电子特种气体行业研究报告.docx

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电子特种气体行业研究报告

2020年电子特种气体行业研究报告

1、电子工业的“血液”——电子特气

工业中，常温常压下呈气态的产品被人们统称为工业气体产品。

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。

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，特种气体主要包括电子气体、高纯气体和标准气体。

大宗气体产销量大，但是对纯度要求不高。

特种气体产销量虽小，但根据不同的用途，对不同特种气体的纯度或组成、有害杂质允许的最高含量、产品的包装贮运等，都有极其严格的要求，属于高技术、高附加值产品。

在半导体的生产中，大宗气体和电子特气都有应用。

大宗气体主要包括空分气体中的氧气、氮气，品种少、用量大，对纯度要求不高（99.99%左右甚至是普通纯度），可用于助燃、防氧化等，供应方式以现场制气、集中供应为主。

电子特气主要包括氢化物、氟化物、氟代烷烃、金属有机化合物等等，是超大规模集成电路、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不可缺少的基础性支撑原材料，被广泛应用于薄膜、刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺，供应方式以零售分散供应为主。

随着半导体和微电子工业的迅猛发展，业界对电子特气的品种、数量、质量及纯度都提出了更高的要求。

一般而言，对电子特气的纯度要求达到了4.5N、5N甚至6N、8N（N指纯度百分比中9的个数，小数点后的5表示最后一位不满9的小数，4.5N表示99.995%，8N表示99.999999%），同时还要求将金属元素净化到10-9级至10-12级。

纯度每提升一个N，以及粒子、金属杂质含量浓度每降低一个数量级，都将带来工艺复杂度和难度的显著提升。

一旦电子特气的纯度或是净度不达标，轻则使得产品质量不过关，重则扩散污染整条产品线，甚至报废，造成巨额损失。

电子特气在半导体工业中起到举足轻重的作用，被称为电子工业的“血液”。

1.1.品种庞杂、功能多样，不可或缺的关键材料

电子特气下游的主要应用包括半导体、显示面板、光伏和LED。

全球范围内来看，半导体行业对电子特气的需求占到总量的71%，显示面板需求占到18%。

与其余地区相比，我国的晶圆代工产业的发展稍显滞后，而以京东方为代表的显示面板企业则已经初具规模。

因此，与全球范围相比，我国电子特气的下游应用比例有所差别，其中半导体行业对电子特气需求占到国内总需求的42%，显示面板需求占到37%。

在半导体工业中，常用的特种气体有100多种，其中在集成电路制造中的硅片制造、氧化、光刻、气相沉积、蚀刻、离子注入等核心工艺环节中，需要的特种气体种类超过50种。

目前电子特气并没有形成国际通行的分类体系，通常根据气体的用途对其进行区分，比如外延晶体生长气、热氧化气、外延气、掺杂气、扩散气、化学气相沉积气、喷射气、离子注人气、等离子蚀刻气、载气/吹洗气、光刻气、退火气、焊接气、烧结气和平衡气（有的气体有多种用途）等。

尽管半导体生产中要用的特种气体品种繁多，但单种气体的用量并不是太大。

根据统计，一个月产量5万片的8英寸晶圆厂一年要用的电子特气数量有56种，金额约为5000万元。

具体到个别品种，以下表中用量最大的三氟化氮气体为例，一年用量为628瓶，常用的规格一瓶为50Kg，一年大约消耗31.4吨，按某上市公司出厂价15万元/吨左右计，折合金额471万元。

也正是由于电子特气多品种、小批量、高频次的特点，使得下游半导体产业的客户希望气体供应商能够覆盖更多类别的产品，并且提供包装容器处理、检测、维修及供气系统的设计、安装等专业化的配套服务，从而满足其一站式的用气需求，这对气体公司的综合服务能力提出了较高的要求。

因此，为了满足客户的需求，气体公司不仅需要内生性地提升产能和产品质量，还需要通过不断地研发新品种的特气，或者通过外延并购其余气体公司拓展产品线。

1.2.气体工业百年，垄断格局已成

工业气体行业起源于1886年的英国，Brins兄弟建立了BOC（英国氧气公司），起初气体行业的主要产品包括氧气、氢气、一氧化碳、氮气等等重要的大宗工业原料，对纯度要求并不高。

