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淺析中國在半導體材料方面的利與弊

時間:2019-6-10, 來源:互聯網, 資訊類別:行業知識

導讀:日前,《2019年中國第三代半導體材料產業演進及投資價值研究》白皮書在2019世界半導體大會期間發布。報告指出,2018年在5G、新能源汽車、綠色照明等新興領域蓬勃發展以及國家政策大力扶持的雙重驅動力下,我國第三代半導體材料市場繼續保持高速增長,總體市場規模已達到5.97億元,同比增長47.3%。

預計未來三年中國第三代半導體材料市場規模仍將保持20%以上的平均增長速度,到2021年將達到11.9億元。第三代半導體材料具有優越的性能和能帶結構,廣泛于射頻器件、光電器件、功率器件等制造,目前已逐漸滲透5G通信和新能源汽車等新興領域市場,被認為是半導體行業的重要發展方向。

目前,全球70-80%的第三代半導體材料碳化硅產量來自美國。中美貿易摩擦持續發酵背景下,第三代半導體材料國產化替代進程望加速。

半導體材料:技術壁壘高,高端依賴進口

半導體材料是指電導率介于金屬與絕緣體之間的材料,半導體材料的電導率在歐/厘米之間,一般情況下電導率隨溫度的升高而增大。半導體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要材料。

半導體材料市場可以分為晶圓材料和封裝材料市場。其中,晶圓材料主要有硅片、光掩膜、光刻膠、光刻膠輔助設備、濕制程、濺射靶、拋光液、其他材料。封裝材料主要有層壓基板、引線框架、焊線、模壓化合物、底部填充料、液體密封劑、粘晶材料、錫球、晶圓級封裝介質、熱接口材料。

半導體材料自給率低

在半導體材料領域,由于高端產品技術壁壘高,國內企業長期研發投入和積累不足,我國半導體材料在國際分工中多處于中低端領域,高端產品市場主要被歐美日韓臺等少數國際大公司壟斷,比如:硅片全球市場前六大公司的市場份額達90%以上,光刻膠全球市場前五大公司的市場份額達80%以上,高純試劑全球市場前六大公司的市場份額達80%以上,CMP材料全球市場前七大公司市場份額達90%。

國內大部分產品自給率較低,基本不足30%,并且大部分是技術壁壘較低的封裝材料,在晶圓制造材料方面國產化比例更低,主要依賴于進口。另外,國內半導體材料企業集中于6英寸以下生產線,目前有少數廠商開始打入國內8英寸、12英寸生產線。

大硅片:硅片也稱硅晶圓,是最主要的半導體材料,主要包括拋光片、退火片、外延片、節隔離片和絕緣體上硅片,其中拋光片是用量最大的產品,其他的硅片產品也都是在拋光片的基礎上二次加工產生的。硅晶圓片的市場銷售額占整個半導體材料市場總銷售額的32%~40%。

硅片直徑主要有3英寸、4英寸、6英寸、8英寸、12英寸(300mm),目前已發展到18英寸(450mm)等規格。直徑越大,在一個硅片上經一次工藝循環可制作的集成電路芯片數就越多,每個芯片的成本也就越低。因此,更大直徑硅片是硅片制各技術的發展方向。但硅片尺寸越大,對微電子工藝設各、材料和技術的要求也就越高。

硅片具有極高的技術壁壘,全球市場呈現出寡頭壟斷的格局,日本信越和SUMCO(由三菱硅材料和住友材料Sitix分部合并而來)一直占據主要市場份額,雙方約各占30%左右,其他主要公司有德國Siltroni(c德國化工企業Wacker的子公司)、韓國LGSiltron、美國MEMC和臺灣中美硅晶制品SAS四家公司。上述6家供應商合計占據全球90%以上的市場份額。

目前,國內8寸的硅片生產廠商僅有有研新材、金瑞泓等少數廠商,遠沒有滿足國內市場,12寸硅片目前基本上采用進口,過去可以說是國內半導體產業鏈上缺失的一環。

上海新陽參股(持股27.56%)的上海新昇實現300毫米半導體硅片的國產化。公司自2017年第二季度開始有擋片、空片、陪片等測試片的銷售,并向中芯國際、上海華力微、武漢新芯等晶圓制造企業提供正片進行認證。

2018年一季度末,上海新昇300mm硅片正片通過上海華力微電子有限公司的認證并開始銷售。2018年12月20日,上海新陽在互動平臺上透露,上海新昇公司大硅片已通過中芯國際認證。上海新昇2018年底月產能達到10萬片,2020年底前將實現月產30萬片產能目標,最終將達到100萬片的產能規模。

