解析湿电子化学品的三大应用需求 5年后我国市场空间将达200亿

微观人 2022-01-12

晶圆半导体光伏材料

7172 字丨阅读本文需 16 分钟

湿电子化学品,又称超净高纯试剂或工艺化学品,是超大规模集成电路、分立器件、液晶面板显示器、太阳能电池、LED等制作过程中,不可缺少的关键性基础化工材料之一。包括显影液、剥离液、清洗液、刻蚀液等。

目前我国半导体国产化,最重要的6个方向之一,就有湿电子化学品。

与欧美日等头部企业相比,我国湿电子化学品行业起步较晚,国内较多企业主要集中于太阳能电池、分立器件等低端市场,在高代线面板及半导体为代表的高端湿电子化学应用领域,外资企业占据大部分市场,所以国产化势在必行。

湿电子化学品特点和分类

湿电子化学品的生产工艺主要采用物理的提纯技术及混配技术,将工业级的化工原料提纯为超净高纯化学试剂,并按照特定的配方混配为具有特定功能性的化学试剂。

湿化学品更新换代快,洁净度要求极高,具有产品规格多、单个品种用量少、质控要求极高、等特点。湿电子化学品多为易燃、易爆、强腐蚀的危险品,对包装、运输的要求极高。

按照组成成分和应用工艺不同,湿电子化学品可分为通用性和功能性湿电子化学品。通用湿电子化学品以超净高纯试剂为主,(酸类、碱类、溶剂类,如硫酸、氢氟酸、双氧水、氨水、硝酸、异丙醇等);功能性湿电子化学品指通过复配手段达到特殊功能、满足制造中特殊工艺需求的复配类化学品,(配方产品,如显影液、剥 离液、清洗液、刻蚀液等)。整体来看,通用湿电子化学品是我国湿电子化学品市场主流产品,占比达到88%以上。

湿电子化学品位于电子信息产业偏中上游的材料领域,其上游是基础化工产品,下游是电子信息产业(信息通讯、消费电子、家用电器、汽车电子、LED、平板显示、太阳能电池、军工等领域)。

作为精细化工和电子信息行业交叉的领域,湿电子化学品行业特色充分融入了两大行业的自身特点,是化工领域最具发展前景的领域之一。

发展历程

初期发展阶段:1975 – 2005年,国内湿电子化学品企业的规模和技术水平都较低,与国际的湿电子化学品大型企业相差甚远,部分民营企业开始纷纷加入湿电子化学品行业

生产转向规模化发展阶段:2006 – 2009年,部分技术力量薄弱、生产经营不规范的企业退出了化学试剂行业,而技术力量突出、生产经营规范、品质较好的优秀企业获得了市场地位,行业集中度有所提高

大规模快速发展阶段:2010年至今,湿电子化学品的生产、检测、包装和技术服务水平开始攀升到一个新阶段,装备及技术实力得到大幅度的提升

应用领域

湿电子化学品主要应用在三大领域。

1.半导体

湿电子化学品在半导体制造领域的应用,主要在集成电路和分立器件制造用晶圆的加工方面,还包括晶圆加工前的硅片加工以及后端的封装测试环节,主要用于清洗和蚀刻。

我国半导体市场持续快速增长,2020年国内半导体用湿电子化学品需求量45万吨。随着我国经济结构调整,新兴产业,计算机、消费电子、通信等产业规模将持续增长,大大拉动了对上游集成电路需求。

2.平板显示

湿电子化学品用于面板制造的显影、蚀刻、清洗等工序,2020年国内平板显示用湿电子化学品需求量69万吨。中国大陆面板产业的迅速崛起,推动国内湿电子化学品需求增长提速。

3.太阳能电池

光伏平价上网,打开了湿电子化学品长期空间。湿电子化学品主要应用太阳能电池片制造的制绒、清洗及蚀刻。2020年国内太阳能电池用湿电子化学品需求量41万吨。氢氟酸、硝酸、氢氧化钾是太阳能电池片制造中用量最多的品种。

