（报告出品方/作者：招商证券，周铮、曹承安、连莹）
一、电子特种气体行业概述
1、半导体制造的关键原材料，产品种类繁多
电子特气是半导体材料制造的关键原材料，下游应用领域广泛。工业气体是工业中使用的常温常压下呈气态的物质， 广泛应用于现代工业的各个领域，根据其用量大小可以分为大宗气体和特种气体两类，其中大宗气体又可分为空分气 体（氧气、氮气、氩气及稀有气体）和合成气体（CO / H2、乙炔、CO2等），特种气体根据用途不同可分为电子特种 气体、医疗保健用气体、食品饮料用气体、航天用气体等。
电子气体种类繁多，按照用途划分为电子特种气体和电子大宗气体两类。电子大宗气体一般用作电子工业生产的环境 保护气、载气等，常用于高温热退火、保护气体、清洗气体等环节。电子特种气体普遍应用于半导体芯片、液晶面板 材料制造等各个工艺流程中，比如清洗、沉积、光刻、刻蚀、离子注入、成膜、掺杂等环节。截至 2020 年，仅特种 气体中的单一组分气（不包含混合气）已有 260 种，具有相近化学组成的同系物通常具有相似化学性质：例如氟化 物（六氟乙烷、三氟化碳）都具有腐蚀性，常用作半导体刻蚀气；硅烷与乙硅烷都可用作气相沉积成膜工艺。
电子特气主要应用于半导体领域，在刻蚀和掺杂工艺中使用占比较高。电子特种气体具有高技术、高附加值的特点， 是半导体、液晶显示面板、光伏、LED 等电子工业生产中必不可少的基础和支撑性原材料，被广泛应用于清洗、光刻、 刻蚀、掺杂、外延沉积等工艺中。根据 Linx 统计，全球电子特气下游应用市场中半导体占比为 73.1%，显示面板为 19.4%，化合物半导体/LED 为 4.4%，光伏为 3.1%；中国电子特气下游应用市场中半导体、显示面板、光伏分别占 比 43%、21%、13%。根据成分与用途的不同，可以将电子特气分为：光刻用气、刻蚀用气、掺杂用气、外延沉积 用气等，其中，刻蚀用气、掺杂用气用量较多，2021 年占比分别为 36%和 34%。
2、晶圆的“粮食”，贯穿晶圆制造的核心工段
电子特气是晶圆制造过程中仅次于硅片的第二大原材料，贯穿晶圆制造只要工艺流程。晶圆制造原材料中硅片占比约 为 32.9%，其次是电子特气占比为 14.1%，电子特气作为大额用量的耗材，贯穿晶圆制造工艺的全流程。在晶圆制造 的整套工艺生产过程中，使用到的电子气体高达 100 种，核心工段涉及的电子特气种类约 40-50 种，贯穿成膜、清洗、 沉积、刻蚀、掺杂、离子注入等工艺流程中，因此电子特气也被称为晶圆的“粮食”。
在晶圆制造的沉积成膜工艺流程中：首先使用氟化铵和氟化氢等多元电子特气吹扫刻蚀晶圆基板，以获得平整规则的 晶圆表面；然后使用铪烷/氧/氩混合电子特种气进行沉积吹扫，在晶圆表面上形成一层氧化铪膜；最后使用硅烷/氧/ 氩混合气进行沉积吹扫，继续在氧化铪膜的表面上形成一层氧化硅膜。氟化物电子特气刻蚀晶圆基材的化学原理为： 氟离子具有强酸性，可以与硅片发生化学反应，腐蚀掉晶圆表面的硅膜。在晶圆上“雕刻”电路图，是通过光刻工艺实 现的，需要依次经过：沉积成膜→光阻成膜→显影→光刻刻蚀→光阻去除等五个步骤，反复进行以上步骤，就可以将 光罩上的电路图转移到晶圆上，实现集成电路的设计制造，以上步骤中均需要不同种类的电子特气参与。
二、电子特气的工艺技术壁垒和认证壁垒高