目前,硅片主流產品是12英寸,根據SUMCO的預測,300mm總需求將會從2018年的600萬片/月增加到到2021年的720萬片/月,復合增速約為6%。從2013-2018年,全球硅片出貨量(應用于半導體生產)穩步增長,2018年全球硅片出貨量為12733百萬平方英尺,同比增長7.82%。

超凈高純試劑:又稱濕化學品,是指主體成分純度大于99.99%,雜質離子和微粒數符合嚴格要求的化學試劑。主要以上游硫酸、鹽酸、氫氟酸、氨水、氫氧化鈉、氫氧化鉀、丙酮、乙醇、異丙醇等為原料,經過預處理、過濾、提純等工藝生產的得到純度高產品。在半導體領域主要用于芯片的清洗和腐蝕,同時在硅晶圓的清洗中也起到重要作用。其純度和潔凈度對集成電路成品率、電性能及可靠性有十分重要的影響。

SEMI(國際半導體設備和材料協會)專門制定、規范超凈高純試劑的國際統一標準-SEMI標準。按照SEMI等級的分類,G1等級屬于低檔產品,G2等級屬于中低檔產品,G3等級屬于中高檔產品,G4和G5等級則屬于高檔產品。隨著集成電路制作要求的提高,對工藝中所需的濕電子化學品純度的要求也不斷提高。對于半導體材料領域,12寸制程中濕電子化學品技術等級需求一般在G3級以上。

應用于半導體的超凈高純試劑,全球主要企業有德國巴斯夫,美國亞什蘭化學、Arch化學,日本關東化學、三菱化學、京都化工、住友化學、和光純藥工業,臺灣鑫林科技,韓國東友精細化工等,上述公司占全球市場份額的85%以上。

目前,國內生產超凈高純試劑的企業中產品達到國際標準且具有一定生產量的企業有30多家,國內超凈高純試劑產品技術等級主要集中在G2級以下,國內江化微、晶瑞股份等企業部分產品已達到G3、G4級別,晶瑞股份超純雙氧水已達G5級別,部分產品已經實現進口替代。

我國內資企業產超凈高純試劑在6英寸及6英寸以下晶圓市場上的國產化率已提高到80%,而8英寸及8英寸以上晶圓加工的市場上,其國產化率由2012年約8%左右緩慢增長到2014年的10%左右。超凈高純試劑產能方面,晶瑞股份產能3.87萬噸,江化微產能3.24萬噸。

電子氣體:電子氣體在電子產品制程工藝中廣泛應用于薄膜、蝕刻、摻雜等工藝,被稱為半導體、平面顯示等材料的“糧食”和“源”。電子特種氣體又可劃分為摻雜氣、外延氣、離子注入用氣、LED用氣、蝕刻用氣、化學汽相沉淀用氣、載運和稀釋氣體等幾大類,種類繁多,在半導體工業中應用的有110余種電子氣體,常用的有20-30種。

電子特種氣體行業集中度高,主要企業有美國空氣化工、美國普萊克斯、德國林德集團、法國液化空氣和日本大陽日酸株式會社,五大氣體公司占有全球90%以上的市場份額,上述企業也占據了我國電子特種氣體的主要市場份額。

國產電子氣體已開始占據一定的市場份額,經過多年發展,國內已有部分企業在部分產品方面攻克技術難關。

四川科美特生產的四氟化碳進入臺積電12寸臺南28nm晶圓加工生產線,目前公司已經被上市公司雅克科技收購;金宏氣體自主研發7N電子級超純氨打破國外壟斷,主要上市公司有雅克科技、南大光電、巨化股份。

靶材:半導體行業生產領域,靶材是濺射工藝中必不可少的重要原材料。濺射工藝是制備電子薄膜材料的主要技術之一,它利用離子源產生的離子轟擊固體表面,使固體表面的原子離開體并沉積在基底表面,被轟擊的固體稱為濺射靶材。

靶極按照成分不同可分為金屬靶極(純金屬鋁、鈦、銅、鉭等)、合金靶極(鎳鉻合金、鎳鈷合金等)和陶瓷化合物靶極(氧化物、硅化物、碳化物、硫化物等)。半導體晶圓制造中200nm(8寸)及以下晶圓制造通常以鋁制程為主,使用的靶材以鋁、鈦元素為主。300nm(12寸)晶圓制造,多使用先進的銅互連技術,主要使用銅、鉭靶材。

半導體芯片對濺射靶材的金屬材料純度、內部微觀結構等方面都設定了極其苛刻的標準,長期以來一直被美、日的跨國公司所壟斷,我國的超高純金屬材料及濺射靶材嚴重依賴進口。目前,江豐電子產品進入臺積電、中芯國際和日本三菱等國際一流晶圓加工企業供應鏈,在16納米技術節點實現批量供貨,成功打破了美、日跨國公司的壟斷格局,填補了我國電子材料行業的空白。