20世纪60年代，随着电子工业等高新技术的发展，出现了电子气体及其它特殊用途的高纯气和混合气，统称为特种气体。

由于特种气体是当时的新兴行业，涉及的气体品种繁多，应用范围又很广，各国对特种气体没有形成统一的定义和分类。

到20世纪80年代，经过十多年的发展，全球各主要气体公司都相继成立了特种气体部，或设立专门生产和供应各种高纯气体及混合气体的类似机构，高纯气体的种类扩展到130多种，半导体产业中，高纯氨、氯化氢、二氧化碳、硅烷、乙硼烷、硒烷、磷烷、砷烷等气体得到广泛的应用。

到80年代末，高纯气体的种类膨胀到260多种。

这一时代业界对气体的纯度要求达到4.5-5N。

彼时，我国的电子气体工业发展还不完善，研究多是对国外技术的跟踪与翻译，特种气体品种和纯度上大约落后于国外先进技术10年左右。

国家通过“六五”、“七五”计划针对高纯烷类气体、蚀刻气、三氟化氮等特种气体展开技术攻关，实现部分品种的初步自主供应。

20世纪90年代，业界对气体的纯度要求进一步提高到6N甚至8N，国外的大型气体公司逐步建立了具有自己特色的、分工明确和门类齐全的气体控制体系。

尽管我国的气体工业也有了长足的发展，但在气体纯度、混配、贮运、分析、净化和应用上，与国外仍然有着10年左右的技术代差。

据统计，截止到1997年，已经有7家国外大型气体公司在我国近三十个城市建厂。

国内以光明院（上市公司昊华科技的前身）、南京大学（孵化上市公司南大光电）为代表的研究机构实现了一些电子气体品种的突破。

21世纪，跨国气体公司通过大量整合兼并，最终组成了以美国空气集团、法国液化空气、德国林德、日本大阳日酸为首的几家巨头气体公司，垄断格局形成。

我国通过“十五”、“863”等多个渠道对气体行业提供资金支持，也因为上游半导体产业的高速发展，国产电子气体的研究及产业化生产开始加速，我国成功结束了国产电子气体无法大规模批量稳定使用的历史，以高纯氨、氯化氢、四氟化碳等为代表的国产电子气体，在8英寸晶圆、太阳能电池、LED领域有不俗的表现。

我国基本建成品种齐全、质量接近的电子气体工业体系，但多用于微电子行业的低端市场或直接销售给外商。

近10年，国内电子气体不断实现高端品种的技术突破，与国外的技术代差逐渐缩小，外资气体公司在华的垄断格局松动，国产气越来越多地进入下游大客户的供应链。

2018年以来，持续升温的中美贸易战以及美国对我国半导体产业的“卡脖子”手段，激发了国内政府和产业的高度关注，国内电子特气行业获得了前所未有的发展机遇，研发、产业化生产和融资都将进一步提速。

1.3.市场广阔，电子特气前途光明

过去二十年间，全球半导体市场和半导体材料市场均稳步发展。

根据WSTS（世界半导体贸易统计协会）的数据，2018年全球半导体产业销售额创下4688亿美元的新高，2019年由于中美贸易摩擦，相比2018年下降了12.1%，为4123亿美元，自1999年以来年化复合增速为5.16%。

WSTS预计，尽管存在新冠疫情的影响，2020年半导体产业销售额仍将同比上升3.3%至4260亿美元，2021年继续上升6.2%至4523亿美元。

另一方面，SEMI（国际半导体设备与材料协会）统计的全球半导体材料销售额同样在2018年创下新高，为519亿美元（2020年上修为527亿美元），2019年下滑2.9%至512亿美元，自2001年以来年化复合增速为5.33%。

根据SEMI公布的数据，2018年，全球半导体材料527亿美元的销售金额中，晶圆制造材料为330亿美元（2020年由原始的322亿美元上修），其中电子特气约为42.7亿美元，占晶圆制造材料的12.9%，与上一年度大致持平，是仅次于硅片的第二大材料。

