全球半导体材料制造及晶体生长设备市场竞争格局分析

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1、全球半导体材料制造及晶体生长设备市场竞争格局分析一、 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%。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

2、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件端认证后，才可逐步实现规模化量产。针对特定设备，客户

3、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

4、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。二、 CMP：半导体平坦化核心技术，国内龙头放量在即CMP，又名化学机械抛光，是半导体硅片表面加工的关键技术之一。CMP是半导体先进制程中的关键技术，伴随制程节点的不断突破，CMP已成为035m及以下制

5、程不可或缺的平坦化工艺，关乎着后续工艺良率。CMP采用机械摩擦和化学腐蚀相结合的工艺，与普通的机械抛光相比，具有加工成本低、方法简单、良率高、可同时兼顾全局和局部平坦化等特点。其中化学腐蚀的主要耗材为抛光液，机械摩擦的主要耗材为抛光垫，两者共同决定了CMP工艺的性能及良率。（一）CMP系统复杂，抛光液和抛光垫为核心CMP系统主要耗材可分为抛光液和抛光垫，分别占据抛光材料成本的49%和33%。其他抛光材料还包括抛光头、研磨盘、检测设备、清洗设备等。抛光液是一种由去离子水、磨料、PH值调节剂、氧化剂以及分散剂等添加剂组成的水溶性试剂。在抛光的过程中，抛光液中的氧化剂等成分与硅片表面材料产生化学反应

6、，在表面产生一层化学反应薄膜，后由抛光液中的磨粒在压力和摩擦的作用下将其去除，最终实现抛光。抛光液可根据应用工艺环节、配方中磨粒、PH值的不同进行分类。根据配方中磨粒的不同，可分为二氧化硅、氧化铈、氧化铝磨粒等三大类。二氧化硅磨粒活性强、易于清洗且分散性及选择性好，多用于硅、SiO2层间介电层的抛光。缺点是硬度大，容易对硅片表面造成损伤，且抛光效率较低。氧化铝磨粒抛光效率高，但硬度强、选择性低且团聚严重，因此抛光液中常需加入各类稳定剂和分散剂，导致成本相对较高。氧化铈磨粒硬度低，抛光效率高，平坦度高，清洁无污染，但团聚严重，也需加入各类稳定剂和分散剂，且铈属于稀有金属，成本较高。根据PH值的不

7、同，可分为酸性抛光液和碱性抛光液。酸性抛光液具有抛光效率高、可溶性强等优点，多用于对铜、钨、铝、钛等金属材料进行抛光。其缺点是腐蚀性较大，对抛光设备要求高，所以常选择向抛光液中添加抗蚀剂（BTA）提高选择性，但BTA的添加容易降低抛光液的稳定性。不同于酸性抛光液，碱性抛光液具有腐蚀性小、选择性高等优点，多数用于抛光硅、氧化物及光阻材料等非金属材料。碱性抛光液的缺点也较为明显，因为不容易找到在弱碱性中氧化势高的氧化剂，所以抛光效率较低。抛光垫是负责输送和容纳抛光液的关键部件。在抛光的过程中，抛光垫具有把抛光液有效均匀地输送到抛光垫的不同区域、清除抛光后的反应物、碎屑等、维持抛光垫表面的抛光液薄膜

8、，以便化学反应充分进行、保持抛光过程的平稳、和晶圆片表面不变形等功能。（二）工艺制程持续升级，CMP市场稳定增长半导体行业高景气带动CMP市场稳定增长。伴随半导体材料行业景气度向上，CMP材料市场有望受下游市场驱动，保持稳健增速。2020年全球抛光液和抛光垫全球市场规模分别为134和82亿美元。中国CMP材料市场涨幅趋势与国际一致，2021年抛光液和抛光垫市场规模分别为22和13亿元。中国正全面发展半导体材料产业，CMP抛光产业未来增长空间广阔。先进制程为CMP材料市场扩容提供动力。随着芯片制程不断微型化，IC芯片互联结构变得更加复杂，所需抛光次数和抛光材料的种类也逐渐变多。在芯片制造过程中，

9、需要将电路以堆叠的方式组合起来，制程越精细，所堆叠的层数就越多。在堆叠的过程中，需要使用到氧化层、介质层、阻挡层、互连层等多个薄膜层交错排列，且每个薄膜层所用到的抛光材料也不相同。此外，随着D存储芯片结构逐渐由2D转向3D，CMP抛光层数和所用到的抛光材料种类也在不断增加。根据美国陶氏杜邦公司公开数据，5nm制程中抛光次数将达25-34次，64层3DD芯片中的抛光次数将达到17-32次，抛光次数均较前一代制程大幅增加。伴随制程工艺的发展，CMP材料市场有望不断扩容，成长空间较大。三、 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

10、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

11、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。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

