半導體產業是一條精細作業線，詳解主要的半導體材料功能與格局

半導體材料主要分為晶圓制造材料和封裝材料。其中，晶圓制造材料包括硅片、掩模版、電子氣體、光刻膠、CMP拋光材料、濕電子化學品、靶材等；封裝材料包括封裝基板、引線框架、鍵合絲、包封材料、陶瓷基板、芯片粘結材料和其他封裝材料。


半導體材料種類劃分：

芯片生產流程：大體可分為硅片制造、芯片制造和封裝測試三個流程。其中，硅片制造包括提純、拉單晶、磨外圓、切片、倒角、磨削、CMP、外延生長等工藝，芯片制造包括清洗、沉積、氧化、光刻、刻蝕、摻雜、CMP、金屬化等工藝，封裝測試包括減薄、切割、貼片、引線鍵合、模塑、電鍍、切筋成型、終測等工藝。整體而言，硅片制造和芯片制造兩個環節技術壁壘極高。

芯片制造過程中的材料應用：

硅晶圓環節會用到硅片；清洗環節會用到高純特氣和高純試劑；沉積環節會用到靶材；涂膠環節會用到光刻膠；曝光環節會用到掩膜版；顯影、刻蝕、去膠環節均會用到高純試劑，刻蝕環節還會用到高純特氣；薄膜生長環節會用到前驅體和靶材；研磨拋光環節會用到拋光液和拋光墊。

在芯片封裝過程中，貼片環節會用到封裝基板和引線框架；引線鍵合環節會用到鍵合絲；模塑環節會用到硅微粉和塑封料；電鍍環節會用到錫球。


半導體產業鏈

半導體材料細分行業眾多，是產業鏈中細分領域最多的產業鏈環節，每一個大類材料包括幾十種甚至上百種具體產品，細分子行業高達數百個。如高純化學試劑中，常用的包括各類酸（如硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸）、堿（如氫氧化銨、氫氧化鉀）、有機溶劑、氧化試劑等。結合半導體材料的行業特征，我們認為半導體材料公司應當積極尋找各材料之間共性，不斷擴充品類，形成平臺化布局，為客戶提供一體化的解決方案。

現在全球市場主流的產品是 200mm（8寸）、300mm（12寸）直徑的半導體硅片，下游芯片制造行業的設備投資也與200mm和300mm規格相匹配。300mm芯片制造對應的是90nm及以下的工藝制程，200mm芯片制造對應的是90nm以上的工藝制程。考慮到大部分8寸片產線投產時間較早，絕大多數設備已折舊完畢，因此8寸片對應的芯片成本較低，在部分領域適用8寸片的綜合成本并不高于12寸片。

在高精度模擬電路、射頻前端芯片、嵌入式存儲器、CMOS圖像傳感器、高壓MOS等特殊產品方面，200mm及以下芯片制造的工藝較12寸片更為成熟。所以，200mm及以下半導體硅片的需求主要來源于功率器件、電源管理器、非易失性存儲器、MEMS、顯示驅動芯片與指紋識別芯片等，終端應用領域主要為移動通信、汽車電子、物聯網、工業電子等。

目前，300mm（12寸）半導體硅片的需求主要來源于存儲芯片、圖像處理芯片、通用處理器芯片、高性能FPGA與ASIC，終端應用主要為智能手機、計算機、云計算、人工智能、SSD等較為高端領域。

根據信越化學公告，全球半導體硅片出貨量同比和環比都在增長，幾乎所有硅片供應商稼動率都很高。新增12寸片需求主要來自邏輯用外延片，8寸片由于下游應用（汽車電子等）和全球經濟復蘇，嚴重短缺。

SUMCO公告顯示，21Q4半導體硅片現貨價持續上升，2022-2026年半導體硅片長期協議價將調漲。我們認為，全球硅片緊缺將至少持續到2023年末。

中國半導體硅片產業鏈涉及電子級多晶硅制造、半導體硅片制造、半導體器件制造等環節，參與主體主要類型為半導體硅片制造商，半導體全產業鏈一體化廠商以及多領域布局的半導體材料生產商。

