小我关于芯片的进修总结——金刚石材料行业整体研究_金刚石_钻石

金刚石为自然界中已知最坚硬的材料，凭借独特的物理及化学属性可被广泛运用于工业领域，个中晶体纯净、都雅优质的金刚石可打磨为钻石用于珠宝消费领域。
但天然金刚石作为高度稀缺的不可再生资源，环球储备量高度有限，且开采难度较高，周期较长，资金投入量大，因此人造金刚石技能应运而生。

两大主流，一个新赛道。

当前两大主流人造金刚石产品为：用于制造业领域的工业金刚石（金刚石单晶、金刚石微粉）、用于消费领域的造就钻石。
比较较而言，工业金刚石是小颗粒人造金刚石及其制品，而造就钻石则是人造金刚石中的颗粒较大、品质较高的宝石级大单晶，二者的制备工艺类似，但家当链有所差异。

第四代金刚石半导体材料属于全新的金刚石运用。
目前金刚石半导体材料紧张运用在：电力电子、功率器件、射频器件、激光器、大功率LED、射频器件、医疗设备、雷达TR组件、航空航天军工等。

工业金刚石

金刚石单晶：由高温高压法或化学气相沉积法形成的人造金刚石晶体，根据产品形态与粒度范围可划分为磨削级（35/40-325/400）、锯切级（16/18-70/80）、修整级（30/35及以粗）三类，分别用于磨削工具、锯切、钻探工具、单粒或多粒修整工具等超硬材料制作，可运用于建筑建材、勘探采掘、机器加工等工业制造行业。

金刚石微粉：由金刚石单晶经由粉碎或动压等物理浸染形成粒度较小的超细磨料，并根据粗端粒径大小划分为研磨用微粉（7μm以下）、线锯用微粉（7-14μm）和金刚石微粉（大于14μm）三类，分别用于超精密光整加工、金刚石线锯等超硬材料切割、石材玻璃等磨削切割工具。

消费领域的造就钻石

造就钻石：为净度、颜色等级精良的宝石级金刚石单晶，其制造工艺与程序与金刚石单晶合成过程相同，核心差异在于石墨芯柱与金属触媒的配方决定终极产品形态与品质。
造就钻石参照天然钻石4C标准，以重量、颜色、净度、切工四大参数划分品级。

第四代半导体

金刚石半导体是一种由金刚石构成的半导体材料。
它具有极高的热导率、电绝缘性、硬度和化学稳定性，因此可以用于制造高功率、高频率和高温环境下事情的电子器件，例如微波器件、功率放大器和高速晶体管等。
金刚石半导体还可以制造出高性能的光电器件，如探测器、光电二极管等。

此外，金刚石半导体的优点包括精良的热导率和电绝缘性、极高的硬度和化学稳定性、高载流子迁移率和高电场饱和漂移速率。
然而，它的制造本钱较高，加工技能繁芜，制造周期长，晶体成长技能难度大，且晶体质量难以担保，这些成分限定了金刚石半导体的运用。

从技能手段来看，人造金刚石是通过人工仿照天然金刚石结晶条件和成长环境采取科学方法合成出来的金刚石晶体，其合成方法紧张有高温高压法（HTHP）和化学气相沉积法（CVD），两者侧重于不同类型的产品，上风互补、共同发展。
个中，在工业金刚石（金刚石单晶）合成领域，高温高压法（HTHP）霸占主流。

（1）化学气相沉积法（CVD）事理：在高温低压环境下从含碳气体等分离出活性碳原子后在沉积环境下交互成长形成金刚石晶体。
当前技能根据沉积设备差别可分为热丝法CVD（HotfilamentCVD）、直流电弧等离子体喷射CVD（DirectcurrentarcplasmajetCVD）、微波等离子体CVD（MicrowaveplasmaCVD）、火焰燃烧CVD法等四大细分技能，以主流MPCVD法为例，合成环节可分为三大阶段：1）碳原子分解：高温低压条件下通过微波产生交变电磁场引发氢气与甲烷稠浊气体形成碳基等离子体活性基团；2）活性炭运输：在温度与浓度梯度的勾引下，等离子体中活性碳基团输运到衬底表面并逐步聚拢在成核能较低的位置；3）晶体成长：当碳团簇尺寸大于成核临界尺寸时便形成稳定的金刚石晶核，晶核吸附碳原子和基团逐渐成长。
CVD技能下金刚石晶体成长速率缓慢，合成周期较长，MPCVD设备中1克拉金刚石均匀成长周期可达1个月。

