电子行业半导体电子特气深度报告：电子制造之“血液”，国产替代浪潮将至

电子气体：现代工业之基石，晶圆制造之“血液”。电子气体可分为大宗气体和特种气体两大类，其下游广泛应用于集成电路、面板、医疗、光纤等新兴行业和冶金、化工等传统行业。具体到集成电路领域，电子特气应用的种类超过110余种，用于光刻、刻蚀、成膜、清洗、掺杂、沉积等工艺环节，是半导体行业必需的支撑性材料。生产方面，电子特气的生产步骤涉及合成、纯化、检测、充装等，在气体纯度（要求5N以上级别）和气体精度（多浓度的气体混配）方面有较高的技术要求，同时具有产品认证周期长，客户粘性大，资质认证严格等特点，被称为晶圆制造的“血液”。 全球竞争格局：寡头垄断下的突围序幕。1）总体市场规模：据华经产业研究院，2022年全球和中国的电子特气市场规模分别预计为49亿美元和189亿元。其中，电子特气在中国最大的下游应用为集成电路，占比达到43%；同时，在半导体材料的市场占比达到14%，仅次于硅片。2）细分气体规模：据Linx Consulting，2021年三氟化氮和六氟化钨的需求规模分别达到8.80和3.35亿美元，为细分需求规模较大的两个品类。3）竞争格局及国产化进程：2020年全球电子气体市场被海外寡头垄断，CR4超过75%，国产化率有待提高。考虑到国内下游Fab厂正加速认证，中国电子特气需求增速将显著高于全球。伴随品类扩充、地缘政治、产能扩建等因素，国内电子特气企业将加速进入下游头部客户的供应链。 海外龙头剖析：探寻气体龙头崛起之路。目前，海外气体四大寡头林德、空气化工、法国液化空气、太阳日酸，仍把控国内外电子特气的市场。我们认为任何巨头的崛起总有规律可循，龙头背后成长的共性都是企业成长的必经之路。通过复盘三大海外龙头的成长轨迹，我们总结了龙头公司气体业务的发展思路供国内特气公司成长参考：1）气体一体化服务体系优势明显；2）产品结构持续优化，下游市场持续开发；3）持续的并购整合建立全球销售网络。 国产替代机遇：踏出自主可控千里硅步。通过不断的经验积累，我国电子特种气体正逐步打破进口依赖的局面。目前国内电子特气第一梯队的厂商已经具备替代能力，在细分领域具有一定优势，在部分产品上实现突破，达到国际标准，逐步缩小与国外企业的差距，加速实现国产替代。从替代空间和品类覆盖来看，我们认为目前电子特气放量的趋势基本确立，未来有望迎来业绩的高速增长。 投资建议：我们看好国内电子特气受益于下游需求大幅放量和国产替代的迫切需要，建议关注：华特气体、凯美特气、金宏气体、南大光电、雅克科技等优质标的。 风险提示：行业竞争加剧；下游行业周期性波动；产品验证不及预期。 重点公司盈利预测、估值与评级 1电子特气：现代工业之基石，晶圆制造之“血液” 1.1电子气体：现代工业的原料基石 广义的“电子气体”指电子工业生产中使用的气体，为重要的工业生产原材料之一。狭义的“电子气体”特指半导体行业所使用的特种气体。工业中把常温常压下呈气态的产品统称为电子气体。根据《战略性新兴产业分类（2018）》，电子气体可分为了电子特种气体和电子大宗气体，其中电子气体已经成为现代工业不可或缺的基础原料。随着中国经济的快速发展，电子气体作为基础产业，在国民经济中的重要性日益突出。其上游行业是原材料和设备：原材料包含空气、工业废气、基础化学原料等；设备分为气体分离及纯化设备制造、压力容器设备制造等。下游广泛应用于石油、化工、冶金、钢铁、机械、电子、电力、玻璃、陶瓷、建材、食品，以及医疗等领域。 图1：电子气体产业链上下游 1.2电子气体的三种分类方式 电子气体品类繁多，分类方式较为复杂。根据不同的标准，电子气体主要有以下三种分类方式：1）按照用途，分为电子大宗气体和电子特种气体；2）按照应用领域，分为集成电路、显示面板、发光二极管、光伏等；3）按照气体组分的性质，分为氮氧化合物、氢化物、氟碳类、碳氧化合物、氨化物、混合气等。 1.2.1按照用途划分 表1：不同用途电子气的分类 电子特种气体(Special Gas)是用于生产半导体、液晶、太阳能电池等各种电子产品时使用的特殊高纯气体。