外延片、SOI硅片和结隔离硅片。
退火片在氢气或氩气环境下对抛光片进行高温热处理,以去除晶圆表面附近的氧气,可以提高表面晶体的完整性。外延片是在抛光片表面形成一层气相生长的单晶硅,可满足需要晶体完整性或不同电阻率的多层结构的需求。
SOI硅片(Silicon-On-Insulator)是在两个抛光片之间插入高电绝缘氧化膜层,可以实现器件的高集成度、低功耗、高速和高可靠性,在活性层表面也可以形成砷或砷的扩散层。结隔离硅片是根据客户的设计,利用曝光、离子注入和热扩散技术在晶圆表面预形成IC嵌入层,然后再在上面生长一层外延层。
应用最广的三类硅片是抛光片、外延片与以 SOI 硅片。抛光片直接用于制作半导体器件,广泛应用于存储芯片与功率器件等,也可作为外延片、SOI 硅片的衬底材料。
外延片是由抛光片经过外延生长而形成,常在 CMOS 电路中使用,如通用处理器芯片、图形处理器芯片等,也应用于应用于二极管、IGBT 等功率器件的制造。
SOI 硅片是由抛光片经过氧化、键合或离子注入等工艺处理后形成,具备耐高压、耐恶劣环境、低功耗、集成度高等特点,主要应用于智能手机、WiFi 等无线通信设备的射频前端芯片,也应用于功率器件、传感器、硅光子器件等芯片产品,价格是一般硅片的 4-5 倍。
根据应用场景不同,半导体硅片可分为正片、假(陪)片。
正片用于半导体产品的制造,假片用来暖机、填充空缺、测试生产设备的工艺状态或某一工艺的质量状况。
假片一般由晶棒两侧品质较差部分切割而来,由于用量巨大,在符合条件的情况下部分产品会回收再利用,回收重复利用的硅片称为可再生硅片。
据观研网数据,65nm 制程的晶圆代工厂每 10 片正片需要加 6 片假片,28nm 及以下制程每 10 片正片则需要加 15-20 片假片。

2、半导体市场推动硅片市场增长,大尺寸硅片需求提升
中国半导体硅片市场增速明显。根据 SEMI 数据,2016-2018 年,全球半导体硅片市场总体处于上升增速明显,2018-2020 年小幅回落,2021 年重拾升势,全球市场规模 126 亿美元。中国国内半导体硅片市场自 2015 年起迅速上升,2021 年中国市场规模 16.6 亿美元,2015-2021 年 CAGR 为 27%,市场增速明显。半导体含量提升推动硅片出货面积增加,2021 年全球硅片出货面积创历史新高。历史上半导体行业的年均增速高于电子系统整体市场,主要驱动力是电子系统中使用的半导体的含量不断增加。
比如随着全球手机、汽车和个人电脑出货量增长趋于成熟和放缓,电子系统市场 2011-2021 年的年均复合增长率为 3.5%,而半导体行业 2011-2021 年的年均复合增长率为 6.5%。根据 IC Insights 的数据,2021年电子系统中的半导体含量提高到了 33.2%,创历史新高,同时预期终值将超过40%。
在半导体含量推动作用下,硅片出货面积呈上升趋势,根据 SEMI 的数据,2021 年全球硅片出货面积 141.65 亿平方英寸,创历史新高。

集成电路制程缩小推动硅片向大尺寸发展。半导体硅片通常可以按照尺寸、工艺两种方式进行分类。按照尺寸分类,主流半导体硅片分为 150mm(6 英寸)、200mm(8 英寸)与 300mm(12 英寸)等规格。
硅片诞生于 1960 年,初始为 23mm,此后逐步向大硅片发展,2002 年 300mm(12 英寸)硅片实现量产,台积电、Intel等企业仍有 450mm 硅片的研发规划。
根据摩尔定律,集成电路上的晶体管每隔 18 个月要翻一倍,相对应的成本就下降一半,而大尺寸硅片能够提高单个硅片上集成的芯片数量,芯片尺寸越小,硅片尺寸越大,单个芯片的制造成本越低,可以显著降低边际成本。因此,制程的不断缩小推动硅片向大尺寸发展。

