半导体是电子产品的核心、现代工业的“粮食”。半导体是指常温下导电能力介于导体与绝缘体之间的电子材料，其电阻率约在1mΩ·cm~1GΩ·cm。半导体物理特性使得其主要用于制造集成电路、光电子器件、分立器件和传感器四类产品。半导体制造产业链由设计、制造和封装测试环节构成，其产品广泛应用于移动通信、电力电子、国防军工等领域。广义上的半导体材料可以分为三类，包括半导体基础（衬底）材料、半导体制造辅助材料、和半导体封装材料（前两者又可以被认为是狭义上的半导体材料），是半导体产业链的基石。

图一：2020年半导体制造材料销售额份额（亿美元）

半导体产业需要的材料纷繁复杂，其中最基础的就是晶圆。绝大部分半导体产品都必须以晶圆为衬底，经过复杂的加工之后才能制造出来，晶圆的物理性质直接决定了最终产品的性质和性能。半导体产业之所以得名，就是因为晶圆是由电学上的半导体材料制成的，其中最具代表性，也是应用最广的就是硅材料，除此之外，砷化镓、氮化镓、碳化硅、金刚石等晶体，只要具备所需的物理特性（往往尤其特殊的晶体结构带来），都可以用来制作不同需求的半导体产品。以硅片为例，制造过程主要包括精炼提纯、拉晶、切片、抛光等步骤，硅原料会先被高温化学反应熔炼提纯，之后在高温液体状态下被拉铸成单晶硅锭，硅锭再被切割为硅片，经过打磨抛光等之后就可以送至晶圆厂进行加工。随着下游终端产品对于精密度的要求越发高，晶圆材料的制备也将在纯度等指标方面精益求精，同时，各种不同的晶圆材料也会为了适配多元化需求而得到更多应用。

图二：硅片制造流程

除硅片以外，复杂的半导体制造工艺中还需要大量化工材料，主要包括掩模版、光刻胶、靶材、抛光液抛光垫、电子特气等。大部分材料都属于一般性化工产品，相关行业的龙头都是传统化工巨头，往往将相关业务作为众多部门中的一部分。硅片和其他材料送至晶圆厂以后，前后要经历数千道工序才能完成加工，包括：1.氧化：硅片需要被加热处理，在表面形成氧化膜，从而产生合适的物理化学特性；2.光刻：将光刻胶涂抹至硅片表面，再通过透镜显影，将掩模版上图形等比缩小后照射在光刻胶上，被照射到的光刻胶的物理化学性质会被改变；3.刻蚀：定向清除部分光刻胶之后，就可以对露出的部分进行等离子轰击，从而在基底上刻下需要的线路图形；4.薄膜沉积：将金属材料和介电质材料沉积在硅片表面形成薄膜，之后再通过刻蚀完成电路和导线的制备；5.离子注入：通过等离子体轰击向硅晶格中注入所需离子，达成所需物理特性；6.退火：离子注入有可能破坏晶格，造成芯片缺芯，需要高温退火，使得晶格结构得以恢复；7.清洗：大部分步骤都会造成一定的杂质残留，需要及时清洗干净，才能进入下一步骤；8.量测：每一步骤的处理都需要硅片已经满足一定的性质和条件，这就要求必须准确测量硅片在生产过程中的各项参数，并及时检测出缺陷。晶圆加工过程技术难度大、工艺步骤多、良率要求高，需求大量各式固体、液体、胶体、气体材料，不同工序所用材料实际上相差巨大，因此往往需要不同的企业供货，形成许许多多单独体量不大但总量可观的细分市场。

图三：晶圆加工简易流程及所需材料

半导体在晶圆厂被生产出来之后，就会被送至封测厂进行封装测试，完成封测后的产品才能作为完成产品，通过客户认证并出售。封装过程包括：晶圆减薄、切割、贴片、引线键合、模塑、电镀、成型等等。随着封装技术的进步，封装过程不仅能够提供保护和满足外观需求，还能通过系统性封装等方式，减小芯片面积。封装过程也需要用到大量材料，如研磨液、划刀片、基板、引线框、金属线、电镀液、特种气体等。

图四：半导体封装简易流程及所需材料

本文以下将主要聚焦于硅晶圆和半导体新材料的技术趋势和发展前景。总的来说，与半导体设备基本决定集成电路线程不同，半导体材料的技术进步除了适配先进制程外，更多专注于带来终端产品在物理性质上的改进，从而能够适应下游产业，如新能源汽车和5G通讯等，的新需求。与此同时，先进制程带来了下游产业的新一轮繁荣，带动全产业发展，未来3-5年，半导体材料市场前景值得看好。

核心观点：未来3-5年，摩尔定律仍将统治半导体产业，新能源汽车、5G等产业的突破带来大量新应用场景，为了适配7nm以下先进制程的制造需求和新兴应用场景对更高性能的要求，半导体材料产业将进一步投入相关技术研发，在改善现有材料工艺以提升纯度等参数的同时，努力开发新材料，突破现有材料的物理限制。

最值得研究的仍然是占据最大市场份额的晶圆，其中，硅晶圆未来3-5年预计将继续占据主流，一点点改进参数；而占据相对较小份额的半导体新材料有可能会得到更多增长空间，但从市场份额上看，大概率仍只是硅晶圆的补充。

