蓝宝石单晶炉市场现状分析及发展前景

蓝宝石单晶炉市场现状分析及发展前景半导体材料市场规模快速增长随着下游电子设备硅含量增长，半导体需求快速增长。在半导体工艺升级+积极扩产催化下，半导体材料市场快速增长。据SEMI报告数据，2021年全球半导体材料市场收入达到643亿美元，超过了此前2020年555亿美元的市场规模最高点，同比增长15．9%。晶圆制造材料和封装材料收入总额分别为404亿美元和239亿美元，同比增长15．5%和16．5%。此外，受益于产业链转移趋势，2021年国内半导体材料销售额高达119．3亿美元，同比增长22%，增速远高于其他国家和地区。先进制程持续升级，半导体材料同步提升进入21世纪以来，5G、人工智能、自动驾驶等新应用的兴起，对芯片性能提出了更高的要求，同时也推动了半导体制造工艺和新材料不断创新，国内外晶圆厂加紧对于半导体新制程的研发，台积电已于2020年开启了5nm工艺的量产，并于2021年年底实现3nm制程的试产，预计2022年开启量产。此外台积电表示已于2021年攻克2nm制程的技术节点的工艺技术难题，并预计于2023年开始风险试产，2024年逐步实现量产。随着芯片工艺升级，晶圆厂商对半导体材料要求越来越高。化合物半导体晶体生长设备（一）碳化硅衬底材料发展概况第三代半导体材料是指以碳化硅等为代表的宽禁带半导体材料，发展时间较短。国内材料厂商与国外材料厂商的技术仍具有差距，但与硅基半导体材料相比，技术差距相对较小，随着国内技术不断进步完善，下游应用领域不断拓展，国内材料厂商发展潜力较大。由于碳化硅衬底性能参数指标众多、制备工艺难度高、晶体生长慢，同时还要克服高温、晶体生长过程不可见等生长条件苛刻的因素，其晶体生长难度大，制备效率较低，使得良率较低，仅约为30%-50%左右，导致材料成本较高。下游应用领域基于成本较高等因素，仍处于应用阶段的初期。随着碳化硅材料制备工艺技术不断发展，厂商不断扩产，下游应用领域持续拓展及批量应用，凭借其禁带宽度大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高及抗辐射能力强等优势，可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求，与硅基材料相比，碳化硅材料以上优良特性可弥补硅基材料的不足之处，在功率器件等方面与硅基材料形成优势互补，广泛应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、5G通讯等现代工业领域。1、新能源汽车行业发展概况当前，新能源汽车普及的趋势愈发明朗，新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场。根据Wind统计数据，2016-2021年，国内新能源汽车销量年均复合增长率高达47．5%，2021年销量突破350万辆。在碳中和的趋势下，未来新能源汽车仍有广阔的发展空间，预计2025年国内销量约为700万辆-900万辆。碳化硅器件适用于新能源汽车的逆变器、车载充电机等器件，凭借其耐高频、易散热、高电流密度、低损耗等特性，能提升新能源汽车性能、实现轻量化、提升续航里程。此外，新能源汽车的普及，将推动配套充电桩的持续发展。碳化硅器件可应用于新能源汽车充电桩，能减小充电桩体积，提高充电速度。碳化硅材料作为新能源汽车领域发展前景良好的器件材料，其发展潜力巨大。2、光伏行业发展概况随着光伏投资成本的下降及发电效率的提升，近年来，光伏发电呈高速发展态势，2016-2021年全球光伏新增装机容量年均复合增长率达18．8%。在光伏发电中，相比传统硅基的逆变器，搭载碳化硅器件的光伏逆变器，转换效率可由96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本，碳化硅有望高速渗透光伏市场。目前，国外厂商如英飞凌、富士电机、三菱电机、阳光电源、西门子等企业均已推出应用碳化硅器件的光伏逆变器，国内作为光伏领域最大的市场之一，国内碳化硅材料厂商持续推进光伏应用领域的业务。3、轨道交通行业发展概况碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器，能极大发挥自身高温、高频和低损耗特性，提高牵引变流器装置效率，符合轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装置的应用需求，从而提升系统的整体效能，未来将在轨道交通领域发挥重要作用。