电子特气-芯片制造的血液

电子气体在电子产品制程工艺中广泛应用于离子注入、刻蚀、气相沉积、掺杂等工艺，被称为集成电路、液晶面板、LED 及光伏等三大领域的“血液”。电子半导体器件的性能优劣与电子气体的质量息息相关。

根据techcet，2020年全球电子气体市场规模约为58.5亿美元，其中电子特气的市场规模为41.9亿美元，占比71.6%。以海外龙头林德集团（含普莱克斯）、空气化工、液化空气和日本酸素为首的气体公司占有全球 90%以上的电子特种气体市场份额。因半导体产业对气体质量、供应的特殊要求，中国半导体企业生产工艺中所使用的电子气体亦被海外龙头所垄断。随着未来疫情的缓解、能源革命与计算革命带动的半导体行业景气持续，预计2025年全球电子气体市场规模将超过80亿美元，年复合增速预计达到6.5%。

01.

电子气体，电子工业的血液

工业中，把常温常压下呈气态的产品统称为工业气体产品。工业气体是现代工业的基础原料，其广泛应用于集成电路、液晶面板、LED、光纤通信、光伏、医疗健康、节能环保、新材料、新能源、高端装备制造、食品、冶金、化工、机械制造等新兴行业及国民经济的基础行业，对国民经济的发展有着战略性的支持作用，因此被喻为“工业的血液”。

▲工业气体产业链

根据制备方式和应用领域的不同，工业气体可分为大宗气体和特种气体两类，大宗气体主要包括氧、氮、氩等空分气体及乙炔、二氧化碳等合成气体，特种气体品种较多，主要包括电子特种气体、高纯气体和标准气体等。

全球工业气体市场近年来呈现稳步增长的态势，2020年全球工业气体市场规模约为920亿美元。未来随着高新技术产业的兴起，新兴分散用气市场将逐渐崛起，为中国国内气体零售商的发展开拓出更大的空间，从而促进工业气体行业发展。2019年中国工业气体行业市场规模为1477亿元，同比增长9.5%。

▲2014-2019年中国工业气体市场规模

特种气体按其应用可分为电子特种气体、医疗气体、标准气体、激光气体、食品气体、电光源气体等，广泛应用于电子半导体、化工、医疗、环保、高端装备制造等领域，2018年中国特种气体下游各细分领域占比情况如下：电子半导体使用占比约为41%，化工气体使用占比约为39%。

在特种气体的各个应用领域中，电子半导体领域对特种气体的纯度和质量稳定性要求最高。在电子半导体领域中，电子特种气体（电子特气），是大规模集成电路、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中不可或缺的基础和支撑性材料之一。电子特气在工业气体中属于附加值较高的品种，与传统工业气体的区别在于纯度更高（如高纯气体）或者具有特殊用途（如参与化学反应）。

电子气体在电子产品制程工艺中广泛应用于离子注入、刻蚀、气相沉积、掺杂等工艺，被称为集成电路、液晶面板、LED及光伏等材料的“血液”。电子半导体器件的性能优劣与电子气体的质量息息相关，因此电子气体也被称为半导体制造的“血液”。

在半导体产业原材料规模占比中，电子气体是仅次于大硅片的第二大市场需求半导体材料。随着半导体产业的发展，电子气体市场也随之增长。2017年全球电子特种气体市场规模为38.92亿美元，2018年电子特种气体市场规模45.1亿美元，同比增长15.9%。

▲中国特种气体下游应用领域细分情况

▲半导体产业材料中电子特气规模占比

电子特种气体涉及集成电路、面板、光伏和光纤制造的多个环节，是制造过程中的关键材料，其质量直接影响电子器件的良率和性能。目前，应用于半导体产业的各个环节的特种气体有110余种，常用的有20-30种。

电子气体在多个集成电路制造环节具有重要作用，尤其在半导体薄膜沉积环节发挥不可取代的作用，是形成薄膜的主要原材料之一。

▲电子特气在集成电路领域的应用情况

电子特气在LCD行业中主要应用于成膜和干刻工艺。液晶显示器分类种类众多，其中TFT-LCD的反应时间快、成像质量高、且成本逐渐降低，是目前应用最广泛的LCD技术。TFT-LCD面板的制造过程可分为三大阶段：前段阵列工(Array)、中段成盒工序(Cell)以及后段模块组装工序(Module)。电子特气主要应用于前段阵列工序的成膜和干刻阶段，经过多次成膜工艺分别在基板上沉积SiNx非金属膜以及栅极、源极、漏极和ITO等金属膜。

电子气体在LED照明中主要应用于LED外延片和芯片的制作过程。LED主要生产流程包括：外延片生长、芯片加工以及封装应用，电子特气主要应用于外延片生长和芯片加工。(LED是发光二极管的简称，是一种新型的半导体固体发光器件，具有发光率高、光线质量好、能耗低、安全环保等优点，是新一代照明光源及绿色光源)。

电子特气在两类主流电池片太阳能晶体硅电池片和薄膜太阳能电池片的生产过程中扮演着重要角色。太阳能电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，由于太阳能是可再生的清洁能源，太阳能电池具有广阔的发展前景，电池片是太阳能电池的核心组件。电子特气在太阳能电池片的多项生产环节中发挥重要作用，包括扩散、刻蚀、沉积等工序。

