來自面包板的博主草木本芯通過觀察半導體芯片材料產業鏈的各個環節， 結合國內外半導體芯片材料不同環節的發現狀發表了獨特的見解。

 

芯片是信息社會的基礎，一枚指甲大小的芯片里可能有數億個晶體管，進行大量信息的存儲和計算，而硅片是這些晶體管所組成的電路的基板。

 

事實上，芯片（集成電路）只作為半導體行業的一個子行業并非全部，而不同的應用領域對同種材料的性能要求存在著較大差異，通常來說，芯片領域對材料性能要求最為苛刻，生產工藝最為復雜，顯示面板次之，光伏面板最低。本文側重于芯片制造材料部分。

 

半導體石英礦石和日常所見的沙子的主要成分就是硅。從“沙子”到芯片（工業用的通常是石英礦石），中間要經過無數的、極精細的、復雜的加工工藝。除了硅片以外，制造芯片所需材料還包括電子氣體、掩膜版、光刻膠及輔材、化學試劑、靶材、CMP材料、引線框架、封裝基板、塑封料、鍵合線及其它材料等，業內又將這些材料劃分為晶圓制造材料和封裝材料兩大類。2018年，全球半導體材料銷售額約519億美金，其中，晶圓制造材料約322億美金，封裝材料約197億美金，硅片和封裝基板分別在晶圓制造和封裝材料中占比超1/3。在晶圓制造材料中，大硅片、電子氣體、光掩模、CMP材料、光刻膠、光刻膠配套材料、濕化學品、靶材等金額占比如下圖，因為高精度、高純度、高風險性等特點，這些材料對制造技術和各物流環節的要求極高，全球半導體材料供應鏈主要依賴于日本、美國等國家的企業，易受新冠疫情、突發事件和國際局勢等因素的沖擊。

 

大硅片是晶圓制造的基礎原材料

 

硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等半導體材料的電阻率隨溫度升高和輻射增強而減小，在加入微量雜質時，其導電性也會發生顯著變化，這些特征使其成為制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的基礎材料。當前，硅材料約占整個半導體硅片市場的95%，GaAs材料以射頻器件為主，SiC和GaN材料以高功率為主，短期內化合物和硅材料主要是互補關系。硅材料應用廣泛也很常見。當熔融的單質硅凝固時，其晶核長成晶面取向相同的晶粒，形成單晶硅。單晶硅材料的形成可粗略分為石英砂-冶金級硅-提純和精煉-沉積多晶硅錠-單晶硅-硅片切割等階段，主要用于半導體和太陽能光伏發電等行業，一般半導體用單晶硅的純度要求為99.999999999%(小數點后9個9)。

 

按尺寸不同，硅片可分為4英寸、5英寸、6英寸、8英寸和12英寸等，尺寸越大晶圓能切割下的芯片就越多，成本就越低，但對設備和工藝的要求則越高，當前全球市場已進入大硅片時代，2018年12寸硅片占比約64%，8寸占比約26%，其余的占比約6%。大硅片市場高度壟斷，日本的Shin-Etsu和SUMCO大尺寸硅片（8寸和12寸）占全球份額約60%，其他有影響力的硅片廠商還有中國臺灣的Global Wafer、Wafer Works和Episil、德國Siltronic、韓國LG Siltron、法國Soitec、芬蘭Okmetic等，中國大陸的半導體硅片廠商有滬硅產業、金瑞泓、有研和中環等，當前12寸硅片主要依賴進口。

 

全球主要硅片企業

 

1、日本信越化學（Shin-Etsu Chemical）設立于1926年，主營業務包括PVC（聚氯乙烯）、有機硅塑料、纖維素衍生物、硅片、磷化鎵、稀土磁體、光刻膠等，在多個材料領域全球領先，多元化業務有助于硅片業務垂直延伸，并平滑了半導體業務的波動。營業收入在100 億~120 億美元之間，凈利率在10%~12%。半導體硅市占率約27%。

 

2、日本三菱住友勝高（SUMCO）專注于硅片制造，主要產品包括4寸-12寸半導體硅片與 SOI 硅片，其前身為成立于1937年的Osaka Special Steel，先后合并了kyushu和Sumitomo Sitix，1999年與三菱材料成立聯合硅制造公司，通過主業并購提升技術儲備和產品競爭力。市占率26%，2019年公司營業收入為 191.91 億元。

 

3、中國臺灣環球晶圓(Global Wafer)是中美硅晶的子公司，在臺灣地區、中國大陸、日本與歐美等地均有布局，2008年并購美商Globitech獲得德州儀器和MEMC等客戶，2012年并購日商Covalent Materials（現為CoorsTek）獲得12寸晶圓技術，2016年并購丹麥Topsil獲得8英寸FZ區熔硅片技術，并購美商Sun Edison（原MEMC）獲得SOI硅片與外延片技術，市占率17%。