2.1 半导体新材料——结构性机会所在

2.1.1 基本介绍

应用最广的硅材料一般被划定为第一代半导体材料，而之后研发的半导体材料都被归为第二、第三代半导体材料。半导材料发展至今，硅材料已经接近完美晶体。基于硅材料上器件的设计和开发也经过了许多代的结构和工艺优化和更新，正在逐渐接近硅的物理极限。基于硅材料的器件性能提高的潜力愈来愈小，而以氮化镓、碳化硅为代表的、半导体具备优异的材料物理特性，为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。

第二代材料包括GaAs等，第三代材料包括GaN、SiC、金刚石等。新一代半导体材料在多项性能上都优于传统的硅材料，可以轻松突破硅的物理极限，但是由于工艺不成熟、技术不到位、原料稀缺度等因素，成本始终高于硅，因此一般用于对特定参数有者特殊需求的场景，且除SiC外往往还会以硅材料为衬底，自己只做外延材料（化合物半导体晶圆最大尺寸为6-8英寸），在市场份额上无法与硅材料相提并论。未来，随着其技术的进步、逐步降本增效后，化合物半导体有望逐步增加市场份额，与硅材料相辅相成。

表一：一、二、三代半导体主要指标对比

晶圆材料必须具备一定的晶体结构，才能具备合适的半导体特性。目前，全球95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基底功能材料而生产出来的，但GaAs、SiC等第二代、第三代化合物半导体也有自己适宜的应用场景。

最需要关注的材料参数包括：

1.禁带宽度（eV)：固体中电子的能量不是连续取值的，而是处于一系列不连续的能带，要导电就要有自由电子或者空穴存在，自由电子存在的能带称为导带，自由空穴存在的能带称为价带。被束缚的电子要成为自由电子或者空穴，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。一般认为，禁带宽度越宽，材料耐压性越好，高电压环境下性能更稳定。

2.电子饱和漂移速度（cm/s)：通常，电子以费米速度随机地在导体中随机运动，将材料置于电场中将使该随机运动在一个方向上具有小的净流速，其平均速度就是漂移速度。一般认为，漂移速度越大，材料的高频性能越好。

3.热导率（W/cm·k)：又称“导热系数”，是指当温度垂直向下梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。一般认为，热导率越高，散热越快，在高温状态下性能更好。

4.击穿场强：又称“介电强度”，在强电场作用下，固体电介质由绝缘状态突变为导电状态，此时的最低临界电压称为击穿电压。均匀电场中，击穿电压与固体电介质厚度之比称为击穿电场强度。

5.开关损耗：开关管工作状态有断开和导通两种状态。断开时，流过开关的电流为0,虽然开关两端电压不为0,但P=UI=0,所以不消耗功率。导通时，开关上流过电流，但两端电压为0,同样不消耗功率。但实际上开关时总有一个短暂的过渡状态，此时会消耗功率，即开关损耗。

图五：主要材料参数的性能内涵

2.1.2 发展趋势

第二代半导体材料的代表是砷化镓GaAs和磷化铟InP。其中最成熟的就是砷化镓，因其宽禁带、直接带隙、高电子跃迁率等特性，适用于高速、高频、大功率以及发光电子器件，一般用于高性能微波、毫米波器件等。由于抗电辐射能力强，工作温度范围宽，应用于光纤、卫星、微波等通讯技术领域，以及LED等发光器件。磷化铟的主要特点是电子漂移速度高、导热性好、耐辐射，尤其擅长放大更高频率的信号，同样应用于通讯领域。第二代半导体材料原料相对稀缺，价格高昂，且对环境污染较大，作为光电器件和射频器件（尤其是功率放大器PA）的材料稳步增长。

在5G复杂通讯模式下，需要芯片拥有更高的功率（5G手机所需PA高达16颗）、更好的频率特性、更耐高压、更低噪声等，这恰恰是第二代化合物半导体的优势。砷化镓被认为是目前最成熟的半导体新材料，随着5G时代来临，砷化镓手机和基站芯片的需求将会大幅增加。无线通讯应用可以分为终端通信和基站通信，前者要求更小的体积和待机耗电流，因此终端侧的砷化镓主要采用异质结双极晶体管HBT工艺，后者则要求更高的工作频率和功率转换效率，因此在基站端主要采用金属半导体场效应晶体管MESFET和赝调制高电子迁移率效应晶体管PHEMT。

图六：砷化镓微波功率半导体应用领域

第三代半导体材料又称宽禁带半导体材料，主要包括碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝等，主要优点是禁带宽度大、击穿场强高、热导率高，可用于发光二极管、激光器件等，适应强离子辐射和极端温度环境。相比于第二代半导体材料，第三代材料加入了有机材料，既满足了产品需求，又能减少环境污染。

图七：第一代与第三代半导体材料性能对比

碳化硅材料具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高热导率等特点，使得其器件适用于高压、高频、高温的应用场景，相较于硅器件，可以显著降低开关损耗。适合用于制造高耐压、大功率的电力电子器件，下游主要用于智能电网、新能源汽车等行业，其中，新能源汽车是其需求的最大增量来源。未来3-5年，汽车电子爆发式增长已经可以基本确定，其中一个重要方向就是电动汽车提升了车用半导体价值量。在电动车发动机中，需要大量用到功率半导体，将电能功率转换为汽车的动能。

电动车一大特点是高温高压环境，新能源汽车母线电压通常在400V左右，硅基IGBT模块虽然也耐高压、高频，但由于少数载流子积聚使得其在关断时存在拖尾电流，会产生较大的开关损耗，并伴随发热。面对新能源汽车的特殊需求，已经达到物理极限的传统半导体材料很难更进一步，必须依靠SiC功率器件为主的新一代半导体材料。SiC功率器件能满足新能源汽车多方位的需求，带来诸多方面的性能升级：