2010-2018年，电子特气市场的年化复合增速约为5.00%，与半导体和半导体材料行业大体一致。

大体上来看，全球电子特气市场大约占到半导体材料市场的10%，而半导体材料市场大约占到整个半导体市场的10%。

展望未来，我们认为半导体产业将继续平稳发展。

ICinsights预计，2020年全球将新增晶圆年产能1790万片（等效8英寸），2021年新增年产能2080万片，增幅将创历史新高。

2019-2024年IC行业产能的复合年化增速将略高于5.9%，超过2014-2019年间的复合年化增速5.1%。

扩产的主力不仅包括传统的外国半导体企业，如三星、SK海力士，新产能的很大一部分还将由中国公司贡献，比如长江存储/武汉新芯、中芯国际、华虹半导体等。

随着集成电路规模的进一步扩大，行业对半导体制造工艺势必将提出更高的要求。

因此，我们认为电子特气作为半导体工业中必不可少的“血液”，将同步迎来稳定的需求增长。

我们预测未来五年内全球电子特气市场的年化复合增速为6%，到2024年超过60亿美元。

1.4.腾飞前夜，国产特气蓄势待发

相比于全球，中国的半导体和电子特气产业表现出更高的增长速度，也孕育着更大的机遇。

根据中国半导体行业协会的数据，2019年我国集成电路产业销售额为7562亿元，约合1080亿美元，除2008、2009年由于全球金融危机同比下滑以外，全部维持正增长，自2002年以来的年化复合增速高达21.70%，是全球半导体行业增速的4倍。

因此，近年来我国在全球半导体市场中的占比也在逐年提升，2019年超过35%（这一数据来源于WSTS），成为规模最大的单一市场。

据SEMI统计，2018年中国大陆的半导体材料销售额达到84.4亿美元，自2006年以来的年化复合增速为11.11%，超过全球半导体材料行业增速的2倍。

2006-2018年间，中国大陆的半导体材料市场的规模已经从占全球的6.40%提升到了16.25%，是仅次于中国台湾、韩国的第三大市场。

受益于我国半导体产业的高速发展，我国电子特气行业的市场规模也在迅速扩大，截至2018年已经达到121.56亿元，自2010年以来的年化复合增速高达15.3%，是全球行业增速的三倍。

近两年由于贸易保护主义的升温，美国对我国的半导体产业实施了诸多“卡脖子”手段，促使我国半导体产业国产替代加速。

据SEMI统计，全球在2017-2020年间投产的78座晶圆厂中，有30座位于中国，占到总数的38.5%。

SEMI预计到2020年，中国大陆晶圆厂装机产能将达到400万片/月（等效8英寸），和2015年的230万片相比，年化复合增速为12%，成长速度远超世界其他所有地区。

据芯思想研究院统计，截至2019年底，大陆地区12英寸晶圆制造厂装机产能约90万片/月，较2018年增长50%；8英寸晶圆制造厂装机产能约100万片/月，较2018年增长10%；6英寸晶圆制造厂装机产能约230万片/月，较2018年增长15%；5英寸晶圆制造厂装机产能约80万片/月，较2018年下降11%；4英寸晶圆制造厂装机产能约260万片/月，较2018年增长30%；3英寸晶圆制造厂装机产能约40万片/月，较2018年下降20%。

2019年大陆地区63个晶圆制造厂项目中，刨除掉停摆的6个项目，剩余57个项目累计投资超过1.5万亿人民币，同比增加超过7%。

据我们统计，2019年底大陆地区主要晶圆厂商进入实质性量产的12英寸和8英寸晶圆生产线产能共计201.8万片/月（等效8英寸）。

近两年，国内对半导体行业的关注度大幅提升，各地纷纷上马了大量的百亿、千亿级晶圆厂项目。

这些产线如果能够按计划达产，将使得大陆地区晶圆产能超过950万片/月，相比2019年底有接近5倍的提升。

对于一般的晶圆厂来说，从开工到投产短则需要18个月，长则需要36个月甚至更久。

尽管部分产线由于各种原因，在规划、建设等各个环节暂停、无限期推迟，甚至搁浅，但我们认为国内企业对于半导体行业的投资力度只会越来越大，下一个十年将是半导体大发展的黄金十年。

