科普：半导体细分材料的分类（下）

半导体材料的分类

和半导体设备的分类方式类似，半导体材料也可以分为两大重要的类别，即半导体制造材料和半导体封装材料。有些分类会将半导体基体材料，即硅晶圆单独列出来，不过也可以将硅晶圆材料列入到半导体制造材料中。

图-资料来源：平安证券，财富号观察者Aaron整理

各材料的占比规模

与半导体设备行业类似的是，半导体材料行业同样也是面临着细分种类众多，且国产化程度都相对比较低的现状。同时，相对封测材料，制造材料的重要性和市场规模又相对较大。

资料来源：产业信息网，太平洋证券，财富号观察者Aaron整理

在种类繁复的材料中，硅片又可以被视为是整个半导体材料的核心，也是占比最大的半导体材料。

硅片

如果说光刻机是半导体设备的明珠，那么大硅片则是半导体材料中最核心和最重要的材料。半导体硅片晶圆采用的是单晶硅制成，一般要求硅片纯度在9N以上（半导体硅片对产品质量及一致性要求极高，其纯度须达99.9999999%(9个9)以上，而最先进的工艺甚至需要做到99.999999999%(11个9)。而光伏级单晶硅片仅需5个9即可满足应用需求。所以半导体生产所用硅片的制备难度远大于光伏级硅片），远高于光伏的要求。

2019年硅片的全球市场规模为123.7亿美元。全球范围内，硅片50%以上被日本垄断，而从企业的角度来看，全球前五大半导体硅片厂的市场份额合计超过94%。

图-资料来源：平安证券，财富号观察者Aaron整理

硅片作为最核心的半导体材料，硅片的国产基本上可以用缺失的一环来形容。硅片具有极高的技术壁垒，国内的自产硅片厂商非常少，而且多数都是集中在8英寸或者6英寸的小硅片为主，主要应用领域也都在光伏和分立器件等低端应用上，能应用到集成电路的硅片以及12英寸以上的大尺寸硅片目前基本上只能依赖进口，但是国内的2019年光伏硅片战争就十分激烈。相对半导体大硅片（12英寸及以上）却是进展低于预期，由于半导体硅片对于芯片的性能有着关键性的作用，进口替代需要一定的时间积累，客户验证周期也相对较长，扩产进度或因此低于预期。

硅片生产工序主要包括:长晶，径向研磨，定位边研磨，抛光，切片，倒角，研磨，硅片刻蚀，抛光，检查等步骤。经过上述步骤生产出的硅片即为最通用的抛光片。

2英寸 (50mm)，到4英寸(100mm)，5英寸(125mm)，6英寸(150mm)，8英寸(200mm)， 12英寸(300mm)硅片

国内在集成电路的硅片这一块的先行者是上海硅产业集团，上海硅产业目前也即将登陆科创板。

电子特气

电子特种气体种类繁多，是电子工业重要的原材料之一。电子特气是指用于半导体及相关电子产品生产的特种气体，其按不同的应用途径可以分为掺杂用气体、外延用气体、离子注入气、发光二极管用气、刻蚀用气体、化学气相沉积气和平衡气等。在半导体工业中应用的有110 余种单元特种气体，其中常用的有超过30种。半导体的电子特气（下称半导体特种气体）在半导体薄膜沉积环节发挥不可取代的作用，是形成薄膜的主要原材料。

电子特气按用途分类

资料来源：中国产业信息

全球的主要电子特气供应商包括了美国的空气化工和普莱克斯，法国的液空和林德集团，日本的大阳日酸等企业。

资料来源：卓创资讯，华特股份招股说明书，            华泰证券    ，财富号观察者Aaron整理

电子特气的纯度对半导体及相关电子产品的生产至关重要。电子特气中水汽、氧等杂质组分易使半导体表面生成氧化膜，影响电子器件的使用寿命，含有的颗粒杂质会造成半导体短路及线路损坏。而伴随半导体工业的不断发展，产品的生产精度越来越高。以集成电路制造为例，其电路线宽已经从最初的毫米级，到微米级甚至纳米级，对应用于半导体生产的电子特气纯度亦提出了更高的要求。

