半导体核心材料全景深度解析

全球人工智能和汽车等终端应用持续增长，加速晶圆消耗，催生对半导体的强劲需求。

在半导体产业链环节中，半导体材料处于上游环节，是行业关键支撑基石。

TECHCET预测，半导体材料市场在2023年至2028年期间，年均复合增长率将稳定在5.6%的水平，并有望在2028年达到840亿美元的规模。

在全球晶圆厂扩产背景下，国产晶圆厂产能提速，进一步拉动上游半导体材料需求。

在之前的文章中，我们分析过半导体设备、存储芯片和光刻胶等半导体细分赛道。

本文重点梳理半导体七大核心材料框架和竞争格局。包括：硅片、电子气体、光掩膜版、光刻胶、湿电子化学品、CMP抛光材料、靶材。

半导体材料行业概览

材料和设备是半导体产业的基石，一代技术依赖于一代工艺，一代工艺依赖一代材料和设备来实现。

半导体材料具有产业规模大、细分行业多、技术门槛高、研发投入大、研发周期长等特点。

又因其具有极大的附加值和特有的产业生态支撑作用而往往成为国家之间博弈的筹码。

半导体材料是半导体产业链中细分领域最多的环节，材料品类多达上百种。

从行业生命周期来看，在半导体整体生产周期中，半导体材料虽处于产业链上游，但从晶圆厂扩产角度看，半导体材料采购是在晶圆厂建设完工并下达订单后开始进行，因此半导体材料属于半导体周期偏后的环节。

按应用环节划分，半导体材料主要分为晶圆制造材料和封装材料。

晶圆制造主要材料包括硅片、光掩模、光刻胶、光刻胶辅助材料、湿电子化学品、抛光材料、电子特气、抛光材料、靶材及其他材料。

封装材料包括：引线框架、封装基板、陶瓷基板、键合丝、包装材料及芯片粘接材料等。

据SEMI数据，全球半导体材料价值量占比前六分别为：硅片（37%）、电子特气（13%）、光掩膜（13%）、CMP（7%）、光刻胶（5%）和溅射靶材（3%），其他种类材料合计占比约22%。

硅片是制作集成电路的重要材料，贯穿芯片制作的全过程。

通过对硅片进行光刻、离子注入等手段，可以制成集成电路和各种半导体器件。

半导体硅片由硅单晶锭切割而成的薄片，又称硅晶圆片，是半导体基底材料。

按加工程度，硅片可分为研磨片、抛光片和外延片。

当前全球市场主流的产品是200mm（8英寸）、300mm（12英寸）直径的半导体硅片，下游芯片制造行业的设备投资也与200mm和300mm规格相匹配。

200mm及以下半导体硅片的需求主要来源于功率器件、电源管理器、非易失性存储器、MEMS、显示驱动芯片与指纹识别芯片等。

300mm半导体硅片的需求主要来源于存储芯片、图像处理芯片、通用处理器芯片、高性能FPGA与ASIC，终端应用主要为智能手机、计算机、云计算、人工智能、SSD等较为高端领域。

当前半导体硅片向大尺寸方向不断发展，大尺寸硅片成为行业主流，产量明显增长。

半导体硅片市场格局

半导体硅片技术门槛较高、设备投资较大，具备高行业壁垒。

全球市场呈现高度集中，其中海外厂商占据主导地位。

市场份额主要被日本信越化学（27.58%）、日本胜高SUMCO（24.33%）、中国台湾环球晶圆（16.28%）、德国世创Siltronic（14.22%）、韩国SKSiltron（10.16%）五家龙头企业垄断。

全球半导体硅片市场竞争格局：

中国大陆硅片供应商主要有沪硅产业、中环股份、立昂微、中欣晶圆、众合科技、中晶科技、扬杰科技、有研半导体、上海合晶、金瑞泓和南京国盛等。

沪硅产业硅片全系列布局，目前产品类型涵盖300mm抛光片及外延片、200mm及以下抛光片及外延片、SOI硅片、压电薄膜衬底材料等，12英寸片已进入中芯国际供应链。