 

4、德國世創（Siltronic AG）是Wacker的子公司，1953年開始從事半導體硅片業務的研發工作，主要產品包括5寸-12寸半導體硅片，1998年通過與三星合作，成為全球首個推出12寸晶圓的公司。市占率13%，2019營收12.7億歐元。

 

5、韓國LG Siltron（矽創）長期專注于半導體硅片業務，2017年51%股份出售予SK集團，易名為SK Silitron，市占率9%。

 

此外，法國Soitec是全球最大的SOI(Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的硅)晶圓提供商，芬蘭Okmetic業務側重于MEMS和傳感器以及分立半導體和模擬電路，臺灣合晶(Wafer Works)擁有垂直整合的單晶錠，拋光和Epi晶圓生產線，臺灣嘉晶(Episil)車用、挖礦、資料中心等訂單尤其超強勁，后續擴產也會專注在利基型產品。

 

內地硅片產業鏈

 

國內硅片廠商實現了部分8英寸及以下尺寸的硅片國產代替，但在12寸硅片方面存在較大差距。滬硅產業是內地最大的硅片供應商，2018年全球市占比約為2.2%，排名第八，通過旗下子公司上海新昇、新傲科技、Okmetic，以及參股法國Soitec，提升硅片業務競爭力。當前主要產品以8寸及以下硅片（含 SOI硅片）為主，已實現12寸硅片技術升級，12寸硅片產能為10萬片/月，處于產品認證和市場開拓期，后續12寸占比將逐步增加。

 

中環半導體專注單晶硅產品，業務側重于新能源行業，半導體行業占比較低，但具備8英寸區熔（FZ 法）硅片量產技術優勢，在6-8寸功率器件硅片市場有競爭力，并協同晶盛機電建設8英寸和12英寸直拉法大硅片基地，多方布局為8英寸產品擴產以及增加12英寸產品線打下基礎。AST超硅業務有晶體生長設備、半導體硅片等，規劃上海項目月產30萬片12英寸硅片。金瑞泓（立昂微控股）具有硅單晶錠、硅研磨片、拋光片、外延片和芯片制造的完整產業鏈，具備8英寸硅片月產12萬片的產能，在研12英寸硅片技術，在浙江衢州建立大硅片產線。德州有研大硅片項目，一期規劃8英寸硅片產能15萬片/月。

 

此外，西安奕斯偉12寸硅片項目2020年進入投產倒計時，寧夏銀和（杭州中欣子公司）項目規劃年產420萬片8英寸硅片和年產240萬片12英寸硅片。鄭州合晶一期項目建設月產能20萬片8英寸硅片。安徽易芯自主研發12寸半導體級單晶硅晶體生長爐與全自動控制系統，正積極布局切磨拋產能。中晶（嘉興）半導體12英寸大硅片項目一期規劃年產480萬片12英寸硅片，預計2020年廠房投入使用。另有徐州鑫晶等的12英寸硅片項目。

 

手機、PC、服務器和SSD等終端占大硅片需求的一半以上，是未來成長的主要驅動力，12寸硅片在手機中主要應用于CIS、邏輯芯片、NAND和DRAM，每部5G手機的硅片使用面積約是4G手機的1.7倍，綜合多種因素預計未來幾年手機硅片需求將平穩增長，同時，物聯網和汽車電子系統市場成長將帶動8寸及以下拋光片與SOI硅片需求。Gartner預測2020年全球硅片市場規模約為110億美元左右，目前全球12英寸硅片月產能約600萬片，8英寸硅片月產能約500萬片，全球市場的總供應略大于總需求，但國內大尺寸和高端產品主要依賴進口。業內預估2020年我國12寸硅片月需求約為100萬片左右，而已公布投資及規劃中的12寸硅片月產能達數百萬片，如果順利投產不僅滿足自我需求綽綽有余，同時會有加劇供需不平衡的風險。

 

有業內人士指出，供應鏈關鍵材料的國產化替代是必然趨勢。但是，企業在積極擴產的同時，理應保有研發、資金、技術和產線等方面的可持續性和必要的機動性，尤其要加強技術研究，以應對市場周期性波動，和未來更大尺寸及其它新技術升級迭代帶來的新挑戰。另外，在碳化硅和高純石英材料等方面應加大技術研發和量產力度。

 

電子氣體

 