在生产工艺方面，电子特气参与到离子注入、刻蚀、气相沉积、掺杂等流程中；下游应用方面，电子特气涵盖半导体、化工、医疗、环保和高端装备制造等领域。截止至2020年，特种气体中的单一气体（不包含混合气体）共有260种。常见的电子特气应用场景如下： 表2：常见的电子特种气体应用场景 电子大宗气体（BulkGas）是满足半导体制造要求的高纯度和超高纯度气体，主要包括氢气、氮气、氧气、氩气、二氧化碳等。电子大宗气体在半导体制造过程中用量大且覆盖85%以上的环节，可被用作环境气、保护气，载气。拥有大规模用气需求的制造工厂通常与气体供应商合作建设大宗气体气站，气体供应商可通过现场制气装置制取电子大宗气体并通过管道供应，制取过程中电力成本占80%，主要原材料为空气。常见的大宗气体应用场景如下： 表3：常见的电子大宗气体应用场景 1.2.2按照应用领域划分 表4：不同应用领域电子气体的分类 电子气体的应用领域通常包括，集成电路、显示面板、光伏等，不同种类的气体在各个应用领域发挥不同的作用。在集成电路制造中，电子气体根据不同工艺，可分为掺杂用气体、离子注入气、清洗用气、刻蚀用气体和光刻气。在显示面板生产中，电子气体的主要工艺分为清洗、刻蚀和薄膜沉积。其中，在薄膜沉积工序中，CVD在玻璃基板上沉积二氧化硅薄膜所使用的特种气体，主要为三氟化氮、硅烷、磷烷、超纯氨气等。在太阳能电池生产中，电子气体的主要工艺为扩散、薄膜沉积和刻蚀等。三氯氧磷和氧气用于扩散工艺；硅烷、氨气、二乙基锌、乙硼烷用于薄膜沉积；四氟化碳用于刻蚀。 在下游各细分领域中，电子特种气体和电子大宗气体的成本占比大致如下： 表5：电子气体在下游领域的成本占比情况 在液晶面板领域，电子特气占电子气体总成本的30%-40%，远小于电子大宗气体的60%-70%；集成电路方面，二者的成本占比基本持平；从LED和光伏来看，电子大宗气体占电子气体总成本的40%-50%，略低于电子特气的成本占比； 在光纤通信领域，电子特气的成本占比相对更高，约为60%。 1.2.3按照组分的性质划分 表6：不同气体组分电子气体的分类 按照气体组分的性质分类，电子特种气体可分为氮氧化合物、氢化物、氟碳类、碳氧化合物、氨化物、混合气等；普通工业气体可分为氧、氮、氩、工业氨等。 1.3电子特气在集成电路中的应用解析 集成电路制造涉及上千道工序，需使用上百种电子特种气体，工艺极为复杂，对于纯度、稳定性、包装容器等方面有较高的要求。电子特气在集成电路工艺中的应用如下图所示，红色部分为电子气体的应用部分： 图2：电子特种气体是晶圆制造关键性材料 电子气体广泛的应用于晶圆的生产过程。以单晶硅片的生产为例，主要含硅烷、二氯二氢硅、乙硅烷等。在晶圆制造中，主要涉及的气体类别有：1）掺杂气体：含硼、磷、砷等三族及五族原子的气体，如三氯化硼、三氟化硼、磷烷、砷烷等；2）蚀刻清洗气体：以含卤化物及卤碳化合物为主，如氯气、三氟化氮、溴化氢、四氟化碳、六氟乙烷等；3）反应气体：以碳系及氮系氧化物为主，如二氧化碳、氨、氧化亚氮等；4）沉积气体：含卤化金属及有机烷类金属，如六氟化钨、三甲基镓等。 图3：各种电子气体在晶圆制造中的作用及过滤控制 1.3.1刻蚀 刻蚀是采用化学和物理方法，有选择地从硅片表面去除材料的过程，目的是使掩膜图形能够在涂胶的硅片上正确地复制。常见的刻蚀方法分为干法化学刻蚀和湿法化学刻蚀。干法化学刻蚀利用低压放电产生等离子体中的离子或游离基，与材料发生化学反应，并产生带电离子、分子、电子及化学活性很强的原子（分子）团。当产生的原子（分子）团扩散到被刻蚀膜层的表面时，会与待刻材料（单晶硅片）反应生成具有挥发性的物质，并被真空设备抽离排出。 硅片刻蚀气体主要为氟基气体。常见的氟基气体包括CF、SF、CF、NF，以及氯基（ Cl2 ）气体和溴基（Br、HBr）气体等。在刻蚀工艺中， O2 和 H2 会被适当地加入，并参与辅助反应，从而达到调节离子浓度，影响刻蚀速率的目的。 