快捷搜索:

一文看懂集成电路原材料

原标题:一文看懂集成电路原材料

来源:内容授权转载自公众号「动力谷智略」,作者:洪为,谢谢。

聊城则荟投资有限公司

集成电路产业是先进制造业的基础产业,其下游应用端涵盖了汽车、通信、电器、计算机、航空航天、军工和光伏等各大行业。半导体技术的进步和产业的发展催生和推动了物联网、人工智能、大数据和工业互联网等新兴产业。

为加深对集成电路产业链的了解,我们将推出集成电路系统产业链系列相关报告,供读者参考。

一、半导体材料市场

半导体材料是集成电路产业的立足根本,也是我国集成电路产业的竞争短板之一。半导体材料属于高壁垒行业,技术含量高、生产难度大。半导体材料的国产化率仍处于较低水平,国内相关企业相比国际龙头的竞争力仍有较大差距。

全球半导体材料市场规模

半导体原材料是集成电路产业的基石,集成电路生产的各个环节均要用到半导体原材料,如光刻环节需要使用掩膜版和光刻胶及清洗用的各类湿化学品,刻蚀环节需要用到硅片、电子气体等。随着集成电路技术节点的不断进步,对于所用原材料的纯度、尺寸及一系列物理化学性质的要求越来越严格,原材料的成本也随着提升,原材料市场整体规模不断上升。

2018年,全球半导体原材料销售额为519.4亿美元,创历史新高,同比增长10.65%,增速达到2011年以来的新高。2018年全球半导体销售额为4687.8亿元,其中半导体材料的销售额占全球半导体销售总额的11.08%。

资料来源:WIND,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

半导体材料市场的增速与整个半导体市场高度同步,表现出明显的周期性,与全球GDP的增速呈现明显的正相关,不过其波动幅度远大于GDP的波动幅度,半导体材料行业是典型的周期性行业。

资料来源:WIND,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

中国大陆半导体材料市场规模

2018年,我国大陆半导体材料销售额为84.4亿美元,占全球半导体材料销售额的16.25%。大陆半导体材料市场规模增速较快,2006年至2018年间,复合增长率为11.11%,而同期全球半导体材料市场的复合增长率为2.81%。大陆市场占全球市场比例越来越高,主要是因为我国汽车、电子、通信等半导体应用端产业的快速增长驱使国际集成电路制造厂商纷纷来华建厂以及国内集成电路制造企业的迅速发展。据SEMI估计,2017-2020全球将有62座新晶圆厂投产,其中26座坐落中国大陆,占总数的42%。

资料来源:WIND,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

日本是半导体材料领域的霸主

在全球半导体材料领域,日本占据了半壁江山,是当仁不让的霸主。在2019年前5个月,日本生产的半导体材料占全球产量的52%。在半导体制造过程包含的19种核心材料中,日本市占率超过50%份额的材料就占到了14种。

资料来源:互联网,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

中国自给率低

2018年,中国大陆是全球半导体材料第三大市场,仅次于中国台湾和韩国,然而国内半导体原材料市场的自给率非常低,大部分原材料均很大程度上依赖进口,尤其是核心高端半导体材料,以硅晶圆为例,8寸硅晶圆自给率仅百分之十五,百分之八十五依赖进口,12寸硅晶圆进口比重更高达百分之九十九。

资料来源:WIND,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

二、半导体材料的应用与市场竞争格局

集成电路生产大致可分为设计、制造、封装和测试四个环节。其中设计环节主要通过计算机软件完成,制造、封装和测试环节均需要在十分严格的工厂环境中进行,并且生产过程工艺复杂,步骤繁多,对材料的纯度、规格、温度、PH值、微观物理结构等等都有十分严格的要求。

资料来源:互联网,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

半导体材料主要运用于制造和封装环节,且大部分材料均为消耗性材料,在集成电路制造过程中需要多次投入。

资料来源:公开资料,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

资料来源:安集科技招股说明书,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

硅片

1.硅的应用

硅是集成电路生产中最重要的原材料,硅片市场约占整个半导体材料市场的三分之一。目前,90%以上的集成电路芯片是用硅片作为衬底制造出来的,硅是集成电路的承载基础。

硅片的质量直接影响集成电路芯片的品质,集成电路制造所用的硅片的纯度和原子排列方式都有非常严格的要求,通常其纯度不得低于99.9999%,高端芯片的硅片材料纯度甚至需要达到99.9999999%以上,也就是说杂质的含量低于10^(-9)。