立昂微成立于2002年，公司创始人是我国半导体材料学科开拓者阙端麟院士。半导体硅片产品实现了6英寸到12英寸、轻掺到重掺、N型到P型等领域全覆盖，客户包括中芯国际、华润微、华虹宏力、士兰微等国内主要晶圆厂及IDM厂商。

电子特种气体属于工业气体的重要分支，是电子工业生产中关键支撑性材料之一，应用穿透半导体制造的整个过程。

电子特气是在半导体制造流程中所采用的高纯度特种气体，对纯度和杂质含量的严苛要求，占据晶圆制造成本的14%，具有较高的经济价值。

电子特气在光刻、刻蚀等多个环节发挥关键作用。

相较于一般工业气体技术，电子特气壁垒更高，深度提纯的难度也更大。

全球市场格局来看，目前全球电子特气市场被美国空气化工、德国林德集团、法国液化空气以及日本酸素（原大阳日酸）等四家主要气体供应商高度垄断。

近年来，国内电子特气本土替代进程加快。

以华特气体、金宏气体、雅克科技、中船特气、昊华科技和南大光电为代表的企业在不同种类的细分气体领域皆有突破。

华特气体核心业务包括高纯光刻气、氟、氢类电子特气，公司是国内唯一通过ASML光刻气认证的企业；昊华科技研制的高纯度含氟电子气体四氟化碳和六氟化硫产品已在国内集成电路企业批量使用，实现了进口替代；中船特气核心业务包括三氟化氮/六氟化钨等含氟电子特气等，已经具备电子特种气体及含氟新材料等50余种产品的生产能力，主要产品三氟化氮纯度达到5N，六氟化钨达到6N。

凯美特气核心业务包括食品级二氧化碳、光刻气等；和远气体核心业务为大宗气体、超纯氨，主营业务包括稀有气体、电子级空分产品等；南大光电氢类电子特气产品由控股子公司全椒南大光电生产，纯度已达到6N级别；金宏气体提供液态二氧化碳、超纯氨等。

六氟丁二烯具有优秀的刻蚀性能和环保特性，是当前国内众多厂商的重点布局方向。当前国产化率仍然相对较低，目前仅有中船特气、中巨芯等少数几家企业具备生产4N以上电子级产品的能力。

掩膜版是微电子制造中光刻工艺所使用的图形母版。

通过光刻制版工艺，将微米级和纳米级的精细图案刻制于掩膜基板上制作成光掩膜版。

光掩膜版的功能类似于传统照相机的底片，用光刻机在原材料上刻蚀出相应的图形，把不需要的金属层和胶层洗去，即得到成品。

光掩膜基板的生产完成后，进入光掩模版制造商，在玻璃基板基础上进行研磨、抛光、镀铬、涂胶等生产环节，需要较高的技术门槛，而后才能成为合格的电子元器件。

半导体光掩模竞争格局整体为美日龙头企业主导，行业集中度较高。

全球前三大半导体光掩模厂商分别为美国福克尼斯、大日本印刷和日本凸版印刷，合计占据半导体掩膜版80%以上的市场份额。

由于各大厂对于光掩模的生产技术实行较为严格的封锁，半导体光掩模市场尤其是精密加工领域垄断严重。

国内仅有少数企业如无锡迪思微、无锡中微能生产0.13μm以上的光掩模，而对于HTM、GTM、PSM等光掩模几乎都依赖进口。

此外，清溢光电深圳工厂当前的半导体芯片用掩膜版量产能力在0.25um工艺水平，并预计未来量产能力由0.25um提升至0.13um工艺的量产能力；菲利华是国内首家具备生产G8代大尺寸光掩膜版基材能力的企业，已推出从G4到G8代的系列产品，是国内唯一可以生产大规格光掩膜基板的企业。