不同线宽下对应特气所含颗粒杂质要求

资料来源：中国产业信息

国产的电器特气代表公司为华特股份，是我国唯一通过了ASML认证（全球最大光刻机大厂荷兰艾司摩尔的认证）的气体公司，还有南大光电、凯美特气。

光掩模

光掩膜一般也称光罩、掩膜版，是微电子制造中光刻工艺所使用的图形母版，由不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜图形，并通过曝光将图形转印到产品基板上。光掩膜主要由两部分组成:基板和不透光材料。

光掩模在光刻工艺中的应用示例

资料来源：中大创投

光掩膜版是半导体集成电路、显示屏制造中图形底片转移用的高精密工具。据SEMI数据，光掩膜版在半导体产业原材料总成本占比14%，仅次于大硅片（32%）。光掩模产业链上游厂商通过提纯、合成等方式生产高纯度石英锭；处于中游的精磨、涂胶、光刻等厂商对石英锭进行深加工，制成光掩膜版；最终光掩膜版在半导体和显示器生产中得到使用。

光掩膜产业位于电子信息产业的上游，其主导产品光掩膜是下游电子元器件制造商（生产制造过程中的核心模具，起到桥梁和纽带的作用，电子元器件制造商的产品则广泛应用于消费电子、家电、汽车等电子产品领域。

光掩模产业链

资料来源：中大创投

光掩膜板的产业链包括：上游原材料厂商（Momentive、Heraeus、菲利华等）通过提纯、合成等方式生产高纯度石英锭；处于中游的半导体设备厂商（东京电子、应用材料、LamResearch、Photronics等）对石英锭进行深加工，制成光掩膜版，包括：切割、研磨、抛光、镀铬、涂胶等；最终光掩膜板被半导体厂商（英特尔、三星、台积电等）以及显示屏厂商（京东方、华星光电等）使用。作为半导体、液晶显示器制造过程中转移电路图形“底片”的高精密工具，光掩膜是半导体制程中非常关键的一环。

全球生产掩膜版的企业包括了日本的TOPAN、大日本印刷、HOYA、SK电子，以及美国的Photonic等。

清溢光电光透工艺

资料来源：            清溢光电官网

国内的光掩模主要供应商是路维光电和清溢光电，中科院微电子所、中国电子科技集团等科研院所内部也有自制掩膜版，晶圆代工厂龙头中芯国际也有自制掩膜版业务。

光刻胶及辅材

光刻胶是耐蚀刻的薄膜材料，也称为光致抗蚀剂，是一种光敏材料，它受到光照后特性会发生改变。光刻胶主要用来将光刻掩膜版上的图形转移到晶圆片上。

　　光刻胶有正胶和负胶之分。正胶经过曝光后，受到光照的部分变得容易溶解，经过显影后被溶解，只留下未受光照的部分形成图形；而负胶却恰恰相反，经过曝光后，受到光照的部分会变得不易溶解，经过显影后，留下光照部分形成图形。

负胶在光刻工艺上应用最早，其工艺成本低、产量高，但由于它吸收显影液后会膨胀，导致其            分辨率    （即光刻工艺中所能形成最小图形）不如正胶，因此对于亚微米甚至更小尺寸的加工技术，主要使用正胶作为光刻胶。

光刻胶基于感光树脂的化学结构可以分为光聚合、光分解、光交联三种。按应用领域分类可分为PCB光刻胶、LCD光刻胶和半导体光刻胶三种，其中PCB光刻胶主要包括干膜光刻胶、湿膜光刻胶和光成像阻焊油墨，生产的技术要求相对较低，而LCD光刻胶和半导体光刻胶主要包括i线、ArF、KrF光刻胶等，其要求的工艺水平更高。

资料来源：雪球：价值目录

国内光刻胶生产商最初只能供应低端的PCB光刻胶和面板等应用，半导体光刻胶基本上依赖进口，但是最近已经突破了只能制造低端的局限发展至中端LCD和半导体光刻胶的量产，国产中端光刻胶已进入主流制造商验证环节（苏州瑞红（晶瑞股份100%控股）和北京科华微电子（南大光电持股31.39%））。