4、5G通讯行业发展概况随着5G通讯技术的发展和推广，5G建设将为射频器件带来新的增长动力。以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件能有效满足5G通信高频性能、高功率处理能力要求，碳化硅基氮化镓射频器件已逐步成为5G功率放大器、尤其是宏基站功率放大器的主流技术路线。随着以上终端应用领域不断发展，根据Yole、Marklines等数据，2020年全球碳化硅器件的市场规模为11．84亿美元，预计2025年将增长至59．79亿美元，复合年增长率达38．25%。碳化硅器件市场的高速增长也将推动碳化硅单晶衬底的需求释放。此外，随着我国加快新基建建设力度，明确新基建涉及5G基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车及充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等领域，以上领域与我国半导体产业的发展密切相关，将成为我国新一轮半导体产业快速发展的驱动因素，为以碳化硅为代表的化合物半导体市场带来新的机遇。虽然第三代半导体发展时间较短，但碳化硅衬底市场仍以美国等传统半导体产业链强国为主，集中度较高，主要厂商包括、美国Ⅱ-Ⅵ、德国SiCrystal等企业，其中，占据龙头地位，2020年市场份额达62%。（二）国内碳化硅材料厂商发展概况目前，碳化硅衬底市场以海外厂商为主导，国内企业市场份额较小，主要企业包括三安光电、天岳先进等。由于国内半导体技术发展和产业链配套相对落后，碳化硅衬底制备水平及应用领域处于初期阶段，因此与国外龙头企业相比，国内厂商存在技术水平差距和市场份额较小的情况。随着国内下游行业的快速发展，市场规模持续扩大，衬底及制造设备需求量将会有较大提升，故作为晶体制备的载体，根据不同尺寸、不同类型的碳化硅单晶衬底及不同的下游应用需求，将会进一步大幅提升对碳化硅单晶炉等设备端的需求。因此，在市场保持高景气度的情况下，在国内产能加速扩产叠加设备国产化率提升的双重因素驱动下，我国碳化硅晶体生长设备市场发展潜力巨大。（三）蓝宝石晶体生长设备蓝宝石晶体材料是现代工业重要的基础材料，具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度大、硬度大、耐腐蚀，可在接近2，000℃高温下工作，在紫外、可见光、红外、微波波段均有良好的透过率，被广泛应用于LED衬底材料、消费类电子产品、智能穿戴设备等领域。LED衬底材料是蓝宝石重要的应用，同时由于在透红外光和抗划伤等方面的突出优势，蓝宝石在消费电子产品上的应用也具有广阔的市场空间。随着LED行业和消费电子行业发展趋于成熟，行业产能的普遍提升，蓝宝石材料制造成本以及销售价格的下降，同时部分厂商早期已经有较多的备货，因此供需关系与市场规模较为稳定。半导体设备行业概况作为半导体产业链的上游支撑产业，半导体设备通常决定了中游制造产业的品质及下游应用产业的广泛性。根据行业内一代设备，一代工艺，一代产品的经验，半导体产品制造要超前电子系统开发新一代工艺，而半导体设备要超前半导体产品制造开发新一代产品，设备—工艺—产品互相促进，共同推动半导体产业的快速发展。作为上游支撑产业的起点设备，为实现半导体产业链核心技术的自主可控，国产化亟待解决。全球半导体材料制造及晶体生长设备市场竞争格局晶体生长设备下游应用领域为半导体材料制造（硅片/碳化硅衬底），下游应用行业具有技术壁垒高、研发周期长、资金投入大、下游验证周期长等特点，市场集中度较高。全球硅片和碳化硅衬底市场份额主要以美国、日本和欧洲等企业为主：硅片市场份额主要被日本信越化学、日本胜高、中国台湾环球晶圆、德国世创和韩国SK五大企业占据，五大企业占全球硅片市场份额约为90%；碳化硅衬底市场份额则主要以、美国Ⅱ-Ⅵ和德国SiCrystal等企业为主，占全球碳化硅衬底市场份额约为90%。晶体生长设备技术水平是半导体材料制造性能优劣的基础决定因素之一，为保证晶体生长设备及半导体材料制造工艺技术方案的适配性，国际主要半导体材料厂商经过数十年积累的先进工艺和控制策略，基于晶体生长工艺的匹配性及半导体材料制造质量、性能的稳定性，其使用的晶体生长设备均主要为自行研发生产（如日本信越化学和日本胜高），未对外采购及销售。其他国际主流厂商主要通过自制及向国际晶体生长设备供应商（如PVATePlaAG、S-TECHCo．