新材料之半导体材料研究报告V10.docx
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新材料之半导体材料研究报告V10
新材料之半导体材料研究报告
1.半导体材料主题投资背景
1.1引言
2017年12月26日，国家发展改革委（下称发改委）办公厅关于印发《增强制造业核心竞争力三年行动计划（2018-2020年）》，计划对各省、自治区、直辖市及计划单列市、新疆生产建设兵团发展改革委，有关行业协会和中央管理企业重点强调，需要按照十九大精神，加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合，计划中制定了九个重点领域，需要让各单位、各协会等有关部门认真贯彻执行！
九个重点领域分别有：
1.轨道交通装备关键技术产业化实施方案
2.高端船舶和海洋工程装备关键技术产业化实施方案
3.智能机器人关键技术产业化实施方案
4.智能汽车关键技术产业化实施方案
5.现代农业机械关键技术产业化实施方案
6.高端医疗器械和药品关键技术产业化实施方案
7.新材料关键技术产业化实施方案
8.制造业智能化关键技术产业化实施方案
9.重大技术装备关键技术产业化实施方案
根据中国政府网前期公布的一条新闻获悉，为贯彻实施制造强国战略，加快推进新材料产业发展，国务院决定成立国家新材料产业发展领导小组，负责审议推动新材料产业发展的总体部署、重要规划，统筹研究重大政策、重大工程和重要工作安排。
据此来讲，国家对发展制造业强国，专门成立国家新材料产业发展领导小组，也就是对新材料领域的重视程度是非常之高的。
所以本次的选题，就以新材料关键产业技术着手，剖析其中具有代表性的领域。
根据近期的产业政策的有利条件，精选了两大领域，分别是：
1、半导体产业领域
2、锂电池新技术产业领域
1.2半导体产业领域相关政策
由于政府的政策支持在集成电路产业的发展中将会起到决定性作用，所以，以下将列举半导体领域的相关政策。
①2014年6月，国务院发布《国家集成电路产业发展推进纲要》，将集成电路产业上升至国家战略高度，给予高度的重视和支持。
内容强调“集成电路产业是信息基础产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全性、基础性和先导性产业，当前和今后一段时期是我国集成电路产业发展的重要战略机遇期和攻坚期”。
②2015年5月8日，国务院为增强制造强国的战略目标，提出了《中国制造2025》
其中明确了发展的十大领域，第一领域为新一代信息技术产业，重点提出发展国产芯片、高密度封装、三维微组装等技术。
③2015年11月25日，工信部印发《国务院关于积极推进“互联网＋”行动的指导意见》
其中重点提出，到2018年，集成电路等领域要取得重大突破，要涌现出一批具有自主创新能力的国际领先企业。
④2016年5月4日，财政部税务总局印发《关于软件和集成电路产业企业所得税优惠政策有关问题的通知》
主要提出对软件、集成电路毕业提供税收优惠。
⑤2016年11月，国务院推出了《中国集成电路产业“十三五”发展规划建议》
建议提出：
力争到2020年关键材料产业化技术水平达到28nm工艺要求，实现产业化，部分专业领域推进到20-14nm，并培育2-3家材料企业成为全球知名品牌。
图表1：
中国集成电路产业“十三五”发展目标
⑥2016年12月15日，国务院印发《“十三五”国家信息化规划的通知》
通知提到：
到2020年，“数字中国”建设要取得显著成效，大幅度提升信息化发展水平，信息技术和经济社会发展深度融合，要实现集成电路等关键薄弱环节重点性突破。
注：
此处可以用表格列举政策
时间
发布主体
文件名称
主要内容
2014年6月
国务院
《国家集成电路产业发展推进纲要》