2.硅片的生产工艺

集成电路生产用到的硅是单晶硅片,硅晶体按晶胞排列是否规律,可分为单晶硅和多晶硅。单晶硅晶胞在三维方向上整齐重复排列,而多晶硅晶胞则呈不规律排列。单晶硅在力学性质、电学性质等方面,都优于多晶硅,只有单晶硅才能满足集成电路生产的工艺要求。

资料来源:《芯片制造——半导体工艺制程实用教程》,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

(1)硅片生产流程

硅片的制备从晶体生长开始,形成单晶锭后经过修整和磨削再切片,再经过边缘打磨、精研、抛光等步骤后,最后检查得到的硅片是否合格。

硅片制造流程

资料来源:《半导体制造技术》,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

(2)单晶硅生产

自然界中的硅绝大部分是以SiO2(泥土、沙子)的形式存在,半导体制作的第一个阶段是利用化学反应将泥土转化成硅化物气体,例如等到四氯化硅或者三氯硅烷,此时得到的硅化物气体含杂质较多,第二个阶段在利用硅化物气体与氢气反应,得到纯度较高的固态硅单质,此时的硅为多晶硅。

氢气还原三氯硅烷:

利用多晶硅制备单晶硅碇的工艺叫做单晶生长。单晶生长分为直拉(CZ)法和区熔(FZ)法,直拉法是目前主流的生长方法,占据90%市场。

直拉法晶体生产系统

资料来源:《芯片制造——半导体工艺制程实用教程》,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

区熔法晶体生产系统

资料来源:《芯片制造——半导体工艺制程实用教程》,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

直拉法更容易生长大直径单晶硅,成本更低,生长出的单晶硅大多用于集成电路元件。区熔法生长出的单晶硅纯度较高,主要用于功率半导体。但区熔法较难生长出大直径单晶硅,一般仅用于8寸或以下直径工艺。

3.硅片市场

当前市场上半导体硅片以12英寸和8英寸为主,12英寸的硅片在2009年开始市场份额超过50%,且逐年增长,预计2019年,12英寸硅片的市场份额将超过70%。

硅片的直径越大,单个硅片能生产的芯片数量也就越多,12英寸的硅片能生产的芯片数量是8英寸的2.25倍,为了节省生产成本,硅片的直径越做越大是必然趋势。1980年代是4英寸硅片占主流,1990年代是6英寸占主流,2000年代是8英寸占主流,到2010年代12英寸硅片已经成为主流。

(1)全球市场

据SEMI统计,2019年全球硅晶圆面积出货量总计11,810百万平方英寸,2019年的销售额总计111.5亿美元。

资料来源:SEMI,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

半导体硅片投入资金多,研发周期长,是技术壁垒和资金壁垒都极高的行业。由于下游客户认证时间长,硅片厂商需要长时间的技术和经验积累来提升产品的品质,满足客户需求,以获得客户认证。

目前全球硅片市场处于寡头垄断局面,市场集中度相当高,前五大企业占据全球90%的市场份额,日本两大厂商信越化学和SUMCO合计占有53%的市场份额,是硅片市场的主导者。

资料来源:芯思想研究院,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

(2)国内市场

我国硅晶圆产业起步较晚,技术底子薄,自给率非常低,主要依赖进口,在2017年之前,我国大陆仅在4至6英寸硅片领域实现了大规模产量,基本满足了国产需求,然而大尺寸(8英寸和12英寸)硅片的自给率很低,尤其是12英寸硅片,目前仅有上海新昇、中环股份和金瑞泓等企业能够少量生产。上海新昇12英寸硅片产品已经通过华力微和中芯国际的认证,正片2019年已得到长江存储的采购,目前处于国内领先地位。

资料来源:互联网,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

光刻胶

1.光刻胶的应用

光刻胶是光刻过程中的重要耗材。光刻是将图形由掩膜版上转移到硅片上,为后续的刻蚀步骤做准备。在光刻过程中,需在硅片上涂一层光刻胶,经紫外线曝光后,光刻胶的化学性质发生变化,在通过显影后,被曝光的光刻胶将被去除,从而实现将电路图形由掩膜版转移到光刻胶上。再经过刻蚀过程,实现电路图形由光刻胶转移到硅片上。在刻蚀过程中,光刻胶起防腐蚀的保护作用。

光刻主要包括薄膜生长、上胶、曝光和显影等环节。光刻是整个集成电路制造过程中耗时最长、难度最大的工艺,耗时占集成电路制造50%左右,成本约占集成电路生产成本的1/3。