图4：刻蚀工艺中电子气体的使用流程 根据蚀刻剂等离子体和薄膜之间的化学性质差异，当晶圆表面上方的等离子体被激活时，激活后的反应类型可分为各向同性、各向异性、锥形。1）各向同性：当反应在所有方向上均匀发生时，将刻蚀光刻胶，形成扇形。2）各向异性：反应仅在垂直于衬底的方向上发生时，一定量的刻蚀反应产物将沉积在刻蚀切割的垂直侧上以防止横向刻蚀。3）锥形：反应会受到侧壁沉积的阻碍，形成锥形。 图5：不同类型的刻蚀反应 1.3.2掺杂 掺杂是指在半导体器件和集成电路制造中，将某些杂质掺入半导体材料内，使材料具有所需要的导电类型和一定的电阻率，以制造电阻、PN结、埋层的过程。 掺杂工艺所用的气体被称为掺杂气体。掺杂工艺有两种，分别是扩散和离子注入； 扩散是指在合适的温度和浓度梯度下，用III、V族元素占据硅原子位置的工艺。 离子注入是指将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的过程。 图6：扩散掺杂工艺 由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为N型和P型两大类。N型半导体所掺入杂质为磷或其他五价元素，而P型半导体所掺入杂质为硼或其他三价元素。 常见的掺杂气体包括砷烷、磷烷、三氟化磷、五氟化磷、三氟化砷、五氟化砷、三氟化硼，以及乙硼烷等。掺杂是指将掺杂源与运载气体（如氩气和氮气）在源柜中混合，并将混合后的气流连续注入扩散炉内并环绕晶片四周，使晶片表面沉积上掺杂剂，进而与硅反应生成掺杂金属的过程。 图7：离子注入机之磁分析器结构简图 图8：掺杂的过程 1.3.3外延沉积与化学气相沉积（CVD） 外延沉积的目的是在衬底晶圆上镀上一层薄膜作为缓冲层，以阻止有害杂质进入硅衬底。常用的外延沉积方法有化学气相沉积法（CVD）和物理气相沉积法（PVD）。化学气相沉积法是指单独综合地利用热能、辉光放电等离子体、紫外光照射、激光照射或其他形式的能源，使气态物质在固体的热表面上发生化学反应，形成稳定的固态物质，并沉积在晶圆片表面上的一种薄膜制备技术。 在半导体工业中，基于衬底（单晶硅）选用化学气相淀积方法，生长出一层或多层沉淀所使用的气体被称为外延气体。化学气相沉积常用的特种气体包括：SiH、DCS、TCS、SiCl、TEOS、NH、 N2 O、WF、 H2 、 O2 。此外，沉积多晶硅（Si）薄膜，通常需要用硅烷（SiH）进行高温反应；沉积（SiN）薄膜，会用到氯化硅（SiCl）和氨气（NH）等。 图9：化学气相沉积工艺中电子气体的使用流程 1.3.4光刻工艺 光刻指通过匀胶、前烘、曝光、显影、坚膜等工艺步骤，把晶圆表面薄膜的特定部分除去后留下带有微图形结构的薄膜，并将设计好的电路图形从光刻板上转移到晶圆片表面光刻胶上的工艺。光刻气大多以混合气为主，即用不同比例的不同气体混合在一起的电子气体混合物。常见光刻气包含Ar/F/Ne混合气、Kr/Ne混合气、Ar/Ne混合气、Kr/F/Ne混合气，Ar/Xe/Ne混合气等。 图10：光刻工艺中电子气体的使用流程 1.4从电子气体的生产流程看技术壁垒 特种气体的主要生产工序包括气体合成、气体纯化、气体混配、气瓶处理、气体充装、气体分析检测。 气体合成是指原料在特定压力、温度、催化剂等条件下，发生化学反应，生成的气体粗产品的步骤。气体纯化是通过精馏、吸附等方式将粗产品精制成更高纯度的过程。气体混配的定义是将两种或两种以上有效组分气体按照特定比例混合，得到多组分均匀分布的混合气体。气瓶处理是根据载气性质及需求的不同，对气瓶内部、内壁表面及外观进行处理，以保证气体存储、运输过程中产品稳定的过程。气体充装是指通过压力差将气体充入气瓶等压力容器的工艺。气体分析检测即为对气体的成分进行分析、检测的过程。 图11：特种气体的工艺流程图 1.4.1合成：前提准备 气体合成是将原材料在特定压力、温度、催化剂等条件下，通过化学反应生成新气体的