强调“集成电路产业是信息基础产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全性、基础性和先导性产业，当前和今后一段时期是我国集成电路产业发展的重要战略机遇期和攻坚期”。
2015年5月
国务院
《中国制造2025》
明确了发展的十大领域，第一领域为新一代信息技术产业，重点提出发展国产芯片、高密度封装、三维微组装等技术。
2015年11月
工信部
《国务院关于积极推进“互联网＋”行动的指导意见》
到2018年，集成电路等领域要取得重大突破，要涌现出一批具有自主创新能力的国际领先企业。
2016年5月
财政部
《关于软件和集成电路产业企业所得税优惠政策有关问题的通知》
提出对软件、集成电路毕业提供税收优惠。
2016年11月
国务院
《中国集成电路产业“十三五”发展规划建议》
力争到2020年关键材料产业化技术水平达到28nm工艺要求，实现产业化，部分专业领域推进到20-14nm，并培育2-3家材料企业成为全球知名品牌。
2016年12月
国务院
《“十三五”国家信息化规划的通知》
到2020年，“数字中国”建设要取得显著成效，大幅度提升信息化发展水平，信息技术和经济社会发展深度融合，要实现集成电路等关键薄弱环节重点性突破。
图表2：
中国集成电路相关政策
图表3：
集成电路产业政策目标总览
1.3产业资本领域
为了支持进一步发展国家集成电路领域，2015年成立了国家集成电路产业投资基金，目的是为了有效带动地方基金与社会资本投资热情。
产业基金成立后，各地方也响应国家号召，纷纷成立投资基金。
时间
地区
相关基金
基金规模
2013.12
北京市
集成电路产业发展股权投资基金
300亿
2014.09
中央
国家集成电路产业投资基金
1387.2亿
2014.11
天津市
集成电路设计产业促进专项基金
每年2亿
2015.07
北京市
集成电路海外平行基金成立
20亿
2015.07
江苏省
南京市浦口区集成电路产业基金
10亿
2015.08
湖北省
湖北集成电路产业投资基金
>300亿
2016.02
上海市
集成电路产业基金
500亿
2016.03
福建省
厦门国资紫光联合发展基金
160亿
2016.03
湖南省
国微集成电路创业投资基金
2.5亿
2016.05
四川省
四川省集成电路和信息安全产业投资基金
120亿
2016.06
福建省
安芯产业投资基金
500亿
2016.06
广东省
广东省集成电路产业投资基金
150亿
2016.06
辽宁省
辽宁省集成电路产业投资基金
100亿
2016.09
陕西省
陕西省集成电路产业投资基金
300亿
2016.11
石家庄市
集成电路产业投资基金
100亿
2016.12
江苏省
南京市集成电路产业专项发展基金
500亿
2016.12
江苏省
无锡市集成电路产业投资基金
200亿
2017.02
江苏省
海峡两岸集成电路产业投资基金
100亿
图表4：
集成电路产业相关投资基金
自2004年开始，中央成立《国家集成电路产业投资基金》之后，各省市纷纷响应号召，按照以上产业基金计算，目前的投资总额为4775.5亿元（历史数据），根据根据中国半导体行业协会的测算，IC设计、制造、封测资产投资规模按照专业的投入产出比均值进行测算，设计1:
2，制造1:
0.25，封测1:
1.1。
因此，到2020年，设计产业销售增量2600亿元，需要新增投资1300亿元，制造产业销售增量1600亿元，需要新增投资6400亿元，设计产业销售增量1400亿元，需要新增投资1261亿元，合计新增投资约为9000亿元。
结论：
由此可见，国家政策的密集发布与各类投资仅仅的成立代表中国对集成电路产业发展的决心非常坚定！
1.4目前集成电路市场规模
1.4.1历年半导体行业市场规模
图表5：
半导体行业历年市场规模