電子氣體是半導體器件、顯示面板、太陽能和光纖等生產中必不可少的原材料，在半導體制造中，應用于薄膜、刻蝕、摻雜、氣相沉積、擴散等工藝，常用的高純電子氣體及混合氣體約30種，氣體質量對器件性能有著重要影響。電子氣體的提純技術壁壘極高，包裝和儲運等作業環節也有專門要求。2018年全球半導體特種氣體市場規模45億美元，基本被美國的氣體化工（Air Products and Chemicals）和普萊克斯（Praxair）、法國液化空氣(Air Liquide)、德國林德(Linde Group)、日本的大陽日酸(TNSC)和昭和電工（Showa Denko）、英國 BOC（British Oxygen Company)等寡頭所壟斷。國內特種氣體供應企業主要有華特氣體、凱美特氣、綠菱電子、昊華科技、中船重工718所、南大光電、巨化、啟源、金宏、雅克科技、南京特種氣體等，國內企業在奮力追趕，其中華特氣體于2017 年通過ASML 的產品認證，為多家國際一流半導體廠商供貨。

 

掩膜版

 

掩膜版（Photo mask）又稱光罩、光掩膜等，是液晶顯示器、半導體等制造過程中的圖形“底片”轉移用的高精密工具，在光刻過程中，掩膜版是設計圖形的載體，半導體掩模版市場集中度高。2018年全球半導體掩模版銷售額為35.7億美元，占到晶圓制造材料市場的13%。生產商主要集中在日本和美國的幾個巨頭，包括日本凸版印刷TOPAN、日本大印刷DNP、美國Photronics、日本豪雅HOYA、日本SKE、韓國LGIT、及中國臺灣光罩等，其中Photronics、DNP和Toppa占據全球掩膜版領域80%以上市場份額。內地掩模版企業有清溢光電、無錫華潤、路維光電、龍圖光電等，僅能滿足中低檔產品市場的需求。此外，晶圓制造廠等機構也會自制掩膜版，如英特爾、臺積電、三星、中芯國際、中科院微電子所、中國電子科技等科研院所等都有自制掩膜版業務，內地掩膜版供需缺口逐年擴大。

 

光刻膠

 

光刻膠（Photoresist）又稱光阻、光致抗蝕劑，是光刻工藝的關鍵化學品，主要利用光化學反應將所需要的微細圖形從掩模版轉移到待加工基片上，其主要成分為樹脂型聚合物、光活性物質、溶劑和添加劑，分辨率、對比度和敏感度是光刻膠的核心技術參數。光刻是IC制造過程中耗時最長、難度最大的工藝，耗時占IC制造50%左右，成本約占IC生產成本的1/3，光刻膠是光刻過程最重要的耗材。2018年全球半導體光刻膠市場約20.3億美元，主要供應商包括日本合成橡膠（JSR）、東京應化（TOK）、信越、富士、旭化成、日立化成、美國羅門哈斯（并入杜邦）、及中國臺灣的長興化學和長春化工，內地供應商主要有晶瑞股份（蘇州瑞紅）、北京科華等，另外南大光電、上海新陽、容大感光、飛凱、強力新材、北旭等在推進光刻膠研發項目。在面板光刻膠領域，永太科技已通過華星光電驗證。

 

CMP拋光材料

 

CMP工藝用到的材料有拋光液、拋光墊、調節器等，其中拋光液和拋光墊是核心材料，占比分別為49%和33%。據Cabot Microelectronics公開信息，2018年全球CMP拋光液市場約12.7億美元，主要企業包括美國的Cabot Microelectronics、Versum、Dow、3M和日本的Fujifilm、Hitachi，國內拋光液企業有安集科技、上海新安納等。w

 

在拋光墊方面，美國陶氏DOW壟斷了全球市場約79%份額，其它企業還有美國Cabot、日本東麗、臺灣三方化學等，內地從事拋光墊材料生產研究的有鼎龍股份和江豐電子，鼎龍8寸拋光墊已獲晶圓廠訂單，12寸拋光墊也在快速推進。江豐電子聯合美國嘉柏微就拋光墊項目進行合作。

 

濕化學品（Wet Chemicals）

 

濕化學品是微電子、光電子濕法工藝制程中使用的各種化工材料，主要應用于清洗和腐蝕步驟，其純度和潔凈度影響著器件的性能與可靠性。2018年全球半導體用濕化學品和光刻膠配套試劑市場規模分別為16.1和22.3億美元，領先企業主要有德國的巴斯夫（Basf）和E.Merck、比利時蘇威化學（Solvay）、美國Ashland、日本的關東化學、三菱化學、東京應化、京都化工、光純藥工業（Wako）、韓國東友精細化工及中國臺灣鑫林科技等企業，內地的江化微、晶瑞股份、格林達、湖北興福、浙江凱圣、中巨芯、濱化等企業也在不斷進步。

 

濺射靶材

 