电子特气有纯度和混配精度两个核心指标。电子特种气体与传统工业气体的区别在于纯度更高（如高纯气体）或者具 有特殊用途（如参与化学反应），通常电子特气的纯度要求必须达到 5N 及以上级别（N 代表纯度百分比中 9 的个数）， 晶圆制造对电子特气的纯度要求极为严格，一般大于 6N，例如在晶圆制造过程中沉积成膜工段的硅烷特种气体纯度 要求达到 8N 及以上。配比精度是针对混配气体的核心参数，即精准控制不同气体的混配比额，行业内一般以 ppm（百 万分之一，10-6）、ppb（十亿分之一，10-9）、ppt（万亿分之一，10-12）、以及百分数来表示组分配比。在晶圆制 造过程中，特定核心工段涉及的特种气体往往不是唯一组分，例如，对于光刻工段使用的特种气体，通常涉及氩-氟氖混合气、氪-氖混合气、氩-氖混合气、氪-氟-氖混合气等。
（1）电子特气的纯度直接影响晶圆和电子元器件的各项指标。电子特气的纯度会影响晶圆和电子元器件的质量、性 能、集成度、技术指标和成品率等指标，如果杂质含量过高，轻则导致下游相关批次产品质量不达标，重则扩散污染 整条生产线，造成高额损失。近年来，芯片制程已从 2010 年的 32nm 发展到目前先进的 3nm，对应电子特气中的污 染粒子体积也要缩小 11 倍以上，才能确保晶圆不受污染，保持输出产品的良品率，如果芯片制程再次下降，晶圆制 造将进一步迈向原子尺度的“施工”等级，此时硅片的膜层已经非常薄，对杂质及副反应更加敏感，对特种气体的洁净 度要求会越来越严格，高纯度是企业进入国际主流晶圆厂供应商行列的敲门砖。
（2）电子特气的高精度混配能够进一步打开企业的盈利空间。相对于纯净气，混配气的售价及毛利普遍更高，例如 法国液化空气生产的 40L 装 5N 纯度的一氧化碳纯净气售价为 500 元；40L 装 5N 纯度的氮气纯净气售价为 165 元， 而 40L 装一氧化碳浓度为 1~2ppm 的一氧化碳-氮气混配气，售价为 1640 元。气体混配工艺通常采用重量法、分压 法、动态体积法将两种及两种以上组分的气体按照不同比例混合，对配制过程的累计误差控制、配置精度、配置过程 的杂质控制和混配设备都有极高的要求。混配过程难度一般随着产品组分的增加、配比精度的提升、以及溶质气体目 标浓度的降低而显著增加。目前晶圆厂普遍要求 ppm 甚至 ppb 级别浓度的组分进行精确操作，其配置难度与销售价 均呈指数性增长，因此若能打通高精度混配工艺生产线，将为企业带来更高的盈利空间。
从生产技术角度看，电子特气是一个典型的技术密集型行业。为了满足纯度和混配精度这两个核心指标，电子特气不 仅对上游采购的原料气源和供应系统有着严苛的检测要求，其主要的生产工艺也有极高的技术壁垒。电子特气的生产 工艺通常包括：气体纯化、气体合成、空气分离、气体充装、气体混配、气体检测、钢瓶处理七大板块。
（1）气体纯化：是电子特气生产流程中的核心环节，是指通过精馏、吸附等方式将低纯度原料气精制成更高纯度的 气体产品。在此环节中，低纯度的原料气充入原料储罐，通过增压器加压使之成为液体后，依次送入洗涤塔、干燥塔 和吸附塔进行预处理，去除颗粒物水分等杂质后，再送入精馏塔。精馏塔是气体纯化步骤的的核心设备，在此去除轻 重杂质组分和金属离子后即得到高纯气体，高纯气体经低温液体泵泵入充装系统，再进入不同的压力容器储存。
（2）气体合成：指原材料在特定压力、温度、催化剂等条件下，通过化学反应得到气体产品，需要根据原料组成波 动定制或及时调整工艺。
（3）气体充装：电子特气全工艺流程中最基础的一环，该过程主要依赖低温泵和膜压机等设备，将产品气体充填进 气瓶、长管拖车、管束式集装箱等压力容器中，若特气产品物理状态为低温液体，则使用低温泵泵入汽化器内汽化后 进行充装到终端压力设备比如钢瓶；若特气产品物理状态为气体，则使用膜压机进行增压后进行充装。因该过程具有 移动性和重复充装的特点而具有一定危险性，保证充装过程气路清洁、产品不被污染是最关键问题。