湿电子化学品市场规模

全球湿电子化学品市场由美欧向亚太过渡,欧美、日本企业份额逐年降低。根据中国电子材料行业协会数据,2018年全球半导体、平板显示、太阳能电池三大应用市场使用湿电子化学品总量达到307万吨,全球市场规模52.65亿美元。2019年,全球湿电子化学品行业市场规模达到55亿美元。

随着产量与需求量的增加,我国湿电子化学品市场规模也逐年上升,从2011年的27.82亿元增长至2018年的87.89亿元,复合年增长率达到17.86%;到2019年我国湿电子化学品市场规模约达94.17亿元,同比增长7.15%;2020年我国湿电子化学品市场规模达到100.62亿元左右,同比增长6.85%。

随着下游应用领域的蓬勃发展,我国湿电子化学品产品需求量将持续走高,行业发展势头向好。预计到2021年中国湿电子化学品市场规模将达到117.46亿元;按10.%左右的年均增速来测算,初步估计到2027年中国湿电子化学品市场规模将突破200亿元,达到210.38亿元左右。

三大应用需求

1、太阳能电池

太阳能电池主要是一个大面积的半导体光电二极管,是一种由于光生伏特效应而将 太阳光能直接转化为电能的电子元器件,能利用光电材料吸收光能后发生光电效应,将 光能转换为电能,因此太阳能发电又称为光伏发电。光伏太阳能电池包括单晶硅、多晶 硅、薄膜太阳能电池三种。

晶体硅太阳能电池:硅系列太阳能电池中,单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术 也最为成熟,一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术,开发的电池主要 有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。单晶硅太阳能电池在大规模应用和工业 生产中占据主导地位。

多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上,用相对薄的晶体 硅层作为太阳能电池的激活层,不仅保持了晶体硅太阳能电池的高性能和稳定性,而且 材料的用量大幅度下降,明显地降低了电池成本。

晶体硅太阳能电池制造的常规工艺主要包括:硅片清洗、绒面制备、扩散制结、等离 子周边刻蚀、去磷硅玻璃、PECVD 减反射膜制备、电极印刷及烘干、烧结、Laser 和分 选测试等。

薄膜太阳能电池:薄膜太阳能电池指用单质元素薄膜、无机化合物薄膜或者有机材 料薄膜等制作的太阳能电池。通常其厚度约为 1-2μm。这些薄膜通常用化学气相沉积、 真空蒸镀、辉光放电、溅射等方法制得。薄膜太阳能电池具有轻质、耐用、简单等优点。 根据所用半导体的类型,薄膜太阳能电池主要有以下三类:非晶硅、碲化镉和铜铟镓硒。

非晶硅薄膜电池的生产过程由清洗透明导电玻璃(TCO)、第一次激光刻划、等离子增 强化学气相沉积(PECVD)、第二次激光刻划、磁控溅射镀膜、封装测试、热老化等步骤 组成。

一般来说太阳能电池制作包括清洗、表面腐蚀、制绒、蚀刻、去磷硅玻璃清洗六大 工艺。

运用在太阳能电池中的湿电子化学品具有种类相对较少,但用量大的特点。湿电子 化学品主要运用于太阳能电池片制造中的清洗、腐蚀、制绒等工序中。硫酸、王水、酸 性和碱性过氧化氢溶液等是光伏太阳能制造中的“清洗剂”。硅片的洁净度和表面状态 对光电转换效率的影响很大,是生产中的重点工序,通过这些化学清洗剂可以达到去污 的目的。

一般来说,光伏太阳能电池领域只需要 SEMI 标准的 G1 级水平,是我国国产湿电子 化学品的主要市场。我国是全球最大的太阳能电池板生产国,光伏太阳能电池国产化率 达到 98%。