CVD法产品特点：大克拉、高净度、低色级。
CVD技能事理决定产品品质：1）沉积设备决定大颗粒：CVD法无需高压条件，反应腔室较大，更适用于造就大颗粒金刚石。
2）气体反应决定高净度与低颜色：CVD技能的气体反应过程中固体颗粒杂质含量低，易天生高净度产品，但由于金刚石纯度掌握条件苛刻，成长速率缓慢，须要通入氮气、氧气等赞助气体提高成长速率至50-150μm/h。
反应过程中易涌现氮-空位毛病导致成品呈黄褐色，并须要热处理再次改色。
3）沉积事理导致双折射征象：CVD法下金刚石逐层成长，层间晶格不匹配产生双折射征象并导致成品表现模糊。

（2）高温高压法（HPHT）事理：仿照天然钻石成长的高温高压环境，使石墨中的碳元素发生相变成长为金刚石晶体。
HPHT法可细分为静压触媒法、静压直接转变法与晶种触媒法，分别用于磨料级金刚石、金刚石微粉和宝石级金刚石的生产。
生产流程可分为五大环节：1）制备石墨芯柱：将石墨粉、触媒粉、母粉（包含碳化物、Co、稀土元素的组合添加剂）、催化剂以一定比例稠浊压制。
2）组装合成块：石墨芯柱与复合块、辅件等密封传压介质组装形成合成块。
3）合成棒料：高温高压环境下活性碳原子在晶种上析出生长为金刚石棒料，期间成长速率可高达1000μm/h，合成韶光仅需20—50分钟，造就钻石成长则需数天到数周。
4）提纯处理：通过化学法去除表面杂质并分离金刚石。

资料来源：wind

造就钻石领域。
目前造就钻石毛坯供给中，环球是HPHT法和CVD法各占约一半，中国则以HPHT法为主，但往化学气相沉积法（CVD）发展也是大势所趋。

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目前，行业核心瓶颈在于供给端，特殊是2022年，美国商务部工业和安全局（BIS）将金刚石等超宽禁带半导体材料列入出口牵制清单后，技能互换受限，下贱的需求都需依赖海内自主开拓。

但目前，半导体金刚石家当上国产厂商数量较少，且技能水平处于劣势。
1、以单晶金刚石举例，紧张制造难点在于成长周期长、温度掌握难、电学掺杂难、工艺重复性差。

2、目前海内尚不能生产适用于高质量半导体金刚石成长的MPCVD设备，紧张入口于日本、德国和法国，海内紧张研究院所均采取自研MPCVD设备，但相对要掉队一些。
海内节制CVD技能的造就钻石厂家也有这个潜力。

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以造就钻石为例，高温高压法（HTHP）和化学气相沉积法（CVD）生产造就钻石所需设备不同，高温高压法的核心设备是六面顶压机，化学气相沉积法的核心设备是CVD沉积设备。

1、六面顶压机。
目前环球六面顶压机基本产自中国，且处于供不应求的状态。
六面顶压机核心零部件包括铰链梁、顶锤、活塞等，个中铰链梁供应不敷制约了六面顶压机的扩产。
铰链梁是压机核心零部件，由于持续的环保政策干预，行业内小厂家险些全部倒闭，产能集中到二重（德阳）等具备核心铸造能力的八大重工企业上，然而对付这些大央企/军工企业而言，铰链梁产品属于其浩瀚业务线中利润较为微薄的产品，本钱透明，扩产动力较弱，限定了铰链梁的大规模放量，导致全市场六面顶压机年产台数有限。