（4）空气分离：使用空分设备生产氮气、氧气等空分气体，空气经过滤器除去颗粒物后，再经过变温吸附器除去烃 类、水分及酸性气体，然后在精馏塔内分离出氮和氧后，分别以液体状态充装入压力设备内。
（5）气体检测：使用分析仪器对原料气或产品气体成分进行定性与定量分析，原料气在入场前必须进行高精度杂质 气成分分析，才能制定精准的提纯工艺流程。特气出厂前必须要进行组分分析、水分分析、金属离子分析和颗粒度分 析四项检测，达标后才可外销。检测结果将决定生产工艺与设备，通常需要使用高灵敏度和高精度的仪器来进行检测。
（6）钢瓶处理：根据盛放气体性质及需求的不同，对气瓶内部、内壁表面及外观进行处理的过程，以保证气体存储、 运输过程中设备的安全与产品的稳定。电子特气属于危险化学品，因此需要使用专业储运设备和严格的储运管理。一 般维护工作包括：钢瓶余气处理系统、置换阀门、表面清洗、研磨、抛光、钝化，装阀检漏和真空干燥几部分，目前 国内对钢瓶设备材料及耐腐蚀、耐吸附等工艺技术缺乏系统研究，需要企业长期探索与经验积累。
（7）气体混配：使两种及两种以上组分气在分析合格后经管道进入气体混配装置，根据客户需求的混配比例，调节 各组分气及平衡气的比例进行均匀混合。气体混配是核心工段之一，目前主要有重量法、压力比法、质量流量比法、 静态容量法和渗透管法五种混配工艺，该工段的核心在于调控组分浓度配比高度精确的气体产品。
特种气体具有较高的技术壁垒、客户认证壁垒、营销网络与服务壁垒和资质壁垒。以上工艺体现出本行业极度依赖大 型化工装置、专业且特殊的检测设备、专业技术与经验积累，非专业从事气体生产的公司，需要另外购买大批量先进 的生产设备，从零积累气体纯化、混配、充装、钢瓶处理与分析检测等技术经验，这需要付出高昂的成本。
（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、充装、分析检测、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；
（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，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，形成了客户认 证壁垒，其中显示面板行业用特种气认证长达 1-2 年，集成电路领域用特种气认证长达 2-3 年。电子特气的质量将决 定半导体产品质量，因此客户选择电子特气供应商必须经过审厂和产品认证两轮严格的审核认证才能获得认可；
（3）营销网络与服务壁垒：客户对气体种类、响应速度、服务质量的高要求都使得营销网络在气体企业的经营中处 于重要地位，其次客户对工业气体产品的种类需求丰富，对气体公司的综合服务能力要求较高，因此形成了营销网络 与服务壁垒；
（4）资质壁垒：工业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，这对行 业新进入者形成了较高的资质壁垒。
电子特气主要采用瓶装供气和储槽供气两种方式。电子大宗气体主要以现场制气为主。由于电子特气具有超高纯度的 指标要求，且具有品类多、批量小、高频次的应用特点，采用瓶装供气模式是电子特气行业的主流销售模式，此外对 一些需求量较大的电子特气还会采用长管拖车（鱼雷车）的运输方式，因此配送能力和交付能力也是重要的竞争优势。 不同气体供应商之间的服务差异较大，一站式综合服务可以增加客户粘性，比如额外提供容器检测、维修，供气系统 的设计和安装等配套服务，从而构成了电子特气行业的客户服务壁垒。
