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中國新材料產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展方向——半導(dǎo)體材料

中國新材料產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展方向——半導(dǎo)體材料

2024-04-29 16:46

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1、硅片

硅片位于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游，是半導(dǎo)體器件和太陽能電池的主要原材料，主要應(yīng)用于光伏和半導(dǎo)體兩個領(lǐng)域，下游需求近年來不斷增長。分領(lǐng)域來看，光伏用硅片的產(chǎn)能大多集中在我國，中環(huán)、隆基等龍頭公司實(shí)力強(qiáng)勁，生產(chǎn)技術(shù)水平全球領(lǐng)先；半導(dǎo)體硅片相對于光伏用硅片而言制作工藝更為復(fù)雜，應(yīng)用場景也更多，市場價值更高，然而我國的半導(dǎo)體硅片產(chǎn)業(yè)起步晚，發(fā)展水平較為落后，全球市場被日本廠家壟斷，市場主流的 12寸硅片在我國仍未達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)，嚴(yán)重依賴進(jìn)口，以滬硅產(chǎn)業(yè)為代表的國內(nèi)企業(yè)正努力打破技術(shù)壁壘，國產(chǎn)化替代的空間廣闊。

（1）硅片下游應(yīng)用廣泛，是半導(dǎo)體器件和光伏電池的重要材料

硅是一種良好的半導(dǎo)體材料，耐高溫、抗輻射性能較好，特別適宜制作大功率器件。以硅為原材料，通過拉單晶制作成硅棒，然后進(jìn)行切割就形成了硅片。硅片主要用于半導(dǎo)體、光伏兩大領(lǐng)域，半導(dǎo)體硅片在晶體、形狀、尺寸大小、純度等方面要比光伏用晶片要求更高，光伏用硅片的純度要求硅含量為 4N-6N 之間（99.99%-99.9999%），半導(dǎo)體用硅片在 9N-11N（99.9999999%-99.999999999%)左右，制作工藝更加復(fù)雜，下游應(yīng)用也更為廣泛。半導(dǎo)體用硅片位于產(chǎn)業(yè)鏈的最上游，主要應(yīng)用于集成電路、分立器件及傳感器，是制造芯片的關(guān)鍵材料，影響著更下游的汽車、計算機(jī)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的基石。

圖片

（2）光伏用硅片：我國產(chǎn)能領(lǐng)先，龍頭企業(yè)實(shí)力強(qiáng)勁

光伏產(chǎn)業(yè)是國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，光伏用硅片位于光伏產(chǎn)業(yè)鏈的上游，近年來其需求在不斷上升，據(jù) CPIA 預(yù)測，全球光伏市場的年裝機(jī)量在 2021 年將會達(dá)到 150GW，具有廣闊的市場和發(fā)展前景。我國是世界上最大的光伏用單晶硅片的生產(chǎn)國，據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會硅業(yè)分會統(tǒng)計，截至 2019 年底，我國單晶硅片產(chǎn)能為 115GW，占全球的 97.6%。龍頭企業(yè)隆基和中環(huán)占據(jù)國內(nèi)單晶硅片 50%以上的市場份額，并在持續(xù)擴(kuò)張產(chǎn)能的進(jìn)程之中，新勢力公司上機(jī)數(shù)控和京運(yùn)通也在加速擴(kuò)產(chǎn)。據(jù)各公司公報統(tǒng)計2020 年我國單晶硅片產(chǎn)能約為 190GW，預(yù)計到 2021 年底國內(nèi)單晶硅片產(chǎn)能將達(dá)到240GW。


（3）半導(dǎo)體硅片：嚴(yán)重依賴進(jìn)口，國產(chǎn)替代空間廣闊

受益于半導(dǎo)體產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步和下游相關(guān)電子消費(fèi)品的品類增加，半導(dǎo)體硅片的需求量逐年上升，規(guī)模不斷增長，2020 年全球半導(dǎo)體硅片的出貨量達(dá)到 12.41 億平方英寸，根據(jù) Gartner 的預(yù)測，2020 年全球硅片市場的規(guī)模將達(dá)到 110 億美元左右，半導(dǎo)體硅片的市場前景廣闊。

