晶体生长设备行业投资潜力及发展前景

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1、晶体生长设备行业投资潜力及发展前景一、 中国为全球最大半导体市场，国产化提升大势所趋复盘半导体行业发展历史，共经历三次转移。第一次转移：1973年爆发石油危机，欧美经济停滞，日本趁机大力发展半导体行业，实施超大规模集成电路计划。1986年，日本半导体产品已经超越美国，成为全球第一大半导体生产大国；第二次转移：20世纪90年度，日本经济泡沫破灭，韩国通过技术引进实现DRAM量产。与此同时，半导体厂商从IDM模式向设计+制造+封装模式转变，催生代工厂商大量兴起，以台积电为首的中国台湾厂商抓住了半导体行业垂直分工转型机遇；第三次转移：2010年后，伴随国内手机厂商崛起、贸易摩擦背景下国家将集成电路的

2、发展上升至国家战略，半导体产业链逐渐向国内转移。中国为全球最大半导体市场，占比约1/3。随着中国经济的快速发展，在手机、PC、可穿戴设备等消费电子，以及新能源、物联网、大数据等新兴领域的快速推动下，中国半导体市场快速增长。据WSTS数据显示，2021年全球半导体销售达到5559亿美元，而中国仍然为全球最大的半导体市场，2021年销售额为1925亿美元，占比346%。国产化率极低，提升自主能力日益紧迫。近年来，随着产业分工更加精细化，半导体产业以市场为导向的发展态势愈发明显。从生产环节来看，制造基地逐步靠近需求市场，以减少运输成本；从产品研发来看，厂商可以及时响应用户需求，加快技术研发和产品迭代

3、。我国作为全球最大的半导体消费市场，半导体封测经过多年发展在国际市场已经具备较强市场竞争力，而在集成电路设计和制造环节与全球领先厂商仍有较大差距，特别是半导体设备和材料。SIA数据显示，2020年国内厂商在封测、设计、晶圆制造、材料、设备的全球市占率分别为38%、16%、16%、13%、2%，半导体材料与设备的重要性日益凸显。二、 光刻胶：半导体工艺核心材料，道阻且长光刻胶是光刻工艺最重要的耗材。光刻胶是一种通过特定光源照射下发生局部溶解度变化的光敏材料，主要作用于光刻环节，承担着将掩模上的图案转化到晶圆的重要功能。进行光刻时，硅片上的金属层涂抹光刻胶，掩膜上印有预先设计好的电路图案，光线透过

4、掩膜照射光刻胶。如果曝光在紫外线下的光刻胶变为溶剂，清除后留下掩膜上的图案，此为正性胶，反之为负性胶。（一）先进制程推动产品迭代，半导体光刻胶壁垒最高光刻胶可以根据曝光光源波长、显示效果和化学结构三种方式进行分类。根据曝光波长的不同，目前市场上应用较多的光刻胶可分为g线、i线、KrF、ArF和EUV5种类型。光刻胶波长越短，加工分辨率越高，不同的集成电路工艺在光刻中对应使用不同波长的光源。随着芯片制程的不断进步，每一代新的光刻工艺都需要新一代的光刻胶技术与之相匹配。g/i线光刻胶诞生于20世纪80年代，当时主流制程工艺在08-12m，适用于波长436nm的光刻光源。到了90年代，制程进步到03

5、5-05m，对应波长更短的365nm光源。当制程发展到035m以下时，g/i线光刻胶已经无法制程工艺的需求，于是出现了适用于248纳米波长光源的KrF光刻胶，和193纳米波长光源的ArF光刻胶，两者均是深紫外光刻胶。EUV（极紫外光）是目前最先进的光刻胶技术，适用波长为135nm的紫外光，可用于10nm以下的先进制程，目前仅有ASML集团掌握EUV光刻胶所对应的光刻机技术。根据显示效果的不同，光刻胶可分为正性和负性。如果光刻胶是正性的，在特定光线照射下光刻胶会发生反应并变成溶剂，曝光部分的光刻胶可以被清除。如果为负性光刻胶，曝光的光刻胶反应不再是溶剂，未曝光的光刻胶被清除。光分解型光刻胶采用含