光刻工艺图示

资料来源:互联网,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

2.光刻胶的成分与特性

光刻胶一般由4部分组成:树脂型聚合物、感光剂、溶剂和添加剂。

树脂聚合物是一种惰性的聚合物(包含碳、氢、氧的有机高分子)基质,用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。树脂聚合物给予了光刻胶其机械和化学性质,例如粘附性、柔顺性和热流稳定性,其对光不敏感,紫外光曝光后它不会发生化学变化。感光剂是光刻胶材料中的光敏成分,它对光形式的辐射能,特别在紫外区,会发生反应。感光剂对于光能发生化学反应。溶剂使得光刻胶保持液体状态,使光刻胶能涂抹到硅片衬底上。添加剂用来控制和改变光刻胶材料的特定化学性质或光响应特性,各个制造商均有独自的配方,不对外公开。

光刻胶的核心产品要素:

资料来源:《半导体制造技术》,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

根据显示效果的不同,可将光刻胶分为正性光刻胶和负性光刻胶。正性光刻胶显影时未曝光部分溶解于液,形成的图与掩膜版相反。负性光刻胶显影时曝光部分溶解于液,形成的图与掩膜版相同。由于负性光刻胶显影时易变形和膨胀,分辨率一般只能达到2微米,所以正性光刻胶的应用更为普及。

3.光刻胶市场

(1)全球市场

光刻胶产品的技术参数众多,纯度要求较高,行业进入壁垒很高。目前半导体光刻胶核心技术基本被日本和美国企业所垄断,产品也基本出自日本和美国公司,包括日本JSR、东京应化工业、罗门哈斯,信越化学、富士电子材料等企业。

资料来源:前瞻产业研究院,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

据SEMI统计,2018年全球半导体光刻胶销售额达到17.3亿美元,预计2019年销售额稍有下降。中国市场是半导体光刻胶全球最大的市场,市场规模占全球比重约为32%,其次是美洲(21%)、亚太(20%,除中国和日本)、欧洲(9%)和日本(9%)。

(2)国内市场

按应用领域划分,光刻胶可以分为半导体光刻胶、PCB光刻胶、LCD光刻胶等。从中国产品市场来看,PCB光刻胶市场份额占比最多,高达94.4%。LCD光刻胶市场份额占比第二,为2.7%。半导体光刻胶市场份额占比位居第三,仅为1.6%。总体看来,中国市场PCB光刻胶占据大部分市场份额,LCD光刻胶和半导体光刻胶所占份额非常低。

半导体光刻胶相对而言技术含量最高,价格最昂贵。按照其曝光波长,半导体光刻胶可分为g线(436nm)、i线(365nm)、KrF(248nm)和ArF(193nm)等4个大类。其中,ArF光刻胶为目前分辨率最高的半导体光刻胶。g线和i线光刻胶为目前市场上使用量最大的光刻胶,ArF光刻胶市场增速最快。

资料来源:CNKI,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

国内光刻胶市场规模保持稳定增长,从2011年的30.4亿元增长到2018年的62.3亿元,复合增长率达11.59%,国内光刻胶市场以PCB光刻胶和LCD光刻胶为主,而半导体光刻胶市场规模不到40%。其中PCB光刻胶的自给率已超过50%,LCD光刻胶自给率不到10%,半导体光刻胶自给率更是低于5%,几乎全靠进口。国内企业中,飞凯材料、容大感光、广信材料等已有相应PCB光刻胶产品投产;永太科技CF光刻胶已通过客户验证,北京科华、苏州瑞红LCD光刻胶已量产,容大感光、飞凯材料均在积极布局。

半导体光刻胶我国自给率极低。适用于6英寸硅片的g线/i线光刻胶的自给率约为20%,适用于8英寸硅片的KrF光刻胶的自给率不足5%,而适用于12吋硅片的ArF光刻胶完全依赖进口,最先进的EUV光刻胶目前仅有少数几家海外公司掌握了相关技术,且未实现产业化。

半导体光刻胶国产化进程:

资料来源:公开资料,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

掩膜版

1.掩膜版的应用

掩膜版是下游行业产品制造过程中的图形“底片”,是承载图形设计和工艺技术等知识产权信息的载体。在光刻过程中,掩膜版是设计图形的载体。通过光刻,将掩膜版上的设计图形转移到光刻胶上,再经过刻蚀,将图形刻到衬底上,从而实现图形到硅片的转移。

掩膜版的应用图示:

资料来源:清溢光电招股说明书,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

掩膜版的结构:

资料来源:申港证券,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

石英玻璃和晶片是透光体,它们能将光线折射成不用的角度。而铬膜是不透光的,当照射到铬膜的光线无法透过,其他光线最终可以照射到下面的光刻胶上,因此通过光线的照射,在光刻胶特定的区域进行曝光,然后再经过显影,就可以在光刻胶上形成特定的图形,这就是光刻的基本原理。

2.掩膜版市场

(1)全球市场

根据SEMI公布数据,2018年全球半导体掩模版销售额为35.7亿美元,占到半导体材料市场总额的13%。

从生产商来看,目前全球掩膜版生产商主要集中在日本和美国的几个巨头,包括日本凸版印刷TOPAN、日本大印刷,美国Photronics,日本豪雅HOYA,日本SK电子等。其中,Photronics、大日本印刷株式会社DNP和日本凸版印刷株式会社Toppan三家占据全球掩膜版领域80%以上市场份额。

(2)国内市场

2018年,我国半导体材料总体市场规模为84.4亿美元,而掩膜版销售额占半导体材料市场总额的13%,据此推算,我国半导体掩膜版市场规模大致为10.97亿美元。

目前我国掩膜版生产公司主要以外资为主,本土掩膜版厂商主要生产中低端产品,目前能达到的技术节点仍停留在微米级,高端半导体掩膜版几乎全部依赖进口或者是外资公司在国内的生产。国内生产半导体掩膜版的企业主要有路维光电、清溢光电,中科院微电子所、中国电子科技集团等科研院所内部也有自制掩膜版,中芯国际也有自制掩膜版业务。

电子气体

如果说硅晶圆是晶圆制造的基石,电子气体则是半导体制造的“血液”,它存在于芯片制造及封装的每一个环节。在半导体制造中,电子气体纯度每提升一个数量级,都会促进器件性能的有效提升。电子气体的技术壁垒极高,最核心的技术是气体提纯技术,其杂质含量可低至10^(-9)级甚至10^(-12)级。此外超高纯气体的包装和储运也是一大难题。

1.电子气体的应用

在集成电路产业使用的电子气体中可分为大宗气体(常用气体)和特殊气体两类。大宗气体一般是以氮气、氧气、氩气、氦气、氢气等纯净气体为主。大宗气体在半导体制造中主要有两种功能,一种是作为反应气体参与到化学反应中,出境游比如氢气,氧气等等。另外一种是作为保护气体使用的惰性气体,经常用在高温烘烤或清洗过程,这些气体一般是以惰性气体为主,比如氮气,氩气,氦气等等。特殊气体以化合物气体为主,主要是集成电路制造中的反应气体。比如硅烷、磷化三氢、一氧化二氮、氨气,四氟甲烷等等,这些气体主要是参与到芯片制造过程中的一些物质生成等等。比如利用硅烷反应成成二氧化硅介质,利用四氟甲烷主要在干法刻蚀中,与被刻蚀物发生反应,从而达到刻蚀的目的。在集成电路制造中,大宗气体和特种气体的用量几乎各占50%。

电子气体的应用环节图示

资料来源:神工股份招股说明书,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

电子气体的应用介绍

资料来源:《半导体制造技术》,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

2.电子气体市场

(1)全球市场

电子气体由于在制造过程中使用的步骤较多,所以消耗量远远高于其他材料,电子气体是晶圆制造中的第二大耗材。2018年全球集成电路用电子气体市场规模达到45.12亿美元,同比增长15.93%。

资料来源:中国产业信息网,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

目前全球电子特气90%以上市场份额被美国空气化工、美国普莱克斯、德国林德集团、法国液化空气和日本大阳日酸株式会社等五家公司垄断。

资料来源:申港证券,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

(2)国内市场

2018年国内半导体用电子特气市场规模约4.89亿美元。经过30多年的发展,我国半导体用电子特气已经取得了不错的成绩,中船重工718所、广东华特、昊华科技、雅克科技和南大光电企业等处于国内领先地位。

中船重工718所的NF3(清洗、刻蚀)及WF6(化学气相沉积)产品主要用于IC制造过程中的外延、离子注入、扩散、蚀刻、沉积、清洗等关键工艺,上述产品已有成熟的技术及生产经验,并有多年的产业化经验,完全能够满足客户的需求,实现国内市场占有率第一。

