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智芯研報|石英:半導體產業鏈關鍵材料,前景廣闊 2022-05-18
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(1)硅片制造:石英砂在溫度超過兩千攝氏度的并有碳源的電弧熔爐中,在高溫下發生還原反應得到冶金級硅,然后將粉碎的冶金級硅與氣態的氯化氫反應,生成液態的硅烷,然后通過蒸餾和化學還原工藝,得到了高純度的多晶硅;多晶硅熔化物在坩堝中旋轉,把一顆籽晶浸入其中,并且由拉制棒帶著籽晶作反方向旋轉,同時慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上提拉后得到單晶硅錠棒;之后通過外徑研磨、切片、拋光、清洗后就得到硅片。大尺寸硅片技術壁壘高,目前12寸硅片的技術僅有少數廠家突破,在以下4方面存在較強技術壁壘:大直徑帶來的熱場設計、磁場設計、控制技術和導流筒設計難度;氧雜質帶來的制造缺陷;拋光工序;表面金屬雜質濃度的降低和檢測等。(2)晶圓制造:晶圓即擁有集成電路的硅晶片。據集成電路(IC)設計,進行晶圓制造。該環節是整個半導體工業的核心。主要包括氣相外延、氧化、化學氣相沉積(CVD)、濺射、光刻、刻蝕、離子注入擴散、清洗等工藝。用于硅片和晶圓制造的石英器件可以分為高溫區器件和低溫區器件兩大類:1)高溫區器件主要是擴散氧化等環節使用的爐管、擴散管、玻璃舟架等,需要在高溫環境中直接或間接與硅片接觸,主要采購電熔石英玻璃材料,通過熱加工生產;2)低溫區器件主要是刻蝕環節的石英環等,還包括清洗過程中的花籃、清洗槽等,主要在低溫環境中使用,主要采購氣熔石英玻璃,通過冷加工生產。其中高溫區器件消耗速度較快,但是類似多片機(一個承載器具承放多個硅片),低溫區器件消耗速度較慢,但屬于單片機(一個承載器具承放一個硅片);因此兩者整體市場規模相對比較接近。光刻工序決定光掩膜版質量,光掩模版占半導體材料成本達14%光掩模版工作原理類似于相機的“底片”,是下游行業產品制造過程中的圖形“底片”轉移用的高精密工具,是承載圖形設計和工藝技術等知識產權信息的載體。光掩膜主要由兩部分組成:基板和不透光材料。據清溢光電招股書,基板的采購成本占光掩膜版原材料采購成本的90%。依據所需要的圖形,用光刻機在原材料上光刻出相應的圖形,將不需要的金屬層和膠層洗去,即得到掩膜版產成品。掩膜版的原材料掩膜版基板是制作微細光掩膜圖形的感光空白板。通過光刻制版工藝,將微米級和納米級的精細圖案刻制于掩膜版基板上制作成掩膜版。針對下游半導體芯片的主要產品有半導體集成電路凸塊(ICBumping)掩膜版、集成電路代工(ICFoundry)掩膜版、集成電路載板(ICSubstrate)掩膜版、發光二極管(LED)封裝掩膜版、微機電(MEMS)掩膜版。掩膜版對下游行業生產線的作用主要體現為利用掩膜版上已設計好的圖案,通過透光與非透光的方式進行圖像(電路圖形)復制,從而實現批量生產。光刻工序是決定光掩膜版質量的最重要的環節。掩膜版的主要生產工藝流程包括圖形設計、轉換、圖形光刻、顯影、蝕刻、脫膜、清洗、尺寸測量、缺陷檢查與修補、清洗、貼膜、檢查以及出貨。i.圖形光刻:是決定質量最重要的環節,通過光刻機進行激光光束直寫完成客戶圖形曝光。掩膜版制造都是采用正性光刻膠,通過激光作用使需要曝光區域的光刻膠內部發生交聯反應,從而產生性能改變。ii.顯影:將曝光完成后的掩膜版顯影,以便進行蝕刻。在顯影液的作用下,經過激光曝光區域的光刻膠會溶解,而未曝光區域則會保留并繼續保護鉻膜。iii.蝕刻:對鉻層進行蝕刻,保留圖形。在蝕刻液的作用下,沒有光刻膠保護的區域會被腐蝕溶解,而有光刻膠保護的區域的鉻膜則會保留。