半导体材料的定义与分类

半导体材料是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

图1 半导体材料不同分类方法 制图/来源：国际电子商情

根据不同的分类方法，半导体材料可以分为不同的类别：

首先，按化学成分来分，可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗（Ge）和硅（Si）是最常用的元素半导体，化合物半导体包括砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）等（Ⅲ-Ⅴ族化合物），硫化镉（CdS）、硫化锌（ZnS）等(Ⅱ-Ⅵ族化合物)，锰（Mn）、铬（Cr） 、铁（Fe）、铜（Cu）的氧化物以及镓铝砷（GaAlAs）、镓砷磷（GaAsP）等（由Ⅲ-Ⅴ及Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体）。

其次，按生产工序来分，可分为基本材料、制造材料、封装材料——基本材料包括硅晶圆片、化合物半导体；制造材料包括电子特气、溅射靶材、光刻胶、抛光材料、掩膜版、湿电子化学品；封装材料包括芯片粘结材料、键合丝、陶瓷封装材料、引线框架、封装基板、切割材料。

半导体材料市场持续强劲

2020年下半年，8英寸晶圆产能紧缺情况加重，紧接着出现汽车芯片供应不足，最终造成车厂减产、停产。最初大家以为是晶圆产能无法支撑汽车的需求，后来晶圆厂方面表态称主因是车厂的误判——车厂在疫情初期砍掉了部分汽车芯片订单，未料到疫情期间汽车的需求并未减弱，导致2020年下半年出现汽车芯片短缺。进入到2021年第三季度，汽车芯片短缺的情况有所缓和，不过仍有许多机构表示，芯片供应紧张的局面将持续到2022-2023年。

在全球芯片产能紧张的大环境下，上游半导体材料的供应情况又如何？

导致晶圆和芯片的产能不足的根源是上游产能跟不上激增的终端需求。疫情期间受益于远程办公、远程学习、防控疫情的需求激增，许多消费电子产品如PC、视频会议设备以及医疗仪器和设备畅销，同时为避免聚众出行私家车畅销，汽车电子芯片需求增加。终端对半导体芯片产能需求增加，但生产半导体芯片的原材料产能有限，无法跟上因新冠疫情而产生的计划外的需求。

图2 全球半导体材料市场构成 制图：国际电子商情 数据来源：SEMI

硅片、掩膜版、光刻胶、电子特种气体、CMP抛光材料、湿化学品、溅射靶材是重要的半导体原材料。据SEMI此前公布的“2018年全球半导体材料市场构成”数据可知，硅片约占了整个半导体材料的38%，其次是电子特气和光掩膜版分别各占13%，再次是光刻胶及配套材料约占12%，CMP抛光材料占了7%，湿电子化学品占了5%，靶材占了2%，剩下10%是其他材料。《国际电子商情》认为，即使是在2021年，SEMI的这组数据仍具有参考意义。

在半导体材料中，硅晶圆的市场份额占比最大。2016年，DRAM和3D NAND Flash出货量大增，带动了全球硅晶圆需求大增，达到了107.38亿平方英寸，同比增长2.9%。但因全球硅晶圆国际大厂的产能有限，出货量跟不上下游需求，进而造成硅晶圆价格大幅上涨。到2017年，全球硅晶圆片出货面积达到118.10亿平方英寸。2018年，硅晶圆片出货面积突破120亿平方英寸，增长势头延续到2021年。2021年7月，SEMI公布旗下SMG的最新一季晶圆产业分析报告称，2021年第二季度全球硅晶圆出货面积增长6%，达到35.34亿平方英寸，超越上一季破历史纪录，比去年同期增长了12%。SEMI还表示，在终端应用强劲需求下，市场持续供不应求，8英寸、12英寸晶圆应用供给持续吃紧。

再以用于显影、刻蚀等工序的核心材料光刻胶为例：受益于市场需求旺盛，台积电、三星、英特尔、中芯国际、华虹宏力等晶圆厂积极扩产，对光刻胶的需求大增，尤其是KrF、ArF等高端光刻胶方面。

今年3月22日，央视财经频道对光刻胶做了视频报道。来自华天科技公司的采购经理受访时称，以往都是光刻胶供应商找上门，现在是厂家去找供应商，直接在供应商办公室办公。之前企业采购光刻胶的量每次都在100多公斤，近期（2021年3月）因原材料紧缺，企业每次只能买到很少的量（10-20公斤）。

