轉(zhuǎn)自：動力谷智略 2020年4月24日

           集成電路產(chǎn)業(yè)是先進(jìn)制造業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其下游應(yīng)用端涵蓋了汽車、通信、電器、計算機(jī)、航空、光伏等各大行業(yè)。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展催生和推動了物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)。

為加深對集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的了解，我們將推出集成電路系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈系列相關(guān)報告，供讀者參考。

          Part01 半導(dǎo)體材料市場

          半導(dǎo)體材料是集成電路產(chǎn)業(yè)的立足根本，也是我國集成電路產(chǎn)業(yè)的競爭短板之一。半導(dǎo)體材料屬于高壁壘行業(yè)，技術(shù)含量高、生產(chǎn)難度大。半導(dǎo)體材料的國產(chǎn)化率仍處于較低水平，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)相比國際龍頭的競爭力仍有較大差距。

         全球半導(dǎo)體材料市場規(guī)模

         半導(dǎo)體原材料是集成電路產(chǎn)業(yè)的基石，集成電路生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)均要用到半導(dǎo)體原材料，如光刻環(huán)節(jié)需要使用掩膜版和光刻膠及清洗用的各類濕化學(xué)品，刻蝕環(huán)節(jié)需要用到硅片、電子氣體等。隨著集成電路技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷進(jìn)步，對于所用原材料的純度、尺寸及一系列物理化學(xué)性質(zhì)的要求越來越嚴(yán)格，原材料的成本也隨著提升，原材料市場整體規(guī)模不斷上升。

          2018年，全球半導(dǎo)體原材料銷售額為519.4億美元，創(chuàng)歷史新高，同比增長10.65%，增速達(dá)到2011年以來的新高。2018年全球半導(dǎo)體銷售額為4687.8億元，其中半導(dǎo)體材料的銷售額占全球半導(dǎo)體銷售總額的11.08%。

            資料來源：WIND，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

           半導(dǎo)體材料市場的增速與整個半導(dǎo)體市場高度同步，表現(xiàn)出明顯的周期性，與全球GDP的增速呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，不過其波動幅度遠(yuǎn)大于GDP的波動幅度，半導(dǎo)體材料行業(yè)是典型的周期性行業(yè)。

           資料來源：WIND，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

           中國大陸半導(dǎo)體材料市場規(guī)模

           2018年，我國大陸半導(dǎo)體材料銷售額為84.4億美元，占全球半導(dǎo)體材料銷售額的16.25%。大陸半導(dǎo)體材料市場規(guī)模增速較快，2006年至2018年間，復(fù)合增長率為11.11%，而同期全球半導(dǎo)體材料市場的復(fù)合增長率為2.81%。大陸市場占全球市場比例越來越高，主要是因為我國汽車、電子、通信等半導(dǎo)體應(yīng)用端產(chǎn)業(yè)的快速增長驅(qū)使國際集成電路制造廠商紛紛來華建廠以及國內(nèi)集成電路制造企業(yè)的迅速發(fā)展。據(jù)SEMI估計，2017-2020全球?qū)⒂?2座新晶圓廠投產(chǎn)，其中26座坐落中國大陸，占總數(shù)的42%。

           資料來源：WIND，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

          日本是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的霸主

          在全球半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，日本占據(jù)了半壁江山，是當(dāng)仁不讓的霸主。在2019年前5個月，日本生產(chǎn)的半導(dǎo)體材料占全球產(chǎn)量的52%。在半導(dǎo)體制造過程包含的19種核心材料中，日本市占率超過50%份額的材料就占到了14種。

          資料來源：互聯(lián)網(wǎng)，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

           中國自給率低

           2018年，中國大陸是全球半導(dǎo)體材料第三大市場，僅次于中國臺灣和韓國，然而國內(nèi)半導(dǎo)體原材料市場的自給率非常低，大部分原材料均很大程度上依賴進(jìn)口，尤其是核心高端半導(dǎo)體材料，以硅晶圓為例，8寸硅晶圓自給率僅百分之十五，百分之八十五依賴進(jìn)口，12寸硅晶圓進(jìn)口比重更高達(dá)百分之九十九。