1.碳化硅模块的功率密度显著强于硅基模块。在相同功率等级下，全SiC模块的封装尺寸显著小于Si模块，以Wolfspeed提供的碳化硅模块为例，在代替硅IGBT后，逆变器的重量减少了6千克，尺寸缩小了43%，输出功率却增至2.5倍，功率密度为原有3.6倍。

2.SiC功率模块与硅基IGBT功率模块相比，可大幅减少开关损失，给新能源汽车电驱系统带来直接的效率提升，进而减少电力损失，增加续航能力。采用Rohm全SiC模块的逆变器相对于采用硅基功率模块的逆变器减少了75%的开关损失。

3.由于SiC器件的高热导率，其散热性能优异，具有优异的高温稳定性，间接提升了新能源汽车的工作稳定性和安全性。并且SiC器件的能量损耗小，发热量也更小，散热处理也更容易进行，不但散热器体积可以显著减小，还可以实现逆变器与电机的一体化。

图八：第三代半导体的开关损耗

除常见的碳化硅、氮化镓以外，金刚石也被认为是一个重要的新材料研发方向。一直以来，钻石都被认为是最理想的半导体材料，远远超过硅的能力，可以在不降低性能的情况下耐受更高温度（是硅的5倍以上），更容易冷却（传热效率是硅的22倍），耐压性、电流漂移速度都更强，使用钻石材料的半导体器件提供的电流是硅的一百万倍。基于钻石的半导体还能够提高功率密度，并制造出更快、更轻、更简单的设备。金刚石材料未来可期，但目前还处于初期阶段。2022年4月，日本Adamant并木精密宝石会社与滋贺大学联合宣布，已经成功实现量产钻石晶圆，今后专用于量子计算机的存储介质。这种钻石晶圆的材料为氮元素浓度控制在了3ppb（10亿分之3）以下的超高纯度钻石，这样才能保证晶圆内部不会出现太多因为氮元素生成的空洞，从而达到单个55mm钻石晶圆就可以存储相当于10亿张蓝光碟容量的存储密度。

化合物半导体与硅材料制备的最大差别在于外延生长过程较为复杂，要经过基板厂商和外延厂商两道环节，其中，砷化镓主要采用分子束外延法MBE和金属气相沉积法MOCVD；氮化镓主流采用氢化物气相外延法HVPE；碳化硅主要采用物理气相传输法PVT。

二三代半导体制作工艺复杂，成本远高于硅器件，严重放慢了其在下游市场的普及速度。以碳化硅为例，高昂成本可以归结于以下几点：

1.全新的制造方法：本身硅晶圆的制造就极大依赖于特定的装备，相关装备往往由晶圆厂商自行生产，形成自产自销的闭环，且各大晶圆制造商都严格限制自家的装备外销，而碳化硅的制造工艺与硅大大不同，厂商需要从头研制相关设备，带来成本增加。

2.衬底成本高企：大部分半导体新材料都需要以硅为衬底缓慢生长才能形成单晶结构，唯一可以自行制作衬底的SiC，因为不同于Si材料可以用熔体提拉法制备（主要是因为在现有的实验条件所能达到的压力条件下，SiC没有熔点，只会升华，且在现有实验条件所能达到的温度下，C在Si熔体中的溶解度也非常小），所以现有SiC单晶的制备常使用PVT法，该方法不可实施监控，相当于黑匣子操作，生长出来的单晶位错多，质量难以提高。

3.长晶缓慢：SiC长晶环节制造成本高且工艺难度大（四百多种晶体结构中只有一种符合要求），其晶体生长效率极其缓慢，生长速度仅为0.2-0.3mm/h；且在生长过程中升温降温速度缓慢，因此，一个炉子一周仅能长2cm厚的碳化硅晶棒。而主要应用场景（高压环境）需求厚度还很高：低压600V，需要外延的厚度约为6μm左右；中压1200-1700V，厚度为10-15μm；高压10kV以上，需要100μm以上。

4.切割困难：由于碳化硅硬度大，与金刚石接近，切割过程中易碎，切割良率低。因此碳化硅的规模化生产效率相比于硅是很低的（目前常用的线切割工艺通常会损耗75%的原材料，英飞凌使用的一种冷切割技术可使得原材料损耗减至50%）。

5.缺陷多：碳化硅晶片存在微管缺陷，且种类繁多，有些大小甚至肉眼可见，会导致器件失效或限制器件的工作电压。

不过，随着技术进步和开发，第三代半导体的成本也在逐年下降。据CASA统计，SiC、GaN的价格近几年快速下降，2020年较2017年下降了50%以上，主流产品与Si基器件的价差也在持续缩小，基本已达到4倍以内。考虑到应用新材料带来的系统成本的节省和能耗因素，SiC及GaN模组已经有一定的竞争力，市场份额未来可期。

图九：碳化硅器件成本分配

图十：半导体器件成本趋势（元/A）

因此，半导体新材料主要还是应用于射频器件、光电器件、功率器件等，且需要大量用到硅衬底作为基板（氮化镓单晶单价是硅的数十倍，且在自然界中很难直接提取，必须在硅衬底基础上生长出来），逻辑器件和存储器等领域仍以硅为主导，不构成相互竞争的关系，反而是共存共生的。

