卡脖子技术中新材料的身影 | 合集

引言

我们在以往的总览篇中整理了35项“卡脖子”技术与新材料身影有关的内容,本篇合集版结合技术水平、应用领域、资料研究价值等因素考虑,选定了第三代半导体材料、光刻胶、半导体靶材、ITO靶材、碳纤维、高温合金共6项材料进行深入研究。

研究内容主要包括这些材料的重要性/国产化难点,国内外技术发展水平对比,主要技术掌握在哪些国家、哪些企业,国家各部委对于该类新材料的发展给予怎样的政策支持,我国在该材料领域的布局情况如何,具体有哪些科研机构,哪些企业。

第三代半导体材料

●  发展该材料的重要意义

SiC、GaN等第三代半导体材料的重要性,一方面在于以其为基底的芯片在制造过程中所需要的光刻机工艺制程不需要十分先进,该类材料在半导体产业的应用有望打破光刻技术的封锁;另一方面,以硅材料为根基的摩尔定律已接近效能极限,单一增加制程精度的可持续性受到挑战,第三代半导体材料能够从底层材料出发带来新的可能性。

●  国外技术发展与国内技术发展情况对比

我国在SiC衬底方面与国外还存在差距,国外6英寸衬底产品已实现商用化,并逐步向8英寸过渡,而国内正逐步由4英寸向6英寸过渡;GaN衬底和外延方面我国和国外相当,现阶段商业化量产水平相差无几。

●  我国相关政策支持

国家各部委政策:主要以鼓励、引导集成电路发展的财税政策为主,2018-2020年每年均出台相应的税收优惠政策,通过政策将实际财、物等资源注入企业。《鼓励外商投资产业目录(2019年版)》和《工业和信息化部关于印发重点新材料首批次应用示范指导目录(2019年版)》两项政策直接点明SiC、GaN等第三代半导体材料的发展,明确对于该类新材料的发展采取支持引进和给予保险补偿(首批次应用)的态度。

各省市政策:多省市政策直接点明SiC、GaN两种第三代半导体材料的发展方向,明确两种材料对发展第三代半导体产业的重要性,从地域分布来看,主要集中在广东、山东、浙江、安徽、河北、北京等地。各地对于该类新材料的重点支持发展方向呈现差异:广东省发布的多项政策,涵盖了对该类材料基础研究、应用研究、中试研发、商业化量产、市场推广等全方位的支持;山东省政策重点支持该类新材料的研发和商业化量产;浙江省政策重点支持该类新材料的基础研究;安徽省、河北省政策重点支持该类新材料的商业化量产;北京市政策重点支持该类新材料的研发和成果转化

●  国内企业布局情况

表1 国内企业在第三代半导体材料—碳化硅(SiC)布局情况(部分)

国内企业在第三代半导体材料—碳化硅(SiC)布局情况(部分)

资料来源:CASA,中大咨询产业图谱数据库

表2 国内企业在第三代半导体材料—氮化镓(GaN)方面布局情况(部分)

表2 国内企业在第三代半导体材料—氮化镓(GaN)方面布局情况(部分)

资料来源:CASA,中大咨询产业图谱数据库

光刻胶

●  国产化难点

光刻胶国产率低的原因在于四点:第一,我国缺乏生产光刻胶的主要原材料;第二,基于差异化的应用需求,不断调整光刻胶配方对研发能力提出较高要求;第三,光刻胶需使用光刻机进行测试,而我国在光刻机方面同样存在“卡脖子”问题;第四,光刻胶认证周期较长(1-3年),客户粘性较大,国产光刻胶短期内推广应用难度大。

●  国外技术发展与国内技术发展情况对比

光刻胶市场高度集中,主要集中在日系和美系厂商手中,各类光刻胶均已实现量产。我国在高端光刻胶(ArF、EUV光刻胶)方面与国外存在较大差距,目前我国仅实现g线、i线、KrF光刻胶的国产化,ArF的产业化生产仍在探索,EUV光刻胶尚处于早期研发阶段。

●  我国相关政策支持

国家各部委政策:在根据波长分类方面,国家各部委出台各项政策主要以鼓励发展KrF、ArF/ArFi光刻胶为主,EUV光刻胶在政策中暂未被提及,这与其仍处于早期研发阶段,生产企业收益效果不明显有关;在支持光刻胶发展方向方面,政策支持多集中在光刻胶的商业化量产;从具体发展材料来看,较多政策集中在发展光刻胶本身,仅有《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019)》提及光刻胶的重要原材料之一——光刻胶树脂的发展,侧面反映出在产业链中,政策更关注光刻胶的生产端,以期在支持光刻胶生产的同时带动原材料的发展。

各省市政策:在应用领域方面,政策支持多集中在半导体用光刻胶;在根据波长分类方面,各省市出台各项政策主要集中在i线、KrF、ArF/ArFi光刻胶,相较于国家各部委的政策,地方政策在鼓励发展对象方面增添了i线光刻胶;在支持光刻胶发展方面,政策较多集中在支持光刻胶的商业化量产;在具体发展材料方面,在直接提及光刻胶发展的同时,较多政策也提及了光刻胶原材料,主要为光引发剂、光刻胶用树脂两种材料。

●  国内企业布局情况

表3 国内光刻胶企业布局情况(部分)

表3 国内光刻胶企业布局情况(部分)