光刻胶是光刻工艺中的核心材料，对芯片制造良率影响较大，一般需与配套试剂配合使用。

光刻胶分为半导体光刻胶、平板显示光刻胶和PCB光刻胶，技术壁垒依次降低。

全球光刻胶市场主要被JSR、东京应化、杜邦、信越化学、住友及富士胶片等制造商垄断，尤其是在半导体光刻胶的高端的KrF和ArF领域，市场集中度更高。

半导体光刻胶国产化率较低，g/i线光刻胶国产化率约为20%，KrF光刻胶低于5%，ArF光刻胶几乎依靠进口。

当前国内光刻胶企业多分布在技术难度较低的PCB光刻胶领域，占比超九成，而技术难度最大的半导体光刻胶市场，国内仅有彤程新材（北京科华）、华懋科技（徐州博康）、南大光电、晶瑞电材和上海新阳等少数几家。

国内光刻胶布局厂商众多，公开资料资料显示，产业链上下游各环节参与的厂商还包括雅克科技、永太科技、江化微、芯源微、七彩化学、万润股份、新莱应材、广信材料、八亿时空、晶瑞电材、飞凯材料、艾森股份、怡达股份、世名科技等。

在晶圆制造材料价值组成中，湿电子化学品约占10%，包括化学试剂和光刻胶配套试剂。

湿电子化学品是微电子、光电子湿法工艺制程中使用的液体化工材料。

按用途可分为通用化学品(超净高纯试剂)和功能性化学品(以光刻胶配套试剂为代表)。

湿电子化学品在半导体制造领域的应用主要包括集成电路和分立器件制造用晶圆的加工，包括前端加工与后端封测环节，其中湿电子化学品主要用于清洗、光刻和蚀刻工艺。

市场格局方面来看，全球范围内从事湿电子化学品研究开发及大规模生产的厂商主要集中在美国、德国、日本、韩国以及中国台湾地区。美国陶氏杜邦、Entegris、德国巴斯夫、Merck、日本东京应化等外国公司在特定品种上具有市场份额优势。

目前，8英寸晶圆制造多使用G3、G4等级湿电子化学品，由于加工方式发生改变，12英寸晶圆对湿电子化学品的等级提出了更高的要求，普遍需要G4-G5等级。

国内湿电子化学品达到国际标准且具有一定规模生产能力的企业中，技术水平多集中在G3以下（国产化率为80%），G3及以上的湿电子化学品国产化率仅为10%左右，极少数企业个别产品达到G4级别，国产替代空间广阔。

国内厂商中，江化微的湿电子化学品已成功导入多家12英寸半导体晶圆厂，稳步提升国产化水平；晶瑞电材的双氧水、硫酸、氨水产品符合SEMIG5标砖，半导体用量最大的高纯湿化学品将整体达到国际先进水平，主导产品已获中芯国际、华虹宏力、士兰微等国内半导体客户的采购。

湿化学品主要厂商还包括上海新阳、格林达、巨化股份、光华科技、新宙邦、兴发集团、多氟多、安集科技、雅克科技、飞凯材料、中巨芯、华融化学等。

CMP抛光材料包括抛光液（占抛光材料约50%）、抛光垫和钻石碟。

对于逻辑芯片，制程的缩小意味着光刻次数和刻蚀次数增加，也带动CMP工艺步骤数增加。7nm制程需要30次CMP工艺步骤，较14nm制程大幅提升。

对于存储芯片，随着2DNAND向3DNAND转变，CMP的工艺步骤几乎翻倍，带动了钨抛光液及其他抛光液需求的持续快速增长

CMP国产化率较低，安集科技掌握抛光液核心技术，全球占率约7%；鼎龙股份主攻抛光垫，公司率先打破抛光垫海外厂商垄断，同时抛光液、清洗液也已开始起量销售。

靶材是沉积薄膜的重要原料，主要应用于面板显示、半导体、磁记录薄膜、太阳能领域，其中应用于半导体的靶材纯度要求最高。

半导体用金属靶材主要包括超高纯铝靶、钛靶、钽靶等。

全球半导体靶材市场呈现寡头垄断格局，其中日矿金属、霍尼韦尔、东曹和普莱克斯四家企业占据了全球80%的市场份额。

国内靶材供应商有江丰电子、有研新材、阿石创、隆华科技等。

江丰电子对标霍尼韦尔，产品包括铝钯、钛靶、铜钯等；有研新材产品则包括12寸高纯金属靶材。

从远期内资晶圆产线的建设情况来看，国产半导体材料的需求前景乐观。内资晶圆产能的大幅扩张将带动对上游半导体材料的需求，有望为国内半导体材料公司带来广阔增量。乐晴智库精选