与此同时，在封测市场的上游环节，引线框架、封装基板、键合丝、塑封料等产品也出现了缺货、停止接单、订单交期拉长、涨价等现象。其中，封装基板是封装材料中最紧缺的产品，其占封装材料的40%。其次是引线框架，占比约为15%。2021年，由于疫情限工、上游产能紧缺、铜价暴涨等原因，引线框架产品价格已经出现多次调涨，特别是蚀刻引线框架供不应求的情况尤为严重，现阶段日系、台系等国外厂商今年的产能都已经被订单排满，部分企业甚至开始洽谈2022年订单，产品交期也拉长至半年以上。

很显然，此次全球半导体产能危机，不只是单个材料产能紧缺的原因，而是大部分材料供不应求所导致。[!--empirenews.page--]

半导体材料竞争格局

国内外晶圆厂扩厂项目陆续达产，对半导体原材料的需求进一步加大。另外，由于全球贸易争端的原因，尤其是从2021年开始，各国的重点放在半导体产业链建设上来，国内半导体材料企业的成长也有望提速。《国际电子商情》在按生产工序分类基础上，整理了半导体材料的供应商（详见表1），并主要分析了晶圆制造材料的竞争格局。

表2 全球半导体材料供应商盘点（部分）

·硅晶圆

硅晶圆的原始材料是硅，其制造工序大致可分为：提纯硅元素（99.999%），溶解高纯度多晶硅，掺入硅晶体晶种，慢慢拉出单晶硅，研磨、抛光、切片硅晶棒并形成硅晶圆片（晶圆）这些环节。

目前，市面上的晶圆直径以150mm（6英寸）、200mm（8英寸）、300mm（12英寸）为主。随着半导体技术的不断进步，芯片尺寸越来越小，且硅晶圆尺寸越来越大。SEMI数据显示，如今12英寸晶圆约占64%，8英寸晶圆占比达26%，其他尺寸晶圆占比10%。12英寸晶圆已经成为市场的主流，不过这类大尺寸硅晶圆的供应主要由国外厂商把持。国外硅晶圆供应商主要有——日本信越、胜高，德国世创，韩国LG Siltron，法国Soitec，芬兰Okmetic等。

从整体上看，我国在硅晶圆上对外依存度超90%。我国生产的硅晶圆以2-6英寸为主，代表企业有中晶股份、万向硅峰、海纳半导体、浙江金瑞泓等；少量企业有布局8英寸、12英寸生产线，代表企业有有研半导体、中环环欧等。值得关注的是，IC Insight的预测显示，半导体制造硅晶圆产能将持续向中国转移，2022年中国大陆晶圆厂产能将达410万片/月，占全球产能17.15%，年均复合增长率达14%。

·化合物半导体

化合物半导体材料拥有高电子迁移率、直接能隙与宽能带等特性，可完美弥补硅材料无法在高温、高频、高压等环境中使用的缺陷。现阶段，全球约有95%以上的半导体芯片和器件以硅片作为基础材料。随着IoT和5G时代的到来和材料制备技术的成熟，以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）和碳化硅（GaN）为代表的化合物半导体衬底材料正迅速崛起。

-GaAs

GaAs产业链可分为上游外延片/衬底、中游晶圆制造和下游GaAs元器件三大环节，这些环节均以海外厂商为主导。GaAs外延片前三大厂商分别为英国IQE、中国台湾全新光电和日本住友化学，CR3（业务规模前三名公司所占的市场份额）高达92%；GaAs单晶衬底主要被日本住友电气、德国费里博格以及美国AXT等厂商垄断，CR3高达95%。国内GaAs单晶厂商以LED芯片用低阻抛光片为主，射频元器件用大尺寸、半绝缘GaAs衬底尚未规模生产；在GaAs晶圆制造环节，中国台湾稳懋一家独大，其市场占有率高达71.1%；而GaAs元器件由美国Skyworks、Qorvo和Broadcom把持，CR3为67.4%。