在“碳中和”背景下,新能源发电对传统能源发电的替代速度加快,光伏太阳能的 增量市场推动湿电子化学品需求增长。中国光伏行业预测,2021 年全球光伏将新增装机 150-170GW,2025 年新增装机 270-330GW;2021 年我国将新增 55-65GW,2025 年预计 将新增 90-110GW,未来 5 年存在翻倍增长空间。2019 年中国光伏发电渗透率不到 3%, 根据国家能源局公布的《关于 2021 年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知(征求意 见稿)》,2021 年全国风电、光伏发电用量占全社会用电量比重将达到 11%,2025 年达 到 16.5%左右,光伏发电将凭借政策驱动及装机成本降低迎来市场高速增长。太阳能光 伏装机量的提升带动太阳能电池产量的增加,2020 年太阳能电池产量达到 15728 万千瓦, 近 5 年 CAGR 为 21.8%

2、平板显示

平板显示行业主要指的是对于平板显示器进行制造,应用于下游移动通讯、数码设 备、电脑以及电视等等。在平板显示的发展阶段中,主要技术包括液晶显示(LCD)、 等离子显示(PDP)、有机发光二极管显示(OLED)、场发射显示器(FED)。现在迅 猛发展的 TFT 液晶显示器(TFT-LCD)具有成本低、高解析度、高亮度、宽视角、能耗 低等特点,已经成为了产业中的主导产品。 TFT-LCD 面板的制作主要包括阵列制造工艺(Array)、彩膜(CF)制造工艺、液 晶盒(Cell)制造工艺以及模组(Module)制造工艺。

阵列制造工艺和彩膜制造工艺是对于品质要求最为严苛的地方,也是湿电子化学品 核心应用场景。

(1)阵列工艺,一般有导电层沉积、清洗、光刻胶覆盖、光刻曝光、显 影、烘干、蚀刻、光刻胶剥离等步骤。完成后一般重复 5 次从而在最后形成复杂的电极。 在制作流程中,主要在清洗、显影、蚀刻和光刻胶剥离的过程中需要使用湿电子化学品。

①清洗包括两个层面,一者是洗去玻璃基板制成过程中的尘粒,一般使用中性清洗剂(包 含去离子水、界面活性剂和添加剂)或是去离子水。另一者是使用碱性清洗液来去除油 污。另外一个较为细致的点是光刻胶容易在涂胶喷嘴上残留,固化后会影响涂布效果, 一般使用丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)和丙二醇甲醚(PGME)的混合液来快速溶解光 刻胶。②显影工艺中一般常用四甲基氢氧化铵(TMAH)的水溶液作为显影液。③蚀刻 工艺中一般是各种酸,按照制程不同选取草酸系(草酸、添加剂、界面活性剂)、盐酸 系(HCl,FeCl3)、和混酸(H2SO4 和 HNO3)等。④剥离工艺中一般采用二甲基亚岚 (DMSO)和单乙醇胺(MEA)7:3 质量比的混合液,使得光刻胶起泡膨胀并将接触面浸 润,剥离并溶解光刻胶。未来出于环保考虑,也会使用二乙二醇单丁醚(BDG)来替代 DMSO。

(2)彩膜工艺与阵列工艺中湿电子化学品的使用类似,也包括多次的曝光和显影等 等操作。一般彩膜工艺中运用的显影液分为氢氧化钾(KOH)为代表的强碱系和碳酸氢 盐为代表的弱碱系。

面板显示主要分为 LCD 和 OLED,LCD 中剥离液、AL 刻蚀液、Cu 显影液用量最 多,合计占比超过 50%,OLED 中,剥离液和显影液用量合计占比 70%,国内布局企业 有:①江化微剥离液、蚀刻液和稀释剂纯度达 G3-G4,3.5 万吨产能在建中;②江阴润玛 蚀刻液,产能未公布。

下游市场规模,2019 年全球面板显示行业市场规模为 1000 亿美元,2016-2019 年 CAGR 为-1.2%,中国大陆市场规模约为 1740 亿元,占比 26%,2016-2019 年 CAGR 为 2%。面板显示行业市场增长有五大驱动力,“全球产 业链转移、消费升级、技术迭代、应用场景拓宽、国家政策支持”,显示面板市场规模 将进一步提升,预计 2025 年中国大陆 LCD、OLED 市场份额将提升至 69%、47%。