12、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。四、 湿电子化学品：半导体制造材料关键一环湿电子化学品贯穿整个芯片制造流程，是重要的晶圆制造材料。湿电子化学品又称工艺化学品，是指主体成分纯度大于9999%，杂质离子和微粒数符合严格标准的化学试剂。在IC芯片制造中，湿电子化学品常用于清洗、光刻和蚀刻等工艺，可有效清除晶圆表面残留污染物、减少金属杂质含量，为下游产品质量提供保障。在半导体制造工艺中主要用于集成电路前端的晶圆制造及后端的封装测试，用量较少，但产品纯度要求高

13、、价值量大。（一）湿电子化学品种类众多，硫酸和双氧水占比较高根据应用领域的不同，湿电子化学品可分为通用化学品和功能性化学品。其中通用化学品指主体成分纯度大于9999%、杂质离子含量低于PPM级和尘埃颗粒粒径在05m以下的单一高纯试剂。功能湿电子化学品指可通过复配满足制造中特殊工艺需求、达到某些特定功能的配方类和复配类液体化学品。其中通用化学品广泛应用于IC芯片、液晶显示面板和LED制造领域，包括氢氟酸、硫酸、磷酸、盐酸、硝酸、乙酸等。功能性湿电子以光刻胶配套试剂为代表，包括显影液、漂洗液、剥离液等。（二）全球市场空间超50亿美元，国内增速更快受益于三大下游市场扩容，湿电子化学品需求量有望实现稳

14、定增速。近年来，半导体、显示面板、光伏三大板块下游市场规模不断扩大，产业迎来高速发展，带动湿电子化学品市场规模平稳增长。据智研咨询数据，2020年全球湿电子化学品市场规模为5084亿美元，受疫情影响略有下滑。国内湿电子化学品市场规模于2020年达到1006亿元，同比增长92%。中低端领域国产转化率较高，产业升级主要面向G4-G5级产品。国际半导体设备和材料组织（SEMI）于1975年制定了国际统一的湿电子化学品杂质含量标准。该标准下，产品级别越高，所对应的集成电路加工工艺精细度程度越高，制程越先进。半导体领域对湿电子化学品的纯度要求较高，集中在G3、G4级水平，且晶圆尺寸越大对纯度的要求越高，

15、12英寸晶圆制造一般要求G4级以上水平。目前国外主流湿电子化学品企业已实现G5级标准化产品的量产。国内市场半导体领域的湿电子化学品，G2、G3级中低端产品进口转化率高，因为此技术范围内国产产品本土化生产、性价比高、供应稳定等优势较为突出。G4、G5级高端产品仍有较大进口替代空间，为未来主要升级方向。（三）纯化和复配为湿电子化学品核心，半导体要求最高集成电路对超净高纯试剂纯度的要求非常高。按照SEMI等级的分类，G1级属于低档产品，G2级属于中低档产品，G3级属于中高档产品，G4和G5级则属于高档产品。集成电路用超高纯试剂的纯度要求基本集中在G3、G4级水平，中国的研发水平与国际仍存在较大差距。

16、湿电子化学品技术制造复杂，且品类众多，每种产品的制备要求各不相同，无法设计加工通用设备。企业必须根据不同品种的特性来确定适合的工艺路径，设计加工所需的设备，因此显著提升了制造成本和供应难度。研发能力及技术积累。湿电子化学品的生产技术包括混配技术、分离技术、纯化技术以及与其生产相配套的分析检验技术、环境处理与监测技术等。以上技术都需要企业具备研发能力和一定的技术积累。同时，下游产品的生产工艺和专用性需求不尽相同，这需要企业有较强的配套能力和一定的时间去掌握核心的配方工艺以满足不同产品的需求。（四）外企垄断高端湿电子化学品市场，国内厂商有所突破日韩企业长期垄断G4及以上级别高端市场。国际市场上G4

17、及其以上级别的高端产品多数被欧美、日本、韩国等海外公司垄断。2019年海外市场份额合计达到98%。根据新材料在线数据，德国巴斯夫；美国亚什兰化学、Arch化学；日本关东化学、三菱化学、京都化工、住友化学、和光纯药工业；中国台湾鑫林科技；韩国东友精细化工等十家公司共占全球市场份额的80%以上。国内湿电子化学品市场百舸争流。由于进入壁垒相对较低，我国湿电子化学品制造企业众多，约有40余家。其中，以江化微和格林达为首的湿电子化学品专业制造商，主要产品集中在湿电子化学品，产品种类丰富且毛利率高；以晶瑞电材和飞凯材料为代表的综合型微电子材料制造商，涉及领域更广，客户体量相对较大。此外还有例如巨化股份等大

18、型化工企业，湿电子化学品类产品营收占比较少，具有原材料方面的优势。目前国内制造商产能主要集中在G3、G4级领域，多数已开始布局G5级产品产线，预计在2022年实现逐步放量。但目前相较于国际主流公司，国内企业产量较小。五、 硅片：供需持续紧张，加速硅片是半导体上游产业链中最重要的基底材料之一。硅片是以高纯结晶硅为材料所制成的圆片，一般可作为集成电路和半导体器件的载体。与其他材料相比，结晶硅的分子结构较为稳定，导电性极低。此外，硅大量存在于沙子、岩石、矿物中，更容易获取。因此，硅具有稳定性高、易获取、产量大等特点，广泛应用于IC和光伏领域。（一）半导体硅片纯度极高，大尺寸为大势所趋硅片可以根据晶胞

