用人话讲一下半导体材料产业格局

最近的任务是研究半导体材料行业,找了很多资料,看得云里雾里。但没办法,谁叫这是任务呢?于是我打算先来个宏观的:就像从天空俯瞰一样,把半导体材料的大致格局,先看明白了。完了之后,我再挑里面的细分行业细看。

其实这类文章很多了,我没必要重复写一篇,以下文章更像是我个人的研究笔记,当然,尽可能用人话——让很多像我一样非技术出身的读者——能看懂。

本文不是行业研究,而是一张“地图”,稍微摸一下半导体的整个产业链,都是干嘛的,都有谁。里面涉及到的高科技,对于我们做研究和投资的人来说,前期只能通俗理解一下,后期再慢慢深入。

先放一张来自Wind的半导体材料产业链地图:

一块芯片是怎么做出来的

在上面那张图中,有8个子行业,看不懂没关系,先列一下:硅片、光罩、光刻胶、靶材、CMP(抛光)、湿电子化学品、特种气体、封装。

首先起点是从硅片开始,就是把石头里的多晶硅拿来提纯做成纯度很高的单晶硅,然后把硅拉成一个圆柱体的硅棒,再一片片切下来,这就是硅片,因为是圆形的,所以也叫硅晶圆片,简称“晶圆”。它是做芯片的基底材料,我们可以在上面做出一个个集成电路,然后切下来,就是一个个芯片。

这样做出来的晶圆,肯定是粗糙不平的,不能满足纳米级的集成电路的质量要求,这时候就要用到抛光。这时候就要用到抛光垫和抛光液,把晶片放到垫子上把它磨成纳米级的平整,才能保证芯片的质量。当然抛光工艺不仅此一次,做一枚芯片,要几十次抛光,贯穿整个芯片制作过程。

然后这块晶圆还是不够,需在表面镀上一层膜,实现导电和保护的功能,但用于集成电路的薄膜肯定是非常薄的,这就需要溅射靶材。靶材就是一些高纯度金属,用什么离子枪之类的来轰击它,把它的原子轰出来附在晶圆上形成薄膜,所以才取了个溅射靶材这样的名字。

接下来这个晶圆就可以用来做集成电路了,这就到了一个叫光刻的步骤。那就是把集成电路上要的那些路线,刻在晶圆上,这就需要用到光罩(掩膜板)。我的通俗理解是,用光刻技术,把纳米级的精细线路图刻在光罩上,接着,在晶圆上涂上光刻胶,这种物质对光很敏感。把光罩放在晶圆上,用激光照射,受光的部分,光刻胶就溶解了,而不受光的部分,光刻胶依然可以保护晶圆上的薄膜。这就相当于把光罩上的线路图复制到了光刻胶上,而那些被光照过的部分,光刻胶溶解后,硅片就裸露出来了。

在这个期间,又要用到很多种类的湿电子化学品,比如要把蚀刻液倒在光刻胶上,那些不受保护的部分就会产生化学反应,从而“画出”线路图来。刻完了还要清洗,要把多余的光刻胶洗掉,这就需要别的湿电子化学品。

然后就是封装了,通俗理解就是给这块集成电路加上个外套,起到保护作用。当然在这整个流程中,涉及到太多纳米级的工艺,而普通空气中有很多杂质,哪怕一粒灰尘都有可能造成故障,这就需要电子特种气体全程参与,它们都是高纯度的气体,能避免杂质的存在。

以上是我对半导体工艺流程的通俗理解,作为菜鸟入门应该好理解,若有表达不到位的或者错误的,欢迎指正。

硅片(晶圆)的产业格局

晶圆是半导体材料的基底,打个比方就是,做芯片就像大理石雕刻,艺术家在大理石上雕刻出塑像,而工程师在晶圆片上雕刻出芯片,这个晶圆片相当于大理石原石。在制作半导体的所有材料里,晶圆的成本比重大约33%,而硅是最传统的晶圆材料,所以美国加州圣巴巴拉那一带才被叫做“硅谷”。但是发展到现在,已经出现了以氮化镓、碳化硅为材料的第三代晶圆材料。所以,硅片通常就是晶圆,而晶圆不一定是硅片,它还有可能是氮化镓做的。