总体来看，中国大陆的GaAs产业链竞争力仍待提升。

-GaN

GaN主要用于LED、微波射频和功率器件等领域。在过去几年里，英飞凌（Infineon）、安森美（ONSemi）、意法半导体（ST）、松下（Panasonic）、德州仪器（TI）启动了新的GaN项目，引发了业界的广泛关注。比如，2018年底，英飞凌开始批量生产CoolGaN 400V和600V电子模式HEMT产品；2018年，ST与CEA Leti宣布合作开发基于200mm晶圆的二极管和晶体管GaN-on-Si技术，同时ST将创建一条产线用于生产GaN-on-Si异质外延等产品。此外，还有很多初创企业也加入了GaN的产业链，比如EPC、GaN System、Transphorm、Navitas等，它们大多数采用代工模式，是台积电、汉磊科技、X-Fab的合作伙伴。

在供应商方面：德国Siltronic，日本信越化学、Sumco，中国纳维科技、东莞中镓、合晶(台)等企业供应GaN衬底。其中，GaN衬底超过90%的市场份额由日本公司主导；日本NTT AT、同和控股，英国IQE，比利时EpiGaN，美国BRIDG、Transphorm，中国苏州晶湛、聚能晶源、世纪金光、汉磊科技(台)等企业供应GaN外延片；而兼具GaN衬底和外延片的IDM厂商有ST、英飞凌、安森美、德州仪器、松下等。GaN制造环节代表性企业包括稳懋、富士通、台积电、三安光电。

-SiC

SiC器件的制造成本中，SiC衬底成本占比50%，SiC外延成本占比25%。

受新能源汽车、工业电源等应用的推动，全球电力电子SiC市场规模不断增长，预计2020年的市场规模将达6亿美元。行业龙头企业以IDM模式为主，主要市场份额被英飞凌、Cree、罗姆以及意法半导体占据。与国际巨头相比，国内IDM厂商泰科天润、瑞能半导体以及华润微还有较大差距。

SiC衬底供应商有美国Cree、道康宁、II-VI，日本罗姆、新日铁，中国天科合达、山东天岳、河北网光、世纪金光、中科钢研等；SiC外延片供应商有美国Cree/Wolfspeed、道康宁，日本罗姆、昭和电工，法国Novasic，中国瀚天天成、东莞天域、世纪金光等。[!--empirenews.page--]

·光刻胶

光刻胶又称光致抗蚀剂，是指通过紫外光、电子束、离子束、X射线等的照射或辐射，其溶解度发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料。按其形成的图像分类，光刻胶有正性、负性两大类：涂层曝光、显影后，曝光部分被溶解，未曝光部分留下来，为正性光刻胶，反之则为负性光刻胶；按曝光光源和辐射源的不同，又分为紫外光刻胶（包括紫外正、负性光刻胶）、深紫外光刻胶、X-射线胶、电子束胶、离子束胶等；根据用途不同，光刻胶主要可分半导体光刻胶、LCD光刻胶、PCB光刻胶以及其他光刻胶。

半导体光刻胶约占27%，LCD光刻胶和PCB光刻胶分别各占24%，其他光刻胶产品占据25%。半导体光刻胶通过不断缩短曝光波长，从最初的宽谱紫外向g线（436nm）-i线（365nm）-KrF（248nm）-ArF（193nm）-EUV(13.5nm)发展，提高极限分辨率来满足不断精进的光刻技术需求。当前，半导体市场对g线和i线光刻胶的使用量最大，KrF、ArF、EUV光刻胶主要配合高端的光刻机应用，日、美企业占据了绝大部分高端光刻胶的产能。

表2 13家光刻胶供应商技术动态

2019年，日本曾宣布对韩国进行出口限制，其中就包括了光刻胶材料，一度引发了韩国半导体产业的供应危机。虽然韩国的东进化学、LG化学、锦湖化学、COTEM等也生产光刻胶，只是锦湖化学为SK海力士半导体供应ArF Dry产品以及部分ArF Immersion产品，东进化学为半导体行业供应KrF以下等级部分产品。三星、SK海力士等半导体厂生产先进芯片需要消耗大量ArF光刻胶，即使韩国近几年集中力量研发ArF光刻胶，短期内仍无法满足半导体制造商对光刻胶的产能需求。

我国光刻胶产品对外依赖程度达80%以上。庆幸的是，我国“ArF光刻胶产品开发和产业化”项目已经取得关键性突破。去年12月，南大光电发布公告称，其控股子公司宁波南大光电研发的ArF光刻胶通过了客户使用验证，可用于45nm工艺。今年5月，南大光电在业绩说明会上表示，公司的ArF光刻胶已拿下第一笔订单，制程工艺可满足45nm-90nm光刻需求。据悉，该公司已完成25吨光刻胶生产线建设，且原材料和生产设备已实现国产化。