1.5.国家意志加持，电子特气国产化提速

近几年，对于电子特气行业的国产化，我国政府也表现出了前所未有的重视程度，扶持电子特气产业的相关政策越来越密集、越来越细化。

2017年1月，工信部等四部委首次提出“加快高纯特种电子气体研发及产业化，解决极大规模集成电路材料制约”；2019年12月，工信部发布的《重点新材料首批次应用示范指导目录（2019版）》中指出，将用于集成电路和新型显示的电子气体的特种气体：

高纯氯气、三氯氢硅、锗烷、氯化氢、氧化亚氮、羰基硫、乙硼烷、砷烷、磷烷、甲硅烷、二氯二氢硅、高纯三氯化硼、六氯乙硅烷、四氯化硅等列为重点新材料。

另外，国家大基金（二期）于2019年7月募集完成，将加大对国产设备和材料领域的投入。

2019年9月，国家大基金二期在半导体集成电路零部件峰会上透露了未来大基金的投资布局及规划的三大方向，其中包括“充分发挥基金在全产业链布局的优势，持续推进装备与集成电路制造、封测企业的协同，加强基金所投企业间的上下游结合，加速装备从验证到‘批量采购’的过程，为本土装备材料企业争取更多的市场机会。

督促制造企业提高国产装备验证及采购比例，为更多国产设备材料提供工艺验证条件，扩大采购规模。

”

基于以上的事实和数据，我们认为政府和企业对国内晶圆厂、电子特气产业的大手笔规划、建设和投产将驱动电子特气行业维持高度景气。

根据前瞻产业研究院的预测，未来五年内我国电子特气行业的市场规模仍将以超过年化11%的速度继续增长，到2024年达到230亿元，相比2018年接近翻倍。

但是，对于电子特气行业的中国企业来说，这是一条宽阔却并不平坦的道路。

2.打破巨头垄断，特气行业迎来中国“芯”势力

2.1.四大巨头垄断下的特气市场

自21世纪以来，跨国气体公司加速对行业进行整合。

2004年，法液空花费大约27亿欧元收购了欧洲第四大气体供应商梅塞尔的大部分资产；2006年，德国林德以140亿美元的价格收购了老牌气体公司，欧洲第五大气体供应商英国氧气公司；2016年，法液空斥资134亿美元收购美国气体公司Airgas；2018年底，两家世界前五的气体公司德国林德和美国普莱克斯完成了价值900亿美元的对等合并，世界气体行业四大巨头最终成型。

截止到2018年，美国空气化工、法液空、新林德、日本大阳日酸四家公司总计占据了世界电子特气市场份额的94%。

由于我国电子特气行业起步较晚，过去国内的气体公司与国外巨头相比一直存在10年左右的技术代差，中国的电子特气市场同样被几家大型跨国气体公司所垄断。

根据卓创资讯统计，截止到2018年，美国空气化工、新林德、法液空、日本大阳日酸总计占据我国电子特气市场份额的88%；国内的气体公司，比如华特气体、金宏气体等占比都没有超过3%。

对此，早在2011年就有学者评论，电子特气作为半导体产业的上游关键原材料，供应却受制于人，“一条产业链，半截在国外”。

要做大做强我国的半导体产业，打破国外气体公司在华的垄断局面势在必行。

一方面，电子特气属于危险化学品，进口手续繁琐、周期长。

某些电子气体性质不稳定自发分解，或是具有强烈的腐蚀性，这些都将使得电子特气无法长时间放置，否则杂质含量会提高。

而且，由于气体产品的特殊物理性质，电子特气的储存、运输都需要比较苛刻的环境。

以上各种原因使得，进口特气价格昂贵，达到国产特气的2-3倍。

另一方面，作为关键原材料的电子特气掌控于外国公司之手，受国际关系影响的波动大，难以满足我国半导体产业稳定发展的要求。

电子特气国产替代的重要性不言而喻，尤其是近两年，中美贸易争端让国内电子特气行业受到了前所未有的关注。

2.2.占据地利，国内公司卡住“身位”