▲电子特气在其余领域的应用情况

化学气相沉积（ChemicalVapourDeposition，CVD）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。通常包括气体传输至沉积区域、膜先驱物的形成、膜先驱物附着在硅片表面、膜先驱物粘附、膜先驱物扩散、表面反应、副产物从表面移除、副产物从反应腔移除等八个主要步骤。

在真空或惰性氛围下，不同的沉积薄膜过程中会用到不同的电子气体。化学气相沉积常用的特种气体包括：SiH4、DCS、TCS、SiCl4、TEOS、NH3、N2O、WF6、H2、O2。沉积多晶硅（Si）薄膜，通常需要用硅烷（SiH4）进行高温反应；沉积（Si4N3）薄膜，会用到氯化硅（SiCl4）和氨气（NH3）等；沉积SiO2薄膜采用烷氧基硅烷或硅烷分解法；在钨沉积中使用WF6、硅烷，而TiN薄膜制备中需要TiCl4和氨气等。

由于晶圆制造过程中所涉及到的沉积薄膜种类较多，每层要求不同，使用的辅助气体也不同，所以CVD需要的电子气体种类是最多的。

在电子特气行业的上游供应方面，气体原料（例如氟化物和硅烷等）及化工原料（液氧、液氮等）是电子特气的主要生产原料，气体原来主要来源于上游空气气体企业、金属冶炼企业、化工生产企业以及粗气体产品企业。气体设备是电子特气的重要生产设备，主要包括分离、纯化、压力检测等设备。同时，由于气体产品大多为危险化学品，因此存储和运输环节也是电子特气供应链中不可或缺的一环。

目前，空分设备、基础化学原料供求普遍较为稳定，变动较小。随着国家对环境保护以及工业尾气排放目标的进一步明确，原材料中的工业尾气的供应也将更加充足。

▲电子气体行业上游原材料和设备情况

电子气体应用广泛，对技术要求很高，对于气源及其供应系统有着苛刻的要求，属于典型的技术密集型行业，其最难的行业壁垒体现在两大层次：1.技术壁垒；2.资质壁垒。其余行业壁垒主要为客户认证壁垒、市场服务壁垒、人才壁垒、资金壁垒等。

气体纯化和气体精度是气体制造的两个主要技术壁垒。在气体纯化方面，芯片加工过程中，电子气体纯度往往要求5N以上级别，随着技术的进步，电子气体经常需要达到6N级甚至更高的纯度，气体纯度每提高一个层次对纯化技术就提出了更高的要求，技术难度也将显著上升。混合气而言，配比的精度是核心参数，随着产品组分的增加、配制精度的上升，常要求体供应商能够对多种ppm（10-6）乃至ppb（10-9）级浓度的气体组分进行精细操作，其配制过程的难度与复杂程度也显著增大。

资质壁垒：国家对电子特气企业管理严格，必须依照《安全生产法》和《危险化学品经营许可证管理办法》等办法。生产食品级、医用级等气体的企业还需具备食品及药品等生产资质，形成了一定的资质壁垒。

▲行业壁垒情况分析

02.

行业格局：寡头垄断下的高增长

根据techcet数据，2020年全球电子气体市场规模58.5亿美元，预计在2025年将超过80亿美元，年复合增速达到6.5%。2020年全球电子特气市场规模为41.9亿美元，预计在2025年将超过60亿美元。全球电子气体的增长主要得益于半导体、面板、存储、PCB、医药、食品等领域的强劲需求。未来3-5年，先进逻辑芯片、高端存储芯片、面板是电子气体市场的主要驱动力。

根据应用类型，电子气体行业分为电子和半导体、临床和医疗、封装、制冷和不同的应用。2018年，电子、医疗、石油化工等下游应用的业务占比超过75%。

根据techcet数据，预计2020年特种气体和大宗气体的占比分别为71.6%和28.4%。在大宗气体中，氦气目前供给过剩。其原因在于疫情期间氦气球和核磁共振需求下降，但是随着后续疫情的缓解和半导体的扩张，氦气存在一定的供应链风险。

在全球电子气体的地域分布中，亚太地区占比最高。中国和印度的城市化进程的加速和在数字领域的扩张将持续推升亚太地区电子气体需求。

▲2020全球电子气体格局

▲全球电子气体市场规模

电子特气，即电子特种气体，是大规模集成电路、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中不可或缺的基础和支撑性材料之一。电子特气在工业气体中属于附加值较高的品种，与传统工业气体的区别在于纯度更高（如高纯气体）或者具有特殊用途（如参与化学反应）。

随着全球半导体产业链向国内转移，国内电子气体市场增速明显，远高于全球增速。近年来国内半导体市场发展迅速，相关下游领域的快速发展将带动未来特种气体的增量需求。2019年我国电子特气行业市场规模约为140.2亿元，2020年电子特气市场规模达到173.6亿元，同比增速达23.8%，其中集成电路及器件领域占比44.2%；面板领域占比34.7%；太阳能及LED等领域占比21.1%。

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