受到上个世纪以及本世纪初电子工业的快速发展，由于下游需求，以个人电脑以及移动终端为主的电子产品迅速普及，半导体行业的市场规模逐渐扩大。
图表6：
半导体行业产业结构
半导体产业是电子工业的基础，普遍应用与通信、汽车、计算机、移动电话等领域，半导体行业的主要结构有：
集成电路、光电子器件、分立器件、传感器、市场占比分别为：
81%、10%、6%、3%。
总体上主要是以集成电路产业为主。
1.4.2目前市场规模
根据SIA（美国半导体协会）的统计，2016年全球半导体市场销售额为3389亿美元，年增长率为1.1%，年度销售额创历史新高；
根据WSTS（世界半导体贸易统计组织）的统计，2016年全球半导体销售规模微升0.3%，达到3361亿美元的水平，比2016时年初时预测下降2.4%有较大好转；
根据ICInsights（集成电路观察）的统计，2016年全球半导体市场增长1.0%，达到3571亿美元，并预计2017年全球半导体市场将提升5.0%，市场规模达3750亿美元；
1.4.32016-2017年度造成市场规模增速放缓的主要原因
下游的需求量决定半导体产业发展，2014年-2016年，全球手机业务和平板等消费电子领域整体增速放缓，导致上游半导体行业受到较大影响。
图表7：
全球平板电脑出货量
图表8：
全球手机销量及增速
图表9：
全球个人电脑出货量
传统消费电子领域的市场规模已经出现明显下滑迹象，对半导体行业将造成较大影响。
1.4.4半导体的新起点在哪里？
新兴电子产品领域将替代传统消费电子产品
图表10：
下游产业结构变化
尽管目前智能手机、通信、电脑领域的增速逐渐放缓，但是汽车半导体、CIS图像传感器、物联网MCU微控制器等IC芯片开始快速增长，预计未来几年都将保持较快的增速。
（1）汽车电子领域
图表11：
智能芯片在汽车电子的应用
图表12：
汽车半导体的应用增速
目前汽车已经成为新型电子技术的应用载体，半导体在汽车中得到了越来越多的应用。
汽车半导体所涉及到的技术包括功率IC、IGBT、CMOS等，应用于车载娱乐系统、ADAS辅助驾驶系统、HMI显示系统、电动马达控制、灯光控制、电动车的电源管理系统等多处车载功能模块或器件。
IHS的数据显示，2015年全球汽车半导体市场的总体规模约为290亿美元，预计2013年-2018年，车用半导体的产值将会以每年10.8%的速度快速增长。
（2）摄像头等传感器配件领域
图表13：
摄像头的功能演变
手机摄像头发展历程
2000年夏普公司推出J-SH04手机，搭载10万像素摄像头。
2002年诺基亚、爱立信推出拍照手机，搭载30万像素摄像头。
2005年爱立信推出K750i，搭载200万像素传感器摄像头，集成自动对焦和闪光灯；同年诺基亚推出N90，搭载3倍光学变焦镜头。
2007年诺基亚推出N95内置500万自动对焦摄像头
2010年，诺基亚推出N8拥有1200万像素。
2012年诺基亚发布808PureView搭载4100万像素。
2012年苹果发布IPHONE5，800万像素搭载CMOS传感器。
2016年华为发布P9，首次应用双摄像头，拥有1200万像素，组合徕卡镜头、深度计算服务芯片。
2016年，小米发布小米5，首次应用4轴光学防抖，支持横向+纵向+前倾+侧倾的全方位修正抖动。
2017年，小米发布小米6，采用12MP广角镜头+12MP长焦镜头并把摄像头做平，达到2倍光学无损变焦和4轴光学防抖。
在移动设备和汽车应用的驱动下，2015-2021年，CMOS图像传感器（CIS）产业的复合年增长率为10.4%，预计市场规模将从2015年的103亿美元增长到2021年的188亿美元。
智能手机中的摄像头数量增长将消除智能手机出货量增长缓慢带来的影响，双摄像头和3D摄像头将对CMOS图像传感器的出货量产生重要影响。
（3）物联网领域
图表14：
