半导体材料(semiconductor material)是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间,电阻率约在1mΩ·cm~1GΩ·cm范围内),是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要材料。
半导体材料市场可大致分为晶圆材料和封装材料市场。其中,晶圆材料主要有硅片、 光掩膜、光刻胶、光刻胶辅助设备、湿制程、溅射靶、抛光液和其他材料。封装材料主要有层压基板、引线框架、焊线、模压化合物、底部填充料、液体密封剂、粘晶材料、 锡球、晶圆级封装介质、热接口材料。
根据国际半导体产业协会(SEMI)的最新报告,2020年,全球半导体材料市场规模为553.08亿美元,同比增长4.9%,其中全球晶圆制造材料市场规模为349亿美元,同比增长6.5%,占半导体材料整体规模的63%;全球封装材料市场规模为204亿美元,同比增长2.3%,占半导体材料整体规模 37%。
2020年,中国大陆半导体材料市场规模为97.63亿美元,同比增长12.00%,占全球比例为17.7%,位居全球第二,仅次于中国台湾地区。
在半导体材料领域,由于高端产品技术壁垒高,国内企业长期研发投入和积累不足,我国半导体材料在国际分工中多处于中低端领域,高端商品市场主要被欧美日韩台等少数国际大公司垄断,比如:硅片全球市场前五大公司的市场占有率达90%以上,光刻胶全球市场前五大公司的市场占有率达 80%以上,高纯试剂全球市场前六大公司的市场占有率达80%以上,CMP 材料全球市场前七大公司市场占有率达 90%。
国内大部分产品自给率较低,基本不足30%,并且大部分是技术壁垒较低的封装材料,在晶圆制造材料方面国产化比例更低,主要依赖于进口。另外,国内半导体材料企业集中于6英寸以下生产线,目前有少数厂商开始打入国内8英寸、12英寸生产线。
4..1 光刻胶:又称光致抗蚀剂,指通过紫外光、准分子激光、电子束、离子束、X射线 等光源的照射或辐射,其溶解度发生明显的变化的耐蚀刻薄膜材料。根据在显影过程中曝光区域的去除或保留,分为正像光刻胶和负像光刻胶。光刻胶由感光树脂(聚合剂)、增感剂(光引发剂)、溶剂与助剂构成。光引发剂是光刻胶的关键成分,对光刻胶的感光度、分辨率起着决定性作用。感光树脂用于将光刻胶中不一样的材料聚合在一起,构成光刻胶的骨架,决定光刻胶的硬度、柔韧性、附着力等基本属性。溶剂是光刻胶中最大成分,目的是使光刻胶处于液态,但溶剂本身对光刻胶的化学性质几乎没影响。助剂通常是专有化合物,主要用来改变光刻胶特定化学性质。
根据下游应用领域,光刻胶可分为PCB光刻胶、面板光刻胶与半导体光刻胶三个大 类,其技术壁垒依次递增。相应的,PCB光刻胶是目前国产化率最高,面板光刻胶次之,半导体光刻胶国产率最低并与国外技术差距最大。
半导体光刻胶根据对应的波长可分为紫外光刻胶(300-450nm)、深紫外光刻胶 (160-280nm)、极紫外光刻胶(EUV,13.5nm)等。
光刻胶生产技术较为复杂,技术壁垒高,尤其是半导体光刻胶技术壁垒最高。全球 光刻胶行业呈现寡头垄断格局,主要被日美公司垄断,前五大光刻胶企业合成橡胶 (日本)、东京应化(日本)、罗门哈斯(美国)、信越化工(日本)、富士电子 (日本)占据了全球光刻胶市场 87%的市场份额。
随着集成电路先进制程的发展,EUV光刻胶成为半导体光刻胶发展的新趋势。目前市场最先进的量产芯片工艺是5nm工艺,台积电表示将在2022年下半年开始大规模生产3nm工艺。目前,EUV光刻胶市场被日本垄断,日本三家企业东京应化、信越化工、合成橡胶占据EUV光刻胶99.9%的市场份额。
据中国产业信息数据,我国光刻胶大多分布在在中低端的PCB光刻胶,半导体光刻胶 严重依赖进口,这严重的制约了我国半导体产业的自主发展。特别是高端半导体光刻胶保质期较短,一般只有6-9个月,这不利于囤货,一旦遇到突发情况(贸易冲突或者自然灾害),我国集成电路生产会面临短期内全面停产的严重不利局面。2021年5月,由于地震原因,信越化学KrF光刻胶福岛工厂关闭,产能受限,限制对华出口光刻胶,致使国内多家晶圆厂KrF光刻胶供应紧张。
目前国内布局光刻胶的上市公司有晶瑞股份、彤程新材、上海新阳、南大光电、雅 克科技、飞凯材料、容大感光等。
东京应化是历史悠远长久的日本化学材料企业之一,成立于1936年,1940年改组为东 京应化工业株式会社(TOK,TOKYO OHKA KOGYO)。在1968年和1972年分别开发出负性 光刻胶和正性光刻胶后,一直以成为光刻胶龙头供应商为目标,走在半导体微加工技术 的前列。2006 年,公司就率先投资研发ArF浸没光刻胶所需技术,公司同样是引领10nm以下制程EUV光刻胶的企业之一。公司在全球半导体光刻胶市场中获得多项“第一”,凸显公司的龙头地位。