由于半導(dǎo)體硅片行業(yè)技術(shù)壁壘較高，當(dāng)今全球半導(dǎo)體硅片行業(yè)被巨頭壟斷，集中度高，中國大陸地區(qū)廠商體量小。2020 年全球前五大硅片提供商日本信越化學(xué)（Shin-Etsu）、日本勝高（SUMCO）、中國臺灣環(huán)球晶圓（GlobalWafers）、德國世創(chuàng)（Silitronic）、韓國鮮京矽特?。⊿KSiltron）市占率合計超過 80%，我國大陸本土廠商滬硅產(chǎn)業(yè)市占率約 2.2%，體量較小。


硅片尺寸越大，單位晶圓生產(chǎn)效率越高。從 20 世紀(jì) 70 年代開始硅片就朝著大尺寸方向發(fā)展，當(dāng)今全球最大尺寸的量產(chǎn)型硅片尺寸為 300mm，也就是 12 英寸硅片。12 英寸晶圓的需求近年來不斷上升，據(jù)日本勝高預(yù)測，12 英寸晶圓 2020-2024 年的 CAGR可達(dá) 5.1%。全球的半導(dǎo)體硅片產(chǎn)能主要集中在行業(yè)巨頭，我國半導(dǎo)體硅片起步晚，發(fā)展較為落后，僅有少數(shù)幾家企業(yè)具有 200mm（8 英寸）硅片的生產(chǎn)力，我國的 12 英寸硅片在 2017 年以前全部依賴進(jìn)口。


制作大硅片對硅的純度要求很高，對倒角、精密磨削的加工工藝也有非常高的要求，我國的工藝水平落后，尚未實(shí)現(xiàn) 12 英寸硅片的規(guī)?；a(chǎn)。滬硅產(chǎn)業(yè)在 2018 年實(shí)現(xiàn)了12 寸硅片規(guī)?；N售，打破了大尺寸硅片國產(chǎn)率為 0 的局面。12 英寸硅片仍然是當(dāng)今硅片市場的主流，國內(nèi)廠商具備追趕機(jī)會，大尺寸硅片的國產(chǎn)替代仍然具有較大的空間。

為推動半導(dǎo)體硅片這一重要材料的國產(chǎn)化進(jìn)程，我國政府也出臺了一系列政策來支持產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動大尺寸硅片的研發(fā)制造，促進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。


（4）重要上市公司

國內(nèi)的硅片生產(chǎn)公司業(yè)務(wù)范圍覆蓋較廣，光伏和半導(dǎo)體硅片業(yè)務(wù)往往都有涉及。光伏用硅片的龍頭企業(yè)中環(huán)和隆基股份實(shí)力強(qiáng)勁，龍頭地位穩(wěn)固；半導(dǎo)體硅片的國內(nèi)廠商正在加速追趕，滬硅產(chǎn)業(yè)在 12 寸硅片領(lǐng)域一馬當(dāng)先，除此之外中環(huán)股份、立昂微、超硅半導(dǎo)體等企業(yè)也已進(jìn)入大硅片領(lǐng)域。中國是全球最大的半導(dǎo)體終端市場，隨著中國芯片產(chǎn)能的持續(xù)擴(kuò)張，我國半導(dǎo)體硅片的市場規(guī)模將會加速增長，大硅片領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊。


2、碳化硅（SiC）

碳化硅是第三代半導(dǎo)體材料，具有非常優(yōu)越的性能，是功率器件的重要原材料，近年來各國都投入大量人力物力發(fā)展相關(guān)產(chǎn)業(yè)。碳化硅行業(yè)門檻比較高，我國生產(chǎn)技術(shù)水平及較為落后，目前產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國獨(dú)大的特點(diǎn)，僅 Cree 一家公司就占據(jù)導(dǎo)電型碳化硅晶片全球 62%的份額。碳化硅市場的發(fā)展前景廣闊，近年來不斷在電動車、光伏、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域滲透，擁有強(qiáng)勁的下游需求，市場規(guī)模不斷擴(kuò)大。我國也在對碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行布局，今年來相關(guān)專利數(shù)量不斷上升，以天科合達(dá)為代表的晶片生產(chǎn)廠商的市占率也在逐年提高，我國的碳化硅產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展空間較大。