據SEMI數據,在半導體原材料的總成本中,光掩膜版占比為14%,僅次于占比32%的硅片,兩者總成本占比46%。光掩膜版的主材料是掩膜基版,菲利華是國內首家具備生產G8代大尺寸光掩膜版基材能力的企業,目前已推出從G4到G8代的系列產品,是國內唯一可以生產大規格光掩膜基板的企業。但目前國內光掩模基板產業鏈沒有打通,菲利華產品需在日韓經過精磨、鍍膜等精加工流程后,才能返回國內光掩膜版廠商進行光刻。集成電路刻蝕環節必須使用耐腐蝕性的石英玻璃材料及制品刻蝕可以分為濕法刻蝕和干法刻蝕,干法是主流。濕法刻蝕各向異性較差,側壁容易產生橫向刻蝕造成刻蝕偏差,通常用于工藝尺寸較大的應用,或用于干法刻蝕后清洗殘留物等。干法刻蝕是目前主流的刻蝕技術,其中以等離子體干法刻蝕為主導。刻蝕的目的是把圖形從光刻膠轉移到待刻蝕的薄膜上。集成電路制造工藝繁多復雜,其中光刻、刻蝕和薄膜沉積是半導體制造三大核心工藝。薄膜沉積工藝是在晶圓上沉積一層待處理的薄膜,勻膠工藝是把光刻膠涂抹在薄膜上,光刻和顯影工藝是把光罩上的圖形轉移到光刻膠,刻蝕工藝即把光刻膠上圖形轉移到薄膜,去除光刻膠后,即完成圖形從光罩到晶圓的轉移。在需求增長較快的刻蝕設備領域,行業集中度較高,泛林半導體占據刻蝕設備市場份額半壁江山。據TheInformationNetwork統計,LAMResearch在需求增長較快、行業集中度較高的刻蝕設備領域占據半壁江山,2017年市占率達55%。因為刻蝕環節需要去掉鏤空的薄膜,因此集成電路刻蝕環節必須使用耐腐蝕性的石英玻璃材料及制品。刻蝕環節石英材料使用量較大;主要產品包括石英環、石英玻璃反應腔和樣品支架等。另外在硅片酸洗和超聲波清洗工序也需要使用擁有極高化學穩定性的石英玻璃材料,主要產品包括石英玻璃花籃(硅片酸洗、超聲波清洗)、清洗槽(洗滌液的承載器)等。擴散屬于高溫領域,要求石英材料耐高溫擴散的主要用途是在高溫條件下對半導體晶圓進行摻雜,即將元素磷、硼擴散入硅片,從而改變和控制半導體內雜質的類型、濃度和分布,以便建立起不同的電特性區域。采用不同的摻雜工藝,通過擴散作用,將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體硅片上。半導體中的擴散屬于三種輸送現象(質量傳輸、熱傳遞和動量傳輸)中的質量傳輸,需要在850℃以上的高溫環境下,效應才夠明顯;而據賀利氏披露,臥式爐的擴散、氧化和退火工序需要在高溫環境下(1150℃)也能保持溫度穩定性能的特種石英材料。?擴散流程分為前擴散和后驅入兩個步驟:1)前擴散:當高溫爐管升至工作溫度后,把待擴散晶圓推入擴散爐中,然后開始釋放擴散源進行擴散;2)后驅入:又稱為高溫退火工序,用于決定摻雜量的邊界條件,基本上只維持爐管的驅入工作溫度,擴散源不再釋放。(3)封裝測試:完成封裝測試后即可進行組裝,完成芯片制作。4.2、IC占半導體市場83.9%,硅片市場高度集中2018年,半導體市場中,集成電路銷售額占比達83.9%。半導體是導電性介于導體(金屬)與絕緣體(陶瓷、石頭)之間的物質,包括硅、鍺、砷化鎵。半導體分為四類產品:集成電路(IC)、光電子器件、分立器件和傳感器。其中銷售額規模最大的是集成電路,2018年全球半導體和集成電路市場規模分別為4688億和3933億美元,同比增長分別為13.7%和14.6%,集成電路銷售額占半導體總銷售額的83.9%,同比上升0.64pct。集成電路產業分為設計、制造和封裝測試三大環節。設計處于集成電路產業上游,毛利率較高,以美國為主的公司處于領先地位,國內起步較晚,目前仍然處于追趕地位;石英制品參與集成電路的制造環節的硅片和晶圓制造,行業壁壘高,資本投入大,中國臺灣、美國和韓國企業處于領先地位;封裝測試的技術壁壘相對較低。