华特气体在多个领域率先打破国际垄断,实现了相关特种气体的量产。公司成为国内首家打破六氟乙烷、三氟甲烷、八氟丙烷、二氧化碳、一氧化碳、一氧化氮、Ar/F/Ne混合气、Kr/Ne混合气、Ar/Ne混合气、Kr/F/Ne混合气等产品进口制约的气体公司,并实现了近20个产品的进口替代,是中国特种气体国产化的先行者。其中,高纯六氟乙烷获选“第十届(2015)中国半导体创新产品和技术”、高纯三氟甲烷获选“第十一届(2016)中国半导体创新产品和技术”,Ar/F/Ne、Kr/Ne、Ar/Ne和Kr/F/Ne等4种混合气于2017年通过ASML公司的产品认证。目前,公司是我国唯一通过ASML公司认证的气体公司,亦是全球仅有的上述4个产品全部通过其认证的四家气体公司之一。

湿电子化学品

湿电子化学品是电子行业不可或缺的关键性材料湿电子化学品为微电子、光电子湿法工艺制程中使用的各种电子化工材料,是指主体成分纯度大于99.99%,杂质离子和微粒数符合严格要求的化学试剂。湿电子化学品包含各种不同的种类,根据组成成分和应用工艺的不同,可以分为通用湿电子化学品和功能湿电子化学品。

通用湿电子化学品是指在集成电路、液晶显示器、太阳能电池、LED制造工艺中被大量使用的液体化学品,主要包括过氧化氢、氢氟酸、硫酸、磷酸、盐酸、硝酸、氢氧化铵等;功能湿电子化学品是指通过复配手段达到特殊功能、满足制造中特殊工艺需求的配方类或复配类化学品,主要包括显影液、剥离液、清洗液、刻蚀液等。

湿电子化学品通常采用以下方法制备提纯:蒸馏和精馏、离子交换、分子筛吸附、气体吸收、超净过滤。

1.湿电子化学品的应用

(1)污染物清洗

大规模集成电路在其生产过程中有几十道工序,工艺制造过程中的空气、水、各种气体、化学试剂、工作环境、电磁环境噪声以及微振动、操作人员、使用的工具、器具等各种因素都可能带来污染物,污染物数量超过一定限度时,就会使集成电路产品发生表面擦伤、图形断线、短路、针孔、剥离等现象。这会导致漏电、电特性异常等情况,轻者影响电路使用寿命,严重时可导致电路报废。而这些污染物都需要相关的超净高纯试剂去除。所以湿电子化学品是电子行业制作过程中不可缺少的关键性基础化工材料之一,它的纯度和洁净度对集成电路的成品率、电性能及可靠性都有着十分重要的影响。“超净”、“高纯”是湿电子化学品产品最基本和最严格的要求,与电子气体类似,用于集成电路制造的高端湿电子化学品的杂质含量低至10^(-9)级甚至10^(-12)级。

湿电子化学品用于晶圆污染物清洗

资料来源:互联网,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

(2)蚀刻、显影等

在集成电路的制造过程中,常常需要在晶圆上做出极微细尺寸的图案,而这些微细图案最主要的形成方式,就是使用蚀刻技术,将微影技术所产生的光阻图案,准确无误地转引到光阻底下的材质上以形成整个电路的复杂架构。

蚀刻技术可以大致分为湿式蚀刻与干式蚀刻两种方式,目前湿式蚀刻运用广泛,因其操作简单、成本低廉、用时短且具有高可靠性。湿法刻蚀通过特定湿电子化学品与需要刻蚀的薄膜材料发生化学反应,除去光刻胶未覆盖区域的薄膜,湿电子化学品主要在湿式蚀刻加工过程中发挥功效。

显影是在正性光刻胶的曝光区和负性光刻胶的非曝光区的光刻胶在显影液中溶解,在光刻胶上形成三维图形的一种光刻技术。显影液和洗脱液的成分是针对不同的光阻材料设计而成的,此过程涉及的超净高纯试剂包括H2O2、Na2SO3,以及KOH和NaOH等碱性溶液,针对不同的显影液和洗脱液,其配方成分均不相同。

2.湿电子化学品市场

(1)全球市场

2018年全世界湿电子化学品市场规模达到52.65亿美元,三大市场应用量达到307万吨,其中半导体市场应用量约132万吨,显示面板市场应用量约101万吨,太阳能电池领域应用量达到74万吨。

美国、日本和德国占据了全球湿电子化学品市场主要份额。

第一大市场份额,由欧美传统老牌企业的湿电子化学品产品(包括它们在亚洲开设工厂所创的销售额)所占领,其市场份额约为34%。其主要企业有德国巴斯夫(Basf)公司、美国Ashland化学、美国Arch化学品公司、美国霍尼韦尔公司、AIR PRODUCTS、德国E.Merck公司等。