2.2 硅晶圆——依然占据主流

2.2.1 基本介绍

硅元素储量丰富，占地壳元素含量的27.7%，熔点达到1400多℃，更适应高温加工，且禁带宽度更大，制作出的器件更加稳定可靠。硅很容易在表面形成SiO2，可以作为钝化层，保护硅表面，防止污染；还能作为绝缘体，有效抑制半导体漏电现象；在高温过程中还能抑制硅片的弯曲；硅的提纯与结晶也非常方便。种种优点加成之下，硅材料成为了半导体产业不可撼动的核心原材料。但是随着技术的进步，硅材料也逐步达到了自己的物理极限，在一些特定场合下，性能更强的第二、第三代半导体将迎来更广泛应用。

以主流的单晶硅片为例，需要从多晶硅原料开始，经过提纯精炼、拉晶、切片、抛光等一系列工艺，才能制成合格的晶圆。一般从硅矿提纯出的多晶硅，可以通过直拉法或区熔法生产成单晶棒。

直拉法，又称Cz法，是把原料装在坩埚内加热熔化，然后用一个特定晶向的细单晶接触熔体并略有融化，之后缓慢垂直拉升，拉出的液体固化成单晶硅棒。这种方法设备费用低、工艺相对简单，机械强度更大，含氧量更高，更容易生产出大尺寸硅片，现在85%的单晶硅都是直拉法制成。

区熔法，又称Fz法，是在真空或惰性气体环境的炉室中，利用高频线圈在电磁场中产热，使籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触区熔化，然后移动硅棒或线圈，使熔区向晶体生长方向不断移动，形成单晶晶棒。这种工艺做出的产品氧含量和金属杂质含量都远小于直拉法，还可以多次提纯，电阻率和纯度相对较高，但成本也较高。产品主要用在可控硅、整流器、探测器件、IGBT等领域。

表二：直拉法与区熔法

硅棒制作完成后被切割为厚度小于1mm的切片，经过磨片加工成为研磨片，此时硅片表面平整性会变差，需要经过化学腐蚀后变成化腐片，再进行镜面精加工处理变成抛光片。将抛光片置于氢气或氩气中，按照一定顺序升温降温，就能得到退火片，使表面的氧挥发干净，减少杂质，提高晶体完整性。外延片则是指把抛光片作为衬底，沿着原来的结晶方向生长一层新单晶层。

最重要的晶圆参数包括：

1.尺寸：目前主流晶圆尺寸为6英寸（150mm）、8英寸（200mm）、12英寸（300mm）、18英寸（450mm）等，晶圆面积越大，就能一次蚀刻出更多的芯片，降低单位成本，同时还能减少芯片撞上晶圆缺陷的概率，提升良品率。

2.纯度：以硅晶圆为例，原料中往往存在大量不可控的杂质，会严重影响半导体的物理化学特性，即使需要添加一定的其他元素，也有必要先提纯硅片，再后续通过离子注入等方式标准化添加。半导体硅片一般纯度要求11个9以上（99.999999999%），光伏产品的要求就相对较低，只需要4-6个9即可（99.9999%）。

3.平整度、光滑度、洁净度等：这些参数主要用于描述晶圆表面的性质，由于大部分工艺都是在晶圆表面进行，这些表面参数至关重要，一般需要通过研磨、倒角、抛光、清洗等精密工艺，将数值控制在1nm以内。

2.2.2 发展趋势

面对先进制程对高精密度的要求，主流的硅晶圆材料显然需要在纯度、平整度等参数上精益求精，但是相关工艺不会要求突破性进展，也很难明确某一种技术路线。硅晶圆材料和化合物晶圆材料之间并不是完全替代关系，新一代半导体材料只是更加适合特定的应用场景，如光电器材、功率半导体等，但其成本始终无法与硅材料相比。因此，未来晶圆材料将是多代材料共同存在，相辅相成的局面，纯度更高、更平整的硅材料将继续统治大部分市场份额（包括几乎全部的集成电路），而氮化镓、碳化硅、金刚石等第三代半导体将借由新能源汽车和5G等新场景蓬勃发展。

硅材料是绝佳的半导体衬底材料，占到半导体市场的95%，集成电路材料市场的99%。硅片成本占到半导体材料成本的40%左右，其中，12英寸硅片占到60%，8英寸占约25%-30%。未来5年，硅材料毫无疑问仍旧是半导体晶圆材料的霸主，其发展趋势将是为适配先进制程而提升纯度和精度，并继续攻关扩大晶圆面积。

一方面，硅片参数精度要求比以往更高。纯度上，半导体级硅片普遍要求硅片纯度达到11N（即99.999999999%）以上。精度方面，先进制程下，硅片平整度的要求更高，硅片厂商必须要在倒角、磨削等工艺环节上进一步加强精细度。

另一方面，硅片尺寸增大是大势所趋，但仍处于技术瓶颈。芯片成本与硅片面积有直接关系，面积大的硅片一次可以刻蚀出更多芯片，且芯片撞上硅片缺陷的概率更低，良品率更高，半导体产业一直在追求更大的硅片。过去平均每6-8年，新的大尺寸硅片就能占据主流，但由于制造设备更换和良品率等问题，更进一步的18英寸硅片的研制已经投入许多年，却仍旧无法解决成本高、回报低的问题，目前也未有消息称取得突破性进展。而先进制程潮流下，保证产品的纯度和精度才是厂商首先要考虑的，这进一步加大了更大尺寸晶圆的制备难度，因此，保守预计未来3-5年仍将是12英寸晶圆占据主流。 

2.3 光刻胶

2.3.1 基本介绍

光刻胶又称光致抗蚀剂,是光刻工艺的关键化学品,主要成分为树脂、单体、光引发剂及添加助剂四类,其中,树脂约占50%~60%,单体约占35%~45%。树脂和光引发剂是光刻胶最核心的部分，树脂对整个光刻胶起到支撑作用，使光刻胶具有耐刻蚀性能；光引发剂是光刻胶材料中的光敏成分，能发生光化学反应。

