严重依赖进口：中国大陆半导体材料和设备期待更多突破

来源：内容来自东方证券，作者 蒯剑/胡誉镜，谢谢。

近年来，大陆集成电路制造业务发展迅速，无论是国内的中芯国际、同方国芯、武汉新芯，还是国外的台积电、 Global Foundry 等晶圆制造龙头企业都有在中国大陆建厂扩产的规划，有利于国内晶圆制造的技术进步，并且从投资角度来看，上游的材料和设备行业有望在新建产能的热潮下迎来快速发展机遇。

SEMI（国际半导体产业协会）今发布最新「全球晶圆厂预测报告」(World Fab Forecast)，指出2017年晶圆厂设备支出将超过460亿美元，创下历年新高，并预计2018年支出金额将达500亿美元，突破2017年新高点。晶圆厂设备支出金额不仅持续创新纪录，也可望连从2016年至2018年呈现连续3年的成长趋势，且为1990年代中期以来首见。这势必会带动材料和设备的需求，而在这块，国产又很大的替代空间。

中国大陆在建或者即将建的晶圆厂

半导体材料是半导体产业的重要原材料，位于半导体产业链的上游，是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。

半导体材料是芯片制造环节和封装测试环节

按产业链工艺环节可以将半导体材料分为晶圆制造材料和封装材料。 

晶圆制造的主要流程

半导体材料分类一览表

近年来， 随着半导体产业链往大陆转移，中国大陆半导体材料的市场规模呈现稳步上升的趋势，2015 年市场规模达到 61.2 亿美元，位列全球第四，较 2014 年同比增长约 2%，远高于全球市场规模的平均增长水平。

大陆半导体材料市场增速高于全球水平（ 十亿美元）

半导体主要材料寡头垄断严重，国内奋起直追

在半导体材料中，大硅片的占比最高，达到 32%的水平，掩膜版、电子气体、 CMP 材料、光刻胶合计占比近 80%，是影响半导体制造流程中最主要的材料。而占比最高的几大类都是海外寡头垄断。材料行业的发展限制很多在于专利壁垒，而国内正通过交叉授权专利、自主研发等方式解决国外垄断情况。

各晶圆材料占比情况

（1）大硅片国产化还是必然趋势

硅片的制备过程把硅锭切割成晶圆（硅片），并对硅片进行抛光和清洗。 大硅片占整个半导体材料市场的 32%左右，行业市场空间 76 亿美元。国内半导体硅片市场规模为 130 亿元左右，占国内半导体制造材料总规模比重达 42.5%。而这一领域主要由日本厂商垄断，我国 6 英寸硅片国产化率为 50%， 8 英寸硅片国产化率为 10%， 12 英寸硅片完全依赖于进口。

全球大硅片市场规模(单位：十亿美元)

目前市场上在使用的硅片有 200mm（ 8 英寸）、 300mm（ 12 英寸）硅片。 由于晶圆面积越大，在同一晶圆上可生产的集成电路 IC 越多，成本越低，硅片的发展趋势也是大尺寸化。

12 英寸硅片主要用于生产 90nm-28nm 及以下特征尺寸（ 16nm 和 14nm）的存储器、数字电路芯片及混合信号电路芯片，是当前晶圆厂扩产的主流。

由于面临资金和技术的双重压力，晶圆厂向 450mm（ 18 英寸）产线转移的速度放缓， 根据国际预测，到 2020 年左右， 450mm 的硅片开发技术才有可能实现初步量产。

硅片尺寸分类及主要应用

300mm 硅片自 2009 年起成为全球硅圆片需求的主流（大于 50%），预计占比将持续增加，至 2017年将达到 75%。

全球不同尺寸硅片市场现状及发展预测（单位：百万平方英寸）

拥有 300mm 产能最多的公司包括存储器厂商（三星、美光、海力士与东芝/SanDisk）、全球最大半导体厂商英特尔、全球最大的两家代工厂台积电与 GlobalFoundries。

国内生产的主要是 6 寸硅片， 8 寸的自给率不到 10%， 12 寸的没有公司能够生产。 而现在到未来的 10-15 年， 12 寸的都是主流。国际上前 6 家硅片生产企业占全球的 94%。