人形机器人关键设备：丝杠设备全景解析

马斯克近日透露，人形机器人擎天柱Optimus已在弗里蒙特工厂的试产线上完成制造。

特斯拉机器人生产节奏进一步明确，今年目标生产5000台Optimus，且已订购的零部件足够支撑今年生产1万-1.2万台，2026年目标是生产5万台Optimus。

当前特斯拉上调量产指引，国内厂商智元、众擎等均有千台规划，人形机器人量产元年加速开启，国内供应链厂商进一步开启国产化机遇。

在人形机器人核心零部件中，我们梳理过人形机器人产业链全解析、人形机器人灵巧手、减速器、核心电机等环节。

本文重点对高价值零件丝杠和丝杠加工设备环节进行重点解析。

01

丝杠行业概述

人形机器人丝杠是机器人线性驱动的关键组件，主要实现旋转与直线运动的转换。

其应用于关节驱动和运动控制，如手臂、腿部以及灵巧手等，是实现精准移动和稳定支撑的重要部件。

丝杠传动刚性传动主流方案，具备高精度、高负载等优势。

从设计结构角度来看，丝杠分为滑动丝杠、滚珠丝杠和行星滚柱丝杠。

滑动丝杠多为梯形丝杠，工艺简单且成本较低，但传动效率低、精度不高。

滚珠丝杠

滚珠丝杠由丝杠轴、螺母（含滚珠）、轴承和密封件构成，以滚珠滚动摩擦替代滑动摩擦，传动效率高、导程精度高。

丝杠轴、螺母和端盖上都制有圆弧形螺旋槽，将套装在一起时，这些槽对合起来就形成了螺旋通道，滚珠能够在通道内循环滚动。

特斯拉二代灵巧手方案采用微型滚珠丝杠，实现手部高灵活度和强负载能力。

微型滚珠丝杠将电机的旋转运动转化为直线运动，从而驱动手指关节实现弯曲和伸展。

滚珠丝杠主要分类：

资料来源：金属加工、行行查

行星滚柱丝杠

相较于滚珠丝杠传动方案，行星滚柱丝杠具有承载力、体积和精度等综合优势，非常契合在空间紧凑的人形机器人上应用。

行星滚柱丝杠由于高数量接触点，能够承受更高的静载和动载，静载为滚珠丝杠的3倍，寿命为滚珠丝杠的15倍，同载荷下体积比滚珠丝杠小1/3。

核心结构包括丝杠、滚柱、螺母、内齿圈、保持架和弹性挡圈。运动模式类似行星绕太阳，精度最高，但降本诉求迫切。

通过驱动螺母带动丝杠轴向运动（螺母作为主动件），可以理解成将螺母作为电机转子实现电机和直线传动机构（丝杠）融合的复合产品，好处就是在同等扭矩的基础上可以产生更大的负载，同时体积更小。

行星滚柱丝杠分为标准式、反向式、循环式、差动式和轴承环式等多种类型，其中反向式行星滚柱丝杠在人形机器人中应用较为广泛。

反向式行星滚柱丝杠结构紧凑、重量更小，但加工要求更高。

特斯拉人形机器人Optimus主要采用反向式行星滚柱丝杠，每个线性执行器中都搭载了一个行星滚柱丝杠，总共使用了14根反向式行星滚柱丝杠，分别用于大臂（2个）、小臂（4个）、大腿（4个）和小腿（4个）。

特斯拉Optimus行星滚柱丝杠分布图：

丝杠市场竞争格局

当前全球行星滚柱丝杠格局较为集中，海外龙头企业占据了在高端行星滚柱丝杠领域的主导地位。市占率较高的厂商包括瑞士GSA、瑞士Rollvis、瑞典Ewellix、博世力士乐、美国CMC、日本THK等。