，Ltd．等）采购的方式实现晶体生长设备供应。国内半导体产业链起步较晚，晶体生长设备及半导体材料制造产业发展相对落后。一方面，晶体生长设备长晶制备的硅片/衬底经下游不同应用领域器件端认证后，才可逐步实现规模化量产。针对特定设备，客户需结合不同下游产业应用领域，实施材料定制化工艺开发，可达到的工艺开发能力与水平、下游器件端认证及量产进度与特定设备的产业应用时间及验证经验显著相关。因晶体生长设备及半导体材料制造产业认证及量产应用存在一定时间周期，国内产业发展仍处于早期阶段，导致产业发展速度较国外成熟产业相对缓慢。另一方面，半导体产业链各环节的技术要求、精密程度及稳定性要求极高，通常来说，下游芯片厂商对已通过认证的半导体设备及制备工艺均会进行稽核，硅片/衬底材料厂商对半导体设备和制备工艺的改动均需通知下游芯片厂商，待其进行审核后方可进行。因产业认证壁垒、厂商更换成本、风险等因素，国内晶体生长设备供应商尚未实现全球主流硅片厂商的设备供应。以上产业发展因素导致国内半导体材料制造及晶体生长设备占全球市场份额比重相对较低。截至目前，国内半导体级硅片厂商、碳化硅衬底厂商产出规模占全球市场份额均不足10%。在半导体级单晶硅制造领域，国内半导体级硅片厂商主要向S-TECHCo．，Ltd．等国际供应商采购晶体生长设备，国内晶体生长供应商占国内硅片厂商采购份额的比重仅为30%左右。半导体材料制造及晶体生长设备市场均存在较大的进口替代空间。半导体行业面临的机遇与挑战（一）半导体行业面临的机遇1、半导体国产设备进口替代趋势日趋明显我国半导体消费需求增长以及国产化进程有利于推动我国半导体产业快速发展，但我国半导体材料及设备市场大量依赖进口，极大影响了我国半导体产业的可持续良性发展。以硅片市场为例，随着全球通讯、计算、医疗、线上服务及汽车等终端市场持续快速发展，全球12英寸硅片市场份额大幅增加，成为半导体硅片市场主流的产品，预计到2022年市场份额将接近70%。目前，国内半导体级硅片厂商产出规模占全球市场份额不足10%，12英寸硅片主要依赖于进口。2022年8月，美国总统拜登签署《芯片和科学法案》（以下简称芯片法案），该法案包括部分对中国的投资限制条款。芯片法案禁止接受联邦奖励资金的企业，在对美国国家安全构成威胁的特定国家扩建或新建先进半导体的新产能。同时，禁止接受法案资助的企业在中国和其他特别关切国家扩建关键芯片制造。虽然目前仅对美国企业在中国的半导体产业投资有所限制，暂未对设备及材料有所规定及要求，但在国内半导体级硅片市场份额仍相对较低的背景下，随着国际贸易纷争不断，基于电子信息安全等因素考虑，对半导体材料及设备的国产化及国内技术自主可控提出紧迫要求。因12英寸硅片占国内硅片产能比重仅为20%左右，距全球市场12英寸硅片70%左右的占比仍存在较大差距，12英寸硅片将成为未来国内硅片市场份额增长的主要驱动因素，促进国内12英寸半导体级单晶硅炉需求量的提升，故12英寸硅片及半导体级单晶硅炉国内未来增速及进口替代空间巨大。此外，随着我国半导体产业发展阶段逐步走向成熟，基于服务的快速响应、无障碍沟通、产品性价比及自主可控等多方面考虑，国内半导体设备企业逐渐被各大半导体厂商接受并成为其重要选择。2、半导体下游应用和终端消费市场需求推动半导体设备需求增长近年来，随着人工智能、大数据、云计算、物联网、汽车电子及消费电子等应用领域的快速发展，全球半导体行业快速蓬勃发展。在工业自动化转型升级、自动化设备市场快速发展以及消费电子领域不断升级等环境下，催生了大量半导体相关器件的需求。此外，随着全球半导体行业正在进行第三次产业转移，受益于此，中国大陆作为全球最大的半导体终端产品消费市场，半导体产业规模不断扩大，越来越多的国际半导体企业向中国转移产能，持续的产能转移带动了中国大陆半导体整体产业规模和技术水平的提高，为半导体设备行业提供了巨大的市场空间和发展机遇。此外，随着半导体器件需求不断增长，作为半导体产业的核心原材料，硅片的尺寸和生产技术水平也在不断进步。基于成本因素的考虑，硅片尺寸越大，单位成本越低，故大尺寸的硅片逐渐成为主流，其需求也在不断增长。综上，旺盛的需求和产能转移推动了晶圆制造厂扩大资本开支，扩充产线产能，为半导体设备行业市场需求增长奠定基础。晶体生长设备作为晶圆制造的核心设备及起点，亦将受益于下游需求推动，迎来行业快速发展阶段。3、半导体行业得到国家持续性关注和政策支持作为关系国民经济和社会发展的基础性、先导性和战略型产业，半导体行业得到了国家的持续关注。