三、全球电子特气寡头垄断格局明显，国产替代空间大
1、电子特气市场稳步增长，外资企业占据全球主要市场
近年来全球工业气体市场持续稳步增长，中国工业气体市场发展潜力大。据亿渡数据，2021 年全球工业气体市场规 模 9432 亿元，CAGR 为 6.97%，预计到 2026 年将达到 13299 亿元，CAGR 为 7.11%。2021 年中国工业气体行业 的市场规模 1798 亿元，CAGR 为 10.39%，预计到 2026 年将达到 2842 亿元，CAGR 为 9.59%。虽然中国工业气体 行业较全球起步晚，与国际气体规模还存有较大差距，但中国市场增速远高于以美国为代表的发达国家，同时在国家 政策推动下，以电子特种气体为代表的新兴用气需求不断爆发，未来中国工业气体市场发展潜力巨大。
中国特种气体市场规模 CAGR 高达 18%，预计 2026 年将超 800 亿元。近年来，中国特种气体市场规模快速增长， 从 2017 年的 175 亿元增长至 2021 年的 342 亿元，CAGR 高达 18%。根据亿渡数据，预计到 2026 年中国特种气体 行业的市场规模将增长到 808 亿元，CAGR 为 18.76%。
2022 年中国电子特气市场规模超 200 亿元，预计未来仍将保持高速增长。近年来全球电子特气市场规模逐年增长， 据国际半导体产业协会（SEMI）数据，2017 年全球电子特气市场规模为 37 亿美元，2022 年已经达到 50 亿美元， 预计到 2025 年全球市场规模将达到 60.23 亿美元，CAGR 为 7.3%。我国正积极承接全球第三次半导体产业转移， 下游市场对电子特种气体的需求快速提升，2022 年中国电子特气市场规模为 220.8 亿元，同比增长 12.77%，未来几 年，由于先进制程及存储技术需求增加、显示市场持续增长、“碳中和”及“碳达峰”对光伏需求的增加，预计电子 特气市场需求将继续保持高速增长。
中国特气市场主要被外资占据，国产化比例有望不断提高。全球和中国电子特气市场均主要被海外公司占据，主要生 产商分别为美国空气化工、德国林德集团（林德集团和普莱克斯合并）、法国液化空气和日本酸素（原名大阳日酸）， 合计占据全球电子特气 91%的市场份额，并且在中国占据主导地位，据 TECHCET，2020 年外资在中国电子特气市 场的合计市占率约 85%，据前瞻产业研究院预测，到 2025 年中国电子特气市场的国产化占比将提高到 25%。
2、国产部分特气产品打破国外垄断，具备竞争优势
全球电子特气产品细分种类繁多，前十大品种市场份额占比 56%。据 Linx Consulting 统计，2021 年全球主要电子特 气品种三氟化氮、六氟化钨、六氟丁二烯、氨气市场规模分别为 8.8 亿、3.4 亿、3.1 亿、1.9 亿美元，前十大品种试 产股规模合计 25.4 亿美元，约占全球电子特气市场份额 56%。
国产电子特气在部分细分产品领域内具有竞争优势，打破了国外技术的垄断。经过近十年的发展，我国电子特气企业 持续更新工艺设备和探索生产技术，在产品研发上陆续取得了重大突破，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了国际通行标准，已在部分特气产品打破国外垄断，实现国产替代，例如金宏气体 的超纯氨纯度，高纯氧化亚氮，高纯氢和高纯氮等产品；华特气体的高纯六氟乙烷、高纯四氟化碳、高纯二氧化碳等 产品，河南硅烷科技公司的硅烷混合气产品，南大光电的磷烷砷烷等各种电子特种气体，品质已和外资气体巨头处于 同一水平，成为国内电子半导体领域众多知名客户的气体供应商。 