国内特气公司与跨国大型气体公司身处同一赛场竞争，具备一定的身位优势。

一是供应及时。

特种气体作为危险化学品，产品包装、运输有严格的规定，部分产品的进出口受相关国家管制，进口周期长、容器周转困难，给客户使用和售后服务带来很多不便，比如从美国进口特种气体，海运及通关手续需要近2个月的时间，包装容器的周转效率极低，运输成本非常高甚至高于气体本身价格。

国内特种气体企业物流成本低，供货及时。

二是供应稳定。

当前动荡的国际局势下，国外气体公司的断供犹如达摩克利斯之剑，高悬半导体企业头顶。

从长远考虑，为了满足半导体生产的连续稳定，应当避免包括电子特气在内的关键原材料供应大部分掌控在外资手中，一定要培养、扶植我们自己的特气供应商。

三是价格优惠。

比如国内高纯气体产品平均价格只有国际市场价格的60%，采用国产高纯气体产品可大幅度降低下游行业的制造成本。

四是质量接近。

尽管国内特气工业的开发、研究起步较晚，但是经过数十年的大力投入，国内外的技术代差在不断缩小，部分产品的容器处理技术、气体提纯技术、气体充装技术和检测技术已经达到或者超过国际通行标准。

2.3.壁垒高企，电子特气国产化道阻且长

国产特气公司要实现对国外公司的追赶甚至超越，仍然要面对客观存在的高昂壁垒，主要包括技术壁垒、客户认证壁垒、服务壁垒、资金壁垒、资质壁垒等。

而当公司集中力量突破这些壁垒后，它们又将反过来变成公司的护城河。

2.3.1.技术壁垒

特种气体在其生产过程中涉及合成、纯化、混合气配制、分析检测、充装、气瓶处理等多项工艺技术，以及客户对纯度、精度等的高要求，对行业的拟进入者形成了较高的技术壁垒。

第一，气体纯化技术。

气体纯度是特种气体产品的核心参数，要求超纯、超净，超纯要求气体纯度达到4.5N、5N甚至6N、7N，超净即要求严格控制粒子与金属杂质的含量，纯度每提升一个N以及粒子、金属杂质含量浓度每降低一个数量级都将带来工艺复杂度和难度的显著提升。

第二，气体混配技术。

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，常要求气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。

第三，气体分析检测技术。

高纯、超纯气体的生产制备首先要对上游原料工业气进行全分析，其次根据杂质成分的复杂程度来设计生产工艺和设备，最后分析设备需采用在线自动监控，分析精度要求很高。

第四，气体充装技术。

在充装方面，气体充装工艺过程包括分析、置换、清洁、清洗等。

首先要对储存设备中的余气进行纯度检测分析，检验其是否达到标准要求，若未达须先置换合格后再进行充装，以防产品交叉污染。

在充装完毕并分析合格后，须进行防尘和施封后方可交付客户使用。

第五，气瓶处理技术。

气瓶处理是保证气体存储、运输、使用过程中不会被二次污染的关键，对气瓶内部、内壁表面等的处理涉及去离子水清洗、研磨、钝化等多项工艺，而磨料配方筛选、研磨时间设定、钝化反应控制等均依赖于长期的行业探索和研发。

第六，气体配送技术。

在配送方面，工业气体属于危险化学品，必须借助专业存储运输设备，并严格按照安全生产、安全运输等规程操作。

国内一些特气公司目前已经实现了主力气体品种从纯化到配送完整技术链条的突破，技术水平和产品指标已经达到或者超越国际领先水平，但目前仍然亟需进一步丰富产品种类。

2.3.2.客户认证壁垒

作为关键性材料，特种气体的产品质量对下游产业的正常生产影响巨大，对晶圆加工生产商而言，若生产用的气体产品发生质量问题，将导致整条生产线产品报废，造成巨额损失。

因此，对极大规模集成电路、新型显示面板等精密化程度非常高的下游产业客户而言，对气体供应商的选择极为审慎、严格。

一方面，客户尤其是集成电路、显示面板、光伏能源、光纤光缆等高端领域客户对气体供应商的选择均需经过审厂、产品认证2轮严格的审核认证，其中光伏能源、光纤光缆领域的审核认证周期通常为0.5-1年，显示面板通常为1-2年，集成电路领域的审核认证周期长达2-3年；另一方面，为了保持气体供应稳定，客户在与气体供应商建立合作关系后不会轻易更换气体供应商，且双方会建立反馈机制以满足客户的个性化需求，客户粘性不断强化。