我国六面顶压机生产中，压机制造厂紧张包括大型企业洛阳启明、天宝恒祥、桂林桂冶、国机精工、博泰圣莎拉等，以及浩瀚小型企业，合计产能约1500台/年，压机型号覆盖φ420-φ1000。
据超硬材料网数据，2021年末海内六面顶压机存量约10000—11000台，个中30%以上用于生产造就钻石。

资料来源：wind

2、CVD沉积设备可分为热丝（HFCVD）、直流电弧喷射（DC-arcJetCVD）、微波等离子（MP-CVD）三大类，个中前两类适宜生产多晶薄膜，而MP-CVD设备是目前业界公认最适宜生产造就钻石的设备。
MPCVD设备单台体积较小，其制造紧张利用数控加工中央CNC制作。

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微波发生器与速率掌握共筑 CVD 工艺壁垒

核心零件：微波发生器等精密仪器为CVD设备的核心要素。
CVD技能仍处研发阶段，合成工艺繁芜，沉积设备、衬底、合成环境、合成气体、赞助气体等影响要素浩瀚。
个中微波发生器为微波等离子体装置供应能源，将电能转化为额定功率的微波能量并电离含碳气体。
微波发生器的稳定性极为主要，刻蚀时输出功率的波纹系数过高则会涌现刻蚀毛病，功率过低会降落金刚石晶体成长速率，功率过高或不稳定则导致金刚石晶体形状不完全。
微波发生器为高科技的精密仪器，其输出功率受磁控管转化率、阴极负高压、阳极电流、磁感应强度、事情波长等成分共同影响，当前国产微波发生器在稳定性方面处于瓶颈期，设备高度依赖外洋入口。

高端CVD设备需配套高精密真空部件，个中的真空丈量系统、气体掌握系统紧张由国外厂商供应，供应比较紧张，也是MP-CVD设备扩产的制约成分。
目前，高端优质设备紧张产自日本Seki、美国Lightbox、德国Iplas这几家公司。
根据广发证券调研数据，环球存量高端设备大约1/4来自日本Seki公司，Seki公司2018年至今营收和员工数都保持相对稳定状态，扩产能力有限。
目前扩产激进的基本是能够自研设备的北美大公司，但他们的产能短期供给难以快速跟上。

低端设备产能瓶颈小，扩产相对随意马虎。
近几年，印度和中国的制造商开始陆续生产自己设计反应器的MPCVD设备，扩产快但有效产能不敷。
据国金证券统计信息，海内CVD设备年产能约3000台，大部分出售给下贱海内造就钻石生产商，5%—10%出口印度。

工艺掌握：CVD技能的核心在于坚持反应速率与产品色级的平衡。
1）碳源气体：合成气体的种类与浓度等配方高度影响晶体成长模式，含碳气体浓度过低时会严重制约晶体成长速率与体积，而浓度过高时则会在钻石合成过程中形成多晶金刚石与石墨等形态。
2）赞助气体：CVD反应过程中须要通入氮气、氧气、二氧化碳等稠浊气体作为催化剂加速反应过程，个中氮气含量高度影响钻石产品的颜色等级，含量偏高时则导致晶体颜色泛黄。
实际生产过程中，大部分产品仍需通过高温高压或低压高温等办法进行改色处理，期间产品净度或受工艺水平影响降落，并增加综合生产本钱。

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CVD为外洋自研技能，受到知识专利等高度保护，2020年卡内基研究所与WD公司对六家CVD企业提起专利诉讼。
据USPTO统计截至2022年5月MPCVD法涉及专利数已达159个，当前海内CVD厂商规模尚未成体量，但专利限定仍是未来CVD厂商须直面的难题。