（1）第三代半導(dǎo)體材料，新能源與 5G 的基石

碳化硅是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，也是第三代半導(dǎo)體材料的代表材料。碳化硅材料具有很多優(yōu)點(diǎn)：化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨耐高壓。采用碳化硅材料的產(chǎn)品，與相同電氣參數(shù)的產(chǎn)品比較，可縮小 50%體積，降低 80%能量損耗，由于這些特性，世界各國對碳化硅材料非常重視，紛紛投入大量精力促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國際上的各大半導(dǎo)體巨頭也都投入巨資發(fā)展碳化硅器件。隨著技術(shù)工藝的成熟、制備成本的下降，應(yīng)用在各類功率器件上，近年來碳化硅功率器件在新能源汽車領(lǐng)域滲透率持續(xù)上升，是未來新能源、5G 通信領(lǐng)域中 SiC、GaN 器件的重要原材料。


（2）歐美占據(jù) SiC 產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵位置

碳化硅生產(chǎn)過程分為單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟，對應(yīng)的是產(chǎn)業(yè)鏈襯底、外延、器件與模組三大環(huán)節(jié)。碳化硅行業(yè)存在較高的技術(shù)門檻，研發(fā)時間長，美國、歐洲、日本等國家與地區(qū)多年來不斷改良碳化硅單晶的制備技術(shù)、研發(fā)制造相關(guān)設(shè)備，在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)都具有較大優(yōu)勢。行業(yè)巨頭 CREE 實(shí)力強(qiáng)勁，其旗下的 Wolfspeed擁有垂直一體化的生產(chǎn)能力，在功率和射頻器件市場具有領(lǐng)導(dǎo)地位；歐洲的英飛凌、意法半導(dǎo)體等公司擁有完整的碳化硅生產(chǎn)以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈;日本的羅姆半導(dǎo)體、三菱電機(jī)等在碳化硅功率模塊開發(fā)方面領(lǐng)先；近年來代工企業(yè)也在增多，大陸與臺灣地區(qū)企業(yè)逐步進(jìn)入，代工企業(yè)包括大陸的三安集成、臺灣地區(qū)的漢磊科技等。
目前，碳化硅產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國獨(dú)大的特點(diǎn)。以重要產(chǎn)品導(dǎo)電型碳化硅晶片為例，2018年美國占有全球產(chǎn)量的 70%以上，僅 CREE 一家公司就占據(jù) 62%的市場份額，剩余份額大部分被日本和歐洲的其他企業(yè)占據(jù)，中國企業(yè)僅占 1.7%的份額。


（3）新能源汽車、光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)碳化硅市場成長

碳化硅是極限功率器件的理想材料，耐高溫高壓，能源轉(zhuǎn)換效率高，應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。目前碳化硅功率器件有四個主要應(yīng)用場景：1）新能源汽車：電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的主逆變器；2）光伏：光伏逆變器；3）軌道交通：功率半導(dǎo)體器件；4）智能電網(wǎng)：固態(tài)變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統(tǒng)。隨著碳化硅功率器件的進(jìn)一步發(fā)展，其在各個領(lǐng)域的滲透率不斷提高，據(jù) Yole，全球車載 SiC 功率器件的市場空間為預(yù)計到 2024 年可以達(dá)到 19.3 億美金，對應(yīng) 2018-2024 年復(fù)合增速達(dá)到 29%。據(jù)天科合達(dá)招股說明書預(yù)測，碳化硅功率器件在光伏逆變器中的占比在2025年將達(dá)到50%，軌道交通中碳化硅器件應(yīng)用占比也將逐步上升。

在電動車和光伏逆變器需求的拉動下，根據(jù) Omdia 預(yù)測，碳化硅和氮化鎵功率半導(dǎo)體的新興市場預(yù)計在 2021 年突破 10 億美元；根據(jù) IHS Markit 數(shù)據(jù)，2018 年碳化硅功率器件市場規(guī)模約 3.9 億美元，受益于新能源汽車需求增長以及光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，預(yù)計到2027 年碳化硅功率器件的市場規(guī)模將超過 100 億美元，碳化硅行業(yè)的成長動力充足。