全球光刻胶的核心产能都集中在日本，前五大厂商的全球市场占有率超过87%。

资料来源：华泰证券，财富号观察者Aaron整理

从国内整体来看，目前市场主流的四种中高端光刻胶：g线、i线、KrF、ArF，我国已经实现了其中g/i线的量产，并将逐步提升供货量；KrF已经通过认证，但还处于攻坚阶段；ArF光刻胶乐观预计在2020年能有效突破并完成认证。而当前更高端的最新技术EUV和E-beam光刻胶方面，现在国内还不具备条件也没有这方面研发能力，量产更是遥遥无期，国产高端的突破还需要很长的路需要摸索。

抛光材料

化学机械抛光(chemical mechanicalpolishing, 简称CMP)是集成电路（IC）制造过程中的关键技术，使用化学腐蚀及机械力对加工过程的单晶硅片和金属布线层进行平坦化。

它不但能够对硅片表面进行局部处理，同时也可以对整个硅片表面进行平坦化处理, 是目前唯一能兼顾表面的全局和局部平坦化的技术。抛光材料包括了抛光垫和抛光液、调节器、以及清洁剂等，主要以抛光液和抛光垫为主。205、194、202、202、205

CMP工艺原理

资料来源：公开资料

CMP的应用：

1）在单晶硅片制造环节，单晶硅片首先通过化学腐蚀减薄，此时粗糙度在 10-20μm，在进行粗抛光、细抛光、精抛光等步骤，可将粗糙度控制在几十个 nm 以内。一般来说，单晶硅片需要 2 次以上的抛光，表面才可以达到集成电路的要求。

2）在前半制程工艺中，主要应用在多层金属布线层的抛光中。由于 IC 元件采用多层立体布线，需要刻蚀的每一层都有很高的全局平整度，以保证每层全局平坦化。CMP 平坦化工艺在此工艺中使用的环节包括：互联结构中凹凸不平的绝缘体、导体、层间介质(ILD)、镶嵌金属(如 Al，Cu)、浅沟槽隔离(STI)、硅氧化物、多晶硅等。随着集成电路芯片工艺制程技术的不断进步，对 CMP 工艺的需求不断增加。CMP 技术最早使用在氧化硅抛光中，是用来进行层间介质(ILD)的全局平坦的，在集成电路芯片进入 0.35μm 节点后，CMP 更广泛地应用在金属钨、铜、多晶硅等的平坦化工艺中。随着金属布线层数的增多，需要进行 CMP 抛光的步骤也越多。以 28nm节点工艺为例，所需 CMP 次数为 12-13 次，而进入 10nm 制程节点后，CMP 次数会翻一番，达到 25-26 次。

资料来源：力鼎产业研究中心，华泰证券，财富号观察者Aaron整理

全球的抛光垫市场基本上被美国的陶氏化学垄断，CMP 抛光材料具有技术壁垒高，客户认证时间长的特点，一直以来处于寡头垄断的格局。其一，美国和日本等国际巨头利用先发优势在研发和生产方面不断革新，同时实行严格的专利保护封锁技术防止外泄，构筑难以突破的技术壁垒；其二，对下游晶圆厂来说客户认证的时间很长，新产品测试流程复杂，一般需要一年半深证两年才能完成一种新产品的认证。

2019年抛光液市场占比

数据来源：观研天下

全球芯片抛光液市场主要被在美国、日本、韩国企业所垄断。全球芯片抛光液主要被日本 Fujimi、Hinomoto Kenmazai 公司，美国卡博特、杜邦、Rodel、Eka，韩国的 ACE 等所垄断，占据全球 90%以上的高端市场份额。

