行业观察｜昔日冷门赛道加速“回春”，半导体材料为何成掣肘全球产业发展的关键？
近半个月来的局势，对全球半导体供应链来说无疑是雪上加霜，本就受供应链短缺困扰的半导体行业，这次又在氖气、钯元素等半导体材料领域面临冲击。
在过去，每当人们谈论半导体国产替代，往往将目光聚焦在半导体设备、芯片设计、制造封测这些热门赛道，处于更上游的原材料领域鲜少有人问津。实际上，半导体材料支撑着集成电路（IC）芯片从制造到封测的每一个环节，是半导体行业重要的物质基础，其质量的好坏不仅决定了最终芯片质量，也影响着下游应用端的性能。
据国际半导体产业协会SEMI数据，2020年全球半导体材料市场销售额达553亿美元（约3490.1亿人民币），同比增长5%。其中，晶圆制造材料和封装材料的营收分别为349亿美元（约2202.6亿人民币）、204亿美元（约1287.5亿人民币），同比增长6.5%和2.3%。
SEMI还预测，2021年全球半导体材料市场销售额将达565亿美元（约3565.8亿人民币）。这是什么概念？据世界半导体贸易统计组织（WSTS）相关数据，2021年全球半导体市场规模将达4694.03亿美元（29613.2亿人民币），同比增长8.4%，创下历史新高。也就是说，在庞杂的半导体行业中，半导体材料就约占整体半导体市场价值的10%。
WSTS对2019-2021年全球半导体材料市场数据
半导体材料的技术壁垒高、价值高、生产难度大等特性，使其成为各国科技贸易竞争之间的重要筹码。例如，在2019年日本宣布加强对韩国的光刻胶、高纯度氟化氢、含氟聚酰亚胺三种半导体材料的出口限制，就严重动摇了韩国从半导体到显示器行业的供应链。
据韩国贸易协会报告数据，韩国半导体和显示器行业对日本光刻胶、高纯度氟化氢、氟聚酰亚胺三种半导体材料的依赖程度分别为43.9%、93.7%、91.9%。面对日本的出口限制，韩国紧急寻找替代品，多次加大资金投入，以缓解供应危机。
在庞大且环环相扣的半导体产业链中，半导体材料的重要性不言而喻。这次，我们以半导体晶圆制造材料为切入点，通过对其进行拆解和分析，探究这个隐秘赛道背后的格局与壁垒，半导体材料为何能成为掣肘全球产业发展的关键？中国半导体材料市场在其中又扮演着什么样的角色？
一、晶圆制造材料是核心，硅片占比超整体材料三分之一
若从制造工艺来区分，半导体材料可分为晶圆制造材料、封装材料两大类。其中，晶圆制造材料是半导体材料的核心，包括硅片、光刻胶、掩膜版、电子特气、湿化学品、溅射靶材、CMP抛光材料等。
据深港证券相关报告数据，硅片在晶圆制造材料中的占比最高，约37.6%，超过整体材料的三分之一，其次分别为电子特气（13.2%）、掩膜版（12.5%）。从市场年复合增长率角度看，在2010-2019年，晶圆制造材料中增速最快的材料为超净高纯试剂（8.9%），其次为光刻胶配套试剂（6%）、抛光材料（5.1%）、光刻胶（4.3%）、ESG（4.1%）、掩膜版（2.7%）、靶材（2%）、硅片（1.7%）等。
2020年晶圆制造材料占比（图源：华创证券）
我们简单分析其中三类核心的晶圆制造材料：
硅片
硅在半导体材料中的重要性在于，目前超90%的IC芯片都是以硅片为衬底制造出来的，硅片的质量好坏直接影响着硅片上芯片的最终质量，换句话说，整个半导体产业都建立在硅材料之上。
目前，市场上主流的硅片尺寸为8英寸和12英寸，市场根据芯片类型及成本考虑选择不同尺寸的硅片作为衬底，例如功率半导体和微控制器主要采用8英寸硅片、逻辑芯片和存储芯片则采用12英寸硅片。
大尺寸硅片（12英寸）在成本和效率上都具有明显的优势。一方面，在相同工艺下，大尺寸硅片能制造的芯片数量更多，例如12英寸硅片的可使用面积是8英寸的2倍以上，可使用率是8英寸的2.5倍左右；另一方面，由于硅片为圆形、芯片为方形，也就意味着在制造芯片时会浪费掉边缘无法利用的区域，而硅片尺寸越大，这部分损失比也就越小。
光刻胶
简单来说，光刻胶主要用于将电路图案转移到半导体晶片上，是光刻环节最重要的耗材，也是晶圆制造材料中技术壁垒最高的品类之一。在整个硅片制造工艺中，光刻的成本约占总体的三分之一，耗时约占40%-60%；在刻蚀过程中，光刻胶则主要起到防腐蚀的保护作用。
从需求看，光刻胶又可分为半导体光刻胶、面板光刻胶、PCB光刻胶三大类，不同类别下还划分了不同的具体品种，具有品类多、专用性极强等特点，其中半导体光刻胶的技术壁垒最高。同时，不同专用环节对光刻胶的溶解性、耐蚀刻性、耐热性、感光性等都着严格要求，这就导致不同品质等级的光刻胶在制造工艺、化学结构、反应机理、性能等方面有着较大的差异化。
分辨率、对比度、敏感度等是光刻胶的核心技术参数，随着未来市场对芯片小型化需求的发展，光刻胶将进一步朝着高分辨率、高对比度、高敏感度等方向发展。
半导体晶圆
电子特气
电子特气包括氦、氖、氩、氪、氙、氡等稀有气体，是晶圆制造材料中仅次于硅片的第二大耗材，广泛应用于晶圆制造过程的扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、抛光、金属化等多道环节。据SEMI数据，在2019年全球约328亿美元（约2069.8亿人民币）的晶圆制造材料市场中，电子特气规模就占了13%，约43亿美元（约271.4亿美元）。
电子特气根据纯度不同可分为普通气体、纯气体、高纯气体、超高纯气体四个等级，而纯度对芯片成品率、性能和寿命都有着直接影响，纯度每提升一个数量级都将让器件性能实现有效提升。因此，电子特气的合成和提纯是主要的技术门槛。
电子特气在半导体制造过程中的应用（图源：华创证券）
二、国外巨头垄断半导体材料市场，我国本土玩家起步晚但后劲足
纵观整个半导体材料领域，由于其技术壁垒高、生产难度大、验证周期长等特点，导致大部分半导体材料都处于寡头垄断的局面，核心技术长期掌握在欧美、日本、德国、韩国等国家手中。
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