第二大市场份额,由日本的十家左右生产企业所拥有,约占30%的市场份额。其大型企业包括关东化学公司、三菱化学、京都化工、日本合成橡胶、住友化学、和Stella Chemifa等。

第三大市场份额,主要由中国台湾、韩国、中国大陆企业所占据,三者约占全球市场份额的35%。

(2)国内市场

在我国及全世界,半导体市场仍是对湿电子化学品要求最高的市场,也是需求规模最大的市场。这一市场的湿电子化学品国产化进展,在扩展8英寸及8英寸以上半导体晶圆市场方面,仍很缓慢。目前,我国内资企业生产的湿电子化学品在国内半导体总体上市场上占有25%的市场份额。其中8英寸及8英寸以上用湿电子化学品的国产化比例仅有10%左右。而我国内资企业产湿电子化学品在6英寸及6英寸以下晶圆市场上的国产化率已提高到80%。

目前国内生产湿电子化学品的企业约有四十多家,产品达到国际标准,且具有一定生产量的企业有30多家。其中,江化微、江阴市润玛电子、杭州格林达化学、苏州晶瑞化学是目前国内最大的几家湿电子化学品生产企业。它们的市场份额占国内企业产品的总市场量的70%以上。

目前国际上制备G1到G5级湿电子化学品的技术都已经趋于成熟,国内大部分企业已经达到了国际G3标准,并已开展G4标准的研发工作。一些技术领先的湿电子化学品企业,如江化微公司,目前技术水平已达到SEMI标准等级的高端行列,硝酸纯度、氢氟酸、氨水、金属刻蚀液等均已完成行业顶级(G4级和G5级)品类中试,量产在即。

溅射靶材

溅射是制备薄膜材料的主要技术之一,它利用离子源产生的离子,在真空中经过加速聚集,而形成高速度流的离子束流,轰击固体表面,离子和固体表面原子发生动能交换,使固体表面的原子离开固体并沉积在基体表面。被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的原材料,称为溅射靶材。

1.靶材的应用

集成电路、平板显示器、太阳能电池、信息存储、工具改性、光学器件、高档装饰用品等生产过程中均需要进行溅射镀膜工艺,溅射靶材应用领域非常广阔。集成电路生产对溅射靶材的技术要求最高,价格也最为昂贵,对于靶材纯度和技术的要求高于平面显示器、太阳能电池等其他应用领域。一般而言,芯片制造对溅射靶材金属纯度的要求最高,通常要求达到99.9995%(5N5)以上,平板显示器、太阳能电池分别要求达到99.999%(5N)、99.995%(4N5)以上即可。

根据基础材料的不同可将靶材分为金属靶材(纯金属铝/钛/铜/钽等)、合金靶材(镍铬/镍钴合金等)、无机非金属靶材(陶瓷化合物:氧化物/硅化物/碳化物等)、复合材料靶材。

资料来源:江丰电子招股说明书,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

在晶圆制造环节,溅射靶材主要用于晶圆导电层及阻挡层和金属栅极的制作,主要用到铝、钛、铜、钨、钽等金属,芯片封装用金属靶材与晶圆制造类似,主要有铜、铝、钛等。其中,晶圆制造导电层使用金属靶材主要有铝靶和铜靶,阻挡层使用金属靶材主要有钽靶和钛靶,阻挡层主要有两个作用,一方面是阻隔与绝缘,防止导电层金属扩散到晶圆主体材料硅中,另一方面作为黏附,用于粘结金属和硅材料。一般来说,110nm技术节点以上晶圆分别用铝、钛作为导线及阻挡层的薄膜材料,110nm以下晶圆分别使用铜,钽材料作为导线及阻挡层的薄膜材料,随着晶圆制程的缩小,未来对铜靶、钽靶以及制作金属栅极用钛靶的用量占比将不断提升。

2.靶材市场

根据全球半导体贸易统计协会(WSTS)数据,2016年全球溅射靶材市场容量达113.6亿美元,下游应用结构中,半导体占比10%、平板显示占34%、太阳能电池占21%、记录媒体占29%,靶材性能要求依次降低。WSTS预测到2019年全球高纯溅射靶材市场规模将超过163亿美元。

资料来源:前瞻产业研究院,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

溅射靶材市场集中度较高,主要企业集中在美国和日本,其产业链完整,囊括金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用各个环节,具备规模化生产能力,在掌握先进技术以后实施垄断和封锁,主导着技术革新和产业发展。