国内的抛光垫行业龙头是鼎龙股份    ，拥有国内唯一的国际先进集成电路芯片CMP抛光垫产研基地。

而国内的抛光液龙头主要是安集科技，同时也生产部分光刻胶产品。

湿电子化学品

湿电子化学品的种类繁多，又称超净高纯试剂或工艺化学品，是指主体成分纯度大于 99.99%，杂质离子和微粒数符合严格要求的化学试剂。主要以上游硫酸、 盐酸、 氢氟酸、 氨水、 氢氧化钠、 氢氧化钾、 丙酮、 乙醇、 异丙醇等为原料，经过预处理、 过滤、 提纯等工艺生产得到的高纯度产品。主要用于芯片的清洗和腐蚀，国际半导体设备和材料协会专门制定了湿电子化学品的国际统一标准。

湿电子化学品主要品种一览

湿电子化学品按应用领域分类

全球湿化学品市场的参与者主要包括了德国默克、美国亚什兰化学、日本关东化学和台湾鑫林科技等，他们的全球市场份额合计超过80%以上。

2017年全球市场占比

资料来源：中大创投

国内湿化学品基本被外资占有，少数的国产企业也较为分散，代表企业包括了            上海新阳    、晶瑞股份等。

靶材

溅射是制备薄膜材朴的主要技术之一，特别是高纯度溅射靶材应用于电子元器件制造的物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，简称PVD）工艺，是制备晶圆、面板、太阳能电池等表面电子薄膜的关键材料。

所谓溅射，是制备薄膜材料的主要技术，也是PVD的一种。它通过在PVD设备中用离子对目标物进行轰击，使得靶材中的金属原子以一定能量逸出，从而在晶圆表面沉积，溅镀形成金属薄膜，其中被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的原材料，称为溅射靶材。

相比PVD的另一种工艺——真空镀膜，溅射镀膜工艺可重复性好、膜厚可控制，可在大面积基板材料上获得厚度均匀的薄膜，所制备的薄膜具有纯度高、致密性好、与基板材料的结合力强等优点，已成为制备薄膜材料的主要技术。

靶材的分类及应用

资料来源：知乎Rossky整理

资料来源：知乎Rossky整理

以铝靶材制造过程为例，通过电解冶炼过程得到的普通铝锭的纯度一般在99%以上，普通的铝锭再经过偏析法、三层电解法或联合区域熔炼法可制得高纯铝锭，然后再对高纯铝锭进行锻造、轧制、热处理等，使铝锭内晶粒变细小、致密度增加以满足溅射所需铝靶材的要求。变形处理完成后，再焊接底板，然后对坯料进行机械加工，最后对靶材进行表面清洁处理等。铜、钛和钽等靶材的制造工艺除在具体的熔炼方法和加工工艺参数有不同之外，工艺过程基本相同。

资料来源：江丰电子招股书：知乎Rossky整理

粉末冶金铸造法是溅射靶材的另一种重要制造工艺。对于钨钛靶这类由两种熔点差别较大的金属组成的合金靶材则会选择粉末烧结工艺。粉末冶金工艺一般选用高纯、超细粉末作为原料，并使用热等静压方法成型，而热等静压工艺具有容易获得均匀细晶组织的优点。而热等静压工艺具有容易获得均匀细晶组织的优点

资料来源：江丰电子招股书：知乎Rossky整理

芯片制造对溅射靶材金属纯度的要求最高，通常要达到99.9995%以上，而平板显示器、太阳能电池分别要求达到 99.999%、99.995%以上即可。

除了纯度之外，芯片对溅射靶材内部微观结构等也设定了极其苛刻的标准，需要掌握生产过程中的关键技术，并经过长期实践才能制成符合工艺要求的产品。

超高纯度金属及溅射靶材是电子材料的重要组成部分，溅射靶材产业链主要包括金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用等环节，其中，靶材制造和溅射镀膜环节是整个溅射靶材产业链中的关键环节。

资料来源：半导体行业观察

全球的靶材龙头企业主要是美国的霍尼韦尔和普莱克斯，日本的日矿金属、住友化学、爱发科、三星矿业和东曹。

国内靶材企业江丰电子、有研新材、隆华节能、阿石创、北京格林东辉真空科技、江西睿宁高新技术材料、江苏比昂电子材料等。