           資料來源：WIND，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

           Part 02 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用與市場競爭格局

           集成電路生產(chǎn)大致可分為設(shè)計、制造、封裝和測試四個環(huán)節(jié)。其中設(shè)計環(huán)節(jié)主要通過計算機(jī)軟件完成，制造、封裝和測試環(huán)節(jié)均需要在十分嚴(yán)格的工廠環(huán)境中進(jìn)行，并且生產(chǎn)過程工藝復(fù)雜，步驟繁多，對材料的純度、規(guī)格、溫度、PH值、微觀物理結(jié)構(gòu)等等都有十分嚴(yán)格的要求。

          資料來源：互聯(lián)網(wǎng)，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

          半導(dǎo)體材料主要運(yùn)用于制造和封裝環(huán)節(jié)，且大部分材料均為消耗性材料，在集成電路制造過程中需要多次投入。

            資料來源：公開資料，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

             資料來源：安集科技招股說明書，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

           硅片

           01硅的應(yīng)用

           硅是集成電路生產(chǎn)中最重要的原材料，硅片市場約占整個半導(dǎo)體材料市場的三分之一。目前，90%以上的集成電路芯片是用硅片作為襯底制造出來的，硅是集成電路的承載基礎(chǔ)。

          硅片的質(zhì)量直接影響集成電路芯片的品質(zhì)，集成電路制造所用的硅片的純度和原子排列方式都有非常嚴(yán)格的要求，通常其純度不得低于99.9999%，高端芯片的硅片材料純度甚至需要達(dá)到99.9999999%以上，也就是說雜質(zhì)的含量低于10^(-9)。

           02硅片的生產(chǎn)工藝

           集成電路生產(chǎn)用到的硅是單晶硅片，硅晶體按晶胞排列是否規(guī)律，可分為單晶硅和多晶硅。單晶硅晶胞在三維方向上整齊重復(fù)排列，而多晶硅晶胞則呈不規(guī)律排列。單晶硅在力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)等方面，都優(yōu)于多晶硅，只有單晶硅才能滿足集成電路生產(chǎn)的工藝要求。

           資料來源：《芯片制造——半導(dǎo)體工藝制程實用教程》，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

          （1）硅片生產(chǎn)流程

           硅片的制備從晶體生長開始，形成單晶錠后經(jīng)過修整和磨削再切片，再經(jīng)過邊緣打磨、精研、拋光等步驟后，最后檢查得到的硅片是否合格。

硅片制造流程

           資料來源：《半導(dǎo)體制造技術(shù)》，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

          （2）單晶硅生產(chǎn)

           自然界中的硅絕大部分是以SiO2（泥土、沙子）的形式存在，半導(dǎo)體制作的第一個階段是利用化學(xué)反應(yīng)將泥土轉(zhuǎn)化成硅化物氣體，例如等到四氯化硅或者三氯硅烷，此時得到的硅化物氣體含雜質(zhì)較多，第二個階段在利用硅化物氣體與氫氣反應(yīng)，得到純度較高的固態(tài)硅單質(zhì)，此時的硅為多晶硅。

         氫氣還原三氯硅烷：

         利用多晶硅制備單晶硅碇的工藝叫做單晶生長。單晶生長分為直拉（CZ）法和區(qū)熔（FZ）法，直拉法是目前主流的生長方法，占據(jù)90%市場。

         直拉法晶體生產(chǎn)系統(tǒng)

         資料來源：《芯片制造——半導(dǎo)體工藝制程實用教程》，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

         區(qū)熔法晶體生產(chǎn)系統(tǒng)

          資料來源：《芯片制造——半導(dǎo)體工藝制程實用教程》，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

