产业基础领域强基战略：中国集成电路材料领域的竞争与发展

摘要：产业链韧性和安全不仅来源于产品制造能力和市场影响力，也离不开其底层的基础材料支撑。而作为集成电路产业的基础原材料和过程辅料，材料在集成电路产业发展中至关重要，也是数字经济发展的底层支撑。强化材料基础并提升自我保障能力，是破解我国集成电路产业“卡脖子”的关键之一。集成电路材料产业的全球市场表现出显著的“供需倒挂”特征，日本、美国和欧洲是全球集成电路材料供给的主导者，中国则是最大的消费国，材料自给能力严重不足，重要产品的国产化水平较低，产业安全和国际竞争力亟待提升。为此，在夯实集成电路产业材料所需的人才、技术和知识产权根基基础之上，要加快传统化工企业、专业材料企业和科研院所三类市场主体的升级和培育，推动产业链上下游的有序合作，切实强化全产业链基础能力。为此，政府应发挥制度供给的功能，在战略上高度重视并强化多部门协同以形成合力，在布局上注重全产业链协同和重点突破，创新知识产权保护策略以支撑产业高质量发展。

关键词：集成电路产业；材料；强基战略

基金：国家社会科学基金重大项目“智能制造关键核心技术国产替代战略与政策研究”（21&ZD132）；国家社会科学基金重点项目“中国关键核心技术突破路径研究”（20AGL002）；国家社科基金重大项目“数字经济推动新兴产业创新的制度逻辑与系统构建研究”（22&ZD099）；中国社会科学院登峰战略企业管理优势学科建设项目的阶段性成果。

材料是产业发展的基础和前提，是稳固产业链供应链安全的重要内容。作为数字经济的核心产业，集成电路产业的重要性尤为凸显。而作为芯片的基本构成和过程材料，材料与设备、软件等成为是支撑集成电路遵循摩尔定律不断进步的重要基础（李先军等，2022）。随着芯片制程的不断进步，对材料的纯度、功能、品类要求不断提高。从全球范围来看，集成电路材料领域主要为日本、美国和欧洲所主导，领先企业牢牢掌控了这一领域的话语权。在产业安全和经济安全被主要国家纳入国家战略的现时背景下（张辉和张明哲，2022），材料在集成电路产业安全中的地位被各国愈发重视，我国也在各个领域也出现一些新企业并形成一定的突破和替代能力。但是，我国集成电路产业材料领域的整体竞争力还很弱，成为我国产业安全和国家安全的重要风险点。本文聚焦集成电路材料这一产业基础领域，在对集成电路产业材料全球竞争态势分析的基础上，围绕集成电路材料的主要产品分析我国企业的竞争力以及现实困境，在此基础上着眼于产业长期发展的需要提出我国集成电路材料领域的“强基战略”，并提出集成电路产业材料强基的实现路径以及相关建议。

一、集成电路产业链材料的构成和全球竞争态势

（一）集成电路材料的主要内容

狭义上的集成电路材料指的是具备半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率为1mΩ·cm～1GΩ·cm）的材料，其基本构成包括硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物，其热敏性、光敏性、掺杂性等特点使得其在电子领域用途广泛。广义上的集成电路材料指的是集成电路制造和封装环节所使用的各类材料集合，核心子集是具有半导体性能的各类材料，同时包括集成电路生产制造过程中所需要的各类材料（包括非半导体性能材料）。按照工艺流程来看，集成电路产业需要类型多样的的化学品和材料进行前端的晶圆制造（包括晶圆生产）和后端的组装、测试和封装。前端制造过程中的设计、光刻、刻蚀、离子注入、淀积、化学机械研磨等制造环节，形成对晶圆、光掩模版、光刻胶、电子气体、湿化学品、靶材、研磨材料等的需求，并在清洗、去胶、烘干等过程中需要消耗大量的湿化学品和电子气体；后端封装过程中的减薄、切片、贴片、塑封、终测等环节，则依赖于有机基板、陶瓷封装、树脂和键合线等材料。