图十一：光刻胶主要成分

光刻胶利用光化学反应经曝光、显影、刻蚀等工艺将所需要的微细图形从掩模版转移到代加工基衬底上。受紫外光曝光后，光刻胶在显影液中溶解度发生变化，从液态变成固态。接下来就可以轻易的定向洗去部分光刻胶，从而方便之后依据图形，在晶圆表面进行线路刻蚀。光刻工艺的成本约为整个芯片制造工艺的35%，并且耗费时间约占整个芯片工艺的40%-60%。

图十二：光刻胶工作原理

图十三：全球光刻胶产业链

2.3.2 发展趋势：追随光刻机进步，适配先进光源

光刻胶依据曝光波长可以分为g线（436nm）、i线（365nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm）、极紫外光刻胶（EUV，13.5nm）等，曝光波长的越小，光刻分辨率越高，芯片性能越好。

很明显，光刻胶作为光刻工艺的核心材料，必然是与光刻机的进步同步的。随着EUV极紫外光刻技术的验证成功，未来3-5年的光刻机有了明确的发展方向，光刻胶也必然要随着光刻机的要求，不断适配更短的光源波长。

图十四：光刻胶随光刻机不断进步

除了EUV极紫外光刻外，电子束光刻也是最受关注的下一代光刻技术之一。限制紫外光刻分辨率的重要因素是光源的波长，而进一步开发波长更小的光源面临巨大挑战。电子束与紫外光一样能使一些聚合物产生解链或者交联反应，从而在显影过程中形成对应的图形，因此，电子束光刻技术也在逐步发展。

电子束光刻是至今为止分辨率最高的光刻技术，由于它是直写式方法，不需要昂贵的掩模版，成本相对较低，而且易于控制、修改灵活，已经引起广泛重视。电子束光刻胶与紫外光刻胶的反应机理相似，但由于光源特性——比如，电子束在反应过程中会产生散射，导致其作用过程比紫外光刻复杂的多。国外电子束光刻技术的研究水平已能加工出2.2nm的线宽，电子束光刻胶早已投入批量生产。

2.4 电子特种气体

电子特气是超大规模集成电路、平面显示器件、化合物半导体器件、太阳能电池、光纤等电子工业生产不可缺少的原材料，广泛应用于刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺。电子气体包括纯气和二元、多元混合气。纯气己发展至100余种:混合气己有17类、330多个品种,大约1000多种规格，其中最重要的是SiH4，用于半导体多晶硅、外延膜生成、硅器件纯化和聚硅膜的原料气，制备工艺有硅化镁法、UCC法、氢化铝锂法等。电子特气拥有如此繁多的子品类，原因在于其配套性很强,根据不同用途分别有电子级、载气级、发光二极管级、光导纤维级、VLSI级(超大规模集成电路级)等。在集成电路产业链里,特种气体用于硅片的沉积、蚀刻、光刻、掺杂、退火或者腔室清洗等，按照在集成电路中的作用可分为掺杂气体、外延气体、离子注入气体、发光二极管用气体、刻蚀气体、化学气相沉积用气体、载运稀释气体七类。

表三：主要特种气体

2.5 高纯试剂

超净高纯试剂，又称工艺化学品，是指主体成分纯度大于99.99%，杂质离子和微粒数严格符合要求的化学试剂，主要用于芯片的清洗、腐蚀和晶圆表面的清洗等。现在主要使用的超净高纯试剂可以分为：酸（硝酸、盐酸、氢氟酸）、碱（氢氧化铵、氟化铵）、腐蚀剂（BOE、PES）、有机溶剂（甲醇、乙醇），但往往是由这几类物质混合而成。

随着制程逐渐进步，集成电路的集成度在摩尔定律下不断增加，对制造过程中的试剂纯度要求也越来越高，过去可以被忽略的杂质含量，在先进制程下就可能造成巨大缺陷，这就对厂商的工艺提出了更高的要求。 

2.6 抛光材料

抛光材料是指半导体基片化学机械抛光过程中所用的材料。主要包括抛光液和抛光垫。化学机械抛光是先使晶面与抛光料发生化学反应，生成一层化合物薄膜，再用机械研磨擦去，最常用的就算二氧化硅胶体碱性化学机械抛光。

CMP抛光垫一般由含有填充材料的聚氨酯材料制成,用来控制毛垫的硬度。抛光垫的表面微凸起直接与晶片接触产生摩擦,以机械方式去除抛光层在离心力的作用下,将抛光液均匀地抛洒到抛光垫的表面,以化学方式去除抛光层,并将反应产物带出抛光垫。

CMP抛光液一般由超细固体粒子研磨剂（如纳米SiO2、Al2O3粒子等）、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成,固体粒子提供研磨作用,化学氧化剂提供腐蚀溶解作用。按照磨粒的不同,CMP浆料主要分为二氧化硅浆料、氧化铈浆料、氧化铝浆料和纳米金刚石浆料等几大类。 

2.7 溅射靶极材料

靶材是一种具有高附加值的特种电子材料，主要用在微电子、显示器、存储器以及光学镀膜等产业上，用于建设各种薄膜材料（CVD电镀沉积）。从PVD来看，离子在真空中经过加速聚集形成高速离子束流，轰击靶材表面，离子和靶材表面的原子发生动能交换，使原子离开靶材并沉积在基底表面，形成薄膜。靶材对于纯度要求很高，一般要求在3N-9N。