          直拉法更容易生長大直徑單晶硅，成本更低，生長出的單晶硅大多用于集成電路元件。區(qū)熔法生長出的單晶硅純度較高，主要用于功率半導(dǎo)體。但區(qū)熔法較難生長出大直徑單晶硅，一般僅用于8寸或以下直徑工藝。

         03硅片市場

         當(dāng)前市場上半導(dǎo)體硅片以12英寸和8英寸為主，12英寸的硅片在2009年開始市場份額超過50%，且逐年增長，預(yù)計2019年，12英寸硅片的市場份額將超過70%。

          硅片的直徑越大，單個硅片能生產(chǎn)的芯片數(shù)量也就越多，12英寸的硅片能生產(chǎn)的芯片數(shù)量是8英寸的2.25倍，為了節(jié)省生產(chǎn)成本，硅片的直徑越做越大是必然趨勢。1980年代是4英寸硅片占主流，1990年代是6英寸占主流，2000年代是8英寸占主流，到2010年代12英寸硅片已經(jīng)成為主流。

         （1）全球市場

          據(jù)SEMI統(tǒng)計，2019年全球硅晶圓面積出貨量總計11,810百萬平方英寸，2019年的銷售額總計111.5億美元。

           資料來源：SEMI，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

           半導(dǎo)體硅片投入資金多，研發(fā)周期長，是技術(shù)壁壘和資金壁壘都極高的行業(yè)。由于下游客戶認(rèn)證時間長，硅片廠商需要長時間的技術(shù)和經(jīng)驗積累來提升產(chǎn)品的品質(zhì)，滿足客戶需求，以獲得客戶認(rèn)證。

           目前全球硅片市場處于寡頭壟斷局面，市場集中度相當(dāng)高，前五大企業(yè)占據(jù)全球90%的市場份額，日本兩大廠商信越化學(xué)和SUMCO合計占有53%的市場份額，是硅片市場的主導(dǎo)者。

             資料來源：芯思想研究院，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

           （2）國內(nèi)市場

            我國硅晶圓產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術(shù)底子薄，自給率非常低，主要依賴進(jìn)口，在2017年之前，我國大陸僅在4至6英寸硅片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了大規(guī)模產(chǎn)量，基本滿足了國產(chǎn)需求，然而大尺寸（8英寸和12英寸）硅片的自給率很低，尤其是12英寸硅片，目前僅有上海新昇、中環(huán)股份和金瑞泓等企業(yè)能夠少量生產(chǎn)。上海新昇12英寸硅片產(chǎn)品已經(jīng)通過華力微和中芯國際的認(rèn)證，正片2019年已得到長江存儲的采購，目前處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。

           資料來源：互聯(lián)網(wǎng)，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

          光刻膠

          01光刻膠的應(yīng)用

         光刻膠是光刻過程中的重要耗材。光刻是將圖形由掩膜版上轉(zhuǎn)移到硅片上，為后續(xù)的刻蝕步驟做準(zhǔn)備。在光刻過程中，需在硅片上涂一層光刻膠，經(jīng)紫外線曝光后，光刻膠的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，在通過顯影后，被曝光的光刻膠將被去除，從而實現(xiàn)將電路圖形由掩膜版轉(zhuǎn)移到光刻膠上。再經(jīng)過刻蝕過程，實現(xiàn)電路圖形由光刻膠轉(zhuǎn)移到硅片上。在刻蝕過程中，光刻膠起防腐蝕的保護(hù)作用。

          光刻主要包括薄膜生長、上膠、曝光和顯影等環(huán)節(jié)。光刻是整個集成電路制造過程中耗時最長、難度最大的工藝，耗時占集成電路制造50%左右，成本約占集成電路生產(chǎn)成本的1/3。