物联网、汽车电子、消费电子等领域对芯片的需求越来越大
根据中关村在线援引ICInsights的分析，物联网（IoT）和汽车应用将成为2015-2020年间带动晶片销售成长最主要的动能。
在这段期间，IoT晶片销售额的复合年增率可望达到13.3%；车用晶片的CAGR则为10.3%。
同期整体半导体销售金额的CAGR则为4.3%。
该报告还预估，2016年物联网相关应用将为半导体产业带来128亿美元销售额，与汽车应用有关的晶片销售额则可望达到229亿美元。
图表15：
中国物联网市场规模
（4）VR/AR领域
VR/AR领域是电子领域新技术革命，将改变人机交互方式，将成为继电脑和智能手机之后下一个计算平台，据高盛预测，到2025年，VR/AR市场份额将达到800亿美元，如果可以解决电池和异动问题，营收将达到1820亿美元
图表16：
全球VR市场规模
（5）人工智能AI领域
图表17：
人工智能领域市场潜力
AI人工智能可广泛应用于汽车、娱乐、金融、教育、医疗、制造业、交通等各行各业，这些重构的领域之多、力度之大将是前所未有的，在这背后蕴藏的是AI无限想象的市场空间。
国内外众多机构纷纷对AI在各行各业巨大的潜力进行了预测，结果显示AI具有极其强大的应用潜力。
根据GARTNER的基础研究路线阶段图，目前人工智能大多数子领域处于时间短于5年的技术萌芽期和期望膨胀期。
如自然语言问题回答、语音机器翻译实时演示、智能预测与建议、自动驾驶等还处于发展时间在2年至5年之间的膨胀期，计算机脑交互、虚拟个人助手等处于时间短于2年的萌芽期。
目前人工智能的基础是数据，核心是算法，芯片则是整个系统运行的硬件平台。
一般来说人工智能系统对于搜集来的大量数据用某些特定的算法在硬件平台上进行处理、消化后，对用户提供某些建议或根据设定的程序自动进行反馈，从而形成人工智能系统。
图表18：
2016-2021年人工智能芯片市场规模
根据中商产业研究院的统计，2016年人工智能芯片市场规模达到6亿美元，预计到2021年将达到52亿美元，年复合增长率达到53%，增长迅猛。
图表19：
全球半导体领域2018-2021市场规模预测
集成电路在汽车领域的应用、在工业领域的应用，乃至物联网市场的崛起，以及VR娱乐领域的市场规模的扩大，预计2018年的市场规模将进一步扩大。
1.4.5在全球半导体市场规模存量时代，我国将夺取新的市场占有率
根据行业数据计算：
中国2016年半导体设备市场规模64.6亿美元，同比增长31.8%，全球增速最快，成为仅次于台湾和韩国的第三大半导体设备市场。
大陆在半导体装备上的投资主要是国内公司加大了投入，其中领头的有华力微电子、SMIC中芯国际等老牌半导体公司，也有长江存储科技、福建晋华半导体、清华紫光、以色列塔科马（在中国有投资晶圆厂）以及合肥长鑫半导体等新兴公司。
中国2017年预计市场规模为68.4亿美元，同比增长5.9%，市场规模排在韩国和台湾之后。
中国2018年半导体设备的市场规模有望迎来爆发，达到110.4亿美元，同比增长61.4%，一跃成为仅次于韩国的第二大半导体设备市场。
图表20：
全球半导体市场国家占比
国家
2000
2015
增长率
市场规模
全球份额
市场规模
全球份额
美国
640.71
31.30%
687.38
19.70%
4.80%
欧洲
423.09
20.70%
342.58
11.40%
1.80%
日本
467.49
22.90%
311.02
10.60%
0.50%
亚太
512.65
25.10%
2010.7
58.30%
13.00%
中国
113.86
5.60%
1649.5
50.70%
21.40%
图表21：
地区2000-2015半导体市场规模增速
图表22：
中国半导体消费市场占全球比例
2000年~2015年的16年里，中国半导体市场增速领跑全球，达到21.4%，