半導體材料種類占比

01、硅片

1、單晶硅和外延片功能介紹

單晶硅可以根據晶胞排列是否有序、尺寸、加工工序和摻雜程度的不同等方式進行分類。根據晶胞排列方式的不同，硅片可分為單晶硅和多晶硅。硅片是硅單質材料的片狀結構，有單晶和多晶之分。

單晶是具有固定晶向的結晶體材料，一般用作集成電路的襯底材料和制作太陽能電池片。多晶是沒有固定晶向的晶體材料，一般用于光伏發電，或者用于拉制單晶硅的原材料。單晶硅用作半導體材料有極高的純度要求，IC級別的純度要求達9N以上（99.9999999%），區熔單晶硅片純度要求在 11N（99.999999999%）以上。

襯底（substrate）是由半導體單晶材料制造而成的晶圓片，襯底可以直接進入晶圓制造環節生產半導體器件，也可以進行外延工藝加工生產外延片。

外延（epitaxy）是指在經過切、磨、拋等仔細加工的單晶襯底上生長一層新單晶的過程，新單晶可以與襯底為同一材料，也可以是不同材料（同質外延或者是異質外延）。由于新生單晶層按襯底晶相延伸生長，從而被稱之為外延層（厚度通常為幾微米，以硅為例：硅外延生長其意義是在具有一定晶向的硅單晶襯底上生長一層具有和襯底相同晶向的電阻率與厚度不同的晶格結構完整性好的晶體），而長了外延層的襯底稱為外延片（外延片=外延層+襯底）。器件制作在外延層上展開。

對于傳統的硅半導體產業鏈而言，在硅片上制作器件（特別是高頻大功率）無法實現集電區高擊穿電壓，小串聯電阻，小飽和壓降要小的要求。而外延技術的發展則成功地解決了這一困難。解決方案：在電阻極低的硅襯底上生長一層高電阻率外延層，器件制作在外延層上，這樣高電阻率的外延層保證了管子有高的擊穿電壓，而低電阻的襯底又降低了基片的電阻，從而降低了飽和壓降，從而解決了二者的矛盾。


02、光刻膠

1、光刻膠功能介紹Photoresist

光刻膠是一種通過特定光源照射下發生局部溶解度變化的光敏材料，主要作用于光刻環節，承擔著將掩模上的圖案轉化到晶圓的重要功能。進行光刻時，硅片上的金屬層涂抹光刻膠，掩膜上印有預先設計好的電路圖案，光線透過掩膜照射光刻膠。如果曝光在紫外線下的光刻膠變為溶劑，清除后留下掩膜上的圖案，此為正性膠，反之為負性膠。


2、光刻膠的分類

根據下游應用領域，可分為PCB光刻膠，面板（LCD）光刻膠、半導體光刻膠以及其它光刻膠。三種主要光刻膠中，PCB光刻膠最為低端，同時也是國產化率最高的領域，占PCB制造成本的3%~5%。可分為干膜光刻膠、濕膜光刻膠與光成像阻焊油墨.

光刻工藝也是液晶面板制造的核心工藝，因此LCD光刻膠，也就是面板光刻膠同樣是產業核心耗材。彩色濾光片是液晶顯示器實現彩色顯示的關鍵器件，占面板成本的14%~16%，其生產成本直接影響到液晶顯示器產品的售價和競爭力；彩色光刻膠和黑色光刻膠是制備彩色濾光片的核心材料，在彩色濾光片材料成本中，彩色光刻膠和黑色光刻膠在整體成本中占比約27%。

然而與半導體光刻膠類似，我國在面板光刻膠領域的國產化率同樣不高，產能主要集中在相對低端的觸摸屏光刻膠領域。附加值更高的彩色及黑色光刻膠，目前的市場被日韓廠商壟斷。以需求最多的彩色光刻膠為例，東京應化、LG化學、東洋油墨、住友化學、三菱化學、奇美等日本、韓國和中國臺灣企業占據了90%以上的市場份額。