晶圆片越大越好,大尺寸做芯片成本更低,浪费更少,但技术难度也越大。现在的主流趋势是12英寸晶圆,被用于智能手机、电脑、云计算、AI,市场需求占比80%,但原材料基本找美国和日本进口。国内能提供的原材料多晶硅,只能用来生产比较低端的6英寸和8英寸硅片。而且据说12英寸的我们还没搞定,18英寸的已经出来了,但技术还不成熟,主流市场依然以12英寸为主。

不仅原材料难搞,生产也难搞,全球只有10家企业能搞定,其中前5大供应商(日本信越、日本胜高、台湾环球晶圆、德国Silitronic、韩国LG)就占据了92%市场份额,而日本信越和日本胜高在8英寸、12英寸晶圆的市占率是70%。中国大陆的龙头沪硅产业,市占率才2.18%。

目前,我国对12英寸晶圆的月需求量是80-100万片,全球需求大概是550万片,我们拥有全球1/5的需求,自己却做不了,都给日本人交钱了。12英寸晶圆的硅纯度要11个9以上,即99.999999999%,中国大陆现在还难以实现,也难以控制良品率。除了原材料,关键机器设备也都依赖进口。

所以我很讨厌听到“日本衰弱了快挂了”之类的说法,人家的技术力还摆在那里,人均GDP是中国的4倍,这不是没有理由的。中国人很勤劳,可做的东西附加值太低了。

那么晶圆做出来了,下游是谁呢?就是那些生产芯片的晶圆代工厂,也就是负责接下来要讲的抛光、溅射靶材这些流程的那些公司,其中台积电、台联电占据60%以上市场份额,剩下的主要是三星、格罗方德和中芯国际。目前的情况是整个市场供不应求,一方面新能源汽车、5G、AI在发展,另一方面产能扩充不是那么容易的事情,一条生产线投入要2年,回本要7年,无论是新建产能的能力和动力上都存在不足,所以供需差异必然导致接下来7-10年的一个景气周期。

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CMP(抛光)的产业格局

CMP就是“化学机械抛光”,也就是同时用化学(抛光液)和物理(抛光垫)相结合的方式把晶圆磨平整。毕竟芯片是个细活,要在指甲盖大小的地方搭建那么多元器件,就要求这块芯片能达到纳米级的平整度。要不然,肉眼虽然看不出来,但放大了看,这芯片起起伏伏跟山包一样,各处电阻值不均,光刻也刻不准。

抛光消耗的成本占比大概就7%,却是半导体生产过程中重复次数最多的步骤,28纳米制程的芯片,全程要12次抛光,现在芯片越来越小,到了10纳米制程,抛光要重复30次。毕竟芯片是个细活,做了磨,磨了做,一定要保证平整才行。

本人研究的是半导体材料,所以在技术上不深究了。在抛光这个工艺中,最重要的两种材料是抛光液和抛光垫。

抛光垫,我的通俗理解,就是用来物理打磨晶圆的东西,所以普通的材料肯定是不行的,技术和专利门槛都很高,毕竟一旦打磨不好,整块芯片就废了,所以这东西虽然成本占比不高,但重要性却不容忽视,核心客户认证也需要2年左右。美国陶氏化学(DOW)占据80%市场份额,绝对的垄断,第二名还是美国的卡伯特。前五大厂商占据了90%市场份额,全是美日的公司。中国大陆目前有能力提供的只有鼎龙股份,而且主要还是做给8英寸晶圆用的抛光垫,目前在积累实力向12英寸晶圆用的抛光垫进军。

抛光液就是一些研磨颗粒、添加剂和水制成的东西,用途广泛,有酸性的、碱性的、金属的、非金属的。抛光液的问题在于,你得控制好各种成分的比例,要不断优化配方直到最合适,所以配方和流程是每家公司的机密,也是核心竞争力所在。抛光液基本上也都是美日企业把持,其中美国卡伯特市占率36%,日立15%,富士美11%,德国Versum10%。国内比较有希望的公司是安集科技,公司的抛光液已经能用于12英寸晶圆,但市占率仅2.44%。