其中全球半导体年均增速是3.6%，美国将近5%，欧洲和日本都较低，亚太较高13%。
就市场份额而言，目前中国半导体市场份额从5%提升到50%，成为全球的核心市场。
上升速度较快的主要原因是国内在半导体行业下游的终端产品有着较强的市场需求和快速的发展。
中国在2015年的半导体产能仅仅占全球产能的9.7%，虽然相较于2014年7%，已经增长38.6%（全球增幅最大），但是相较于其较高端的消费市场份额，还是出现了较大的需求缺口。
1.5我国半导体产业发展前景
1.5.1受政策扶持力度推进，芯片国产化空间广阔
近年来，随着我国半导体市场供需缺口的日益增大，国家也相继出台一系列政策，大力支持我国IC产业的发展。
2014年出台的《国家集成电路产业发展推进纲要》政策在产业规模目标、产业链各环节技术节点上都作了相应的规划与指导。
（政策详见文章上部分）
1.5.2国家集成电路产业基金扶持，有望实现技术国产化。
图表23：
国家集成电路产业投资基金已经投资的标的
在政策和基金的推动下，半导体产业已初具成效：
在IC材料领域，国内已经突破12英寸硅晶圆技术，预计今年年底量产。
具有先进水平的高端靶材、高纯化学试剂、光刻胶等材料已投放市场；在IC设备领域，国内高端光刻机、刻蚀机等设备实现零的突破，正逐步追赶国际先进水平；在IC设计领域，以海思、展讯为代表的国内厂商开始崭露头角，市场份额逐步提升；在IC制造领域，国内已突破28nm制程，12英寸晶圆厂也在快速增长中；在IC封装测试领域，国内厂商已经具备一定的竞争实力。
1.5.3集成电路产业进口替代需求大
图表24：
我国集成电路出口、进口贸易量
随着国内消费市场占比增加，强大市场需求推动国内产业链走向完善和升级。
中国在半导体消费市场中占比不断上涨，2012年后已经超过50%，主要原因是国内在半导体行业下游的终端产品有着较强的市场需求和快速的发展。
中国在2015年的半导体产能仅仅占全球产能的9.7%，虽然相较于2014年7%，已经增长38.6%（全球增幅最大），但是相较于其较高的消费市场份额，还是出现了较大的需求缺口，随着政策扶持力度以及投资基金的支持，技术国产化，产业链升级完善势在必行。
图表25：
国内IC制造业产值与增速
图表26：
国内IC设计业产值与增速
随着国内产值与市场规模的不断扩大，集成电路制造也对电子化学品需求量巨大，进口替代空间广阔。
集成电路制造过程中，每一个环节都离不开化学材料，如晶圆，湿电子化学品，高纯电子气体，光刻胶，靶材等。
在当前集成电路发展的趋势下，这些材料的市场需求量也会随之升高，集成电路对化学品有着非常高的技术要求，目前高端材料市场主要由国外公司占领，材料市场进口替代空间非常大。
2.半导体产业链解析
2.1半导体概述
半导体，Semiconductor，是指常温下电导率介于金属与绝缘体之间的材料，由于半导体的导电性的可控制性，广泛地应用于大部分的电子产品中，常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。
通常金属的电导率大于一万（104）Ω-1cm-1，如铝、铜、银、铂等，而绝缘体的电导率则小于百亿分之一（10-10）Ω-1cm-1，如橡胶、陶瓷、塑料等，电导率介于104-10-10Ω-1cm-1之间的一种固体材料，则被称为半导体。
半导体的电导率并不是一成不变的，它会随着掺入杂质元素、受热、受光照、受到外力等种种外界条件，而在绝缘体和金属之间电导率区间内发生变化，这些特性使得半导体衍生出了较为丰富的应用场景。
图表27：
半导体的电导率区间
2.2半导体产业链介绍
半导体产业链可分为上游（半导体材料和半导体设备）、中游（半导体产品的设计、制造和封装）、下游（半导体产品的应用）三大环节。
图表28：
半导体产业链
2.2.1半导体产业链上游：