19、排列是否有序、尺寸、加工工序和掺杂程度的不同等方式进行分类。根据晶胞排列方式的不同，硅片可分为单晶硅和多晶硅。硅片是硅单质材料的片状结构，有单晶和多晶之分。单晶是具有固定晶向的结晶体材料，一般用作集成电路的衬底材料和制作太阳能电池片。多晶是没有固定晶向的晶体材料，一般用于光伏发电，或者用于拉制单晶硅的原材料。单晶硅用作半导体材料有极高的纯度要求，IC级别的纯度要求达9N以上（999999999%），区熔单晶硅片纯度要求在11N（99999999999%）以上。根据尺寸大小的不同，硅片可分为50mm（2英寸）、75mm（3英寸）、100mm（4英寸）、150mm（6英寸）、200mm（8英寸）及

20、300mm（12英寸）。英寸为硅片的直径，目前8英寸和12英寸硅片为市场最主流的产品。8英寸硅片主要应用在90nm-025m制程中，多用于传感、安防领域和电动汽车的功率器件、模拟IC、指纹识别和显示驱动等。12英寸硅片主要应用在90nm以下的制程中，主要用于逻辑芯片、储存器和自动驾驶领域。大尺寸为硅片主流趋势。硅片越大，单个产出的芯片数量越多，制造成本越低，因此硅片厂商不断向大尺寸硅片进发。1980年4英寸占主流，1990年发展为6英寸，2000年开始8英寸被广泛应用。根据SEMI数据，2008年以前，全球大尺寸硅片以8英寸为主，2008年后，12英寸硅片市场份额逐步提升，赶超8英寸硅片。20

21、20年，12英寸硅片市场份额已提升至681%，为目前半导体硅片市场最主流的产品。后续18英寸硅片将成为市场下一阶段的目标，但设备研发难度大，生产成本较高，且下游需求量不足，18英寸硅片尚未成熟。根据加工工序的不同，硅片可分为抛光片、外延片、SOI硅片等高端硅片。其中抛光片应用范围最为广泛，是抛光环节的终产物。抛光片是从单晶硅柱上直接切出厚度约1mm的原硅片，切出后对其进行抛光镜面加工，去除部分损伤层后得到的表面光洁平整的硅片。抛光片可单独使用于电动汽车功率器件和储存芯片中，也可用作其他硅片的衬底，成为其他硅片加工的基础。外延片是一种将抛光片在外延炉中加热后，通过气相沉淀的方式使其表面外延生长符

22、合特定要求的多晶硅的硅片。该技术可有效减少硅片中的单晶缺陷，使硅片具有更低的缺陷密度和氧含量，从而提升终端产品的可靠性，常用于制造CMOS芯片。根据掺杂程度的不同，半导体硅片可分为轻掺和重掺。重掺硅片的元素掺杂浓度高，电阻率低，一般应用于功率器件。轻掺硅片掺杂浓度低，技术难度和产品质量要求更高，一般用于集成电路领域。由于集成电路在全球半导体市场中占比超过80%，目前全球对轻掺硅片需求更大。（二）受益晶圆厂积极扩产，硅片市场快速增长含硅量提升驱动行业快速增长。伴随5G、物联网、新能源汽车、人工智能等新兴领域的高速成长，汽车电子行业成为半导体硅片领域新的需求增长点。据ICInsights数据，20

23、21年全球汽车行业的芯片出货量同比增长了30%，达524亿颗。但全球汽车缺芯情况在2020年短暂缓解后，于2022年再度加剧，带动下游硅片市场需求量上升。据SEMI数据显示，2021年全球半导体硅片市场规模为126亿美元，同比增长125%。（三）日韩厂商高度垄断，国内厂商加速突破前五大制造商格局稳定，外资垄断现象持续。据SEMI数据，2020年全球前五大硅片制造商分别为日本信越化学、环球晶圆、德国世创、SUMCO和韩国SKSiltron，共占据866%的市场份额。国内市场在大尺寸硅片上对外资企业依然具有依赖性，主要进口地区为日本、中国台湾和韩国。国产厂商加大研发投入，加速实现。由于硅片供应紧缺

24、，海外大厂会优先保障海外晶圆厂硅片供给，给国内硅片厂带来了加速替代的机遇。国内供应商产品技术水平快速提升，国内晶圆厂对国产半导体材料的验证及导入正在加快，如沪硅产业、立昂微、中环股份等企业已顺利通过验证。中国大陆硅片整体产能加大投入，加速追赶国际龙头厂商。六、 定制化抛光材料为未来发展趋势定制化发展有望给国产企业带来更多机遇，国内CMP抛光材料企业可以凭借本土化优势与国内晶圆制造商展开深度合作，专注于具有专用性产品的研发。专用化、定制化有望成为CMP材料制造商产业升级趋势。七、 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

25、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

26、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035-05m，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

27、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

28、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。