3、光刻膠的市場規模和市場格局

我國本土光刻膠市場規模約在88億人民幣左右，從細分市場看，在全球光刻膠市場，LCD、PCB、半導體光刻膠各自占有27%、25%和24%的份額，市場分布比較平均。其中，半導體光刻膠占比最低。

在全球半導體光刻膠市場中，日本企業穩居壟斷地位。2020年，日本企業在全球半導體光刻膠市場中占據的份額至少在60% 以上，其中東京應化以25.6%的市場份額占據龍頭地位；美國杜邦位列第二，市場份額為17.6%。


03、濕電子化學品

濕電子化學品貫穿整個芯片制造流程，是重要的晶圓制造材料。濕電子化學品又稱工藝化學品，是指主體成分純度大于99.99%，雜質離子和微粒數符合嚴格標準的化學試劑。在 IC 芯片制造中，濕電子化學品常用于清洗、光刻和蝕刻等工藝，可有效清除晶圓表面殘留污染物、減少金屬雜質含量，為下游產品質量提供保障。在半導體制造工藝中主要用于集成電路前端的晶圓制造及封裝測試用量較少，但產品純度要求高、價值量大。


04、電子特種氣體

電子特種氣體是電子氣體的一個分支。電子特氣下游應用廣泛，是半導體、顯示面板、太陽能電池等行業不可或缺的支撐性材料。在半導體領域，電子特氣的純度直接影響 IC 芯片的集成度、性能和良品率，在清洗、氣相沉積成膜（CVD）、光刻、刻蝕、離子注入等半導體工藝環節中都扮演著重要的角色。


05、靶材

1、靶材功能介紹Target material

靶材是制作薄膜的主要材料。在濺射鍍膜工藝中，靶材是在高速荷能粒子轟擊的目標材料，可通過不同的離子光束和靶材相互作用得到不同的膜系（如超硬、耐磨、防腐的合金膜等），以實現導電和阻擋的功能。靶材主要是由靶坯、背板等部分組成，工作原理是利用離子源產生的離子，在真空中聚集并提速，用形成的高速離子束流來轟擊靶材表面，發生動能交換，讓靶材表面的原子沉積在基底。


2、靶材市場格局

高純濺射靶材市場由美、日等海外巨頭壟斷，占據全球80%以上市場份額，國內市場靶材國產化率不足10%。全球靶材市場呈寡頭競爭格局，日美在高端濺射靶材領域優勢明顯。目前，全球濺射靶材市場主要有四家企業，分別是JX日礦金屬、霍尼韋爾、東曹和普萊克斯，市場份額分別為30%、20%、20%和10%，合計壟斷了全球80%的市場份額。其中美國、日本跨國集團產業鏈完整，囊括金屬提純、靶材制造、濺射鍍膜和終端應用各個環節，具備規模化生產能力，在掌握先進技術以后實施壟斷和封鎖，主導著技術革新和產業發展，在中高端半導體濺射靶材領域優勢明顯。相比起來，國內靶材企業市占率很低，且主要在低端領域。


06、掩膜版

1、掩膜版功能介紹Mask

掩模版是半導體制造工藝中的關鍵材料，用于半導體制造的光刻環節。半導體制造的光刻是指通過曝光工序，在晶圓表面的光刻膠上刻畫出電路圖形，然后通過顯影、刻蝕等工藝流程，最終將電路圖形轉移到晶圓上的過程。