·光掩模

光掩膜的上游行业包括图形设计、光掩膜设备及材料行业，全球主要供应厂商有日本东曹、信越化学、尼康和菲利华等；中游为掩膜板制造行业，主要包括日本HOYA、DNP、SKE，韩国LG-IT，中国清溢光电；下游主要包括IC制造、IC封装、平面显示和印制线路板等行业，广泛应用于消费电子、家电、汽车等电子产品领域，主要客户为英特尔、三星、台积电等半导体厂商以及京东方、华星光电等显示屏厂商。

目前，国外掩膜板厂商占据国内掩膜板行业主要市场份额，美国Photronics、日本DNP、Toppan的市场份额超过80%。具体来看，我国掩膜板制造主要集中在少数企业和部分科研院所，比如中科微电子中心、中科院半导体所、电子科技13所、中科院成都光电所、清溢光电、上海华虹宏力、中芯国际、无锡华润微电子等。

在半导体领域，只有无锡华润、无锡中微等少数企业，能制造0.13μm以上的StepperMask，而HTM（半透膜）、GTM（灰阶掩模板）、PSM（先进相移掩模）等光掩模主要依赖进口。

·电子特气

电子特气即电子特种气体，是集成电路、显示面板、光伏能源、光纤光缆等电子工业生产中不可或缺的关键性原材料，广泛应用于薄膜、光刻、刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺。

从全球市场来看，美国空气化工、德国林德集团、法国液化空气、日本大阳日酸占了9成左右的市场份额；海外龙头企业也控制了国内电子特气市场88%的份额。2010年以后，国内电子气体市场攻开始破技术垄断，硅烷、超纯氨等重要特种气体实现国产化。国内电子特气供应商有华特气体、雅克科技、南大光电、杭氧股份、中船重工718所、黎明化工研究院、金宏气体、绿菱气体、巨化集团、雅克科技、昊华科技等，从资产规模及企业营业收入规模来看规模还较小。

·CMP抛光材料

随着半导体工业飞速发展，电子器件的尺寸越来越小，对半导体原材料晶片表面的平整度要求也越来越高，达到了纳米级别，传统的平坦化技术只能做到局部平面化，化学机械抛光技术唯一可实现全面平坦化的工艺。CMP材料主要包括抛光液、抛光垫、调节器、CMP清洗以及其他等耗材，其中抛光液和抛光垫占CMP材料细分市场的80%以上。

如今，全球CMP抛光液65%的市场被Cabot、日立、FUJIMI、慧瞻材料占据，全球抛光垫79%的市场被陶氏化学占据。芯片生产所使用的抛光液国产化比例不到10%，主要由Cabot、陶氏化学、FUJIMI、Versum、富士胶片、日立、安集科技等供应商占据。其中，安集微电子是国内唯一一家可提供12英寸IC抛光液的本土供应商。而抛光垫供应商有美国陶氏化学、Cabot、Thomas West，日本FOJIBO、JSR，中国鼎龙股份等。

·湿电子化学品

在晶圆制造过程中，湿电子化学品用于清洗颗粒、有机残留物、金属离子、自然氧化层等污染物。不同线宽的集成电路制程工艺中，必须使用不同规格的超净高纯试剂进行蚀刻和清洗，其关键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、包装技术等。

在半导体湿化学品供应商方面，市场份额主要掌握在欧美、日本、韩国等国家的企业手中，包括德国巴斯夫，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，韩国东友精细化工等，上述公司占全球市场份额的85%以上。中国湿电子化学品供应商有江阴润玛、苏州晶瑞、杭州格林达、上海新阳、光华科技、西陇科学、凯圣氟化学、多氟多、晶瑞股份、江阴江化微、鑫林科技（台）。

·溅射靶材

在超大规模集成电路芯片制造领域，溅射靶材规模化生产能力企业数量相对较少，其产业集中度较高。美国、日本跨国集团产业链完整，囊括金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用各个环节，具备规模化生产能力，在掌握先进技术以后实施垄断和封锁，主导着技术革新和产业发展。

全球溅射靶材市场主要有四家企业，分别是JX日矿金属、霍尼韦尔、东曹和普莱克斯，总计垄断了全球80%的市场份额。国内溅射靶材供应商有阿石创、欧凯溅射靶材、中金研新材料、有研新材、江丰电子、隆华科技等。

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