靶材一般为：铝、钛、铜、钽、镍铬合金、镍钴合金、陶瓷靶材等。随着芯片制程的进步，未来3-5年薄膜沉积工艺将会逐渐增加钴等金属的用量，也会增加相应靶材的需求。

2.8 封装材料

封装属于半导体后道工序，是将晶圆厂制造好的半导体进行封装。封装技术路线紧跟半导体市场风向，目前主流发展趋势是配合系统化集成芯片SoC改进工艺，并采用SiP系统级封装，进一步缩小芯片大小。封装过程主要包括减薄、划片、贴片、引线键合等，其中最关键的流程可以概括为：固晶（用固晶胶把芯片粘在支架的指定区域，形成电或热通路）、焊线（用键合线将芯片电极和支架电极连接，形成电通路）、封胶（利用封装胶将经过固晶、焊线的半成品进行封装）。其中除之前加工制造好的芯片外，还需要用到基板、固晶胶、支架、引线、封装胶等材料。

表四：主要封装材料及原料

值得注意的是，新兴化合物半导体需要新的封装技术，因而也就需要新的、对硅材料来说不常用的封装材料。对于氮化镓器件，封装首选仍是陶瓷材料，耐湿、机械强度高、热膨胀系数小、热导率高，可以保证氮化镓器件长期稳定运行，但是较高的材料价格和复杂的组装过程使得封装成本较高，难以广泛应用。而塑料封装成本低廉、性能稳定，是很好的替代品，还能让设计人员采用传统的表面贴装方法，进一步降低供应链成本。未来塑料封装将会占据主流方式。碳化硅器件往往采取银烧结技术作为界面连接技术，采用银作为接线，导电导热性更强，熔点高，可靠性强，而且对环境友好。砷化镓在用于军用时多用陶瓷或金属封装，而在民用市场，则用QFN封装和多芯片模组等方法降低成本。

核心观点：市场规模=订购数量*产品价格。

随着下游行业蓬勃发展，尤其是新兴应用场景的出现，半导体需求不断增长，带来上游半导体材料需求量增加，而半导体生产仍旧以晶圆为核心（晶圆本身占据了最大的市场份额，高出其他材料一个数量级），单位生产用量提升不明显，因此，在订购数量方面，半导体材料将随全行业共同变化。但另一方面，虽然材料参数要求更高，提升了技术价值，且部分新应用场景需要大量应用相对昂贵的半导体新材料，但根据历史经验，半导体材料上从未出现过卡住行业脖子的技术难题，技术进步的难度远小于设备，降成本能力极为显著，因此产品平均单价从长期看始终呈现下降趋势。这两个因素此消彼长，最终预计半导体材料市场将在未来3-5年仍将随整个行业一起增长，但增长幅度不及中下游，更不及设备市场。

3.1 新增产能需求巨大：从下游看上游

上游材料的规模取决于中游制造的投资，中游制造则取决于下游应用。半导体材料供应商，如信越化学、JSR等，属于行业上游，其客户为中游的晶圆代工厂和IDM厂商，如台积电、三星电子等，半导体制造商的订单直接决定了半导体材料的市场规模。而制造商的订单量源自于其产品在下游的需求量。未来3-5年，预计半导体终端应用将迎来新一波的繁荣，利好材料市场，但是根据历史经验，材料市场的营收波动相对中下游市场和设备市场较小，因此其增长未必与设备同步。 

3.1.1 技术突破带来下游需求蓬勃发展

半导体制造产品80%仍然是集成电路，可以说，集成电路的销量直接决定了半导体产业的景气度。几年来，随着下游产业技术的不断突破，尤其是新能源汽车、5G通讯、人工智能、虚拟现实等领域的技术进步，许多新的需求被创造出来。其中一些产业对于需要在特别的场景下应用半导体器件，如新能源汽车的高温高压环境和5G通讯的高频收发，这就要求必须有更多的新材料应用；另一些产业，如人工智能、物联网等，必须在不增加产品体积的前提下强化运算能力，依赖于大量的先进线程集成电路应用。最终，相关产业的每一点扩张，都会转换为对半导体生产的新增订单。

未来3-5年，由于过去的主力消费电子市场渐趋成熟，集成电路的主要需求增量将源自数个新兴的蓬勃发展的领域。5G：第五代通讯技术的性能远高于过去，支撑其高性能的基础是先进制程芯片和先进材料器件，尤其是14nm以下的先进制程和砷化镓等高性能RF器件，任何应用5G技术的设备，无论是基站还是终端消费电子，都需要新的高性能芯片，虽然目前普遍认为相关产业已经趋于饱和，但是本身市场规模巨大，5G带来的更新换代需求将是巨大的。AI/IoT/云计算等：随着新一代通讯技术的成熟，可以想见，一大批新兴产业，如人工智能、物联网、云计算，甚至AR/VR产业，都有可能迎来性能与需求的大爆发，进而极大扩充集成电路需求。智能汽车：随着过去十数年对于智能汽车的投资，目前相关产业已经出现了一些曙光，虽然无人驾驶汽车仍处于验证阶段，但当代汽车厂商普遍都在紧跟时代潮流，向着智能化方向改进自己的产品，汽车产业未来5年对于芯片的需求将会继续上升。尤其是新能源汽车，由于电动车需要优秀的功率转换器，第三代半导体材料的大量应用势在必行。