         光刻工藝圖示

           資料來源：互聯(lián)網(wǎng)，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

           02光刻膠的成分與特性

          光刻膠一般由4部分組成：樹脂型聚合物、感光劑、溶劑和添加劑。

          樹脂聚合物是一種惰性的聚合物（包含碳、氫、氧的有機(jī)高分子）基質(zhì)，用于把光刻膠中的不同材料聚在一起的粘合劑。樹脂聚合物給予了光刻膠其機(jī)械和化學(xué)性質(zhì)，例如粘附性、柔順性和熱流穩(wěn)定性，其對光不敏感，紫外光曝光后它不會發(fā)生化學(xué)變化。感光劑是光刻膠材料中的光敏成分，它對光形式的輻射能，特別在紫外區(qū)，會發(fā)生反應(yīng)。感光劑對于光能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。溶劑使得光刻膠保持液體狀態(tài)，使光刻膠能涂抹到硅片襯底上。添加劑用來控制和改變光刻膠材料的特定化學(xué)性質(zhì)或光響應(yīng)特性，各個制造商均有獨(dú)自的配方，不對外公開。

光刻膠的核心產(chǎn)品要素：

          資料來源：《半導(dǎo)體制造技術(shù)》，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

根據(jù)顯示效果的不同，可將光刻膠分為正性光刻膠和負(fù)性光刻膠。正性光刻膠顯影時未曝光部分溶解于液，形成的圖與掩膜版相反。負(fù)性光刻膠顯影時曝光部分溶解于液，形成的圖與掩膜版相同。由于負(fù)性光刻膠顯影時易變形和膨脹，分辨率一般只能達(dá)到2微米，所以正性光刻膠的應(yīng)用更為普及。

          03光刻膠市場

        （1）全球市場

         光刻膠產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)眾多，純度要求較高，行業(yè)進(jìn)入壁壘很高。目前半導(dǎo)體光刻膠核心技術(shù)基本被日本和美國企業(yè)所壟斷，產(chǎn)品也基本出自日本和美國公司，包括日本JSR、東京應(yīng)化工業(yè)、羅門哈斯，信越化學(xué)、富士電子材料等企業(yè)。

          資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

          據(jù)SEMI統(tǒng)計，2018年全球半導(dǎo)體光刻膠銷售額達(dá)到17.3億美元，預(yù)計2019年銷售額稍有下降。中國市場是半導(dǎo)體光刻膠全球最大的市場，市場規(guī)模占全球比重約為32%，其次是美洲（21%）、亞太（20%，除中國和日本）、歐洲（9%）和日本（9%）。

         （2）國內(nèi)市場

          按應(yīng)用領(lǐng)域劃分，光刻膠可以分為半導(dǎo)體光刻膠、PCB光刻膠、LCD光刻膠等。從中國產(chǎn)品市場來看，PCB光刻膠市場份額占比最多，高達(dá)94.4%。LCD光刻膠市場份額占比第二，為2.7%。半導(dǎo)體光刻膠市場份額占比位居第三，僅為1.6%。總體看來，中國市場PCB光刻膠占據(jù)大部分市場份額，LCD光刻膠和半導(dǎo)體光刻膠所占份額非常低。

          半導(dǎo)體光刻膠相對而言技術(shù)含量最高，價格最昂貴。按照其曝光波長，半導(dǎo)體光刻膠可分為g線（436nm）、i線（365nm）、KrF（248nm）和ArF（193nm）等4個大類。其中，ArF光刻膠為目前分辨率最高的半導(dǎo)體光刻膠。g線和i線光刻膠為目前市場上使用量最大的光刻膠，ArF光刻膠市場增速最快。