（4）碳化硅國產(chǎn)化需求強(qiáng)烈，逐步布局產(chǎn)業(yè)體系

我國是碳化硅最大的應(yīng)用市場，但目前來看，我國的碳化硅產(chǎn)業(yè)還很不完善，國內(nèi)從事碳化硅材料及功率器件研發(fā)制造的多為研究所和高校，缺乏規(guī)模化生產(chǎn)的能力。當(dāng)前中國在碳化硅領(lǐng)域市占率低，但已逐漸培育產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)，有望實(shí)現(xiàn)較好發(fā)展。國家對該產(chǎn)業(yè)發(fā)展也頗為重視，通過 863 計劃、國家 02 重大專項促進(jìn)其發(fā)展，并將碳化硅襯底列入十三五《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品目錄》。從專利申報看，2018-2020 年我國與碳化硅相關(guān)的專利為 2,887 份，相關(guān)專利數(shù)量的上升顯示我國相關(guān)企業(yè)碳化硅的技術(shù)儲備的持續(xù)提升。近兩年來國內(nèi)已有少數(shù)企業(yè)進(jìn)入碳化硅領(lǐng)域，中國企業(yè)在碳化硅單晶襯底方面以 4 英寸為主，目前已經(jīng)開發(fā)出了 6 英寸襯底。以天科合達(dá)和山東天岳為主的碳化硅晶片廠商發(fā)展速度較快，市占率提升明顯。三安光電在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈方面也在深度布局。


3、高純金屬濺射靶材

濺射靶材是集成電路的核心材料之一，近年來向著高濺射率、高純金屬的方向發(fā)展。其下游應(yīng)用場景主要包括半導(dǎo)體、面板、太陽能電池，隨著消費(fèi)電子終端市場的發(fā)展與完善，高純金屬濺射靶材的下游需求不斷上升，2013-2020 年全球靶材市場規(guī)模的復(fù)合增速達(dá) 14%，市場規(guī)模逐漸擴(kuò)大。濺射靶材的行業(yè)壁壘較高，美國與日本企業(yè)掌握核心技術(shù)，壟斷全球市場。我國的濺射靶材行業(yè)起步較晚，較為落后，但市場需求全球領(lǐng)先，國產(chǎn)替代空間大。國內(nèi)企業(yè)正在逐漸突破技術(shù)瓶頸，為打破美日壟斷高端靶材市場的不利局面而努力。

（1）集成電路的核心材料

濺射是制備薄膜材料的重要技術(shù)之一，濺射是指利用離子源產(chǎn)生的離子，在真空中經(jīng)過加速聚集而形成高速度能的離子束流，轟擊固體表面，離子和固體表面原子發(fā)生動能交換，使固體表面的原子離開固體并沉積在基底表面，被轟擊的固體是用濺射法沉積薄膜的原材料，稱為濺射靶材。集成電路中單元器件內(nèi)部的介質(zhì)層、導(dǎo)體層甚至保護(hù)層都要用到濺射鍍膜工藝。

超高純金屬及濺射靶材是電子材料的重要組成部分，濺射靶材產(chǎn)業(yè)鏈主要包括金屬提純、靶材制造、濺射鍍膜和終端應(yīng)用等環(huán)節(jié)。靶材制造和濺射鍍膜環(huán)節(jié)是整個濺射靶材產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對工藝水平要求高，存在較高的進(jìn)入壁壘。靶材如今向著高濺射率、晶粒晶向控制、大尺寸、高純金屬的方向發(fā)展。現(xiàn)在主要的高純金屬濺射靶材包括鋁靶、鈦靶、鉭靶、鎢鈦靶等，是制備集成電路的核心材料。


（2）消費(fèi)電子推動靶材市場規(guī)模擴(kuò)大

高純?yōu)R射靶材產(chǎn)品的下游產(chǎn)業(yè)市場容量近年來在逐步擴(kuò)大：1）半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)：隨著智能手機(jī)、平板電腦等終端消費(fèi)領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體需求的持續(xù)增長，半導(dǎo)體市場容量進(jìn)一步提升，半導(dǎo)體行業(yè)所需濺射靶材品種繁多，需求量大，穩(wěn)定的下游市場增速將有力地促進(jìn)濺射靶材銷售規(guī)模的增長；2）平板顯示器產(chǎn)業(yè)：近年來，液晶顯示器逐漸成為全球主流的顯示技術(shù)，在平面顯示市場中得到了廣泛的應(yīng)用。為了保證平板顯示器大面積膜層的均勻性，濺射技術(shù)越來越多地被用來制備這些膜層。