（1）家当链：工业金刚石家当链上游中国主导，中游种类多，下贱运用广。
工业金刚石家当链紧张包括上游人造金刚石合成、中游金刚石制品工具和下贱金刚石运用。
整体来看我国主导上游环球工业金刚石单晶和微粉制造；中游金刚石制品工具种类繁多呈大行业、小公司业态；不才游工业金刚石运用广泛，紧张运用于传统建筑石材切割，并伴随家当升级，作为核心零部件运用于工业、军工等前辈制造领域。

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（2）行业规模：运用广、体量一样平常、中低端竞争激烈。
2022年，中国金刚石单晶产量约162亿克拉，个中的80%产量供应集中于河南省。
按照金刚石单晶均匀发卖单价0.26元/克拉，我们测算2022年我国金刚石单晶市场规模为42.1亿元。
同时，根据研究报告的数据，2022年我国金刚石微粉市场规模约19.8亿元，因此，得出2022年我国工业金刚石市场的整体规模约61.9亿元。

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（3）竞争构造。
我国人造金刚石销量占环球90%以上，但霸占的市场份额大部分为中低端市场，紧张运用于机器研磨锯切领域，紧张厂商有中南钻石、黄河旋风、郑州华晶、力量钻石，合计霸占环球市场70%的份额。

而产品单价和附加值较高的人造金刚石（须要高真个CVD工艺生产），诸如运用光学、半导体用工业用金刚石依然被欧美、日韩等发达国家（英国的元素六公司、美国的合锐公司、韩国的日进公司）主导。
在行业迭代升级的驱动下，我国部分超硬材料企业（四方达、国机精工、上海征世等）已开始进行CVD技能研究，积极布局功能性金刚石业务，但仍与元素六等国外公司具有较大的差距。

（4）发展趋势。
传统金刚石单晶及微粉制品紧张环绕其耐磨性开展家当运用，所采取的高温高压法（HTHP）技能也较为成熟，估量其需求和市场将保持稳定或略微增长状态，未来将环绕高效/超精密切削加工、高效/超精密表面切削与磨削加工、超精密表面抛磨等领域产品运用持续升级。
随着金刚石在光、热、催化、半导体等领域的运用趋于成熟，该类中高端产品对化学气相沉积法（CVD）合成的金刚石功能材料的需求，将成为行业未来的增长点。
综合考虑下贱各细分子行业发展增速，我们估量至2025年工业金刚石需求约为101亿元，复合年均增速约为17.7%。

（1）家当链：中美印三足鼎立。
上游毛坯钻石生产以我国为主，我国生产的造就钻石产量占环球市场份额约50%；中游的钻石切割加工，印度霸占90%旁边的份额，由于钻石加工需根据需求打磨加工身分歧形状，因而难以实现自动化生产，多依赖于人工，而印度人力本钱较低且进入加工行业较早，从而发展成了“环球钻石加工中央”；下贱紧张为各零售品牌和干系配套做事，根据贝恩数据，美国市场造就钻石销量环球占比80%，是环球最大的造就钻石消费市场，而中国发卖市场占比仅有10%旁边。

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（2）造就钻石市场规模：低渗透，高增长。
2022年环球造就钻石毛坯产量约1355万克拉，按毛坯单价827元/克拉打算，对应造就钻石毛坯市场规模（生产端）约为112亿元；按裸钻终端单价11683元/克拉，对应裸钻终端规模（消费端）为776亿元。