据不完全统计，集成电路整个制造过程使用多达400种化学产品。随着摩尔定律驱动芯片制程的不断进步，前端制造所需要的各类材料纯度、性能已进入极限，对新材料应用的探索不断深入，且由于材料难以独立于芯片制造过程，使得其进步和替换离不开作为晶圆厂从用户视角的不断试验和改进。

（二）集成电路材料的市场规模和需求结构

作为集成电路产业的基础，集成电路材料表现出与集成电路产业高度一致的增长态势。根据国际半导体产业协会（SEMI）的数据显示，2021年全球半导体材料市场收入增长15.85%，达到642.74亿美元。其中，晶圆制造材料和封装材料收入总额分别约404亿美元和239亿美元，同比增长15.5%和16.3%①。其中，晶圆、湿化学品、化学机械研磨材料、光掩模版在晶圆制造材料中的增长最快，而封装材料的扩张则受到有机基板、引线框和键合线市场增长的推动。

图1 2014—2020年半导体材料市场规模（单位：亿美元）

数据来源：根据国际半导体产业协会（SEMI）历年数据整理。

①数据来源：Michael Hall.Global Semiconductor Materials Market Revenue Tops$64 Billion In 2021 To Set New Record[EB/OL].https://www.semi.org/en/news-media-press-releases/semi-press-releases/global-semiconductor-materials-market-revenue-tops-%2464-billion-in-2021-to-set-new-record-semi-reports,Mar 16,2022.

分区域来看，台湾地区凭借其庞大的代工产能和先进的封装基地，连续第12年成为全球最大的半导体材料市场，2021年市场规模高达147亿美元。凭借不断提升的产能，中国大陆超越韩国位居第二位。受全球集成电路产业扩张的影响，中国、韩国、日本和世界其他市场规模和全球份额也有所扩大，但是，北美和欧洲市场尽管市场规模也保持增长态势，但全球份额有所下滑。

图2 2014—2020年各国/地区半导体材料市场规模（单位：亿美元）

注：世界其他地区包括新加坡、马来西亚、菲律宾、东南其他地区和较小的全球市场。数据来源：根据国际半导体产业协会（SEMI）历年数据整理。

（三）集成电路材料生产的领先国家和领先企业

与集成电路材料需求市场主要集中在中国、韩国等形成鲜明对照的是，日本、美国和欧洲则是集成电路材料的主要生产地。由于集成电路材料的高纯度、高稳定性特征，材料往往为先发企业和行业巨头所主导，这也形成了当前集成电路材料为日美欧等国家和地区龙头企业所主导的局面。从领先企业来看，日本和美国位居绝对领先地位，欧洲具有一定的优势，韩国和台湾地区在细分领域具有一定的竞争优势。然而，随着集成电路产业的不断发展，材料领域也为后发企业赶超创造了新的机会窗口。

表1 集成电路材料分领域领先企业名单

资料来源：作者整理

日本实现了在集成电路材料主要材料的全覆盖，并在部分领域绝对领先，在集成电路材料具有绝对优势。例如信越化学、胜高是最先进硅晶圆的提供商，昭和电工、罗姆株式会社也是碳化硅等第三代半导体晶圆的重要提供商；日本合成橡胶、东京应化、信越化学及富士电子四家企业占据了全球光刻胶70%以上的市场份额；大日本印刷、凸版印刷和美国的福尼克斯占据光掩模版市场份额的80%以上（剔除晶圆厂自有光掩模版）；日本酸素是重要的电子气体供应商；关东化学公司、三菱化学、东京应化、京都化工、日本合成橡胶、住友化学、和光纯药等日本企业占据了全球湿电子化学品近1/3的市场份额；日矿金属、东曹是溅射靶材的重要供应商；昭和电工、富士美在抛光液领域中居于领先地位，东丽也可生产部分芯片用抛光垫。