濺射靶材是物理氣相沉積（PVD）工藝步驟中所必需的材料，是制備薄膜的關鍵材料。2016 年全球濺射靶材市場約113.6億美元，其中大頭在平板顯示和太陽能領域，半導體領域市場約11.9億，高端市場主要被日礦金屬、霍尼韋爾、東曹、普萊克斯、住友化學、愛發科等企業占據。國內濺射靶材企業有江豐電子、阿石創、有研新材、隆華節能（四豐、晶聯為其子公司）等，其中江豐電子的超高純金屬濺射靶材產品已應用于世界著名半導體廠商的先端制造工藝。

 

封裝基板

 

完整的芯片由裸芯片(制造完成的晶圓片)與封裝體(封裝基板、固封材料和引線等)組合而成，封裝材料的門檻比晶圓制造材料要低一些。半導體封裝材料主要有引線框架、封裝基板、陶瓷封裝材料、包封材料及芯片粘結材料等，其中封裝基板占比最大。封裝基板作為芯片封裝的核心材料，一方面能保護、固定和支撐芯片，增強芯片導熱散熱性能，另一方面封裝基板的上層與芯片相連，下層和電路板相連，實現電氣和物理連接、功率分配、信號分配，以及溝通芯片內部與外部電路等功能。

 

按芯片與封裝基板的連接方式，封裝基板可分為引線鍵合封裝基板和倒裝封裝基板。引線鍵合(Wire Bonding，WB)使用金屬線，并利用熱、壓力、超聲波能量使金屬引線與芯片焊盤、基板焊盤緊密焊合，實現芯片與基板間的電氣互連和芯片間的信息互通，廣泛應用于射頻模塊、儲存芯片及微機電系統的器件封裝。倒裝封裝(Flip Chip，FC)采用倒裝焊球連接芯片與基板，應用于CPU、GPU及Chipset等產品封裝。在整個半導體封裝材料市場中，封裝基板約占40%左右，引線框架、鍵合線、塑封料各占15%左右，中國臺灣、韓國和日本占了全球封裝基板產業接近90%的份額，內地主流基板廠有深南電路、珠海越亞、興森科技和丹邦科技等，其它封測材料企業還有康強電子、華龍電子、達博、飛凱和中鶴等。

 

半導體材料供應鏈的小結

 

以上這些半導體材料，雖然單一市場規模不大，但卻絲毫不能輕視。2019年日本限制高純度氟化氫、光刻膠、氟聚酰亞胺3種半導體材料對韓出口，引起業界震動，而之所以會有這樣的“震動”是因為在那之前人們很少會意識到這樣的問題。這再次說明供應鏈的均衡發展有多么重要！半導體材料細分行業多，涉及各種金屬、合金、非金屬、各類元素、以及酸、堿等各類試劑，細分子行業多達上百個，許多材料單個細分市場很小，工藝和生產復雜繁瑣，對專業知識和技術經驗要求又很高……但一個都不能少，否則供應鏈就停擺。

 

市場規模不大，但照樣可以培養許許多多世界一流的、隱形冠軍型頂尖企業。從某種程度上說，這些規模不大的企業的水平，才代表著一個經濟體工業和科技的真實水平，為常規情況下的經濟高質量運行提供保障和支撐，并在關鍵時刻發揮奇兵效應。另外，許多材料企業的經營范圍是跨越多個行業和領域的，半導體行業僅僅是它們的一個細分市場。

 

整體來看，國內半導體材料業在封裝基板、CMP拋光液、濕電子化學品、引線框等部分的技術標準達到先進水平，靶材、電子氣體、硅片、化合物半導體、掩模版本土生產實現突破，光刻膠、拋光墊、碳化硅、高純石英材料等與先進技術存在較大差距，在許多細分領域，企業的研發投入和技術積累不足。說“材料是工業王冠上的鉆石”并不夸張，在許多尖端科技領域，材料是競爭的關鍵環節。巧婦難為無米之炊，沒有適合的材料、配方或工藝，很多時候就只能靠運氣。半導體材料的重要性并不亞于設備，二者既相輔相成又各有側重，半導體材料分的更細更瑣碎，需要更多領域的長期鉆研和積累，也潛藏著更多的隱形冠軍。

 

在全球半導體材料供應鏈中，日企占主導地位。日本和德國歷來以工匠精神著稱，企業持之以恒地在材料和工藝的精度方面精益求精、一絲不茍。這種效果在短期不明顯，但時間久了優勢就會越積越大，慣性勢能就會越來越強。更重要的是，這種優勢形成良性循環，從一個行業傳導到無數個行業，后來者追趕的難度可想而知。精益思想已讓日本在半導體材料、碳纖維材料、冶金技術等領域形成了極高壁壘。

 

材料和設備領域的話語權靠的是硬核實力，良性國際分工的平衡與維護更需要實力作后盾。我們需要學習工匠精神，培養科技創新精神，同時注重人才培育，招攬海外人才，對產業鏈進行整合，并適時進行海外并購。