特斯拉形机器人Optimus反式行星滚柱丝杠使用的是瑞士GSA制造的RGTI12.8行星滚柱丝杠。

国内丝杠老牌企业包括新剑传动、南京工艺、博特精工、汉江机床等率先布局，在客户资源和技术实力积累等维度方面有先发优势。

新剑传动在官网上展示了在人形机器人上同特斯拉Optimus类似的丝杠选型应用。24年12月，新剑传动年产100万台人形机器人及汽车行星滚柱丝杠产业化项目开工，成为全球第一家公布大规模量产的企业；南京工艺有国内规格最全的精密滚动功能部件产业化基地。

随着人形机器人的放量节奏加快，国内主营汽零、机械、工控等业务的厂商依托同源性工艺也纵向拓展丝杠业务。近年来，国内厂商贝斯特、北特科技、恒立液压、双林股份、震裕科技、鼎智科技、禾川科技等厂商积极布局丝杠业务。

此外，丝杠与轴承在生产工艺上存在诸多相似之处，尤其是磨制和热处理等核心难点工艺，二者协同性较强。国内代表企业为五洲新春、长盛轴承、斯菱股份、金沃股份等横向对比海外供应商SKF、NSK等轴承龙头均在丝杠领域具备市场竞争力。

此外，在灵巧手微型丝杠领域，双林股份、浙江荣泰、雷迪克、五洲新春等厂商都有所布局。

丝杠加工设备

滚柱丝杠生产工序繁多。

螺母工艺流程含毛坯热处理、半精车、铣螺纹、粗磨、淬火、磨削/车削等步骤。

工艺难点聚焦在多线螺纹滚道、滚柱花键齿结构以及螺母内螺纹，加工难度依次递增。

丝杠工艺高精度特性对设备要求高，目前高端加工设备仍依赖进口。单台价值量上百万，成本较高，且采购周期较长，一定程度限制了行业发展。

丝杠制造流程较长，会带来热处理、校直、车床、磨床、检测设备等多类设备需求。

综合降本要求&量产效率，丝杠生产商正在探索磨/车/铣/轧等组合方案。

磨床

磨削为不可缺少的关键环节。磨削工艺具体是指利用高速旋转的成型砂轮对加工工件表面进行高速切削，主要分为粗磨、稳定和精磨三个阶段，最高精度可达P1级，是高精度丝杠螺纹的主要加工工艺。超高速+高精密磨削构成高技术壁垒。

磨床是丝杠扩产核心设备，也是难度最高的机床之一。

磨床是利用磨料、磨具对工件进行磨削加工的机床，为满足精加工和硬表面加工需求而产生。

从竞争格局来看，高端磨床基本由欧洲、日本的厂商占据。德国和日本等发达国家的磨床企业起步较早、技术水平领先，产品附加值较高，包括德国斯来福临集团、日本捷太格特、德国埃马克、士罗曼蒂克等。

国内仍高度依赖进口磨床，本土磨床企业普遍体量也还较小，在丝杠扩产有较大潜在市场需求的情况下，国内厂商有望加速迎来国产替代机遇。

近年来国产厂商已有较好技术积累，正在加速追赶。

布局高端磨床的厂商不仅包括老牌螺纹磨床企业汉江机床，还包括华辰装备、日发精机、宇环数控等具备其他领域超高精密磨削经验的玩家。

公开资料显示，老牌机床厂商秦川机床旗下拥有秦川本部、汉江机床、汉江工具等多家专精特新“小巨人”企业，在齿轮加工机床、加工中心、螺纹磨床等领域处于国内第一梯队。汉江机床在国内螺纹磨床市场的市占率超过70%，秦川格兰德在国内外圆磨床市场的市占率约25%；日发精机在高端轴承磨超加工领域市占率国内第一；华辰装备以磨床为核心产品，构建了数控轧辊磨床、亚微米级高端复合磨削系列产品、精密螺纹磨床和数控直线导轨磨床四大核心产品体系。