半導體器件和結構是通過生產工藝一層一層累計疊加形成的，芯片設計版圖通常由十幾層到數十層圖案組成，芯片制造最關鍵的工序是將每層掩模版上的圖案通過多次光刻工藝精準地轉移到晶圓上。半導體光刻工藝需要一整套相互之間能準確套準的、具有特定圖形的“光復印”掩模版，其功能類似于傳統相機的“底片”。掩模版是半導體制造工藝中最關鍵的材料之一，其品質直接關系到最終產品的質量與良率。半導體生產工藝通常采用投影式光刻方法，在投影式光刻中，激光透過掩模版后，經過投影物鏡成像到晶圓的光刻膠表面，通過掩模版對光線的遮擋或透過功能，實現掩模圖案向晶圓線路圖的圖形轉移。

2、掩膜版市場格局

晶圓廠新建產能釋放打開增量市場，國產半導體掩膜版迎來黃金發展期。當下游持續推出新工藝、新結構、新材料等新的芯片設計或者需要產線擴充時，晶圓代工廠需要使用新的掩模模具來進行規模生產，此時就會產生開版需求。

據Semi數據，全球2021-2023年新建84座大型芯片制造工廠，總投資額超5000億美元，其中，中國大陸建設20座支持成熟工藝的大型芯片制造工廠。

據測算，中國大陸130nm-65nm成熟制程芯片制造所需的掩膜版市場將由22年的13億元增長至35億元，疊加供應鏈安全考量的國產替代需求，本土半導體掩膜版廠商迎來重要發展機遇。

國產化趨勢推動掩模版行業發展。掩模版行業市場需求不斷增長，但目前國產掩模版市場占有率較低，更多依賴海外進口。


07、半導體前驅體材料

主要應用于半導體制造中的薄膜沉積工藝，是薄膜沉積工藝的核心材料，是晶圓制造工藝的“前驅體”；MO 源即高純金屬有機化合物，是利用先進的金屬有機化學氣相沉積（以下簡稱“MOCVD”）工藝的關鍵支撐 原材料，又被稱為 MOCVD 的“前驅體”。因此，半導體前驅體和 MO源均屬于電子制造中的先進前驅體材料。

薄膜沉積工藝是晶圓制造的三大核心工藝之一（另外兩大工藝是光刻和刻蝕）。薄膜沉積工藝是指在硅片基底上沉積導體、絕緣體或者半導體等材料形成功能薄膜，使之具有光學、電學等方面的特殊性能。薄膜是芯片結構的功能材料層，在芯片完成制造、封測等工序后會留存在芯片中，薄膜的技術參數直接影響芯片性能。一顆芯片的制造過程中，涉及十余種不同材料的薄膜，其中每一個薄膜層均需經薄膜沉積工藝結合成形工藝（光刻、蝕刻）形成，從而在FEOL和BEOL 工序中實現各個薄膜層的堆疊組合，進而搭建起芯片的主要結構。


08、半導體封裝材料

1、封裝材料功能介紹Packaging materials

半導體封裝是半導體制造工藝的后道工序，指將制作好的半導體器件放入具有支持、保護的塑料、陶瓷或金屬外殼中，并與外界驅動電路及其他電子元器件相連的過程。

封裝是實現芯片功能、保障器件系統正常運行的關鍵環節之一，主要起到保護芯片、電氣連接、機械連接和標準規格化等作用。據 Gartner 的統計數據，封裝環節的價值整個半導體封測部分的 80%~85%。


2、封裝材料分類

半導體封裝材料可以細分為封裝基板、引線框架、鍵合絲、包封材料、陶瓷封裝材料、芯片粘結材料和其他封裝材料。

先進封裝材料以封裝基板和包封材料為主。先進封裝一般不采用引線框架和引線鍵合的方式進行封裝，因而對引線框架和鍵合絲的需求較小，以封裝基板和包封材料為主。

其中，封裝基板（即IC載板），是封裝材料中價值量最大的材料。據SEMI統計，傳統的引線鍵合類封裝中，封裝基板占總材料成本的40~50%，在先進封裝中材料成本占比更高，以占據先進封裝市場份額一半的FC封裝為例，其封裝基板成本占比在70~80%之間。