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靶材的产业格局

晶圆上经常需要镀膜,有的是保护用的,有的是导电用的,但用于芯片的镀膜技术肯定不是用刷子刷的,而是精确到纳米级的。于是,就有了溅射这门工艺。

我个人通俗理解是,我手上有个要镀膜的材料,这个材料的专业叫法叫“靶材”,我要把这个材料上的东西镀到旁边的晶圆片上,那么溅射的方法就是用离子枪来轰击这个靶材,把靶材的粒子给轰出去,然后附在晶圆片上形成纳米级的薄膜。可见,半导体行业对靶材纯度的要求也不低。靶材的应用范围很广,一大半用于记忆媒体和显示器,甚至从最低端的说,吊灯上糊着的东西,也是靶材,但肯定没那么大要求。用于面板显示的靶材纯度要求是99.999%,而半导体要99.9999%才行。这么一个0.0009%的差异,决定了靶材的本质区别。甚至,靶材的内部微观结构都有着苛刻的规定,要不然,一颗粒子被轰偏了跑到别的地方,就有可能造成芯片短路。

从需求上看,中国大陆占了25%,但半导体需要的高端靶材,不用想也知道,跟硅片一样,这玩意儿能供货的主要还是美日企业。日矿金属、霍尼韦尔、日本东曹、美国普莱克斯一共占据80%市场。中国大陆的企业虽然也有不少能提供靶材,但纯度不够,主要还是面板用,很难达到半导体的水平。这些巨头还不断向产业链上下延伸,向上就是掌握原材料,掌握提纯技术,向下则掌握着供应商资格认证体系,国际行业协会为靶材设立了质量管理标准,而有的客户自己也会有一套认证标准,跟其他材料一样,半导体的品质要求都是苛刻到纳米级的,对材料的要求也非常苛刻,毕竟要是图便宜找来什么新供应商,稍有不慎都会砸了自己的牌子,所以下游客户一般也不会轻易替换供应商。产品制作出来要通过认证,一样需要2-3年的时间。

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光罩(掩膜板)的产业格局

前面说到用靶材来镀膜,很多人会有疑问:镀膜干什么?其实靶材的主要功能是做金属线,就是在指甲盖大小的芯片上画线,一块芯片上集成着数以亿计的微晶体管,它们之间相互连接就需要“布线”。那么做法就是,把靶材先喷上去,然后再刻,不要的部分抠掉,要的地方留下来,变成一条条纳米级的金属线。这个工艺就是“光刻”,其中要用到的材料就是光罩和光刻胶。

光罩,主要由石英基板和其他中间材料构成,我的通俗理解就是,按照芯片设计的图纸要求,把线路刻上去,然后再把光刻胶抹到晶圆上,然后用光刻技术,也就是把光打在因有图纸的光罩上,再用透镜把这张“图”复刻到晶圆片上,我们设计出来的线路图就被“印”到上面了。因为光照射的地方,晶圆片上的光刻胶就融化了,镀上去的靶材就会露出来,到时候用什么湿电子化学品洗掉。照不到的地方,就会被光刻胶保护着,留下来就成线路了。所以掩膜板是非常关键,要求也非常高的材料,它直接关系到你的线路能不能画上去。

以上是对技术和工艺的通俗理解,可惜本人是个文科生,估计理解有错,但对做投资的而言,关键还是要理解产业本身,比如供需、格局之类。

光罩的用途广泛,60%用于芯片行业,23%用于液晶显示器,余下主要是OLED和电路板。我国已经占据了全球平板领域的光罩需求的一半,但国产供应能力依然跟不上,缺口越来越大,而且随着芯片、显示分辨率等要求越来越高,总体上,掩膜板肯定越来越往精细化发展,而这么高精度的产品,肯定还是被国外巨头所垄断,以下3家公司的市占率接近90%:Photronics(美国)、凸版(日本)、DNP(大日本印刷)。

在这个领域,中国的脖子被卡得厉害,在高端领域,我国几乎搞不定,针对8.5代以下TFT(薄膜晶体管),我国能供应的只有清溢光电、路维光电。

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光刻胶的产业格局

光刻胶比较好理解,就是一种对光敏感的物质,分为负性胶和正性胶,这个也很好理解,光照过后变得不可溶的是负性胶,反之叫正性胶。所以它的作用就是涂抹在晶圆上,前面不是已经在掩膜板上刻线路图了吗,那就用激光照射,完了用湿电子化学品洗掉,那么晶圆上,有的地方就还盖着胶,有的就保护住了,再抠一抠,线路不就刻上去了。

光刻这门工艺是芯片制造的关键环节,整个工艺耗费的成本占据总成本的35%,和硅片本身的成本差不多,其中光刻胶材料占比4%。但该工艺的耗时占比整整一半,而其中有很多卡脖子的环节,比如很多人都知道的荷兰的AMSL光刻机。光是涂胶这个过程,就要求误差不超过0.01微米。