6、有重氮醌类化合物材料作为感光剂，光线照射后发生光分解反应，由油性变为水性溶剂，可制造正性光刻胶。光交联型光刻胶采用聚乙烯醇月桂酸酯作为光敏材料，光线照射后形成一种网状结构的不溶物，可起到抗蚀作用，适用于制成负性光刻胶。化学放大型光刻胶使用光致酸剂作为光引发剂，光线照射后，曝光区域的光致酸剂会产生一种酸，并在后热烘培工序期间作为催化剂移除树脂的保护基团，使树脂变得可溶。化学放大光刻胶对深紫外光源具有良好的光敏性，具有高对比度、分辨率等优点。（二）光刻胶市场稳定增长，ArFi占比最高半导体光刻胶市场增速稳定。伴随芯片制程工艺的升级，光刻胶市场需求量也随之增加。根据TECHECT数据，2021年全球

7、光刻胶市场规模约为19亿美元，同比增长11%，预计2022年将达到2134亿美元，同比增长1232%。具体来看，在7nm制程的EUV技术成熟之前，ArFi光刻胶仍是市场主流，占比高达368%，KrF和g/i光刻胶分别占比为358%和147%。（三）光刻胶供应紧张，正当时目前国内从事半导体光刻胶研发和生产的企业包括晶瑞股份、南大光电、上海新阳、北京科华等。主要以i/g线光刻胶生产为主，应用集成电路制程350nm以上。KrF光刻胶方面，北京科华、徐州博康已实现量产。南大光电ArF光刻胶产业化进程相对较快，公司先后承担国家02专项高分辨率光刻胶与先进封装光刻胶产品关键技术研发项目和ArF光刻胶产品的

8、开发和产业化项目，也是第一家ArF光刻胶通过国内客户产品验证的公司，其他国内企业尚处于研发和验证阶段。三、 全球半导体材料制造及晶体生长设备市场竞争格局晶体生长设备下游应用领域为半导体材料制造（硅片/碳化硅衬底），下游应用行业具有技术壁垒高、研发周期长、资金投入大、下游验证周期长等特点，市场集中度较高。全球硅片和碳化硅衬底市场份额主要以美国、日本和欧洲等企业为主：硅片市场份额主要被日本信越化学、日本胜高、中国台湾环球晶圆、德国世创和韩国SK五大企业占据，五大企业占全球硅片市场份额约为90%；碳化硅衬底市场份额则主要以、美国-和德国SiCrystal等企业为主，占全球碳化硅衬底市场份额约为90%

9、。晶体生长设备技术水平是半导体材料制造性能优劣的基础决定因素之一，为保证晶体生长设备及半导体材料制造工艺技术方案的适配性，国际主要半导体材料厂商经过数十年积累的先进工艺和控制策略，基于晶体生长工艺的匹配性及半导体材料制造质量、性能的稳定性，其使用的晶体生长设备均主要为自行研发生产（如日本信越化学和日本胜高），未对外采购及销售。其他国际主流厂商主要通过自制及向国际晶体生长设备供应商（如PVATePlaAG、S-TECHCo，Ltd等）采购的方式实现晶体生长设备供应。国内半导体产业链起步较晚，晶体生长设备及半导体材料制造产业发展相对落后。一方面，晶体生长设备长晶制备的硅片/衬底经下游不同应用领域器

10、件端认证后，才可逐步实现规模化量产。针对特定设备，客户需结合不同下游产业应用领域，实施材料定制化工艺开发，可达到的工艺开发能力与水平、下游器件端认证及量产进度与特定设备的产业应用时间及验证经验显著相关。因晶体生长设备及半导体材料制造产业认证及量产应用存在一定时间周期，国内产业发展仍处于早期阶段，导致产业发展速度较国外成熟产业相对缓慢。另一方面，半导体产业链各环节的技术要求、精密程度及稳定性要求极高，通常来说，下游芯片厂商对已通过认证的半导体设备及制备工艺均会进行稽核，硅片/衬底材料厂商对半导体设备和制备工艺的改动均需通知下游芯片厂商，待其进行审核后方可进行。因产业认证壁垒、厂商更换成本、风险等