渗透率方面。
按2022年天然钻石产量为1.28亿克拉打算，造就钻石产量渗透率仅为10%。

2020年

2021年

2022年

2023年

2024年

2025年

环球天然钻石毛坯产量（万克拉）

11100

11600

12760

13398

13666

13529

环球造就钻石毛坯产量（万克拉）

700

954

1355

1758

2151

2501

YOY

36%

42%

30%

22%

16%

造就钻石渗透率

6.31%

8.22%

10.62%

13.12%

15.74%

18.49%

毛坯单价（元/克拉）

888

857

827

798

770

750

环球造就钻石毛坯规模（亿元）

62

82

112

140

166

188

环球造就钻石裸钻产量（万克拉）

350

477

678

879

1076

1251

环球造就钻石裸钻销量（万克拉）

343

467

664

861

1054

1225

裸钻终端单价（元/克拉）

12545

12107

11683

11275

10880

10000

环球造就钻石裸钻规模（亿元）

430

566

776

971

1147

1225

个中，中国产量约500万克拉，占比靠近50%，对应毛坯规模约56亿元。
河南省则是我国紧张的造就钻石生产集聚地，当地紧张造就钻石生产企业有中兵红箭、黄河旋风和力量钻石等，2021年三家的合计市占率已经达到75%，家当呈现高度集中态势。

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造就钻石对应的CVD设备市场规模。
假设2021年—2025年，新增造就钻石产能的50%来自MP-CVD设备，参照MP－CVD设备单机产能最高约2000克拉/年。
设备单价按120万-150万元/台，2021—2025年均匀的新增造就钻产量为485万克拉，则对应新增设备市场规模18亿元/年。

资料来源：wind

MP-CVD设备是目前业界公认最适宜的设备。
紧张的MPCVD设备厂商包括美国Lgihtbox、日本SEKI、德国Iplas等，印度目前是最大的CVD造就钻石产地，可自主生产CVD设备，但其设备性能较差。
中国厂商包括东莞优普莱、上海铂世光、普莱斯曼等。

（4）发展趋势。
在消费升级的大背景下，造就钻石市场前景值得期待，中印美“三足鼎立”的平衡格局或将逐步冲破。
造就钻石由于其真钻石、低价格、高环保等特点，受到越来越多的消费者相信，特殊是钻石紧张消费区域美国、欧盟，造就钻石消费呈快速增长态势。
下贱的提振也将拉动全体家当链的发展，假设到2025年中国造就钻石产量占比仍为50%，环球造就钻石产量达到25百万克拉，按造就钻石毛坯单价750元/克拉打算，中国造就钻石毛坯市场规模有望达到188亿元，前景仍较为广阔。

资料来源：wind

目前金刚石半导体材料紧张运用在：电力电子、功率器件、射频器件、激光器、大功率LED、射频器件、医疗设备、雷达TR组件、航空航天军工等。
公开渠道能查询到的数据，仅有2020年环球半导体金刚石市场总量为4千万美元，届时金刚石行业处于商业化初期，参考意义有限。

根据我们初步尽调的判断，2022年中国金刚石半导体材料（含光学与热沉）市场规模约21.67亿元。
根据我们的预测，到2025年，环球和中国的金刚石半导体材料市场分别约为458亿元与152亿元。

2021年

2022年

2023年

2024年

2025年

2030年

环球半导体材料市场规模（亿美元）

643

739

843

944

1039

1673

yoy

15%

14%

12%

10%

GAGR=10%

晶圆制造材料占比

63%

63%

63%

63%

63%

63%

环球晶圆制造材料规模（亿美元）

405

466

531

595

654

1053

金刚石半导体材料渗透率

0

2%

3%

4%

5%

10%

环球金刚石半导体材料规模（亿美元）

0

9.3

21.2

41.6

65.4

105.4

环球金刚石半导体材料规模（亿元）

65

148

291

458

738.12

假设中国市场占比为1/3

中国金刚石半导体材料规模（亿元）

21.67

49.33

97.00

152.67

246.04

技能路径：金刚石的制备方法紧张分为高温高压法（HPHT）和化学气相沉积法（CVD）。

相对付HPHT法和其他CVD法，MP CVD无极放电、无污染、外延可控性强，在大尺寸、高纯度金刚石制备与掺杂研究方面上风更明显，是高质量和多领域运用金刚石制备的首选方法。
但是目前海内的CVD设备的功率较小，常日不超过10KW，成长出的晶圆最多是两英寸到四英寸。

资料来源：wind

现行业核心瓶颈在于供给端，特殊是2022年，美国商务部工业和安全局（BIS）将金刚石等超宽禁带半导体材料列入出口牵制清单后，技能互换受限，下贱的需求都需依赖海内自主开拓。