據中國半導體行業協會統計,2019年1-6月中國集成電路產業銷售額為3048.2億元,同比增長11.8%,其中,設計業同比增長18.3%,銷售額為1206.1億元;制造業同比增長11.9%,銷售額為820億元;封裝測試業銷售額1022.1億元,同比增長5.4%。2014-2018年,中國集成電路年均復合增長率為21.32%,設計、制造和封裝測試業的CAGR分別為24.55%、26.41%和14.96%。2018年,封裝測試業的銷售占比相比2014年下降8.1pct,設計和制造業分別上升2.8pct和4.2pct。硅片市場高度集中。半導體硅片又稱為硅晶圓,是制作集成電路的重要材料,通過對硅片進行光刻、離子注入等手段,可以制成集成電路和各種半導體器件。半導體硅片產品主要有三大類構成,包括拋光片、外延片、絕緣體上硅SOI:?拋光片:用量最大的產品,其他的硅片也都是在拋光片的基礎上二次加工產生的。單晶硅棒經過裁切、外徑研磨、切片后得到硅片,然后通過物理磨削和拋光后,得到拋光片;?外延片:拋光片在外延爐中加熱到1200℃左右。通過汽化的四氯化硅(SiCl4)和三氯硅烷(SiHCl3)生長氣相外延。它具有拋光片所不具有的某些電學特性并消除了許多在晶體生長和其后的晶片加工中所引入的表面近表面缺陷;絕緣體上硅SOI:SOI最上面是頂層硅,中間是掩埋氧化層,下方是硅襯底。SOI優勢在于可以通過氧化層實現高電絕緣性,這將大大減少硅片的寄生電容以及漏電現象。大尺寸硅片具有規模效應。根據Gartner的數據,預計2020年全球硅片市場規模將達110億美元。2018年全球半導體硅片(包括拋光片、外延片、SOI硅片)行業銷售額前五名企業的市場份額分別為:日本信越化學28%,日本SUMCO25%,中國臺灣環球晶圓14%,德國Siltroni14%,韓國SKSiltron10%,CR5接近90%,市場呈現壟斷局面。隨著半導體行業的發展,硅片的尺寸逐步增大。從1965年誕生的2英寸(50mm)直徑硅片,到4英寸(100mm)、5英寸(125mm)、6英寸(150mm)、8英寸(200mm),再到2000年的12英寸(300mm)硅片。硅片直徑越大,在一個硅片上經一次工藝循環可制作的集成電路芯片數越多,具有顯著的規模效應。在12英寸硅片領域,前五家廠商的市占率更是達到了97.8%。2011年,全球五大半導體廠商IBM、英特爾、三星電子、臺積電和GlobalFoundries共同成立全球450mm聯盟(G450C),用于推動18寸硅片發展。晶圓代工市場高度集中,前四大代工廠市占率穩定。據拓墣產業研究院數據,2019Q3,晶圓代工廠市占率排名前四位的分別是臺積電、三星、格芯(GlobalFoundries)和聯電(UMC),市占率分別為50.5%、18.5%、8.3%、6.7%,前四大代工廠市占率排名穩定。晶圓代工企業大多為中資公司,國內企業通過認證后,接入供應鏈放量會比較快捷。5、2019年,半導體石英市場空間約為212億元5G、物聯網、人工智能崛起,半導體市場空間廣闊隨著5G、物聯網、人工智能等市場的迅速崛起,半導體行業迎來更多發展機遇和空間。未來存儲器、汽車電子和工業用半導體芯片是帶動半導體市場成長的最直接因素,5G網絡、NB-IoT也將積極推動半導體產業步入黃金期。而PC和智能手機等傳統半導體市場的增長將持續放緩。物聯網將成為發展最快的領域,2015-2020年CAGR(復合年均增長率)高達13.3%,IC(集成電路)整體市場的增長率約為4.9%。同時,汽車電子領域也呈現出高速增長的態勢,增長率達到10.3%。政策環境寬松助力行業發展半導體行業是技術壁壘和資金壁壘較高的行業,也是我國發展高端制造等戰略性新興產業的重要方向。據海關總署的數據顯示,我國集成電路貿易逆差逐年增大,2018年達2274億美元,同比增長17.7%。