从电子特气行业内的细分产品来看，磷烷和砷烷是晶圆加工制造工艺中用于化学气相沉积和掺杂过程的关键材料，国 内产能在全球占比相对较高。根据 QY Research 数据，预计 2028 年时我国高纯磷烷的产能预计将提升至 292 吨， 全球占比 60.8%，2022-2028 年平均增长率将达到 19.2%，届时我国高纯磷烷市场销售规模将达到 3.3 亿元，全球占 比达到 46%；预计 2028 年时我国高纯砷烷的产能预计将提升至 180 吨，全球占比 62.1%，2022-2028 年平均增长 率将达到 23.8%，届时我国的高纯砷烷市场销售规模将达到 1.59 亿元，全球占比达到 38.9%，我国已成为全球高纯 磷烷和砷烷特种气体的主要销售地区。
国产刻蚀气三氟化氮、六氟乙烷等细分产品具有竞争优势。用于半导体制造工艺中刻蚀和清洗工段的特种三氟化氮是 市场规模最大的电子特气，2021 年全球产能约 3 万吨，中国产能占比三分之一。特种六氟乙烷气体是用于小线宽制 程的刻蚀清洗气体，2021 年全球产能约 584 吨，中国产能占比 60%。六氟化硫气体也是用于半导体刻蚀过程的特种 气体，价格较三氟化氮更低廉，2021 年全球产能约 2 万吨，中国产能占比 50%。此外，还有用于氧化沉积步骤的高 纯氨特种气体，中国产能占全球 50%以上。 地缘政治冲突导致外源稀有气体供应短缺，中国稀有气体迎来发展机遇。乌克兰是全球稀有气体主要供应国之一，其 供应了全球约 70%的氖气、40%的氪气和 30%的氙气，俄罗斯是氦气主要供应国，俄乌冲突导致其稀有气体生产和 外输受阻，极大程度地影响全球电子稀有气体供应链，2022 年上半年稀有气体价格出现大幅上涨，进一步增厚了特气企业的利润，同时也为国内高纯稀有气体产品导入国外公司提供了前所未有的发展机遇。
3、国内企业不断实现突破，国产替代有望加速推进
国内气体公司不断实现技术突破，市场份额有望扩大。中国电子特气企业起步晚，工艺技术、企业规模等与国外领先 企业仍存在一定差距，国产企业第一梯队包括华特气体、金宏气体、南大光电和雅克科技，2020 年市场份额占比分 别为 1.91%、1.56%、1.5%和 1.3%。与国外气体公司相比，大部分国内气体公司的供应产品仍较为单一，用气级别 不高，尤其在集成电路、显示面板、光伏能源、光纤光缆等高端领域。尽管与国际气体公司相比，国内气体公司在资 金、技术、设备等方面仍有差距，但在技术不断突破、国家政策扶持、下游市场发展迅速等多重因素影响下，加上国 内企业拥有低成本、贴近客户、反应灵活等优势，国内气体企业的竞争力将不断增强，市场份额有望扩大。
国内企业快速成长，多种特种气体已实现国产替代，国产化进程将加速推进。中国的特种气体行业经过 30 年的发展 和沉淀，通过不断的经验积累和技术进步，业内领先企业已在部分产品上实现突破，达到国际标准，逐步实现进口替 代，特种气体国产化具备了客观条件。 半导体产业链自给自足重要性愈发凸显，特种气体国产替代需求不断提升。半导体是数字经济产业转型、双循环等国 家重大发展战略的基础性、先导性产业，我国十四五规划对半导体产业链中包括先进制程、高端 IC 设计和先进封装 技术、关键的半导体设备和材料、第三代半导体等领域各个关键卡脖子环节提供重点支持。在当前半导体产业环境和 国际形势下，国际贸易摩擦、全球性疫情等因素更是增加了半导体供应链的不确定性。2022 年 8 月 9 日，美国总统 拜登签署了《2022 年芯片和科学法案》，向美国国内半导体制造厂商、设备厂商等提供补贴，以增强美国本土半导 体制造水平，并限制先进工艺流向中国。因此，在复杂的地缘政治和科技博弈中，半导体产业链的区域性自给自足成 为趋势，实现国内半导体全产业链自给自足的重要性愈发凸显。