OLED 产能提升使得湿电子化学品用量增加,预计 2024 年显示面板用湿电子化学 品需求量翻 1.3 倍。AMOLED 是 OLED 主要品类,2019 年中国大陆 LCD、AMOLED 产 能分别为 148.8、3.2 百万平方米,DSCC 预计 2024 年将提升至 211.8、31.1 百万平方米。 根据产业信息网数据,单位面积 OLED 面板制造所需的湿电子化学品用量是 LCD 面板的 7 倍,预计 2024 年面板显示用湿电子化学品将翻 1.3 倍,达 105 万吨。

平板显示行业用湿电子化学品,在 G6 以上高世代线的国产化替代市场非常广阔。 面板用湿电子化学品纯度需要达到 G2-G3,G6 以下世代线国产化率已达到 50%以上, G6 以上高世代线国产化率很低,仅为 10%,根据 Omdia 数据,中国大陆在 2017 年首次 超过其他国家,成为G6以上高世代线产能最大的地区,2019年在全球比例已经达到53%, 预计 2024 年占据 68%份额,突破高世代线 PDF 用湿电子化学品成为国产化替代关键。

3、半导体

半导体产业分为集成电路和分立元器件两大分支。从工艺流程的角度来看主要分为 芯片设计、前段晶圆制作和后段封装测试。其中前段晶圆制作是半导体制作的核心工艺。 与平板显示制造的流程类似,整个晶圆的制造过程中需要反复通过十几次清洗、光刻、 蚀刻等工艺流程,而这些步骤都需要湿电子化学品的参与。

湿电子化学品主要用于清洗颗粒、有机残留物、金属离子、自然氧化物等污染物, 以及前道工艺中显影、光刻胶剥离,后道工艺中清洗、溅射、黄光、蚀刻等环节。

半导体对湿电子化学品纯度要求最高。随着集成电路的存储容量不断增大,电池容 量的要求也越来越高,电池上的氧化膜会变得更薄,湿电子化学品中的碱金属杂质(Na、 Ca 等)会溶解进氧化膜中,导致绝缘电压下降。若杂质附着在硅晶片的表面,会使得 P-N 结耐电压降低。此外,杂质也是电路腐蚀或漏电的重要因素。

晶圆加工中,硫酸和双氧水用量最多,两者合计占比超过 50%,国内布局两种湿电 子化学品且纯度达到 IC 级别的企业有:①晶瑞电材超净高纯双氧水,以及在建的 3 万吨 超净高纯硫酸;②兴发集团的电子级硫酸,现有 2 万吨,在建 4 万吨;③江化微硫酸在建中,与在建的氨水和盐酸产能合计 5.8 万吨,投产后纯度可达 G4-G5。

随着半导体产业向国内转移,地域性规律将克服技术差距倒逼国内发展脚步,国内 厂商发展趋势动能十足。全球第三次半导体产业链向中国大陆转移,主要涉及制造环节, 大陆晶圆产能处于高速扩张期,根据 SEMI 数据,中国大陆晶圆厂产能市场份额从 1995 年 1.7%提升至 2020 年 22.8%,成为第一大晶圆生产国。2017-2020 年全球陆续投产 62 座晶圆厂,中国大陆占 40%(26 座),部分处于产能爬坡中;2021-2022 年,中国大陆 预计将有另 8 座晶圆厂开工建设,占全球比例近 1/3,晶圆厂产能扩张和集中建设将刺激 半导体配套材料需求爆发。