图十五：半导体主要应用场景

3.1.2 中游产能供不应求，大幅扩产必不可少

2019年，半导体产业陷入阶段性谷底，行业增长乏力，甚至处于负增长，因此资本扩张也处于低谷，各大厂商都不急于增加产能。但从2020年开始，全球半导体需求逐步复苏，尤其在2021年迎来全面增长，但晶圆厂商的供给能力无法赶上市场需求，加上受到疫情冲击，全球集成电路缺口都在扩大，“缺芯”潮席卷多个行业，汽车等需求高速增长行业尤甚。因此，全球各大半导体制造商都在全力扩产，增加资本支出，尤其是中国大陆与中国台湾的厂商，占到了全球新增投资的一般以上。产能的扩张将毫无疑问会同步扩张对上游原材料的需求，半导体材料将会成为这段复苏潮的重要受益者。

从细分场景来看，90nm以下制程对于12英寸大硅片依赖性很强，而大硅片的产能缺口又是半导体材料中最大的，因此，未来扩产投资将会更多得使大硅片厂商受益。

图十六：晶圆加工厂资本开支

3.1.3 技术竞争进一步增加材料市场需求

先进的产品需要先进的配套设备和材料，半导体工艺的突破带来新一代材料升级。半导体制造在寡头竞争的市场格局下，要保持生存和发展，就必须不断研发新的技术，争取引领技术潮流，因此，各厂商全力突破先进技术，掌握先进产能的动机强烈。在这样一个技术大换代的时代，即使出现产能过剩的风险，半导体厂商也会受竞争逼迫，在中短期内保持投资力度，维持较高的产能，防止被竞争对手蚕食市场。

除开企业间的商业竞争，国际政治因素也会影响半导体产能。在中美关系短期平稳、长期对抗的大趋势下，中国大陆为了战略安全，解决卡脖子问题，实现国产替代会在中长期内维持巨额投入，未来3-5年，没有看到这一扶持力度有下滑的可能，即使出现产能过剩，仍然可以预期，至少在中国大陆，对先进半导体材料的需求不会出现大幅下降。

半导体市场的激烈厮杀，结果就是新一代半导体材料需求不断增加。2020年全球半导体材料市场为553亿美元,同比增长7.65%；2021年全球半导体材料市场为643亿美元,同比增长16.27%，2018-2021年CAGR达7.37%。

图十七：半导体材料销售额

3.2 新制程、新场景带来结构性空间，但单价下降趋势不变

3.2.1 制程要求

在半导体产业中，一般情况下，半导体设备是技术突破最核心的地方，往往是核心设备厂商在与加工厂加强合作，成功突破之后，下游加工厂就可以依据新设备开发新的工艺，使得先进产品得以成为可能，再通过加工厂的订单要求反向波及到半导体材料和非核心半导体设备。这一过程侧面说明，相比于核心设备，半导体材料的突破难度不大，不会成为遏制产业技术突破的主要原因，可以预期，只要下游工艺提出需求，材料厂商都可以予以解决。

在先进制程下，芯片本身线程大幅缩短，导致制造的工艺不得不全面走向精细化。业界常说“一代芯片，一代硅片”，硅片工艺必须同步芯片技术节点向前推进。导致硅片的价值量必然向上迭代。其他半导体材料同理。

另一方面，先进制程带来了工艺步骤数量增加，使得单位芯片产量所需要的半导体材料，尤其是辅助材料和封装材料增加。以封装材料为例，从第一代引线键合技术到第四代硅通孔键合，单位芯片所需引脚数指数级提升。

图十八：封装所需材料数量上升

3.2.2 场景要求

驱动半导体产业在未来3-5年蓬勃发展的摘要因素是5G和新能源汽车，二者作为重要的突破性技术，对半导体性能有者之前没有的特殊需求。

5G为了实现高效率通讯，将频谱设定在了较高的24GHz-52GHz，高频段有超大带宽、频谱干净、干扰小等优势，将成为未来高速应用的主要频谱，因此，5G设备所需要的半导体器件，尤其是射频器件等，必须要适应高频环境下的大功率工作，传统的硅晶器件已不能满足需求，必须大量应用砷化镓、氮化镓等新材料。新能源汽车对于半导体产品的需求除了传感器等之外，更重要的是在电动机和充电桩中，需要用到半导体功率器件实现电能快速高效转换，新能源汽车的工作环境以高温高压为特征，600V已经被认为是低压状态，现有标准车型已经全面转向800V，未来还有可能进一步增加，因此，新能源汽车所需要的功率器件，必须能在高温高压环境下高效输出功率，传统硅基器件显然也不合适，市场普遍认为碳化硅等第三代半导体将会成为主流，如特斯拉已经全部转为使用碳化硅模块。

这些新兴产业的特殊需求使得半导体新材料的需求在未来3-5年将会大增，而由于材料特性和工艺问题，这些新材料的生产难度远大于硅材料，成本也更高，目前主要是依托性能优势打出性价比，得以扩大应用。因此，新场景对新材料的需求将会一定程度上提升半导体材料的平均单价。

3.2.3 历史规律难以逆转

考虑到半导体材料产业链是围绕芯片生产为中心，以晶圆为基础配套形成的，晶圆出货量可以大致反映全体半导体材料的需求量，所以，用历年半导体材料市场销售额除以当年晶圆出货量就可以大致估测出半导体材料的单价。

图十九：材料销售额/晶圆出货量

从图中可以看出，虽然18年以后材料单价有所回升（分析可能是中美争端和全行业缺货带来的上涨），但是上升势头放缓明显，不能改变长期降价的趋势，二者也是半导体材料市场增长始终不及设备的最重要原因。因此，未来3-5年，价格很有可能不会有上涨，甚至可能慢慢下滑，成为掣肘材料市场扩张的主要因素。 