           資料來源：CNKI，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

           國內(nèi)光刻膠市場規(guī)模保持穩(wěn)定增長，從2011年的30.4億元增長到2018年的62.3億元，復(fù)合增長率達(dá)11.59%，國內(nèi)光刻膠市場以PCB光刻膠和LCD光刻膠為主，而半導(dǎo)體光刻膠市場規(guī)模不到40%。其中PCB光刻膠的自給率已超過50%，LCD光刻膠自給率不到10%，半導(dǎo)體光刻膠自給率更是低于5%，幾乎全靠進(jìn)口。國內(nèi)企業(yè)中，飛凱材料、容大感光、廣信材料等已有相應(yīng)PCB光刻膠產(chǎn)品投產(chǎn)；永太科技CF光刻膠已通過客戶驗證，北京科華、蘇州瑞紅LCD光刻膠已量產(chǎn)，容大感光、飛凱材料均在積極布局。

          半導(dǎo)體光刻膠我國自給率極低。適用于6英寸硅片的g線/i線光刻膠的自給率約為20%，適用于8英寸硅片的KrF光刻膠的自給率不足5%，而適用于12吋硅片的ArF光刻膠完全依賴進(jìn)口，最先進(jìn)的EUV光刻膠目前僅有少數(shù)幾家海外公司掌握了相關(guān)技術(shù)，且未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

           半導(dǎo)體光刻膠國產(chǎn)化進(jìn)程：

            資料來源：公開資料，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

           掩膜版

           01掩膜版的應(yīng)用

          掩膜版是下游行業(yè)產(chǎn)品制造過程中的圖形“底片”，是承載圖形設(shè)計和工藝技術(shù)等知識產(chǎn)權(quán)信息的載體。在光刻過程中，掩膜版是設(shè)計圖形的載體。通過光刻，將掩膜版上的設(shè)計圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，再經(jīng)過刻蝕，將圖形刻到襯底上，從而實現(xiàn)圖形到硅片的轉(zhuǎn)移。

             掩膜版的應(yīng)用圖示：

          資料來源：清溢光電招股說明書，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

掩膜版的結(jié)構(gòu)：

         資料來源：申港證券，株洲動力谷產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究院有限公司

         石英玻璃和晶片是透光體，它們能將光線折射成不用的角度。而鉻膜是不透光的，當(dāng)照射到鉻膜的光線無法透過，其他光線最終可以照射到下面的光刻膠上，因此通過光線的照射，在光刻膠特定的區(qū)域進(jìn)行曝光，然后再經(jīng)過顯影，就可以在光刻膠上形成特定的圖形，這就是光刻的基本原理。

          02掩膜版市場

         （1）全球市場

根據(jù)SEMI公布數(shù)據(jù)，2018年全球半導(dǎo)體掩模版銷售額為35.7億美元，占到半導(dǎo)體材料市場總額的13%。

           從生產(chǎn)商來看，目前全球掩膜版生產(chǎn)商主要集中在日本和美國的幾個巨頭，包括日本凸版印刷TOPAN、日本大印刷，美國Photronics，日本豪雅HOYA，日本SK電子等。其中，Photronics、大日本印刷株式會社DNP和日本凸版印刷株式會社Toppan三家占據(jù)全球掩膜版領(lǐng)域80%以上市場份額。

         （2）國內(nèi)市場

          2018年，我國半導(dǎo)體材料總體市場規(guī)模為84.4億美元，而掩膜版銷售額占半導(dǎo)體材料市場總額的13%，據(jù)此推算，我國半導(dǎo)體掩膜版市場規(guī)模大致為10.97億美元。

           目前我國掩膜版生產(chǎn)公司主要以外資為主，本土掩膜版廠商主要生產(chǎn)中低端產(chǎn)品，目前能達(dá)到的技術(shù)節(jié)點(diǎn)仍停留在微米級，高端半導(dǎo)體掩膜版幾乎全部依賴進(jìn)口或者是外資公司在國內(nèi)的生產(chǎn)。國內(nèi)生產(chǎn)半導(dǎo)體掩膜版的企業(yè)主要有路維光電、清溢光電，中科院微電子所、中國電子科技集團(tuán)等科研院所內(nèi)部也有自制掩膜版，中芯國際也有自制掩膜版業(yè)務(wù)。

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