信越（ S.E.H.）：唯一一家自 80 年代中期以来持续盈利的硅片公司，市场份额 27%。

SUMCO:公司由三菱硅材料和住友材料 Sitix 分部的合并而来，市场份额 26%。

Siltronic：德国化工企业瓦克（ Wacker）的子公司，市场份额 14%。（被LG收购）

MEMC/SunEdison：有着 50 年商业硅晶制造历史的美国上市公司，市场份额 11%。

LG Siltron：韩国电子系统公司的分支，市场份额 10%。（被环球晶圆收购）

SAS（中美矽晶）：中国大陆台湾硅片制造商，通过收购 Globitech 和 Covalent， SAS 进入了尖端 IC应用的半导体硅片市场，市场份额 6%。

半导体硅片行业是寡头垄断局面

目前， 国内对 12 英寸硅片的需求量为 45 万片/月-50 万片/月，几乎全依赖进口，根据《中国大陆集成电路产业发展纲要》，预计到 2017 年晶圆需求将突破 60 万片/月， 2020 年超过 100 万片/月，国内缺口大，国产化是必然趋势。

大硅片的发展瓶颈一方面来自于专利技术，海外半导体行业发展较早， 日，美、德、日、韩等国已经为本国的制作工艺申请了层层专利保护， 但基础专利无路可绕， 国外出于利益角度不愿意将专利售于中国大陆。

另一方面，大硅片的投资额和技术难度也较大， 通常，建 1 条月产 20 万片的 300mm 抛光硅片的生产线仅主要生产设备的投资就需要约 4 亿美元，而建 1 条月产 20 万片 200mm 抛光硅片的生产线总投资约 2 亿美元。 而良率的突破也是难题， 此前虽然有国内研发机构曾经做过 12 寸大硅片，研发成功，但由于良率不高还不能量产。

国内 300mm 大硅片项目现由上海新阳参股子公司新昇半导体进行，目标是突破海外垄断，实现大规模量产。

上海新阳的大硅片业务投资和产能情况

（2）半导体光掩膜版国内处于发展前期

光掩模板可根据应用分为平板显示、触摸屏和 IC 掩模板（ photomask）。在平板显示、触摸屏、半导体制备过程中，版图是设计与工艺制造之间的接口，触摸屏、显示屏及集成电路制造商要将版图的图形转移到玻璃基板或晶元上，必须经过制版过程，即产生一套分层的版图光刻掩膜版，从而为后续的图形转化（光刻和刻蚀）做准备。

光掩膜版的主要用途

光掩膜版的产业链

根据 SEMI， 目前全球半导体光刻掩膜版市场规模近 34 亿美元，即 210 亿人民币。未来光刻掩膜版市场增长速度将在 5%左右。

由于掩膜版是设计和制造的重要衔接，晶圆制造厂商都有自己的专业工厂来生产自身需要的掩膜版，因此先进的掩膜版技术也是掌握在具有先进晶圆制造制程的晶圆厂手中。但近年来掩膜版外包的趋势非常的明显，特别是对于一些 60nm 及 90nm 以上制程的低端产品。 外包的掩膜版市场份额从2003 年时的 30%上升至 2014 年的 53%。

掩膜版外包趋势明显

半导体光掩模市场集中度高， 寡头垄断严重， Photronics、大日本印刷株式会社 DNP 和日本凸版印刷株式会社 Toppan 三家占据 80%以上的市场份额。

半导体光掩膜市场高度集中

Photronics 作为全球领先的掩膜版厂商，主要生产 60nm 及以上制程的光罩。由于掩膜版行业所需要的核心设备光刻机目前仍然是进口为主，并且高度垄断，单价一般超过 1000万元，高端设备甚至超过 1 亿元，并且交货周期较长，导致了我国掩膜版生产厂商对于充产能较为谨慎，限制了行业的发展。

掩膜版由海外垄断，并且由于上游基板材料成本占比 90%，生产厂家都不断向上游延伸，部分已经具备了研磨、抛光、镀铬、涂胶等全产业链生产能力。

目前国内除了晶圆代工厂以外， 掩膜版厂商主要分为两类：第一类是科研院所， 包括中科院微电子中心，中国大陆电子科技集团第 13 所、 24 所、 47 所、 55 所等；第二类是专业的掩膜版制造厂商，主要有路维光电（新三板上市）、深圳清溢光电（中小板挂牌）等。

掩膜版中主要企业生产链情况

（3）光刻胶海外垄断

光刻胶又称光致抗蚀剂， 将掩膜板上的图形转移到晶圆表面顶层的光刻胶中，并在后续工序中，保护下面的材料（刻蚀或离子注入） 。 光刻胶由感光树脂、光引发剂、添加剂、溶剂等组成， 其中，感光树脂是光刻胶作用的关键组分。