2017-2020年,公司营业收入分别为924.11亿日元、1052.77亿日元、1028.20 亿日元、1175.85亿日元,2020年公司营业收入同比增长14.36%。材料业务是公司收入的大多数来自,2020年,公司材料业务实现收入1147.73亿日元,同比增长 15.95%,占公司总收入比例97.61%;另外,公司设备业务收入28.11亿日元。2020年,公司盈利为155.89亿日元,同比大幅度增长63.30%,其中材料业务实 现盈利203.95亿日元,同比增长51.50%。
日本合成橡胶公司(JSR,全称 Japan Synthetic Rubber Co.Ltd)成立于1957 年。公司早期主要经营各种橡胶材料,1979 年进入光刻胶领域。公司光刻胶技术面较宽,全 面覆盖从g 线到 EUV 等光刻胶。目前公司主要营业业务分四大块,包括弹性体业务、塑料业务、数字解决方案业务、生命科学业务,光刻胶业务包含在数字解决方案业务。
2017-2020 年,公司营业收入分别为 4219.30亿日元、4967.46亿日元、4719.67亿 日元、4466.09亿日元,2020年公司营业收入同比下降5.37%。2020 年,公司数字解决方案业务实现收入1514 亿日元,同比增长4.56%,占公司总收入比例33.9%,已经是公司收入第一大来源。2020年归母净利润-551.55亿日元;盈利-616.33亿日元,其中数字解决方案 业务实现盈利346亿日元,同比增长11.97%。
信越化学工业株式会社(Shin-Etsu Chemical Co.Ltd)成立于1926 年,前身为信 越氮肥料株式会社。公司经过多年的发展,目前是日本最大的化工企业,其中 PVC、硅晶圆、合成石英、先进光掩模版、合成信息素方面的全球市占率第一;在光刻胶和甲基纤维素方面位居全球前列。目前公司主要营业业务分五大块,包括聚氯乙烯和化学品部门、 半导体硅、有机硅、电子和功能材料部门、功能性化学品,光刻胶业务隶属于电子和功能材料部门。
2017-2020年,公司营业收入分别为14414 亿日元、15940亿日元、15435亿日元、 14969亿日元,2020年公司营业收入同比下降3.02%。2020年,公司电子和功能材料部门实现收入2348 亿日元,同比增长4.3%,占公司总收入比例 15.7%。2020年归母净利润2937亿日元,同比下降6.46%;盈利3922亿日元,同比下降3.4%,其中电子和功能材料部门实现盈利702亿日元,同比增长2.6%。
半导体材料主要使用在于集成电路,我国集成电路应用领域主要为计算机、网络通信、 消费电子、汽车电子、工业控制等,前三者合计占比达 83%。根据中国半导体行业协会统计,2017年我国集成电路产业销售额达到5411.3亿元,同比增长 24.8%;2018年我国集成电路产业销售额达到6532亿元,同比增长20.7%;2019 年我国集成电路产业销 售额达到7562.3亿元,同比增长15.8%;2020年我国集成电路产业销售额为8848 亿元, 同比增长17.0%,其中设计业销售额为3778.4亿元,同比增长23.3%;制造业销售额为2560.1 亿元,同比增长19.1%;封装测试业销售额2509.5亿元,同比增长6.8%。
2015年,随着《国家集成电路产业高质量发展推进纲要》等一系列政策落地实施,国家集成电路产业投资基金开始运作,中国集成电路产业保持了迅速增加。2020年,我国集成电路产量2612.6 亿块,同比增长16.2%;2021年1-4月,我国集成电路产量1104.0 亿块,同比增长 51.7%。
由于我国半导体市场需求巨大,而国内很大一部分不能供给,致使我国集成电路(俗称芯片)进口金额巨大。近三年我国芯片进口额都在3000亿美元以上,2018 年,我国芯片进口额为3120.58亿美元,同比增长19.8%;2019年,我国芯片进口额为3055.50亿美元,同比下降2.1%;2020年,我国芯片进口额为3500.36亿美元,同比增长14.6%。2021年1-5 月,我国芯片进口额为1599.22 亿美元,同比增长27.3%。
近三年我国芯片出口增速快于进口增速。2018 年,我国芯片出口额846.36亿美元,同比增长26.6%;2019年,我国芯片出口额为1015.78亿美元,同比增长 20.0%;2020年,我国芯片出口额为1166.03 亿美元,同比增长14.8%。2021 年1-5 月,我国芯片出口额544.05亿美元,同比增长31.7%。
随着我国集成电路技术的进步,以及产能的扩张,我国集成电路进口替代取得了显 著的效果,并开始全球扩张,扩大出口。