3.3 未来五年市场规模预测

3.3.1 半导体材料整体市场预测

本文采取自下而上的方法，由底层需求倒推出上游半导体材料的市场规模。半导体材料的主要客户是中游的晶圆代工厂和其他半导体加工厂，由于集成电路占到半导体产品的80%，这些厂商的采购往往是以配套生产芯片而将晶圆材料和辅助材料配套购买（封装材料同理），因此，只要确定了晶圆出货量，就可以大致以晶圆数量（统一为相同面积）为单位，度量总得半导体材料需求量。本文使用假设估算未来五年的晶圆出货量来近似表示材料需求。

晶圆出货量数据来自权威半导体材料设备机构SEMI，以12英寸晶圆及其等价物为模板计量（8英寸、6英寸均按面积转换），2021年全球晶圆出货1.25亿片，同比增长14.17%。本文运用台积电公布的公司产能数据，结合其市场份额，对部分数据可得的年份进行了检验，认为SEMI的出货量数据是基本符合事实的，可以用于预测。

表五：以8英寸晶圆为单位的全球工厂产能

图二十：全球晶圆出货量

若统一了晶圆使用量，单位产能所用的半导体材料虽然在未来会略有增加（比如封装材料），但不会增加很多，基本可以忽略，而根据上文所说，预计未来3-5年代表单价的材料销售额/晶圆出货量比值，虽然中短期可能有回升，但长期趋势仍然是下降，因此，必须考虑到其均价下跌的风险。

最终的预测模型包括两个给定因子：期间晶圆出货量的增长速度和半导体材料销售额/晶圆出货量的终值。由于预期未来五年将是汽车电子大爆发的时期，参考2013-2017年消费电子大爆发时期的晶圆增长率，敲定了2022-2026之间的晶圆出货量的增长速度。而2026年的半导体材料销售额/晶圆出货量使用给定数据，可以进行调节；2022-2026之间的半导体材料销售额/晶圆出货量数据使用插值法确定。

其中，晶圆出货量的增长速度包含了上文所说半导体产业整体增长的因素：经过两年多的缺芯扩产之后，增速将回落，但5G和新能源汽车带来需求爆发，且由于商业技术和国际政治双重竞争的压力，过剩风险将被部分忽略，预计未来五年的增速不会快速下滑，而是保持中高速度增长。半导体材料销售额/晶圆出货量则包含了上文所说的单价变化的因素：根据历史数据推测，近两年比值的回升主要是产能供求不匹配导致的，度过缺芯危机之后，长期规律将继续发挥作用，单价将会逐渐下降，最终回落到合适水平，本文将其设置为4.5。综上，确定好这两个因子就可以近似的考虑进本文所提出的未来五年半导体材料增长的两大博弈因素。

图二十一：材料销售额/晶圆出货量

最终预测结果：到2026年，半导体材料市场规模将达到737亿美元，五年CAGR达2.77%。

图二十二：半导体材料市场预测

3.3.2 第三代半导体市场预测

第三代半导体被认为是半导体材料中最有增长点的部分，虽然目前占比尚少，但未来其比例可能会增加，因此，不能简单使用同比例法从总市场规模中推出。本文决定，一方面确定现存第三代半导体材料规模，另一方面分析出未来五年其增长率，再依此估算出未来市场规模。

现存第三代半导体材料市场规模没有很权威的统计，且各方口径不一，因此本文决定以全球第三代半导体材料领头人Wolfspeed的营收数据为基础，粗略估算市场规模。Wolfspeed是Cree于2017年分拆出来，2019年开始完全剥离照明和LED等其他业务，集中于第三代半导体业务。目前，公司采用IDM模式，业务有第三代半导体材料、设备和器件的研发、生产和销售，很难单独将半导体材料业务分拆开，但考虑到其主要业务仍然是材料的生产和出售，故近似忽略其他业务。在材料业务中，Wolfspeed主要产品是碳化硅衬底（在其上生长出碳化硅、氮化镓等厚膜），占据市场的40-60%，本文估测选取50%，进而测算出衬底市场，再依据衬底成本与外延成本的平均比例47:23，估算出第三代半导体晶圆的市场规模。最终得到2020年市场规模13.85亿美元，2021年18.29亿美元，增长32%。需要注意的是，由于Wolfspeed业务不止衬底，且并非所有第三代半导体都是以碳化硅为衬底，因此估算的数据很可能存在偏差，只能从数量级上参考。

市场增速方面，本文首先收集了第三代半导体主要应用场景，再根据市场对这些行业的增长预测，拟合出第三代半导体材料的增速。主要应用场景包括：新能源汽车功率器、光伏逆变器、5G设备射频器件、充电桩、轨交牵引变流器等，其增长率分别用新能源汽车出售量、新增光伏装机量GW、新增5G基站数量（包括宏站和小基站）、新增各式充电桩数量、轨交牵引变流器市场规模等的增长率作为拟合。各场景占据的半导体材料金额比例采用中国本土数据，并取2020、2021两年平均值：新能源汽车49.93%、光伏10.92%、5G基站27.68%、充电桩4.44%、变流器7.03%。经过与历史数据的拟合，发现还需乘以参数0.5，从能得到与真实情况基本相符的结果。

最终预测结果，到2025年，第三代半导体材料市场规模将达到35.74亿美元，四年CAGR为18.24%。

图二十三：第三代半导体市场预测