11、因素，国内晶体生长设备供应商尚未实现全球主流硅片厂商的设备供应。以上产业发展因素导致国内半导体材料制造及晶体生长设备占全球市场份额比重相对较低。截至目前，国内半导体级硅片厂商、碳化硅衬底厂商产出规模占全球市场份额均不足10%。在半导体级单晶硅制造领域，国内半导体级硅片厂商主要向S-TECHCo，Ltd等国际供应商采购晶体生长设备，国内晶体生长供应商占国内硅片厂商采购份额的比重仅为30%左右。半导体材料制造及晶体生长设备市场均存在较大的进口替代空间。四、 电子特气：半导体制造的血液电子特种气体又称电子特气，是电子气体的一个分支，相较于传统工业气体，纯度更高，其中一些具有特殊用途。电子特气下游应用

12、广泛，是集成电路、显示面板、太阳能电池等行业不可或缺的支撑性材料。在半导体领域，电子特气的纯度直接影响IC芯片的集成度、性能和良品率，在清洗、气相沉积成膜（CVD）、光刻、刻蚀、离子注入等半导体工艺环节中都扮演着重要的角色。（一）电子特气种类较多，广泛应用于半导体工艺电子特气可以根据其化学成分本身和用途的不同进行分类。根据化学成分的不同，电子特气可分为氟系、硅系、硼系、锗系氧化物和氢化物等几大类别。（二）电子特气占比仅次于硅片，国内市场规模快速增长半导体市场发展迅速，为上游电子特气市场打开成长空间。根据SEMI数据，在晶圆材料328亿美元的市场份额中，电子特气占比达13%，43亿美元，是仅次于

13、硅片的第二大材料领域。近年来，伴随下游晶圆厂的加速扩张，特气市场景气度向好，需求量有望持续扩容。根据SEMI数据，2020年全球晶圆制造电子气体市场规模为437亿美元。在全球产业链向国内转移的趋势下，中国电子特气市场规模在过去十年快速增长，2020年达到了1736亿元。特气市场毛利率高、盈利能力强。在各半导体材料领域中，电子特气公司的平均毛利率处于较高水平。对比半导体产业链来看，晶圆厂的盈利能力最强，例如世界最大晶圆代工厂台积电的毛利率为516%，国内晶圆厂龙头中芯国际的毛利率约为30%。而对于特种气体公司来说，电子特气平均毛利率能达到近50%。世界第二的法国液化空气集团，2010年-2019

14、年的毛利率稳定在60%-65%，而一般化工气体或大宗气体的毛利率仅在20-30%水平。国内企业电子特气毛利率相对较低，约为30%-40%，相较国际巨头有一定差距，未来成长空间广阔。伴随技术研发的进步和需求量的增长，电子特气厂商盈利能力有望持续升级。（三）纯度为特种气体重要指标，提纯为核心技术瓶颈特种气体纯度提升为核心技术瓶颈。集成电路对电子特气的纯度有着苛刻的要求，因为在芯片加工过程中，极微量的杂质也可能导致产品重大缺陷，特种气体纯度越高，产品的良率越高、性能越优。伴随IC芯片制程技术的不断发展，产品的生产精度越来越高，用于集成电路制造的电子特气亦提出了更高的纯度要求。电子特气的纯度主要受三个