但目前，半导体金刚石家当上国产厂商数量较少，且技能水平处于劣势。
1、以单晶金刚石举例，紧张制造难点在于成长周期长、温度掌握难、电学掺杂难、工艺重复性差。

2、目前海内尚不能生产适用于高质量半导体金刚石成长的MP CVD设备，紧张入口于日本、德国和法国，海内紧张研究院所均采取自研MPCVD设备，但相对要掉队一些。

资料来源：wind

1、海内：普莱斯曼。

产品：紧张以刀具&热沉为主。

上风：成立韶光较久。
规模化生产，有100多台炉直流电弧CVD炉子。

劣势：热丝CVD炉子由于技能路线的限定，生产的金刚石电影边缘裂纹较多。

2、国际：元素六是金刚石行业的环球标杆企业，欧洲上市公司，百亿市值。

产品：覆盖了金刚石从珠宝级、热沉级、电子级和量子级等各个方面的运用。

上风：据理解，元素六的技能路线均以采取6寸的MPCVD设备，是行业最前辈的设备。
元素六在金刚石行业已经发展20多年，具有多年的技能，产品和市场等积累。

劣势：2022年开始元素六在中国不再进行直销，而是通过代理的办法发卖。
且由于国外制作本钱高。
产能的局限，目前一些产品（光学级窗口片）交期已经排到2024年往后。

厂商

成长方法

市售尺寸（mm）

热导率（W/m•k）

表面粗糙度（nm）

加工良率（%）

普莱斯曼

DC

Ø65×0.5

1000-1500

5

60

元素六 (Element Six)

MPCVD

10×10×0.5

1800-2200

1-3

90

Diamond Materials

MPCVD

10×10×0.5

1800

<10

80

II-VI

MPCVD

10×10×0.7

1800

<10

90

Applied Diamond

MPCVD

10×10×0.5

1800

<10

90

同行比较

企业规模不大。
行业龙头中兵红箭2022年营收合计也仅67亿元旁边，6家A股上市公司业务收入的中位数为16.6亿元。
市值也偏小，6家A股上市公司市值的中位数为60亿元。

毛利率高。
6家紧张上市公司干系产品毛利率中位数48.8%。
个中力量钻石公司的造就钻石产品毛利率高达79%。

估值偏低。
目前超硬材料的紧张运用领域为工业领域的材料切割以及资源开采领域的矿体破碎，属成熟工业材料，观点性不强。
干系上市公司PE中位数23.4倍，PB中位数2.1倍，在A股估值体系中属于中低级别。

序号

证券代码

证券名称

所在地

22年业务收入（亿元）

紧张产品营收及占比

紧张产品毛利率（%）

22年ROE（%）

市值（亿元）

PE(ttm)

PB(MRQ)

1

000519.SZ

中兵红箭

河南省南阳市

67.1

超硬材料及其制品26.8亿，40%

51.0%

8.7

240

47.7

2.5

2

600172.SH

黄河旋风

河南省长葛市

24.1

超硬材料14.9亿，61.8%；超硬复合股料1.3亿，5.5%

46.6%

0.9

59

-428.5

1.8

3

301071.SZ

力量钻石

河南省商丘市

9.1

人造金刚石3.89亿，43%；金刚石微粉3.2亿元，35%；金刚石单晶1.74亿，19%

63.3%

14.8

100

23.0

1.9

4

002046.SZ

国机精工

河南省郑州市

34.4

超硬材料及制品6.3亿，18.3%

44.5%

7.8

61

23.9

1.9

5

300179.SZ

四方达

河南省郑州市

5.1

人造聚晶金刚石、立方氮化硼等5.1亿

55.5%

15.4

47

31.4

4.3

6

839725.BJ

惠丰钻石

河南省商丘市

4.3

金刚石微粉2.4亿，55.5%

40.4%

18.7

13

17.1

2.2

中位数

16.6

48.8%

11.8

60

23.4

2.1