大英寸晶圆产能提升使得半导体用湿电子化学品用量增加,纯度要求更高,预计 2024 年湿电子化学品需求量翻 1.5 倍。未来几年晶圆厂扩产计划以 8 寸和 12 寸为主,尤 以 12 寸居多。根据中芯国际公司公告,2024 年 12 英寸、8 英寸晶圆月产能将分别达到 273 万片/月、187 万片/月,合计占比达 61%。根据产业信息网数据,12 英寸晶圆所消耗 的湿电子化学品,是 8 英寸晶圆的 4.6 倍,6 英寸晶圆的 7.9 倍,预计 2024 年半导体用 湿电子化学品需求量将翻 1.5 倍,达到 104 万吨。而 8 英寸以上晶圆所用湿电子化学品 的国产化率仅为 10%,国产产品尚集中于低端市场,能够突破高纯度技术的企业将在未 来获得更多市场份额。

根据 SEMI 标准,IC 线宽范围越小,纯度要求越高,200nm-90nm 要求 G4 纯度湿电子化学品,90nm 以下的芯片要求使用 G5 纯度。国内达到 G5 纯度级别的 企业包括:①晶瑞电材超净高纯双氧水和超净高纯氨水,以及在建的 3 万吨超净高纯硫 酸;②多氟多电子级氢氟酸,1 万吨;③滨化股份电子级氢氟酸,0.6 万吨;④兴发集团 的电子级硫酸,现有 2 万吨,在建 4 万吨。⑤兴发集团联营企业兴力电子的电子级氢氟 酸,现有 1.5 万吨,在建 1.5 万吨;⑥上海新阳,芯片铜互连电镀液可用于 90-14nm、干 法蚀刻后清洗液可用于 28nm 以上制程,现有产能 0.56 万吨,在建 1.5 万吨;⑦中巨芯,1x 纳米制程所需电子级氢氟酸,产能未公布;⑧江化微硫酸、氨水、盐酸在建中,产能 5.8 万吨,投产后纯度可达 G4-G5。

在全球 8 英寸和 12 英寸晶圆中,90nm 以下制程 2020 年占比达 53%,预计 2025 年 份额将提升至 61%,90nm 以下制程成为全球晶圆厂生产趋势。反观中国大陆,在统计的 14 座晶圆厂中,现有产线中,200nm 以上产能约为 65.6 万片/月,200nm 以下约为 85.4 万片/月,90nm 以下约为 67.8 万片/月;在建产线,均以 90nm 以内为主,更小制程成为 扩产趋势。掌握 G4-G5 纯度工艺的企业将更有机会在国产替代进程中,更快导入国内下 游晶圆厂商,获得更多订单。

化工板块湿电子化学品企业梳理

在国产替代进程加快及技术突破驱动下,湿电子化学品行业进入者逐渐增多,我们 认为对于湿电子化学品行业而言,具有高创新能力、产品品类丰富、产品纯度高的企业 将获得更多市场份额及更高附加值,本报告将从产品布局、研发能力、资金情况和客户 体系 4 个方面分析各公司情况。

(一)江化微:湿电子化学品专业提供商,产品种类丰富

1、产品布局

江化微是国内一家湿电子化学品专业服务提供商,产品品种多达 50 余种,现有产能 9 万吨,在建产能 12.3 万吨,现有品种纯度已经达到 G3 水平,主要应用于光伏、面板 和半导体领域。公司镇江一期在建项目包括剥离液、蚀刻液、稀释剂,纯度已经达到 G3-G4。

江化微光刻胶配套试剂毛利率高于超净高纯试剂,且营收占比从 2012 年 27.5%提升 至 2020 年 43%。受原料涨价和行业价格战影响,超净高纯试剂和光刻胶配套试剂毛利率 均呈现下滑趋势。

江化微有 3 个生产基地,江苏江阴为本部,位于华东地区,主要覆盖半导体、平板 显示、光伏等高、中、低等级系列产品。在建的是江苏镇江和四川眉山基地,江苏镇江 位于华东地区,主要覆盖半导体行业,四川眉山主要是开拓西南地区平板显示行业,预 计两处基地将于 2021 年建成投产,投产后公司运输费用将进一步降低,2020 年起江化 微将执行《企业会计准则第 14 号——收入》,将与商品销售相关的运输费用计入营业成 本。因为湿电子化学品具有高纯度、高洁净度要求,因此运输工具要求和运输成本较高, 随着公司产品体量扩大,2019-2020 年运输费用大幅提升,2020 年相较于 2014 年,运输 费用占营收比例提升 2%,新基地的建设将有效降低运输费用的影响,并扩大客户覆盖面。