为了符合越来越小的芯片的制作需求,光刻机要降低曝光的波长,增加光刻机投影镜头的孔径尺寸,至于为什么反正就是这么一个理。所以,光的波长越来越短,从90年代的350纳米,到21世纪初的248纳米的KrF激光,以及193纳米的ArF激光。今天最新进展的是13.5纳米的极紫外光(EUV)光刻技术,目前这门技术只有荷兰的AMSL光刻机能做到。

光刻胶,配方是关键,纯度要求非常高,比如用于半导体的光刻胶,每L含有的金属杂质必须少于0.1微克,颗粒个数更是几乎不能有。而且光刻胶的研究需要昂贵的曝光机等设备。这么高精尖的技术,当然还是被美日把持着,日本JSR、东京应化、日本信越和富士电子的市占率加起来高达72%,美国罗门哈斯占15%,加起来市占率是87%。中国有着全球32%的市场需求,却只能给日本人交钱。

日韩摩擦期间,日本对韩国禁运光刻胶,而作为全球重要晶圆代工基底的韩国,直接被掐断了经济支柱,可见这东西有多重要。中国的光刻胶技术和美日有2-3代差距,国产光刻胶目前还只是用于一些低端领域,比如PCB光刻胶,国产替代率就有50%,但在半导体领域,尤其是现在比较主流的KrF和ArF光刻胶,就几乎没有。

所以说,光刻胶,可能是最被卡脖子的那个环节。

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湿电子化学品的产业格局

湿电子化学品是在半导体生产过程中大量使用的液体化学品的统称,比如清洗,芯片制作过程中的杂质什么的要洗掉,这里说的“杂质”可能是分子级别的。还有刻蚀线路用的,刻蚀完了把光刻胶洗掉用的,所以种类很多,使用较多的是硫酸(吨数占比31%)、双氧水(29%)、显影液(10%)、氨水(8%)。

湿电子化学品可以用在很多行业里,主要是太阳能电池、平板显示和半导体,而半导体用的化学品纯度要求最高,一点点杂质就有可能造成损伤、短路,而且随着芯片越来越小,净度和纯度要求越来越高,所以“超净”、“高纯”是其最基本也最严格的要求,主体成份纯度≥99.99%。用于超大规模集成电路的湿电子化学品,每L金属杂质含量不得超过0.1微克。

虽然跟其他领域一样,大块市场还是被境外企业所占据,其中33%是欧美企业,27%日本,19%台湾地区,11%中国大陆,8%韩国,但是在半导体领域的超净高纯化率的整体国产化率有23%左右,一些龙头企业的工艺水平已经能够比肩国外巨头,也就是说,在这个子领域,国产替代的可能性最强。

但是往细了看,越高端,国产化率越低,6英寸以下晶圆用的湿电子化学品的国产化率是80%,但8英寸及以上就不到10%了。前面提到现在的趋势是越来越大,12英寸将是主流,所以在这一块,大陆公司还有很长的路要走。

中国大陆73%的供应在苏州和江阴,这可能与湿电子化学品的运输难度有关,因为对纯净度要求太高,所以往往围绕下游制造业布局以减少风险。

中国大陆可关注公司为:晶瑞股份、江化微、格林达、中巨芯科技、安集科技、江阴润玛、巨化股份、达诺尔、雅克科技、上海新阳

封测材料的产业格局

封测即封装+测试,芯片做好了,就得装到一个壳里保护起来,防尘防抖防撞,我的通俗理解是这样:前面讲了晶圆片,在晶圆(Wafer)上做好了集成电路后,就切成一块块小晶片(Die),就是我们熟知的指甲盖大小的那个东西,但这个东西很娇气,所以要封装。我们要把这个晶片放到载板或引线框架上,你可以把载板理解为一个台子,而引线框架就是把芯片上的电路和外部电路(比如电脑主板)连接起来的那个东西,把芯片放进去,这样就能和外部电路进行连接,然后用塑料外壳(环氧树脂)保护起来,这里还要用到把盖子粘起来的粘合剂,为保护物理环境而用的密封剂等,就可以拿去测试,测试通过的就是成品,就能卖了。在这些材料里,引线框架和基板价值占比52%,18.4%是缝合线,16.4%是密封剂。