近年來,國家層面陸續出臺產業政策大力支持集成電路行業的發展。2012年工信部出臺了《集成電路產業“十二五”發展規劃》,規劃指出到“十二五”末,我國集成電路的產業規模再翻一番,關鍵技術和產品取得突破性進展;2014年,國務院出臺《國家集成電路產業發展推進綱要》指出,到2020年,集成電路全行業銷售收入年均增速超過20%,同時將設立國家產業投資基金,吸引各類資金,重點支持集成電路制造領域;2018年,財政部、稅務總局、國家發展改革委和工信部聯合出臺了《關于集成電路生產企業有關企業所得稅政策問題的通知》,頒布了一系列免稅、減稅的稅收優惠政策。國家集成電路產業投資基金和所得稅優惠政策將引導并加快我國半導體行業的發展,也將驅動電子級石英產品市場規模進一步增長。半導體行業或將迎來進口替代需求,半導體石英市場空間較大國內石英材料價格更低,國產替代有空間,中國半導體市場同比增超20%。2014年H1,國產和進口石英錠用石英砂價格分別為17.7和66.6元公斤,進口料價格是國產料的3.8倍,國產石英材料具有明顯的價格優勢。據WSTS數據,2018年全球和中國市場的半導體銷售額分別為4688億和1579億美元,分別同比增長13.7%和20%;國內半導體銷售額占全球銷售額比例逐年增加,2018年達34%,同時,20172018年中國半導體市場同比增速達22%20%,國產替代迎來更大的空間。圖38、中國半導體市場維持較高增速,占比逐年提高圖39、國內石英錠用石英砂均價低于國外(元公斤)電子級石英產品是半導體領域中不可或缺的原材料。晶圓作為半導體集成電路的基本原料,其生產中的硅片擴散、氧化、刻蝕等環節均需要消耗大量的石英片、石英環等電子級石英制品;而電子級石英制品因其高純度、耐高溫、低熱膨脹性、化學穩定性強等優良性能,亦在半導體芯片制造加工中被廣泛應用。因此,電子級石英制品與半導體行業之間密切的關系,半導體行業的高速發展將直接帶動電子級石英產品的發展。據世界半導體貿易統計機構(WSTS)預計,2019年全球半導體銷售額有望達到4090億美元,據興證有色團隊草根調研結果,半導體石英市場規模約為212億元,電熔法、氣熔法的市場空間分別為20-30億元、10-20億元。6、國內上市公司分——石英股份和菲利華6.1、石英股份:全產業鏈布局,認證通過在即石英股份實際控制人是陳士斌,直接間接合計持有公司55.64%股權,持股比例相對集中。2019前三季度,公司實現營業收入4.63億元,同比增長1.63%,歸母凈利為1.14億元,同比增長10.67%,細分業務領域,石英管、多晶石英坩堝、高純石英砂的營收分別為,毛利率和凈利率逐年提升,2019年前三季度分別為44%和25%。石英股份是一家從上游高純石英砂到下游石英器件全產業鏈布局的龍頭企業。1)上游高純石英砂:具備1萬噸高純石英砂的產能,規劃未來新建2萬噸高純石英砂的產能,2018年高純石英砂銷售量為10938噸,其中自用高純石英砂8283噸,外銷2655噸,是全球3家能批量化生產高純石英砂的企業之一。2)中游石英管材料等制品:具備8500噸石英管產能,未來規劃新擴建6000噸電子級石英材料項目,2018年石英管銷量7656噸,其中傳統光源級石英管銷量6133噸,電子級石英管1523噸,是全國石英材料行業中的龍頭企業之一。公司主營收入中,石英管占比超80%,總毛利率逐年提升,2018年達44%,同比增加7pct。2018年,石英管、多晶石英坩堝、高純石英砂和其他業務的毛利率分別為47%、4%、50%和55%,多晶坩堝毛利驟減的原因是產品逐漸退出市場。光纖和半導體領域是未來公司業績的主要增長點。公司主要產品為石英管和高純石英砂,主要應用于光源、光纖半導體和光伏等領域。