除封裝基板和包封材料外，傳統封裝和先進封裝過程中均需要用到的材料有：

芯片粘接材料（Die Attach）：用于粘接芯片與基板的封裝材料，在先進封裝工藝 中主要在芯片堆疊、多芯片粘接和 FC 芯片粘接等工藝中，芯片堆疊工藝中導電膠使用較 多，20μm 以下的芯片厚度情況下，一般使用DA膜粘接。DAF膜根據解膠方式的不同又有Non-UV膜（通常稱之為藍膜）和UV膜之分。

電鍍液：目前傳統封裝中，電鍍是主流金屬化工藝之一。在先進封裝工藝中電鍍主要用于 Bumping、RDL TSV工藝中。TSV 工藝可采用電鍍和CVD兩種填充方式，由于先進封裝孔徑一般在5μm以上，因此適合大直徑孔徑的電鍍是主流的TSV填充工藝。TSV 工藝中采用的電鍍材料主要是銅，Bumping過程中電鍍材料主要是銅和錫銀。


3、封裝材料市場結構Packaging materials

據SEMI統計，傳統的封裝材料市場結構中封裝基板占比最高為40%；其次為引線框架和鍵合線，占比均為15%；包封材料、陶瓷封裝材料、芯片粘接材料和其他材料占比分別為13.0%、11.0%、4.0%和2.0%。

ABF載板供不應求，市場集中度高。據統計，2023年全球ABF載板平均月產能達到3.31億顆，對應2019-2023年平均月產能CAGR為18.65%，高于平均月需求量增速，供給缺口減小為1400萬顆，但仍然處于供不應求的狀態。全球ABF載板供給市場主要被中國臺灣、日本和韓國廠商所壟斷。


半導體材料嚴重依賴進口

在芯片制造中，需要用到的主要材料包括硅片、電子特氣、掩膜版、光刻膠、濕電子化學品、拋光液、拋光墊、靶材等。從市場規模來看，這些材料中，比例最高的是硅片，占32.9%。第二是氣體，占比為14.1%，再是光掩膜，占比為12.6%。接著是拋光液和拋光墊（7.2%）、光刻膠配套試劑（6.9%）、光刻膠（6.1%）、濕化學品（4%）、濺射靶材(3%)。

而這些材料，總體來看，我們的自給率不到10%，也就是說90%的材料，是需要進口的，可見形勢有多嚴峻。

先說最大硅片部分，國內雖然能夠制造300mm的大硅片，但市場份額不高，總體來看，還不到10%，日、歐、韓、臺的廠商，拿走了全球90%以上的份額。

再看各種特殊氣體，在芯片制造中，其總體數量超過100種，但我國僅能生產約20%的品種，一些高端氣體100%嚴重依賴進口。

接著看光掩膜，目前中國大陸廠商掌握的技術，主要在350~180nm，少數幾家掌握了130nm，但90nm及以下掩膜版國產化率幾乎為零。

光刻膠，其實也是如此，目前國產大多還在90nm，90nm以下，有幾家在驗證65nm，但至之下工藝節點，幾乎為零，綜合自給率不到10%。

類似的像濕電子化學品、拋光液、拋光墊、靶材等，其實也是如此，國內廠商掌握的大多都是工藝較為成熟的部分，大多是90nm以上。

對于65nm及更先進制程部分，基本上都沒有掌握，幾乎依賴進口，這對于中國芯片的發展而言，其實是比較嚴峻的事情。

實際上半導體材料市場并不大，全年可能也就300-400億美元的市場空間，但種類又多，分到每一種產品，其市場規模，有些可能全年也只有幾億美元。

這樣的市場，偏偏技術壁壘又較高，所以一家新的企業，很難競爭過老企業，因為研發成本投入過大，也許永遠無法盈利，研發投入過小，就不會有突破，競爭不過老企業，才導致了現在這種尷尬局面。

但不管怎么樣，材料對于芯片而言至關重要，沒有材料，再高超的技術，也是“無米之炊”，國產半導體材料提升空間還非常大，大家還需要努力。