以霍尼韦尔(美国)、日矿金属(日本)、东曹(日本)等跨国集团为代表的溅射靶材生产商,较早涉足该领域从事相关业务,凭借其雄厚的技术力量、精细的生产控制和过硬的产品质量居于全球溅射靶材市场的主导地位,2017年占据约80%市场份额。

全球主要靶材生产企业

资料来源:互联网,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

据中国电子材料行业协会统计,2015年国内高纯溅射靶材市场的市场需求规模约153.5亿人民币,占全球市场的24.17%,而国内靶材企业市场份额不到全球的2%,国内市场的自给率低于10%。而由于近几年中国大陆晶圆制造产线新增速度远远高于全球其他地区,国内靶材市场也保持高速增长,预计2016-2019年国内靶材市场规模复合增长率不低于20%。

国内溅射靶材的高纯金属原料多数依靠进口。与其他各类半导体原材料类似,国内提纯技术有限,提纯出来的基础材料绝大部分达不到半导体材料高纯度的生产要求。长期以来,国内厂商主要通过从国外进口获得高纯金属供给。

近年来,受益于国家从战略高度持续地支持电子材料行业的发展及应用推广,我国国内开始出现少量专业从事高纯溅射靶材研发和生产的企业,突破靶材专业技术门槛,已在国内靶材市场占据一定份额,主要有江丰电子、阿石创、有研新材和隆华节能等,并成功开发出一批能适应高端应用领域的溅射靶材。

国内主要靶材生产企业

资料来源:WIND,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

CMP抛光材料

化学机械抛光(CMP,Chemical Mechanical Polishing)是集成电路制造过程中实现晶圆表面平坦化的关键工艺。CMP抛光工艺是目前最先进的抛光工艺,与传统的纯机械或纯化学的抛光方法不同,CMP工艺是通过表面化学作用和机械研磨的技术结合来实现晶圆表面纳米级不同材料的去除,即可获得较为完美的表面,又可得到较高的抛光速度,且抛光平整度比其他方法高两个数量级。

晶圆生产所需的CMP抛光次数随着线宽的缩小而增加,生产250nm级晶圆时所需要的平均抛光次数为8次,而7nm级晶圆生产所需要的平均抛光次数高达29次。由于抛光材料是消耗性材料,对CMP抛光材料的需求也会随着线宽的缩小而增加。

CMP工艺过程用到的材料有抛光液、抛光垫、调节器等,其中抛光液和抛光垫是最核心的材料,占比分别为49%和33%。

资料来源:安集科技招股说明书,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

1.CMP抛光材料的应用

(1)抛光液

抛光液的主要成分包含研磨颗粒、各种添加剂和水,其中研磨颗粒主要为硅溶胶和气相二氧化硅。抛光液原料中添加剂的种类可根据实际需求进行配比,如金属抛光液中有金属络合剂、腐蚀抑制剂等,非金属抛光液中有各种调节去除速率和选择比的添加剂。抛光液的技术核心在于其配方,也是技术壁垒的关键所在。

CMP的主要成分及其作用

资料来源:互联网,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

(2)抛光垫

抛光垫是CMP系统的重要组成部分,也是CMP的主要消耗品。抛光垫的表面结构和组织直接影响抛光垫的性能,进而影响CMP过程及加工效果。抛光垫表面开沟槽是改善抛光垫性能的主要途径之一。抛光垫沟槽的形状、尺寸及沟槽分布等因素对CMP加工区域中的抛光液流量、压力及其分布等产生重要影响。抛光垫通常用聚亚胺脂做成,因为聚亚胺脂有像海绵一样的机械特性和多孔吸水特性。

抛光垫的技术壁垒主要是沟槽的设计及提高使用寿命。由于抛光垫是消耗品,所以提高使用寿命能降低工艺成本。

2.CMP抛光材料的市场

2018年,全球CMP抛光液和抛光垫的市场规模分别是12.7亿美元和7.4亿美元。

全球化学机械抛光液市场主要被美国和日本企业垄断,主要企业包括美国的Cabot Microelectronics(卡博特微电子)、Versum和日本的Hitachi、Fujifilm等。其中,2017年,Cabot Microelectronics是全球抛光液市场的龙头企业,市占率最高,但已经从2000年的约80%下降至2017年的约37%。