美国位居其次，尽管在晶圆生产和电子气体领域稍显劣势，但总体上具有强大的市场竞争力。尽管缺乏领先的硅晶圆生产企业，但在第三代半导体晶圆材料方面具有领先优势，科锐是碳化硅晶圆的领导者；杜邦化学可提供从g线/i线到193纳米和KrF产品系列的光刻胶；英特尔作为行业最为领先的一体化企业拥有自己先进的掩膜版制造工厂，且福尼克斯也是独立掩膜版的领先制造商；亚什兰、霍尼韦尔、空气产品等是湿化学品的重要供应商，也占据了全球份额的近1/3；霍尼韦尔是溅射靶材的全球领导者；卡博特一家占绝了全球化学机械抛光液市场的1/3以上，陶氏化学更是基本上垄断了全球抛光垫市场。

尽管缺乏晶圆制造厂，但依托强大的工业基础，欧洲在晶圆生产、电子气体和湿化学品具有一定的优势。德国的世创电子是高度专业化的硅晶片设计和生产的技术领导者；林德集团（含普莱克斯）、空气化工、液化空气是电子特种气体市场的领导者；巴斯夫在收购德国默克集团全球电子化学品业务后一跃成为世界领先的电子化学品供应商。

韩国和台湾地区作为集成电路产业的后发者，尽管在制造环节拥有得天独厚的优势，但在集成电路材料方面的布局尚处于起步阶段，只有在晶圆生产和掩膜版领域有一些优势。其中，SKSiltron和环球晶圆是硅晶圆的领先力量，三星和台积电出于自用的目的也都有先进的掩膜版生产工厂，台湾地区的台湾光罩则为大量晶圆制造企业提供掩膜版服务。

日本、美国、欧洲在集成电路材料领域具有绝对的优势，这主要来源于其在集成电路产业分工浪潮下的市场规律以及其在传统化工行业的领先优势；中国和韩国和作为后发者，主要利用制造优势吸引相关配套材料企业集聚，但在整体竞争力上处于相对劣势地位。

二、集成电路产业材料领域的主要产品及中国企业国际竞争力

由于集聚了大量的晶圆制造企业，我国集成电路材料的市场需求快速增长。根据国际半导体产业协会（SEMI）的数据显示，2021年中国大陆的半导体材料市场收入为119.29亿美元，2014—2021年年均增速10.29%，远超同期全球平均增速的5.55%②。但是，从竞争力来看，我国在材料领域缺乏领先企业和龙头企业，企业规模普遍较小、产品体系不完善，背后的研发投入、技术能力、人才储备与行业龙头企业相距甚远。大量的市场需求和有限的自我保障能力，使得材料成为我国集成电路产业易被“卡脖子”的重要风险环节。

②数据来源：Michael Hall.Global Semiconductor Materials Market Revenue Tops$64 Billion In 2021 To Set New Record[EB/OL].https://www.semi.org/en/news-media-press-releases/semi-press-releases/global-semiconductor-materials-market-revenue-tops-%2464-billion-in-2021-to-set-new-record-semi-reports,Mar 16,2022.

近年来，围绕集成电路产业“卡脖子”问题的破解，大量集成电路材料企业涌现并得到产业链下游用户的有力支持，成长出一批代表性新兴企业。从分布结构来看，晶圆、光刻胶、掩膜版、电子气体、湿电子化学品、溅射靶材、化学机械研磨材料等均涌现出一些新创企业（见表2）。尽管未能形成有效的国产替代，但其从0到1的突破，也为未来我国集成电路产业发展“播撒”了创新的种子。