半导体材料和设备
2.2.1.1半导体材料
半导体材料包括半导体制造材料（晶圆、微细加工材料）和封装材料，半导体材料对中游的制造和封测环节起到支撑作用。
（1）晶圆是指由半导体构成的晶体圆片，又称为衬底，是制造半导体器件的“地基”，通过在晶圆上实施一系列的工艺流程，就可以得到相应的半导体产品。
构成晶圆的半导体材料有：
第一代（以硅为代表）、第二代（以砷化镓为代表）、第三代（以氮化镓、碳化硅为代表）。
第一代半导体晶圆发展最为成熟，应用也最为广泛，但是在光电、射频、功率等领域仍缺乏优势；第二代半导体主要应用在红外-绿光波段的光电子领域以及民用射频器件领域，目前发展相对成熟；第三代半导体还处于发展初期，较高的制造成本使其市场占有率远不如前两代材料，但是其在蓝紫光波段的光电子领域、高性能军用射频领域、功率半导体领域具有天然的优势。
目前大部分晶圆仍以硅为主要原料。
硅晶圆的尺寸越大，加工难度也越大。
目前硅晶圆的主流尺寸有6英寸（150mm）、8英寸（200mm）和12英寸（300mm）三种。
图表29：
三代晶圆材料情况介绍
（2）微细加工材料是指晶圆代工过程中所需要的化学气体和试剂，包括光刻胶、掩膜版、电子气体、湿化学品、溅射靶材、化学机械抛光（CMP）材料等，每一个子类都包含了几十甚至上百种具体的产品。
微细加工材料的特点就是品种多、门槛高、质量要求严格。
以湿化学品这一个子类举例，就存在对金属离子、颗粒等众多污染物的严格把控。
随着集成电路尺寸的不断缩小，对湿化学品的SEMI标准也在不断提高，目前纳米尺度的IC产品要使用Grade4以上的湿化学品才能满足整个IC产品的加工要求。
（2）封装材料是指在晶圆上形成有引出管脚和钝化保护壳的独立芯片过程中用到的各类材料和工具，主要包含引线框架、基板、陶瓷封装材料、封装树脂、键合丝、粘晶材料等。
其中基板是占比最大的细分市场，其次为引线框架和键合丝。
随着TSV（ThroughSiliconVias，硅通孔技术）等先进封装技术的出现，引线框架和键合丝在封装市场规模中的占比有所下降。
根据国际半导体产业协会（SEMI）报告，2016年全球半导体制造材料市场规模在247亿美元，封装材料市场为196亿美元。
其中，在半导体制造材料中，硅晶圆的占比最高，达32%，硅晶圆与掩膜版、电子气体、CMP材料、光刻胶合计占比近80%，是影响半导体制造流程中最主要的材料。
图表30：
半导体材料构成（2016年）
2.2.1.2半导体设备
半导体设备是指半导体产业链中所涉及到的专用设备，分为晶圆生产设备、芯片加工设备和封测设备。
（1）晶圆生产设备用于获得高质量的半导体晶圆，如拉制硅锭的单晶炉、切割硅锭的切片机、消除表面及边缘缺陷的晶圆滚磨机等。
（2）芯片加工设备是在进行晶圆加工过程中涉及到的专用设备，如光刻机、离子注入机、氧化炉、化学机械抛光（CMP）机等。
（3）封测属于后端工艺，目的是对加工好的芯片进行管脚引出、外壳保护和可靠性测试，涉及到的设备有：
晶圆划片机、引线键合机、探针测试台等。
（4）光刻机是半导体工艺中最重要的设备之一，光刻过程是指通过晶圆的对准和曝光，将掩膜版上的图形聚焦成像到涂有光刻胶的晶圆上，以实现具有高分辨率的图形转移的过程。
目前世界上最先进的光刻设备是ASML公司生产的极紫外光源（EUV）光刻机。
EUV光刻机技术壁垒极高，价格达到1.1亿美金/台，目前EUV光刻机只有ASML一家能够生产。
三星、Intel、台积电三大半导体巨头都是ASML的客户，在2017年第一季度，ASML已经开始交付第四代EUV系统NXE:
3400B，曝光速度达125片晶圆/小时。
2.2.2产业链中游：
设计、制造、封测三大环节
半导体产
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