资料来源:Cabot,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

国内抛光液的需求量约为全球需求量的30%,然而国内高端半导体用抛光液的供给商仅有安集科技一家,且其全球市场占有率仅2.44%。安集科技已完成铜及铜阻挡层、硅、氧化物等CMP抛光液产品的研发及产业化。其中铜及铜阻挡层抛光液技术水平处于国际先进地位,130nm-28nm产品已量产并进入主流晶圆生产商,14nm级别产品已经进入客户推广阶段,10nm-7nm级别产品正在研发。其前五大客户包括中芯国际、台积电、长江存储、华润微电子和华虹半导体等国内知名厂商。

在抛光垫方面,全球市场几乎被美国陶氏所垄断,陶氏占据了全球抛光垫市场约79%的市场份额。国外其他抛光垫生产商有美国的Cabot Microelectronics、日本东丽、台湾三方化学等。目前国内从事抛光垫材料生产研究的只有两家企业:鼎龙股份和江丰电子。鼎龙股份目前是国内抛光垫研发和生产龙头企业,8英寸抛光垫已经获得国内晶圆代工厂订单,12英寸抛光垫已经获得中芯国际的认证,2019年上半年也获得第一张12英寸抛光垫订单。江丰电子联合美国嘉柏微电子材料股份有限公司,就抛光垫项目进行合作。

三、国内半导体材料市场总结

国产替代空间巨大

2018年,我国大陆半导体材料销售额为84.4亿美元,占全球份额的16.25%,然而我国内资企业在国内的半导体市场份额较低,尤其是高端半导体材料,自给率均不超过10%,严重依赖进口。

目前,半导体材料高端产品大多集中在日本、美国、德国、韩国、中国台湾等国家和地区生产商。国内由于起步晚,技术积累不足,整体处于相对落后的状态。目前,国内半导体材料主要集中在中低端领域,高端产品基本被国外生产商垄断。近年来,在国家政策的引导下,国内半导体材料生产商加大了研发投入,并取得了一定的成效,目前在部分细分领域,已经突破了国外垄断,实现了规模化供货。如CMP抛光材料的龙头企业安集科技,公司化学机械抛光液已在130-28nm技术节点实现规模化销售,主要应用于国内8英寸和12英寸主流晶圆产线;溅射靶材龙头江丰电子,16纳米技术节点实现批量供货,同时还满足了国内厂商28纳米技术节点的量产需求。

国家集成电路大基金第二期将重点投资半导体材料

国家集成电路大基金二期将重点投资半导体材料和半导体设备领域。据中证报消息,国家集成电路大基金二期三月底开始实质投资。大基金二期于2019年10月22日注册成立,注册资本为2041.5亿元。国家集成电路大基金二期更关注半导体材料及半导体设备的投资。在这之前的大基金一期于2014年9月成立,募资1387亿元,最终撬动5150亿社会投资。在大基金一期投资项目中,集成电路制造占67%,设计占17%,封测占10%,装备材料类占6%。可以看出,大基金一期的第一着力点是制造领域,首先解决国内代工产能不足、晶圆制造技术落后等问题,投资方向集中于存储器和先进工艺生产线,投资于产业链环节前三位企业比重达70%。国家集成电路基金对半导体企业的扶持作用显而易见,其培养了一批国内半导体领域的龙头企业,并且在各自细分领域拥有国际竞争力,如中微公司、汇顶科技、国科微等。

半导体材料上市公司投资机会

半导体材料各细分领域龙头企业

半导体材料A股上市公司重要财务指标对比

资料来源:WIND,株洲动力谷产业经济研究院有限公司

注:有研新材暂未公告2019年业绩快报

建议关注具有一定国际竞争力的国内细分领域龙头企业。推荐关注大硅片生产商中环股份、溅射靶材龙头江丰电子、CMP抛光垫龙头鼎龙股份和CMP抛光液生产商安集科技。

原标题:为应对Switch需求量激增 任天堂打算将产量提高约10%

上交所近日发布公告,科创板上市委定于2020年4月13日召开2020年第15次上市委员会审议会议,将审议埃夫特智能装备股份有限公司(以下简称“埃夫特”)的首发申请。

原标题:云手机解锁包围圈?华为之后百度出招,只为成为桌面

  经济日报-中国经济网芜湖1月7日综合报道 据最高检官网消息,近日,安徽省芜湖市鸠江区原区委书记茆斌涉嫌受贿、滥用职权罪一案,经安徽省人民检察院指定管辖,由合肥市人民检察院向合肥市中级人民法院提起公诉。

原标题:“天下无敌”的明朝,坐拥两百多万军队,为何还会被打的那么惨?

您可能还会对下面的文章感兴趣: