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电子特气行业深度报告:国产化迎历史性机遇

来源:光大证券 更新:2020-03-25 20:57:56 作者: 浏览:401次

投资聚焦

报告背景

在微电子、光电子器件生产过程中,从芯片生长到最后器件的封装,几乎每一步、每一个环节都离不开电子气体,因此电子气体被称为半导体材料的“粮食”和“源”。电子气体成本占 IC 材料总成本的 5%-6%,虽然看似占比不大,但是很大程度上决定了半导体器件性能的好坏。电子气体纯度每提高一个数量级,都会极大地推动半导体器件质的飞跃。

电子特气行业的技术壁垒:一是深度提纯技术难度较大。以硅烷为例, 将其纯度由 4N 提纯到 6N 中间有漫长的道路,除了要解决普通气态杂质的纯化问题,还要将金属元素净化到 10-9 级至 10-12 级。二是包装和储运跟不 上。超高纯气体的生产和应用都要求使用高质量的气体包装储运容器、相应 的气体输送管线、阀门和接口,以避免二次污染的发生。三是分析检验观念 落后。国内对电子气体生产应用领域分析检测技术的研究开发工作不够重视。

我们区别于市场的观点

国内电子特气的市场规模在 2010 年至 2018 年期间一直维持着高速的增长,在 2018 年已达 121.56 亿元。目前全球主要的跨国气体公司均在中国设有生产基地,国内近 85%的电子气体市场被外资企业垄断,电子特气的国产化需求迫在眉睫。目前国内在高纯硅烷、高纯氨、高纯笑气、氖气、高纯 CL2、高纯砷烷和高纯锗烷等已实现突破。本土化进程在不断推进,但因本土电子气体的生产和供应商规模较小、利润薄,且知识产权的保护不足等潜在问题,市场对其发展力度信心不足,大多持保守态度。

我们认为,国内电子气体企业现已顺利国产化多种核心气体,并借此进一步抢占了一定份额的国内外市场,随着国家政策利好的推动和技术革新的促进,国产化进程有望得到进一步提升。

投资建议

电子特气行业从业者较多,近期我们主要推荐和远气体(22.7000.100.44%)、华特气体(58.0300.52,0.90%)、雅克科技(34.3201.243.75%)、昊华科技(19.2400.643.44%)和南大光电(27.1500.14,0.52%)。其中和远气体和华特气体在近期刚完成招股上市,其募投项目都将大幅提升公司的工业气体产能。而半导体材料龙头雅克科技也因下游半导体制造企业的技术突破和半导体国产化进程有望营收持续走高;氟系龙头昊华科技主要得益于未来 5G 建设和军工业务发展,公司未来发展可期;另外,专注于电子特气研发的南大光电现已形成了 35 吨高纯磷烷、15 吨高纯砷烷的生产能力,并在今年开始扩产,预计其磷烷砷烷产能将在现有基础上翻倍。

1、电子气体的概述

电子化学品是电子工业中的关键性基础化工材料,电子工业的发展要求电子化学品与之同步发展,不断地更新换代,以适应其在技术方面不断推陈出新的需要。特别是在集成电路(IC)的细微加工过程中所需的关键性电子化学品主要包括:光刻胶(又称光致抗蚀剂)、超净高纯试剂(又称工艺化学品)、电子特种气体和环氧塑封料,其中超净高纯试剂、光刻胶、电子特种气体用于前工序,环氧塑封料用于后工序。这些微电子化工材料约占 IC 材料总成本的 20%,其中超净高纯试剂约占 5%,光刻胶约占 4%,电子特种气体约占 5%-6%。

1.1 、电子气体的定义

工业气体大致可以分为两大类别,即一般工业气体和特种气体。一般工业气体是指经过空气分离设备制造的普通级的氧气和氮气、经过焦炉气分离或电解等方法制造出来的普通纯度的其它种类气体。一般工业气体要求生产量大,但对气体的纯度要求不高。特种气体则是用途有别于一般气体的气体, 是一个笼统的概念。它在纯度、品种、性能方面都是严格按照一定规格进行生产和使用的。一般认为,特种气体是由电子气体、高纯石油化工气体和标准混合气体所组成。

另外,在半导体制造业中,气体还可以分为大宗气体和电子气体,大宗气体是指集中供应且用量较大的气体,如N2、H2、O2、Ar、He 等。电子气体主要是半导体制造的每一个过程如外延生长、离子注入、掺杂、刻蚀清洗、掩蔽膜生成所用到的各种化学气体,如高纯 SiH4、PH3、AsH3、B2H6、N2O、NH3、SF6、NF3、CF4、BCI3、BF3、HCI、CI2 等,又可称为电子特种气体。

1.2 、工业气体发展历史

第一阶段:工业气体开始进入商业领域

18 世纪末,科学家们通过化学方法把氮气、氧气等从空气中分离出来,为工业气体行业奠定了基础。行业初期,氧气主要被用于医用领域,在 19 世纪末开始进入焊接等商业用途。同一时期,乙炔被发现,并逐渐成为常用的焊割气体,随后乙炔被发现能够溶于丙酮,从而使乙炔的远途运输成为可能,进一步推动了乙炔的商业应用。

第二阶段:工业气体行业日趋成熟

分馏加工方法的发明和使用,大大降低了工业气体的生产成本,加速了工业气体的产业化进程。20 世纪中期,两次世界大战和运用氧气、乙炔焊炬切割的技术有力地推动了工业气体需求的增长。同时,钢铁企业出于减少碳与磷的含量、提高钢铁产品质量的考虑,放弃了早期的空气喷射法而改用氧气喷射法,新方法的采用使 1965 年全球氧气产量比 1960 年增加了 10 倍。此外,氮也被大量用作惰性“覆盖剂”,推动了气体生产设备的大规模兴建。

第三阶段:工业气体行业持续增长

20 世纪 80 年代电子产业的兴起推动特种气体的需求提高。金属预制及生产等传统市场消费增大,加上在保健、电子、饮料和食品包装等终端市场 增加新的应用领域,气体行业在 20 世纪 90 年代持续增长。能源领域在过去数年成了气体行业发展的最大动力。气体作为能源在众多行业得到广泛运用, 这使气体需求在 21 世纪初持续走强。

1.3 、电子气体分类

电子特种气体是超大规模集成电路、平板显示器件、化合物半导体器件、太阳能(3.3900.082.42%)电池、光纤等电子工业生产不可或缺的原材料,它们主要应用于薄膜、刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺。电子工业服务的电子气品种繁多,用途五花八门,它的分类方法亦较为复杂。一般可按电子气用量的多少分类, 也可以按电子气的用途分类。

由于制造上的需要,工厂使用了许多种类的气体。一般我们皆以气体特性来区分,可分为特殊气体及一般气体两大类。前者为使用量较小的气体, 如 SiH4,NF3 等,后者为使用量较大的气体,如 N2,CDA(干燥压缩空气) 等。在半导体制造中,需提供各种高纯度的一般气体用于气动设备动力、化学品输送压力介质或用作惰性环境,或参与反应去除杂质度等不同功能。

根据电子气的不同用途,电子气可分为十多类,例如外延晶体生长气、热氧化气、外延气、掺杂气、扩散气、化学气相沉积气、喷射气、离子注入气、等离子刻蚀气、载气、吹洗气、光刻气、退火气、焊接气、烧结气和平衡气等。表 2 列出了电子工业、半导体器件制备工艺中所用电子气的范例。

1.4 、气体纯度标准

气体纯度的提法有多种,如普通纯、高纯气体、电子纯、特纯等,随着大规模集成电路(VISL)和特大规模集成电路(ULSI),又有 VLSI 和ULSI 级纯的超净气体。这些提法都不十分确切,只是粗略地讲了气体纯度的高低, 没有真正说明气体纯度的大小,准确表示气体的纯度主要有两种方法,即:用百分数表示,如 99%、99.9%、99.99%等和用“N”表示,如 3N、4.5N 等,N 数目与百分数表示中的 9 的个数对应,小数点后的数表示不足“9” 的数,如 4.5N 表示 99.995%。

根据气体的纯度不同,通常又将气体纯度分为四级,即普通气体、纯气体、高纯气体和超高纯气体,下表 3 给出气体纯度等级和器件生产工艺上的应用。

1.5 、气体制造主要技术

气体行业公司制造气体通常是先将气体粗分离,再通过气体提纯技术达到一定的纯度,并通过分析测试技术检验其纯度。此外生产好的气体如何充状,如何运输可以不导致二次污染和安全问题,也是气体制造商们需要关注的技术。

气体分离技术

气体的分离方法一般包括精馏法、吸附法、膜分离法,其中精馏法应用最为广泛。精馏法可分为连续精馏法和间歇精馏法,连续精馏法操作稳定、无须对中间产品储存,并且得到的气体产品质量好、纯度较高,被广泛的应用于深冷空气分离装置工艺,也是管道供气的主要生产工艺。各类的大型空分装置已在气体公司得到应用。对于部分特殊气体的分离工艺也有采用间歇精馏的方式,连续精馏的方式还有待发展,主要取决于这些气体产品 需要存贮及产品纯度等不同的要求。吸附法分为变压吸附法和变温吸附法,与变压吸附分离法相比,变温吸附法呈现如下特点:能耗较高、吸附剂有效吸附量小、再生需要加热介质、吸附剂寿命相对较短、常需与其他工艺配套使用。膜分离法为一种新型的高分离、浓缩提纯及净化技术。

气体提纯技术

在当今的气体纯化技术中,主要有化学反应法、选择吸附法、低温精馏法、薄膜扩散法。这些技术的应用使气体纯化在原有的工业级水平上快速发展到高纯级和电子级水平,逐步满足了高端行业的需求,特别是在特种气体开发领域发挥了尤为重要的作用。其中在吸气剂、催化剂、膜分离纯化技术的应用上,使空分气体的纯度由工业级提升至高纯级,丰富了产品种类,满足不同终端客户的需求。在高效精馏纯化技术上,国内开发出 7N 电子级超纯氨产品打破了国外气体公司对超纯氨的垄断,为产业链发展做出了贡献。基于上述气体纯化技术的日趋成熟,国产高纯度硅烷、磷烷、砷烷、四氟化碳、六氟化硫等特种气体也在相继进入市场,满足各行各业的需求。

气体检测技术

气体检测技术对气体工业的发展十分重要,随着气体应用领域越来越广, 需求量越来越大,新兴行业对气体纯度的要求也越来越高,对气体中杂质含 量的检测分析,也从早期的常量级逐渐发展到 10-6(ppm)级、10-9(ppb) 级甚至 10-12(ppt)级。

气体混配技术

气体混配技术是指两种或两种以上纯气体以不同的浓度混合配制而成的,且其中各组分(主要指配制组分)浓度为已知的一种混合气体生产技术。通过气体混配技术生产的混合气体是一种高度均匀的、稳定的,且组分浓度值高度准确的气体产品。混合气体的配制过程中,主要有爆炸性混合气体的配制,如煤化工领域使用的空气中甲烷标准混合气体的配制,有产生爆炸的风险;有机混合气体的配制,如石化领域使用的天然气中丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等标准混合气体的配制等。

容器处理技术

容器处理是气体提纯过程中一个很重要的步骤。随着气体纯度的提高、产品种类的增多,对包装容器的要求也越来越高。比如高纯气体对储存设备内壁的光洁度要求、腐蚀性气体对内壁的耐腐蚀性要求、吸附性气体对内壁的防吸附要求,都是生产高纯乃至超纯气体所面临的问题。随着行业的发展, 气体产品在包装容器的处理上也开发出相应的技术,如储存设备的高压蒸汽清洗、超纯水清洗、机械抛光、抛丸研磨、分子泵机组负压置换以及容器安定化技术。

气体充装技术

容充装过程是工业气体生产过程中的重要环节。由于工业气体的储存设备属于特种设备,且其具有移动和重复充装的特点,比其他压力容器更为复杂并具有一定的危险性。因此,气体容器的充装、贮运和使用必须严格按照有关标准规定操作,在使用过程中的定期检验是主要的安全保障。

2、重要电子气体介绍

2.1 、硅烷(SiH4):最好的硅源材料,用于外延晶体生长

硅烷熔点-185℃,沸点-112℃,在空气中会自燃,与空气可形成爆炸性混合物,空气中的爆炸极限为体积分数 0.8%~98.0%;室温下可以卤素或重金属卤化物激烈反应。硅烷加热到 400 摄氏度开始分解为非晶态硅和氢气,600 摄氏度以上分解生成晶体硅,半导体工业主要采用该方法来生产多晶硅。硅烷毒性很大,会强烈刺激人的呼吸道,中毒者可能出现头痛和恶心等症状, 吸入量较大时会引起呼吸及淋巴系统产生生理病变。

硅烷是电子气体中应用最广、影响最大的气体品种,因为硅烷易燃、易爆、纯度要求 很高,技术难度很大,所以硅烷也是一个国家气体实力的重要标志之一。单硅烷作为一种提供硅组分的气体源,可用于制造高纯度多晶硅、单晶硅、微晶硅、非晶硅、氮化硅等多种金属硅化物,因其高纯度和能实现精细控制,已成为许多其他硅源无法取代的重要电子特种气体。单硅烷广泛应用于微电子、光电子工业,用于制造太阳能电池,平板显示器等, 并且是至今为止世界上唯一的大规模生产粒状状高纯度硅的中间产物。硅烷制造可分为硅化镁法、氢化铝锂法和 UCC 工艺(非均化法)。

硅烷的制造技术被几个发达国家掌握,所采用的而工艺也比较集中,在合成技术上比较成熟,几十年来没有太大的变化,不同的是净化技术有突破性的进展,纯度等级不断提高。目前国际上硅烷主要制造商是日本小松电子金属公司、三井东亚化学公司、帝国氧气公司、美国普莱克斯(原 UCC 公司)、APCI 公司、曼特森公司、液体碳素公司。

中国硅烷制造始于 20 世纪 70 年代,为满足超纯硅的生产需求,国内许多三氯氢硅生产厂家再从事三氯氢硅、四氯化硅生产的同时也开展了硅烷合成净化系列研究,建起数家硅烷生产厂家,大多采用

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