先进制程占比上升,推动 12 英寸芯片需求提升。根据 IC insight 预测,2021-2024年,全球芯片制造产能中 10nm 以下制程占比迅速上升。
2021 年,10nm 以下制程占比为 16%,2024 年将上升至 29%,而先进制程基本是以 12 英寸硅片为主,先进制程的发展将刺激 12 英寸硅片需求。

半导体硅片新增需求集中在 8 英寸和 12 英寸,6 英寸及以下尺寸硅片需求稳定。
根据 Omdia 的数据,6 英寸及以下尺寸的半导体硅片需求量在 2000 年到 2015 年之间曾下降趋势,2015 年后基本保持稳定;12 英寸硅片从 2001 年商业化生产后,需求量持续攀升;8 英寸硅片需求量波动相对较少。
Omdia 预计 2021 至 2025 年,8 英寸和 12 英寸半导体硅片需求量将增加,6 英寸及以下尺寸硅片需求保持平稳。从出货片数来看,2021年12英寸占比 47.7%,8英寸占比 34.3%,小尺寸占比18.0%;从出货面积来看,2021 年 12 英寸占比 70.9%,8 英寸占比 22.6%,小尺寸占比 6.5%。

基于成本考虑,分立器件继续沿用小尺寸,集成电路向大尺寸迁移。
分立器件由于价格偏低,生产厂商对于投资大尺寸产线动力不足,目前仍以 6 英寸及以下硅片为主。
集成电路使用大尺寸硅片带来的经济效益明显,比如 12 英寸面积是 8英寸的 2.25 倍,可使用率是 8 英寸的 2.5 倍左右,单片可产出的芯片数量增加,单个芯片的成本随之降低。
若硅片尺寸增大带来的成本节约可以弥补投资大尺寸晶圆制造产线的成本,厂商便有向大尺寸迁移的动力。
目前商用的最大半导体硅片尺寸是 12 英寸,18 英寸(450mm)硅片由于工艺和技术难度较大,目前还没有看到量产的可能。

3、行业竞争格局:日系厂商占据主导,国产化率不足5%
根据SEMI的数据显示,2020年全球半导体硅片市场,主要被日本信越(28.0%)、日本胜高(21.9%)、中国台湾环球晶圆(15.1%)、韩国SK Siltron(11.6%)、德国Siltronic(11.3%,已被环球晶圆收购)这五大家所占据。
即便是中国大陆最大的半导体硅片厂商——沪硅产业集团,在全球市场也只有约2.2%的市场份额,不过这也是沪硅产业首度上榜。整体的国产化率不足5%。

国内市场主要被日本信越、日本胜高及环球晶圆等占据,中国大陆厂商市占率不足 5%。
目前,我国硅片企业目前在6吋硅片已具备较强实力,8吋与12吋产线也在积极建设和验证中。本土产业链公司包括沪硅产业、TCL中环、立昂微、神工股份、中晶科技、奕斯伟硅片技术、麦斯克、中欣晶圆、有研硅等。
其中,截至今年9月,上海新昇的12吋硅片出货量已超340万片。
三、掩膜版:图形转移传送带,光刻复制的蓝本
掩膜版是微电子制造过程中的图形转移母版,是半导体行业生产制造过程中重要的关键材料。
掩膜版的作用是将设计者的电路图形通过曝光的方式转移到晶圆上,从而实现批量化生产。
作为光刻复制图形的基准和蓝本,掩膜版是连接工业设计和工艺制造的关键,掩膜版的精度和质量水平会直接影响最终芯片产品的优品率。
以晶圆制造为例,其制造过程需要经过多次曝光工艺,利用掩膜版的曝光掩蔽作用,在半导体晶圆表面形成栅极、源漏极、掺杂窗口、电极接触孔等。 

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