表2 我国集成电路材料分领域代表企业

资料来源：作者整理

（一）晶圆：国产替代有序推进，尤其是下一代晶圆材料发展迅猛

晶圆是半导体制造的基础和载体，也是集成电路材料中产值占比最高的部分。晶圆厂需要依靠高纯度、高稳定性的晶圆供应，晶圆厂工艺节点的设备设计用于具有特定直径的晶圆，如300mm（12英寸）、200mm（8英寸）和150mm（6英寸）。目前主流的晶圆是硅晶圆（即硅片），近年来，碳化硅、氮化镓和砷化镓等由于其在耐高温、耐高压或耐高频方便表现出良好的性能，其市场份额正在迅速增长，并成为未来晶圆发展的重要方向。由于晶圆的高纯度和平面度对芯片良率影响极大，且其占晶圆厂③运营成本的比重不高（约为5%），晶圆厂对领先企业具有强烈的路径依赖效应。日本的信越化学、胜高，德国的世创电子，台湾地区的环球晶圆，韩国的SKSiltron五家公司控制全球90%以上的硅晶圆市场；碳化硅领域，Wolfspeed（原科锐）、英飞凌和SiCrystal（日本罗姆株式会社子公司）三家公司占据了全球市场约70%的份额，而前五大厂商份额约占90%。然而，随着近年来集成电路产业的快速发展，以及受美封锁的国产替代步伐加速，国内也涌现出一些新创企业，尤其是碳化硅、氮化镓、砷化镓、金刚石等新兴领域发展快速。

③集成电路行业的晶圆生产和晶圆制造是两个不同的概念，前者指生产晶圆本身，后者指在晶圆上制造芯片的过程。

国内硅片生产商主要有上海新昇、中环股份、立昂微、神工股份、超硅股份等企业。其中，上海新昇已实现12英寸晶圆量产，产能已达到30万片/年，市场份额约为4%，实现国内逻辑工艺与3D存储工艺的全覆盖、在客户上实现国内主要芯片制造厂商的全覆盖、在下游应用上实现逻辑、存储、图像传感器芯片的全覆盖，产品质量位居国际一线水平。碳化硅材料方面，单晶衬底有天科合达、北电新材、山东天岳、河北同光、世纪金光、中科钢研等，外延生长有瀚天天成、天域半导体、世纪金光、三安集成、中电科等企业。其中，科合达和山东天岳的市场占有率分别为5%和3%，尽管与Wolfspeed（原科锐）、SiCrystal（日本罗姆株式会社子公司）有一定的差距，但相较于传统硅片优势显著。氮化镓材料方面，衬底企业有苏州纳维、东莞中镓，外延生长的有苏州晶湛等，技术研发处于国际一线水准。

（二）光刻胶：严重依赖日本供给，但面板光刻胶优势显著

光刻胶是曝光过程中决定芯片良率和精度的重要材料。光刻胶由成膜树脂、感光剂、溶剂和添加剂四种成分构成，其中，成膜树脂构成了光刻胶的基本骨架，决定曝光后光刻胶的硬度、柔韧性、附着力、耐腐蚀性、热稳定性等性能；感光剂是光刻胶的关键组分，对光刻胶的感光度、分辨率等其决定性作用；溶剂是稀释光刻胶，使光刻胶处于液体状态，便于涂覆；添加剂用以改变光刻胶某些特性，如控制光刻胶光吸收率或者溶解度等。分辨率、对比度和敏感度是光刻胶的核心技术参数，其发展进程直接决定了芯片的制程进步。从20世纪50年代至今，光刻技术经历了紫外全谱（300—340纳米）、g线（436纳米）、i线（365纳米）、深紫外（DUV，248纳米和193纳米）、极紫外（EUV，13.5纳米）光刻等阶段，相应地，适应不同曝光波长的光刻胶也在不断进步，曝光的分辨率会随着光线频率的改变而不断变化，光刻胶的演进路线与光源的波长和频率高度一致，表现从g线（436纳米）→i线（365纳米）→KrF（248纳米）→ArF（193纳米）→ArF浸入式（134纳米）→EUV（