作为数码电子产业、汽车产业、互联网产业的基础，半导体产业的发展水平与下游行业息息相关。在全球疫情影响下，半导体产业自身产能不足的矛盾日渐突出，已经对下游行业供应链稳定造成巨大影响。在国际竞争背景下，半导体产业的技术及生产水平，牵动众多对国民经济造成重大影响的行业。近年来，我国不断出台包含税收减免、人才培养、科研支持、投资鼓励、产业协同等方面在内的多项半导体行业支持政策，在良好的政策环境下，国家产业投资基金及民间资本以市场化的投资方式进入半导体产业，鼓励国内半导体行业内企业不断发展，刺激半导体产业整体规模快速增长，为半导体设备企业带来巨大发展机会。（二）半导体行业面临的挑战1、半导体行业基础仍较为薄弱近年来，虽然在政策和需求的驱动下，我国半导体行业发展迅速，在技术水平和产业规模上都有所提升，但与美国、欧洲、日本和韩国等发达国家市场相比仍有一定差距。一方面，由于起步较晚、基础相对薄弱，我国半导体产业整体相对落后，产业链有待进一步完善。同时，由于半导体设备总体规模不大，对零部件市场拉动时间较短，故半导体设备零部件配套能力较弱，部分核心原材料仍然依赖进口，其技术指标、交货周期、价格等均不可控，一定程度上限制了半导体设备厂商的发展。另一方面，我国半导体技术基础薄弱，特别在先进技术上与发达国家存在较大差距，国内半导体企业资金实力薄弱，技术投入不足，在与境外企业的竞争中，由于其在经营规模和市场认可度上存在优势，客户在选择供应商时仍会考虑行业巨头所带来的便捷性与可靠性，存在一定程度的惯性和粘性，国产半导体设备厂商在与其竞争过程中面临较大的压力和挑战，市场认可度仍待进一步积累。2、半导体行业高端技术和人才的缺乏半导体设备行业属于技术密集型行业，对于技术人员的知识背景、研发能力和应用经验积累均有较高要求。人才的培养需要一定的时间和相应的环境，同时需要扎实的基础学科知识，故现有半导体设备行业的人才和技术水平难以满足行业内日益增长的人才需求。此外，由于发达国家对半导体设备的核心技术、工艺以及人才流动限制较为严格，也在一定程度上制约了行业的快速发展。硅片：供需持续紧张，加速硅片是半导体上游产业链中最重要的基底材料之一。硅片是以高纯结晶硅为材料所制成的圆片，一般可作为集成电路和半导体器件的载体。与其他材料相比，结晶硅的分子结构较为稳定，导电性极低。此外，硅大量存在于沙子、岩石、矿物中，更容易获取。因此，硅具有稳定性高、易获取、产量大等特点，广泛应用于IC和光伏领域。（一）半导体硅片纯度极高，大尺寸为大势所趋硅片可以根据晶胞排列是否有序、尺寸、加工工序和掺杂程度的不同等方式进行分类。根据晶胞排列方式的不同，硅片可分为单晶硅和多晶硅。硅片是硅单质材料的片状结构，有单晶和多晶之分。单晶是具有固定晶向的结晶体材料，一般用作集成电路的衬底材料和制作太阳能电池片。多晶是没有固定晶向的晶体材料，一般用于光伏发电，或者用于拉制单晶硅的原材料。单晶硅用作半导体材料有极高的纯度要求，IC级别的纯度要求达9N以上（99．9999999%），区熔单晶硅片纯度要求在11N（99．999999999%）以上。根据尺寸大小的不同，硅片可分为50mm（2英寸）、75mm（3英寸）、100mm（4英寸）、150mm（6英寸）、200mm（8英寸）及300mm（12英寸）。英寸为硅片的直径，目前8英寸和12英寸硅片为市场最主流的产品。8英寸硅片主要应用在90nm-0．25μm制程中，多用于传感、安防领域和电动汽车的功率器件、模拟IC、指纹识别和显示驱动等。12英寸硅片主要应用在90nm以下的制程中，主要用于逻辑芯片、储存器和自动驾驶领域。大尺寸为硅片主流趋势。硅片越大，单个产出的芯片数量越多，制造成本越低，因此硅片厂商不断向大尺寸硅片进发。1980年4英寸占主流，1990年发展为6英寸，2000年开始8英寸被广泛应用。根据SEMI数据，2008年以前，全球大尺寸硅片以8英寸为主，2008年后，12英寸硅片市场份额逐步提升，赶超8英寸硅片。2020年，12英寸硅片市场份额已提升至68．1%，为目前半导体硅片市场最主流的产品。后续18英寸硅片将成为市场下一阶段的目标，但设备研发难度大，生产成本较高，且下游需求量不足，18英寸硅片尚未成熟。根据加工工序的不同，硅片可分为抛光片、外延片、SOI硅片等高端硅片。其中抛光片应用范围最为广泛，是抛光环节的终产物。抛光片是从单晶硅柱上直接切出厚度约1mm的原硅片，切出后对其进行抛光镜面加工，去除部分损伤层后得到的表面光洁平整的硅片。抛光片可单独使用于