15、因素影响：一是提纯技术。电子特气的分离和提纯原理上可分为精馏分离、分子筛吸附分离以及膜分离三大类。在实际提纯分离过程中，为提升效率和良品率，会利用多种方法进行组合，配置工艺更为复杂，还需保证产品配比精度，因此抬高了研发壁垒。二是气体检测技术。随着电子特气的纯度越来越高，对分析检测方法和仪器提出了更高的要求。目前国外电子气体的分析己经经历了离线分析、在线分析、原位分析等几个阶段，对于高纯度电子特气的分析已开发出完整的测试体系。而由于我国电子特气行业重生产而轻检测，因此分析方法和仪器同国外厂商都有一定差距。三是气体的储存和运输。高纯电子特气运输为一大难关，在储存和运输过程中要求使用高质量的气体包装

16、储运容器、以及相应的气体输送管线、阀门和接口，以防止气体二次污染。我国加工工艺整体落后以及不符合国际规范，大部分市场被国外公司占据。专业人才缺乏，技术人员培养目前面临较大困局。电子气体生产环节较多、操作复杂，因此企业除了研发人才，还需要大量掌握生产技术、具有实际操作经验的技术人员。据统计，培养一名合格的生产技术工人至少需要2年时间，但目前国内各大院校基本未设立工业气体学科，因此企业需要花费大量时间和资金成本对新进人员进行深度培养，制约了我国企业技术创新水平的提升速度。（四）外企垄断电子特气市场，国内企业本土化优势显著电子特气市场正处于稳定增长阶段，从地理位置上看，亚太地区是电子特气的最大消费市

17、场。国内电子特气相关需求一直依赖进口，主要市场由空气化工、德国林德集团、液化空气和太阳日酸等国外厂商占据，CR4约88%，形成寡头垄断的局面。国际局势叠加国内新兴产业迅速发展，本土化优势显著。新兴终端市场加速成长，国内企业经过多年技术积累有望迎来国产化全面开花。伴随俄乌战争、经济制裁等事件的频繁发生，国际局势变得更加复杂动荡。在此背景下，进口产品价格昂贵、运输不便，本土化产品供应稳定、性价比高等特点更为显著，国内下游企业逐步转向国产供应。电子特气国产化是必然趋势，将在市场化因素主导下全面加速。截至2022年Q1，我国拥有众多生产工业气体的企业，其中约一半位于华东地区。由于行业技术壁垒高且客户粘

18、性大，短期内行业的马太效应将继续延续，但近些年国家推出的相关支持政策及法律法规有望在往来助力相关细分行业的内资企业大力发展。五、 半导体材料为芯片之基，覆盖工艺全流程半导体材料包括晶圆制造材料和封装材料。其中晶圆制造材料包括硅片、掩模版、电子气体、光刻胶、CMP抛光材料、湿电子化学品、靶材等，封装材料包括封装基板、引线框架、键合丝、包封材料、陶瓷基板、芯片粘结材料和其他封装材料。具体来说，在芯片制造过程中，硅晶圆环节会用到硅片；清洗环节会用到高纯特气和高纯试剂；沉积环节会用到靶材；涂胶环节会用到光刻胶；曝光环节会用到掩模板；显影、刻蚀、去胶环节均会用到高纯试剂，刻蚀环节还会用到高纯特气；薄膜生

19、长环节会用到前驱体和靶材；研磨抛光环节会用到抛光液和抛光垫。在芯片封装过程中，贴片环节会用到封装基板和引线框架；引线键合环节会用到键合丝；模塑环节会用到硅微粉和塑封料；电镀环节会用到锡球。六、 先进制程持续升级，半导体材料同步提升进入21世纪以来，5G、人工智能、自动驾驶等新应用的兴起，对芯片性能提出了更高的要求，同时也推动了半导体制造工艺和新材料不断创新，国内外晶圆厂加紧对于半导体新制程的研发，台积电已于2020年开启了5nm工艺的量产，并于2021年年底实现3nm制程的试产，预计2022年开启量产。此外台积电表示已于2021年攻克2nm制程的技术节点的工艺技术难题，并预计于2023年开始风险试产，2024年逐步实现量产。随着芯片工艺升级，晶圆厂商对半导体材料要求越来越高。