1)光纖領域:光通訊行業的主營產品有石英延長管和石英棒及光纖石英套管,產品主要應用在光纖預制棒制成和光纖拉絲工藝中;隨著全球信息化的發展,光通信行業市場需求量持續增長,公司光纖石英套管也實現批量銷售,此方面與信越光纖、亨通光電、中天科技形成良好的合作協議;半導體行業的住友電工等國際知名公司有穩固的合作關系;2)半導體領域:高純度石英材料是半導體硅片生產過程中的關鍵材料,在硅片制造過程中的擴散、蝕刻等環節發揮關鍵作用。公司通過對半導體石英材料研發的不斷投入,產品已經在化合物半導體產業得到廣泛應用,同時公司依托強大的研發和生產能力,積極推進日本和美國的半導體認證工作,逐步替代進口材料。同時公司發行可轉債募集不超過3.6億元投入到年產6000噸電子級石英產品項目,建設期為三年,預計第四年年全部達產,項目達產后,預計可實現年均銷售收入6.4億元,財務內部收益率(稅后)為22.35%;3)光伏領域:公司擁有高純石英砂、石英坩堝、石英管等眾多產品持續滿足光伏生產企業需求。更為重要的是,公司作為全球3家能夠批量化生產高純石英砂的企業之一,隨著光伏單晶市場快速發展,單晶用石英坩堝市場需求大幅上升,高純石英砂銷售迎來快速增長期,公司外銷的高純石英砂成為業績的主要增長點之一。6.2、菲利華:國內唯一通過認證,半導體和航空航天是未來增量菲利華是國內唯一一家通過國際三大半導體原產設備商認證的石英材料企業,除獲得TEL認證外,LAM認證的規格已達22種,AMAT認證的規格也有18種。公司控股股東、實際控制人為鄧家貴和吳學民,二人合計持有21.85%的公司股份。2019年前三季度實現營業收入5.71億元,同比增加9.04%,14-18年復合增速超25%;歸母凈利為1.4億元,同比增長20.36%,14-18年復合增速為23.4%。14-18年,公司毛利率維持在45%以上,凈利率在22%以上,盈利能力向好。菲利華的產品應用領域主要包括:光通訊領域、半導體領域、航空航天領域。同時,菲利華是國內唯一一家可以生產大規格光掩膜基板的企業,也是高端光學用高精密光學合成石英材料的供應廠商;在航空航天領域,公司是全球少數具有石英纖維量產能力的制造商之一,也是國內唯一一家具有軍工資質的石英纖維制造商。2018年,石英玻璃制品和石英玻璃材料營收占比分別為42%和57%;毛利率分別為36%和53%,較為平穩,同比下降2.3pct和2.7pct。半導體和航空航天領域是公司未來主要的業績增長點。菲利華主要覆蓋航空航天、半導體、光通訊等應用方向。在航空航天領域,公司是國內唯一具有軍工資質的石英纖維制造商。在半導體方面,公司是國內首家具備生產G8代大尺寸光掩膜版基材的生產企業,目前已推出從G4代到G8代的系列產品,是國內唯一可以生產大規格光掩膜基板的企業;同時,公司是國內唯一通過國際三大半導體原產設備商認證的石英材料企業,在國產替代和政策促進下,隨著國產芯片的發展,公司業務有望得到進一步提振。在光通訊方面,5G產業的發展將帶動光纖市場,公司光通訊用石英材料也有望保持平穩增長態勢。值得注意的是,根據公司非公開發行預案披露,擬投入2.84億到集成電路及光學用高性能石英玻璃項目,2.69億投入高性能纖維增強復合材料制品生產建設項目,1.47億用于補充流動資金。未來隨著新項目的投入落地,公司在半導體、航空航天等領域的產品將更加豐富,供應能力增強,公司盈利有望進一步提升。免責聲明:本文內容根據興業證券相關報告整理,著作權歸作者所有。本文任何之觀點,皆為交流探討之用,不構成任何投資建議,也不代表本公眾號的立場。如果有任何異議,歡迎聯系國際第三代半導體眾聯空間。更多精彩內容,敬請關注:微信公眾號casazlkj返回搜狐,查看更多責任編輯:

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