20 世紀(jì) 90 年代以來，消費(fèi)電子等終端應(yīng)用市場的飛速發(fā)展推動高純?yōu)R射靶材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，市場規(guī)模高速增長。2013-2020 年，全球?yàn)R射靶材市場規(guī)模預(yù)計將從 75.6 億美元上升至 195.63 億美元，復(fù)合增速為 14.42%


（3）高端靶材研制與生產(chǎn)主要集中在美國和日本

國外知名靶材公司在靶材研發(fā)生產(chǎn)方面已有幾十年的沉淀。全球范圍內(nèi)，濺射靶材產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)參與企業(yè)數(shù)量基本呈金字塔型分布，高純?yōu)R射靶材制造環(huán)節(jié)技術(shù)門檻高、設(shè)備投資大，具有規(guī)?；a(chǎn)能力的企業(yè)數(shù)量相對較少，主要分布在美國、日本等國家和地區(qū)。目前全球?yàn)R射靶材市場內(nèi)主要有四家企業(yè)，分別是 JX 日礦金屬、霍尼韋爾、東曹和普萊克斯，市場份額占比分別為 30%、20%、20%和 10%，合計壟斷了全球 80%的市場份額。其中最高端的晶圓制造靶材市場基本被這四家公司所壟斷，合計約占全球晶圓制造靶材市場份額的 90%，JX 日礦金屬規(guī)模最大，占全球晶圓制造靶材市場份額比例為 30%。


（4）高端靶材國內(nèi)需求強(qiáng)勁，國產(chǎn)替代空間大

據(jù)測算 2019 年國內(nèi)需求占全球靶材市場規(guī)模超過 30%，而本土廠商供給約占國內(nèi)市場的 30%，高端靶材主要從美日韓進(jìn)口，國內(nèi)靶材市場至少有十倍的進(jìn)口替代空間。僅就半導(dǎo)體用戶靶材而言，據(jù)中國電子材料行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2020 年國內(nèi)半導(dǎo)體領(lǐng)域用濺射靶材市場規(guī)模 16.15 億元人民幣。預(yù)計到 2025 年，國內(nèi)晶圓制造用濺射靶材市場規(guī)模將增長至 2.17 億美元，封裝領(lǐng)域用濺射靶材將增長至 1.18 億美元，合計 3.35 億美元，大約是人民幣 23.45 億元人民幣左右。

受到發(fā)展歷史和技術(shù)限制的影響，我國高純?yōu)R射靶材產(chǎn)業(yè)起步較晚，目前仍然是一個較新的行業(yè)，主要高純?yōu)R射靶材生產(chǎn)企業(yè)均由國有資本和少數(shù)民營資本所投資。與國際知名企業(yè)生產(chǎn)的濺射靶材相比，我國濺射靶材的生產(chǎn)水平還存在相當(dāng)大的差距，市場影響力十分有限。國家通過各項政策促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，2016 年發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》提出要加強(qiáng)高純金屬濺射靶材生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)。2018 年底進(jìn)口靶材免稅期結(jié)束，打開國內(nèi)靶材國產(chǎn)替代可能。目前，國內(nèi)正在逐漸突破關(guān)鍵技術(shù)門檻，打破濺射靶材核心技術(shù)由美日壟斷、產(chǎn)品完全需要進(jìn)口的落后局面。當(dāng)前中國靶材制造商的部分產(chǎn)品已達(dá)到了國際先進(jìn)水平，產(chǎn)品質(zhì)量獲得國內(nèi)外下游企業(yè)的認(rèn)可，通過在下游企業(yè)工廠附近建廠，靶材價格可能會比國外廠商低 10%-15%，替代必要性和戰(zhàn)略意義明顯。


（5）相關(guān)上市公司

國內(nèi)企業(yè)中阿石創(chuàng)、隆華科技、有研新材和江豐電子靶材生產(chǎn)體量較大。其中阿石創(chuàng)、隆華科技產(chǎn)品主要用于面板。江豐電子產(chǎn)品在半導(dǎo)體、太陽能光伏和面板領(lǐng)域均有覆蓋，有研新材主要生產(chǎn)半導(dǎo)體靶材。




來源：銀創(chuàng)智庫





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