载板是封测材料的主体,如果把中国内地的合资企业也算进去,那么全球92%都被日本、韩国、台湾地区占据,其中,台湾地区38%,韩国28%,日本26%。

其次是保温线,主要供应商还是来自德国、日本、韩国,占83.1%。

接着是焊接线材料,国内最大的5家公司是康强电子、骏码科技、达博焊料、佳博电子、铂业股份,但是这5家公司的市占率加起来仅6.4%。

封装技术有很多种,作为文科生基本是看晕了,我就说重点:未来趋势是三维高密度系统级封装,即System in Package和System on Package,简称SIP和SOP。我的理解是,它将一整个“系统”,而不仅仅是一块芯片封装在一起,这就更能满足越来越精细和小型化的趋势。比如苹果手表,就把一个个功能封装为一个个模组,每个模组都是一个独立系统,以实现模块化的产品开发方式。随着科技往高精尖发展,先进封装必是未来趋势,而从年复合增长率来看,先进封装为8.2%,而传统封装只有2.4%,更说明了这一点。

从封测服务产业来看,中国企业有较强的优势。全球前10大封测企业市占率占比超80%,前3名分别是:台湾地区的日月光(18.9%),美国安靠(15.6%),中国大陆的长电科技(13.1%)。另外第6、7名也是中国大陆公司,分别是通富微电(3.9%)、华天科技(3.8%)。

中国大陆封测服务可关注公司为:长电科技、华天科技、晶方科技、通富微电、环旭电子

中国大陆封测材料可关注公司为:康强电子、骏码科技、达博焊料、佳博电子、铂业股份、贺利氏、深南电路、珠海越亚、兴森科技、丹邦科技

电子特气的产业格局

工业气体是工业生产过程中要用到的特殊气体产品,可分为大宗气体和特种气体。大宗气体就比如氧气、氮气、二氧化碳之类,产销量大,对纯度要求不高。特种气体就比如专门在光刻的时候用的,做晶圆的时候用的之类,这一类气体虽然产销量小,但技术要求、纯度、净度都很严格,比如纯度要达到99.999999%,不能有杂质,不然一粒灰尘都可能带来麻烦。

电子特种气体(电子特气)跟湿电子化学品一样,是贯穿整个半导体制造过程的材料,也一样有着高纯、高净的要求。因为半导体是一种高度精密的产品,在生产过程中,自然不能暴露在普通的空气中,否则打个喷嚏都有可能沾上杂质,所以从制造到封测,都需要电子特气的参与,就比如说封测的时候,就得在有电子特气的环境下进行,不然你封的时候指不定把灰尘封进去了。作为技术上的外行我说的不一定对,可能封测的时候用不上特气,但大概就是这么个理。虽然特气成本占比不高(6%),但全程都要用到,号称半导体的“粮食”。

特气种类繁多,这道工序用这个,那道用那个,所以往往是种类多、小批量、高次的,一整道芯片生产工序下来可能要用到100多种气体,常见的也有30多种,所以那些有一体化供应能力的公司会有优势,而且气体不好保存,可能生产的过程没问题,运输过程哪里出了差错,就变质了,混入杂质了,所以往往是老牌化工巨头,有能力实行一体化的、多元化的业务,有完整的生产、运输、贮存能力的,才有足够的供应能力,而客户更是嫌麻烦,所以就用 TGCM(Total Gas and Chemical Management,全面气体及化学品运维管理服务)模式,把一整套解决方案,从生产到服务,都包给供应商。所以这一行业,不是你能生产就够的,服务能力也得跟上,所以往往只有综合化工巨头才能做得到,市场依然高度集中,国外巨头总共占据88%市场份额,留给国内企业只有12%,其中包括:美国空气化工(25%)、法国液化空气集团(23%)、太阳日酸株式会社(17%)、美国普莱克斯(16%)、德国林德集团(7%)。目前我国和国外有10年的技术代差。

中国大陆可关注公司为:华特气体、金宏气体、南大光电、昊华科技、硅烷科技、和远气体、派瑞特气、绿菱气体、博纯股份、雅克科技、巨化股份、凯美特气、中核红华、河南氟能、永晶化工

写在最后

本文不是调查报告,只作为一张“地图”,大致了解半导体8个子行业的大体格局。一些什么市场规模、增长率之类就不写了,重在“格局”上,收集一些接下来值得关注的标的。

本文不是科普文章,是作者自己做行业研究和投资用的笔记,本人读经济学而不是工科,如有技术上的错误欢迎指正,勿喷。

欢迎关注本专栏,我会将其中几个感兴趣的子行业和几家关键公司进行深入研究。

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