轧制加工效率最高，但精度较低，过去多应用于低精度丝杠生产，当前部分厂商正在攻克其高精度模具和淬火难点。

从热处理变形来看，掌握螺距变形量对于丝杠辊轧非常重要，参考德国宝飞螺公司，因为摸清了变形规律，使得大批量生产高精度滚珠丝杠成为可能。

轧辊磨床为磨床最难品类之一，其主要功能为对以轧辊为代表的精密轴类零部件的表面进行磨削以达到预设的形状和精度。

轧辊磨床自身精度、智能化和稳定性水平越高，越能满足下游客户对精密轴类零部件磨削质量的要求。

国产轧辊磨床企业正由中高端向高端渗透。我国轧辊磨床市场目前形成了三个层次的竞争格局。第一层由少数国外高端磨床企业组成，如德国、意大利等地企业，这类企业的轧辊磨床产品技术含量高、价格昂贵，处于轧辊磨床行业的高端地位；第二层由中、高端生产企业组成，主要包括华辰装备、美国CAPCO、上海机床厂有限公司、无锡机床股份有限公司、贵阳险峰机床等国内外磨床企业；第三层由数量众多的低端制造厂商组成。

国内厂商以华辰装备等代表的厂商引领轧辊磨床国产替代，下游包括宝武、鞍钢集团等国内外钢铁集团客户，与德国Wieland公司联合研发高端万能精密复合磨削中心（亚μ磨削系列），精度指标达到世界同类产品水平。

华辰装备数控轧辊磨床图示：

资料来源：华辰装备官网

车床

丝杠降本新路线带来高端车床需求，以车代磨等新方案进一步减少磨削量。

根据《精密滚珠丝杠制造技术的变革创新》，以车代磨螺纹滚道的粗加工技术在日本和中国台湾应用已经较为广泛，在中国大陆地区仍具备较大渗透空间。

通过数控车床实现以车代磨，以缩短磨削加工工时、提升加工效率是丝杠降本核心方向之一。

传统车床属于机床行业中国产化率较高的品类。公开资料显示，相关厂商中国内沈阳机床、浙海德曼、博谷智能、北京机床研究所等已经推出以车代磨产品。例如，浙海德曼开发的高精度高刚性主轴结构电主轴，可以承受较大的轴向负荷，以实现重切削及以车代磨。

旋风铣床

“以铣代磨”等方案核心目的也是进一步减少精磨的磨削量，保证高精度的同时提高效率。

“以铣代磨”为丝杠降本新路线，国内厂商在生产应用上起步较早，但设备研发仍处于前期阶段。

螺纹旋风铣削是用安装在刀盘上的多把成形刀具，借助于刀盘旋转中心与工件中心的偏移量ｅ来构成渐进式的高速切削。

目前国内企业正积极布局旋风铣床开发。

旋风铣削技术已在大连机床厂、北京机床研究所等推广，国产厂商应用方面较为成熟。

秦川机床子公司汉江机床目前开发的数控丝杠铣床可用于滚珠丝杠滚道硬旋铣成型加工，加工效率比传统方式提高30%。

南京工艺在2004年首次引进了德国莱斯特瑞兹旋风硬铣机床，可以精铣出800mm以上的大型滚珠丝杠副；博特精工和晨光数控等厂商也有所突破。

此外，作为关键耗材的PCBN刀具同样有需求，沃尔德滚珠丝杠加工用的PCBN旋铣刀片及钛合金加工用的3C刀具等新产品相继推向市场。

汉江机床SK6010 数控丝杠铣床：

随着特斯拉等头部人形机器人厂商积极上调量产指引，国内丝杠厂商资本开支加速。

整体而言，在人形机器人单机和灵巧手结构中，丝杠是高价值核心环节。人形机器人所采用的丝杠均属于中高端产品范畴，制造工艺复杂且难点多，对生产设备的定制化等方面都提出了高要求。当前丝杠产业化进程尚需推进，未来人形机器人在应用端加速推进后，国产替代空间将十分广阔。乐晴智库精选