资料来源:华创能源化工,各公司公告,中大咨询产业图谱数据库

半导体靶材

●  国产化难点

我国半导体靶材生产主要存在以下难点:第一,高纯金属原料方面,我国金属提纯技术难以达到靶材纯度要求,大部分仍依赖进口。第二,因半导体靶材技术门槛高、设备投资大,有能力进入该行业的企业数量少;部分企业虽能生产,但质量稳定性差,市场应用意愿弱。第三,靶材行业下游客户认证周期长,定制化程度高,这对我国半导体靶材产业化应用是个不小的挑战。

●  国外技术发展与国内技术发展情况对比

原材料方面,虽然我国的基础矿源丰富,但金属提纯技术有限,高纯金属国产率较低;半导体靶材方面,市场高度集中于日美厂商手中,部分本土厂商已打破国际垄断,实现产品出口。

●  我国相关政策支持

“十四五”规划中提及高纯靶材的发展,一定程度上显示了在新时期该材料的发展重要性,中大咨询通过梳理2016-2021年国家各部委政策发现,在支持靶材发展方向上,多集中在能给企业带来经济回报的商业化量产方面;在支持靶材发展品类方面,多集中在高纯金属溅射靶材方面。

●  国内企业布局情况

表4 国内企业在半导体靶材方面布局情况(部分)

表3 国内光刻胶企业布局情况(部分)

资料来源:公开资料,中大咨询产业图谱数据库

ITO靶材

●  国产化难点

受制于生产工艺以及烧结炉等生产设备,我国ITO靶材的产业瓶颈主要体现在三个方面,第一,在大尺寸的靶材制造方面,我国生产的ITO靶材产品尺寸小,品质不高,产品大多只能用于中、低端市场。第二,在靶材密度方面,各个位置的靶材密度均匀性的控制与国外还有差距。第三,国产靶材在市场推广应用方面也存在阻碍,出于产品安全、测试成本等因素考量,企业较难有动力尝试国产材料。

●  国外技术发展与国内技术发展情况对比

原材料方面,我国基础资源丰富;ITO靶材制品方面,我国小型靶材的国产率较高,高品质大尺寸靶材几乎被国外垄断。

表5 ITO靶材国内外技术发展情况对比

表5 ITO靶材国内外技术发展情况对比

资料来源:公开资料,中大咨询整理

●  国内企业布局情况

表6 国内企业在ITO靶材方面布局情况(部分)

表6 国内企业在ITO靶材方面布局情况(部分)

资料来源:公开资料,中大咨询产业图谱数据库

碳纤维

●  国产化难点

碳纤维国产化的难点主要有四点,第一,碳纤维生产设备缺乏,氧化炉和碳化炉因国外的封锁很难购买;第二,部分原材料的缺乏,高端碳纤维所使用的环氧树脂严重依赖进口,高端环氧树脂产业落后于国际的情况较碳纤维落后情况更为严重;第三,核心专利缺乏,大量核心专利掌握于国外企业手中,且相较于国外主要申请人为企业,国内碳纤维领域的专利申请以高校为主。

●  国外技术发展与国内技术发展情况对比

表7 碳纤维生产国内外技术对比

表7 碳纤维生产国内外技术对比

资料来源:《2020全球碳纤维报告》、公开资料,中大咨询整理

●  我国相关政策支持

“十四五”规划中提及碳纤维材料的发展,一定程度上意味着在新时期该材料的发展备受瞩目,中大咨询通过梳理2015-2021年国家各部委政策发现,在支持碳纤维材料发展方向上,多集中在关键技术研发及应用方面;在支持碳纤维发展品类方面,多集中在碳纤维及其复合材料方面,包括高性能PAN基碳纤维、T800级和M55J级及以上工业级系列级高性能碳纤维、大丝束碳纤维、碳纤维预浸料等。

●  国内企业布局

表8 国内企业在碳纤维方面布局情况(部分)

表8 国内企业在碳纤维方面布局情况(部分)

资料来源:广州奥赛碳纤维,中大咨询产业图谱数据库

高温合金

●  国产化难点

高温合金国产化的难点主要有四点:第一,我国高温合金冶炼对杂质元素控制与国外存在差距,主要表现出黑斑、白斑、碳化物偏聚等缺陷;第二,我国高温合金生产需要提高其高温力学性能和耐蚀性,其中耐热性能是决定中外航空航天发动机和燃气轮机性能差距的根本原因;第三,我国生产缺乏生产高温合金的部分设备,如单晶炉设备;第四,在熔炼工艺上,俄罗斯粉末高温合金采用VIM或VIM+VAR双联熔炼工艺,美国采用VIM+ESR+VAR三联熔炼工艺,而目前我国基本采用VIM单炼工艺,这是导致我国粉末涡轮盘纯净度尚未达到国外先进水平的主要原因之一。

●  国外技术发展与国内技术发展情况对比

表9 国内外高温合金生产差距

表9 国内外高温合金生产差距

资料来源:产业信息网、公开资料,中大咨询整理

●  我国相关政策支持

国家各部委高度重视,出台的多项相关政策提及高温合金材料的发展方向,中大咨询通过梳理2015-2021年间国家各部委的相关政策发现:在应用领域方面,政策支持多集中在航天航空、燃气轮机等领域。在发展方向方面,政策支持集中在加强高温合金基础研究、关键技术研发和体系建设,以期推动高温合金生产新技术的突破和应用。在产品稳定性方面,多项政策强调提高高温合金材料的成品率、合格率、质量稳定性,《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》中明确指出要确保航空航天等领域的产业链供应链稳定,一定程度上反映出我国相关产品在保证供给端稳定性方面有待提升。

●  国内企业布局情况

表10 国内企业在高温合金方面布局情况(部分)

表10 国内企业在高温合金方面布局情况(部分)

资料来源:公开资料,中大咨询产业图谱数据库