光刻膠:指通過紫外光、準分子激光、電子束、離子束、X射線等光源的照射或輻射,其溶解度發生變化的耐蝕刻薄膜材料。

其溶解度發生變化的耐蝕刻薄膜材料。根據在顯影過程中曝光區域的去除或保留,分為正像光刻膠和負像光刻膠。隨著分辨率越來越高,光刻膠曝光波長不斷縮短,由紫外寬譜向G線(436nm)→I線(365nm)→KrF(248nm)→ArF(193nm)→F2(157nm)→極紫外光EUV的方向轉移。

我國光刻膠生產基本上被外資把控,并且集中在低端市場。據中國產業信息數據,2015年我國光刻膠產量為9.75萬噸,其中中低端產品PCB光刻膠產值占比為94.4%,而LCD和半導體用光刻膠產值占比分別僅為2.7%和1.6%,半導體光刻膠嚴重依賴進口。

另外,2015年我國光刻膠前五大公司分別臺灣長興化學、日立化成、日本旭化成、美國杜邦及臺灣長春化工,均是外資或合資企業,上述五大企業市場份額達到89.7%,內資企業市場份額不足10%。光刻膠主要上市公司有晶瑞股份、飛凱材料。

半導體產業加速向國內轉移

半導體材料主要應用于集成電路,我國集成電路應用領域主要為計算機、網絡通信、消費電子、汽車電子、工業控制等,前三者合計占比達83%。2015年,隨著《國家集成電路產業發展推進綱要》等一系列政策落地實施,國家集成電路產業投資基金開始運作,中國集成電路產業保持了高速增長。

根據中國半導體行業協會統計,2015年中國集成電路產業銷售額達到3609.8億,同比增長19.7%;2016年中國集成電路產業銷售額達到4335.5億元,同比增長20.1%;2017年中國集成電路產業銷售額達到5411.3億元,同比增長24.8%;2018年1-9月中國集成電路產業銷售額達到4461.5億元,同比增長22.4%。預計到2020年中國半導體行業維持20%以上的增速。

2014年6月,國家發布《國家集成電路產業發展推進綱要》;2014年9月,為了貫徹《國家集成電路產業發展推進綱要》,正式國家集成電路產業投資基金,由國開金融、中國煙草、中國移動、紫光通信、華芯投資等企業發起,初期規模1200億元,截止2017年6月規模已達到1387億元。

國家大基金董事長王占甫表示,截至2017年11月30日,大基金累計有效決策62個項目,涉及46家企業;累計有效承諾額1063億元,實際出資794億元。目前大基金在制造、設計、封測、裝備材料等產業鏈各環節投資布局全覆蓋,各環節承諾投資占總投資的比重分別為63%、20%、10%、7%。

前三位企業的投資占比達70%以上,有力推動龍頭企業核心競爭力提升。最新資料顯示,大基金一期已投67個項目,累計項目承諾投資額達1188億元,實際出資為818億元。

目前大基金第二期方案已上報國務院并獲批,正在募集階段。大基金二期籌資規模有望超過一期,預計在1500億-2000億元。按照1:3的撬動社會資本比例,一期加二期總規模預計超過1萬億元,這將帶動國內集成電路產業加速發展。

另外,由于各地方政府對半導體產業支持力度加大,英特爾、聯電、力晶、三星、海力士、中芯國際等大廠紛紛加碼晶圓廠建設,根據SEMI統計,在2017-2019年間,預計全球新建62條晶圓加工產線,其中在中國境內新建數量達到26條,其中2018年,中國大陸計劃投產的12寸晶圓廠就達10座以上;各大IC制造業廠商都加碼中國市場,擴張IC制造產能。半導體制造每一個環節都離不開半導體材料,對半導體材料的需求將隨著增加,上游半導體材料將確定性受益。

芯片進口替代空間巨大,半導體材料受益

由于我國半導體市場需求巨大,而國內很大一部分不能供給,致使我國集成電路(俗稱芯片)進口金額巨大,近幾年芯片進口額穩定在2000億美元以上,2017年我國芯片進口額為2601.16億美元,同比增長14.6%;2018年我國芯片進口額為3120.58億美元,同比增長19.8%。

根據海關數據統計,我國近十年芯片進口額每年都超過原油進口額,2018年我國原油進口額為2402.62億美元,芯片繼續是我國第一大進口商品。

貿易逆差逐年擴大,2010年集成電路貿易逆差1277.4億美元,而在2017年集成電路貿易逆差增長到1932.4億美元,2018年集成電路貿易逆差2274.22億美元。如此大的貿易逆差反映出我國集成電路市場長期嚴重供不應求,進口替代的市場空間巨大。


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