光刻胶按应用可分为三个部分： PCB 光刻胶， LCD 光刻胶和半导体光刻胶，其中用于集成电路制造的半导体光刻胶约占光刻胶市场的 1/4。

全球半导体光刻胶约占光刻胶市场的 1/4

中国大陆半导体光刻胶仅占光刻胶市场的 2%

波长越短，光刻分辨率越高， 为了满足不断缩小的集成电路线宽， 光刻胶的波长也由紫外 g 线(436nm)、 i 线（ 365nm） 逐渐向深紫外 KrF（ 248nm ） ArF(193nm)方向发展。 2010 年后，还陆续出现了更为高端的超紫外光刻胶、电子束光刻胶、极紫外光刻胶等。

全球光刻胶市场规模

全球半导体光刻胶的核心技术基本掌握在美国和日本手中。

国内集成电路光刻胶主要以紫外光刻胶为主，超大规模集成电路用深紫外 248nm KrF 和 193nmArF 需求量也在增加，但自给率很低。

紫外正性光刻胶（ g/i 线）产业分布

由于海外半导体产业发展更成熟， 半导体光刻胶市场也基本被外国垄断， 美国、日本、欧洲、韩国等。 JSR、信越化学、 TOK、陶氏化学属于行业巨头。

深紫外光刻胶（ 248nm+193nm ）产业分布

国内从事光刻胶和配套化学产品研究、开发、生产的厂商非常少。与海外的差距主要原因：一方面，高端光刻胶树脂合成及光敏剂合成技术与海外相比有一定差距；另一方面，高端光刻胶的研究需要价格较高的曝光机和检测设备，小企业无法承受。此外，由于光刻胶所应用的电子行业与军工关系密切，导致国外对高端技术封锁。

目前国内在光刻胶领域较为领先的企业仅北京科华（南大光电参股子公司）和苏州瑞红

光刻胶行业国产化进程

（3）CMP 抛光海外垄断 国内实现突破

CMP 抛光即化学机械抛光, 主要应用于蓝宝石抛光和集成电路中的硅晶片抛光。 CMP 是目前几乎唯一的可以提供硅片全局平面化的技术。

抛光的主要耗材包括抛光垫、抛光液、金刚石盘、抛光头、清洗刷、化学清洗剂。

抛光磨料的种类、物理化学性质、粒径大小、颗粒分散度及稳定性等均与抛光效果紧密相关。此外，抛光垫的属性(如材料、平整度等)也极大地影响了化学机械抛光的效果。

CMP 抛光材料及抛光垫的主要用

根据 Semi 数据， 2015 年全球 CMP 抛光耗材的市场空间近 30 亿美金，其中 80%以上为抛光垫和抛光液两种耗材。

国际主流抛光垫厂家有陶氏、卡博特、日本东丽、台湾三方化学、 3M 等，其中陶氏在抛光垫市场占有率高达 90%。国内仅鼎龙股份经过长期的研发，即将于今年年中实现投产。

CMP 抛光垫的竞争格局

而全球抛光液市场集中在卡博特、杜邦、 Fujimi 等厂商中。 安集微电子(上海)有限公司是我国从事集成电路用 CMP 抛光液业务的主要企业，公司生产的铜/铜阻挡层抛光液已成功进入国内外 12 英寸客户芯片生产线使用，主要产品已经进入领先的技术节点，包括 45nm、 40nm 及以下技术节点，产品性能达到国际领先水平，并具有成本优势，打破了国外厂商在高端集成电路制造抛光材料领域的垄断。上海新安纳在抛光液用磨料和存储器抛光液等产品开发方面取得较好进展。

半导体设备行业已逐渐突破海外垄断

前面已经提到，中国大陆乃至全球在半导体设备方面强烈的需求。目前，集成电路设备产业主要集中在美国、日本等少数国家， 应用材料、阿斯麦、泛林半导体设备、东京电子四家企业合计占到全球半导体设备超过 50%的市场份额。

2015 年全球半导体专用设备品牌市场占有率

但国产集成电路设备目前市占率六分之一都不到， 国产半导体设备仍具有广阔发展空间。 国内现有的芯片制造与先进封装企业在未来几年的产能将继续扩充，对设备行业的需求仍大；此外全球芯片制造产业向亚太转移， 目前台湾和韩国拥有全球多数的 12 英寸晶圆产能，大陆的产能近年扩产提升也较大。

国内主要半导体设备制造商

晶圆制造流程中的设备种类较多，但由于核心设备单价很高，市场规模占比较高，比如沉积类设备占比近 22%， 光刻机及光刻涂胶机合计占比 24%， 刻蚀类设备占 30%。

集成电路制造的重要流程

全球晶圆制造主要设备的市场规模情况

各重要制造设备的竞争情况

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