因此，对新进入者而言，长认证周期与强客户粘性形成了较高的客户壁垒。

对于某些气体品种，国内研发生产较早，已经实现了国产替代，但距离全面替代进口品种还有很长的距离。

我们认为随着国内气体公司的技术进步，以及近年来国际贸易波动的加剧，只要产品质量达标，下游客户选择国内公司作为“备胎”甚至直接纳入供应链都是可能而且必要的。

2.3.3.服务壁垒

客户对特种气体产品的种类需求丰富，由于成本控制、仓储管理等方面因素影响，客户更希望气体供应商能够销售多类别产品，并且提供包装容器处理、检测、维修及供气系统的设计、安装等专业化的配套服务，从而满足其一站式的用气需求，这对气体公司的综合服务能力要求较高。

此外，由于特种气体客户用气具有多品种、小批量、高频次的特点，对气体供应商的配送能力提出了较高的要求，需要在保证服务高效、及时的同时能够合理控制成本水平。

国外气体公司当前服务下游客户多采用TGCM（TotalGasandChemicalManagement，全面气体及化学品运维管理服务）模式，为半导体制造商提供一整套气体及化学品综合服务，包括产品管理、设备管理、工程和技术支持服务、分析服务、信息管理服务以及废物管理等。

半导体制造领域的TGCM分包，目前绝大部分由世界排名前几位的大型气体公司承接，如液化空气、林德集团、空气化工、大阳日酸等。

这些公司伴随半导体行业的发展而发展，在整个历程中提供了绝大多数的气体和化学品产品，拥有强大的技术实力和服务能力，下游客户对其信任度较好。

因此，要提供一站式的气体应用解决方案，以及高效、合理的物流配送服务，都对企业的行业积淀和行业理解提出了极高的要求，对新进入者形成了较高壁垒。

到目前为止，国内气体公司通常只能供应一种或几种气体，在气体品种的横向拓宽上与国际公司相比仍有较大的差距，同时，国内公司在综合服务能力方面仍处于起步探索阶段。

2.3.4.资金壁垒

气体行业的生产设施要求较大规模的固定资产投入，同时为了保证产品质量的稳定性，需要采用大量精密监测和控制设备。

行业内企业在扩大业务规模的程中，往往通过兼并收购的方式横向布局，需要较强的资本实力。

气体供应商需要有专业的运输设备和特种运输车辆，还需要对运输的全过程等进行跟踪监测和严格控制，由此带来的运输及监控设备投入也比较大。

上述因素导致特种气体行业具有重资产的特点，具有较高的资金壁垒。

2.3.5.资质壁垒

特种气体属于危险化学品，在其生产、储存、运输、销售等环节均需通过严格的资质认证，取得《安全生产许可证》《危险化学品经营许可证》《道路运输经营许可证》《移动式压力容器充装许可证》等多项资质。

资质审核过程严格，不仅需对企业的生产环境、工艺、设备等进行多次现场评估，还要求生产人员、管理人员均需通过相应测试并取得个人资质，资质获取作为特种气体行业生产经营的前置程序，严格的资质审核对行业新进入者形成了较高的资质壁垒。

除此以外，部分特定用途的特种气体还需要另外经过专项严格审核才可取得相应用途的产品经营资质，例如食品级氧化亚氮的生产需取得《食品生产许可证》，标准气业务需取得《制造计量器具许可证》等，更对行业拟进入者增加了更高的壁垒。

2.4.中国气体势力崛起，垄断格局开始松动

国内某些气体实现技术突破较早，已经打入了下游客户的供应链。

比如：

华特气体的高纯氟代烷烃