相较于进口气，国产气具有多项优势，国产替代是未来趋势。和进口气相比，国产气具有流程简单、运输周期短、运 输风险较低、容器周转频率更高、运输成本低、机动性更高、售价较低的优势，因此国产替代将是未来发展趋势。从 运输成本看，电子特种气体属于危险化学品，在产品包装和运输方面都有严格的规定，国外进口的特种气受国家管制， 进出口周期长，运输成本极高，容器周转频率低，而国产特气物流快捷、成本低。从产品价格看，外源进口特气的运 输成本基本都折算在高昂的销售价格上，国产电子特气相对于进口特气具有明显价格优势，提高国产化替代率将大幅 度降低下游行业的制造成本。
四、政策和需求双轮驱动，电子特气市场规模将快速增长
1、国家出台多项特气相关政策，将加速推进国产替代进程
全球地缘政治风险下晶圆制造为必争之地，我国电子特气“卡脖子”现状亟待破局。近年来国际紧张局势不断升级，晶 圆制造对于芯片产业链至关重要，全球各国和地区纷纷加大晶圆厂建设的投资力度，包括美国也积极吸纳国际各大厂 商到美国本土投资建设晶圆制造厂。中国本土的芯片设计公司已经拥有与联发科和高通相抗衡的芯片设计能力，具有 设计出全球最先进芯片的潜力，但是晶圆制造工业却受制于国外，电子特气是晶圆制造的关键原材料，国产电子特气 对外依存度过高是我国晶圆产业受制于国外的主要原因之一。
国家出台多项特气相关产业扶持政策，将加速推进电子特气国产替代进程。近年来，国家发改委、科技部、工信部等 连续出台了多部战略新兴产业相关政策，将特种气体列入新材料产业，大力支持和推动特种气体产业的发展。自 2016 年，国家明确了电子气体在“高储能和关键电子材料制造”以及“专用化学品及材料制造”领域内的重点产品定位后，连 续颁布一系列扶持性政策文件，向电子特气产业倾斜资源和支持。2020 年 8 月，国务院颁布的《新时期促进集成电 路产业和软件产业高质量发展若干政策》中再次提出：“聚焦高端芯片，集成电路装备和工业技术，集成电路关键材 料，集成电路设计工具，基础软件，工业软件，应用软件的关键核心技术研发，不断探索构建社会主义市场经济条件 下关键核心技术攻关新型体制。”由于特种气体广泛应用于集成电路、液晶面板、LED、光纤通信、光伏、医疗健康、节能环保、新材料、新能源、高端装备制造等国家重点发展的新兴产业，国家对这些新兴产业制定的鼓励政策和支持 国产化政策也能间接推动特种气体行业的快速发展。
2、受益于半导体产业快速发展，带动电子特气需求大幅增长
全球及中国半导体市场规模保持稳步增长。近年来全球半导体市场规模不断增长，2021 年全球半导体市场规模为 5559 亿美元，同比增长 26.23%，2016 年以来年均复合增长率为 10.4%。受疫情、宏观经济等因素影响，2021Q4 开始，消费类电子等下游需求出现了明显下滑，导致全球半导体行业市场规模的增速也出现了一定下滑，根据 WSTS 预测，2022 年全球半导体芯片市场规模将达到 6332 亿美元，同比增长 13.9%。2021 年中国半导体市场规模为 12190 亿元，同比增长 24.38%，自 2016 年以来年复合增长率为 12.17%，在半导体下游市场需求增加、国家政策的持续推 动下，预计 2022 年中国半导体市场规模将达到 14950 亿元。
中国已成为全球半导体重要生产和消费地，中国集成电路市场规模增速远高于全球水平。