2、研发能力

江化微研发能力较好,研发支出相对较高,2020 年占营收比例达到 5.4%,近 5 年保 持 16%增速增长,研发人员数量为 48 人,占比达到 13%。专利方面,截至 2020 年,江 化微共有 83 项专利,包括 32 项发明专利、50 项实用新型专利和 1 项外观设计专利。江 化微与南京大学进行产研合作,接触领域最新前沿理论。董事长殷福华先生拥有 20 余年 的湿电子化学品研究、生产、管理经验,带领公司先后研发出高效酸性剥离液、铝钼蚀 刻液、低温型水系正胶剥离液、低张力 ITO 蚀刻液、高分辨率显影液、二氧化硅蚀刻液、 钛-铝-钛金属层叠膜用蚀刻液等十三类产品,被江苏省科学技术厅评定为高新技术产品。

3、资金情况

江化微从 2017 年开始募资进行产能扩张,资本性支出大幅飙升,增速达到 328.5% 高点,资本支出与折旧摊销比值抬升至接近 10,扩张风格偏向激进,由此带来销售规模 的扩张,2020 年营收为 5.6 亿元,近 3 年营收 CAGR 达 17%。

4、客户体系

江化微湿电子化学品下游在平板显示、半导体及 LED、光伏太阳能三大领域均有涉 及,客户体系较为成熟,覆盖各领域头部厂商。

(二)晶瑞电材:产品研发国内领先,三大王牌产品纯度已达 G5

1、产品布局

晶瑞电材主营产品包括超净高纯试剂、光刻胶、锂电池材料、基础化工材料和能源 等,其中 2020 年超净高纯试剂营收占比为 20%,呈现下滑趋势,毛利率同样逐年下降, 主要是因行业愈趋激烈,公司加大纯度较高电子试剂的研发和投产,以改善毛利率情况。

2020 年,晶瑞电材超净高纯试剂产能共有 3.87 万吨,产能利用率达到 107.55%。其 中用于半导体前道工艺的超净高纯双氧水、超净高纯硫酸、超净高纯氨水纯度可达 G5, 金属杂质含量低于 10ppt,打破国外垄断,其中高纯双氧水既是用量最大的品类,用量占 比达到 16.7%,也是提纯难度最大品类之一,9 万吨超大规模集成电路用半导体级硫酸项 目(一期)预计于 2021 年投产。其他产品如 BOE、硝酸、盐酸、氢氟酸等产品达到 G3、 G4 级别,可用于平板显示、LED、光伏太阳能等行业。

2、研发能力

截至 2021 年 8 月,晶瑞电材拥有研发人员 96 名,研发人员占比保持在 15-20%之间, 2020 年研发支出占比为 3.31%。公司在 2018 年和 2020 年分别进行两次股权激励,2018 年激励包括核心技术骨干在内的 48 名人员 99.7 万股,占比 1.13%,2020 年激励包括核 心技术骨干在内的 28 名人员 322 万股,占比 1.71%,将技术人员和公司利益深度绑定, 彰显公司对未来的发展信心。

3、资金情况

2020 年晶瑞电材资本支出大幅提升,达到 2.44 亿元,增速达 210.4%,主要是因收 购派尔森,拓展锂电池材料应用领域,与湿电子化学品和光刻胶业务形成协同效应。

4、客户体系

高纯半导体用湿电子化学品已进入中芯国际、华虹宏力、长江存储、士兰微等头部 企业客户体系,数十家客户正在认证中。公司主营产品光刻胶与高净纯试剂下游有很大 重叠,同时覆盖半导体和面板行业,具有客户导入优势。

文章来源:未来智库,经伟论,寻材问料,中国消费品质量安全

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