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“造芯”热潮下,关于半导体材料你知道多少?

“造芯”热潮下,关于半导体材料你知道多少?

芯片是信息社会的基础,而指甲盖大小的芯片里都可能有数亿个晶体管,进行大量信息的存储和计算,而硅片是这些晶体管所组成的电路的基板。石英矿石和日常所见的沙子的主要成分就是硅。从“沙子”到芯片(工业用的通常是石英矿石),中间要经过无数的、极精细的、复杂的加工工艺。除了硅片以外,制造芯片所需材料你又了解多少?

来自面包板的博主草木本芯通过观察半导体芯片材料产业链的各个环节, 结合国内外半导体芯片材料不同环节的发现状发表了独特的见解。tX2esmc


芯片是信息社会的基础,一枚指甲大小的芯片里可能有数亿个晶体管,进行大量信息的存储和计算,而硅片是这些晶体管所组成的电路的基板。tX2esmc

事实上,芯片(集成电路)只作为半导体行业的一个子行业并非全部,而不同的应用领域对同种材料的性能要求存在着较大差异,通常来说,芯片领域对材料性能要求最为苛刻,生产工艺最为复杂,显示面板次之,光伏面板最低。本文侧重于芯片制造材料部分。tX2esmc

半导体石英矿石和日常所见的沙子的主要成分就是硅。从“沙子”到芯片(工业用的通常是石英矿石),中间要经过无数的、极精细的、复杂的加工工艺。除了硅片以外,制造芯片所需材料还包括电子气体、掩膜版、光刻胶及辅材、化学试剂、靶材、CMP材料、引线框架、封装基板、塑封料、键合线及其它材料等,业内又将这些材料划分为晶圆制造材料和封装材料两大类。2018年,全球半导体材料销售额约519亿美金,其中,晶圆制造材料约322亿美金,封装材料约197亿美金,硅片和封装基板分别在晶圆制造和封装材料中占比超1/3。在晶圆制造材料中,大硅片、电子气体、光掩模、CMP材料、光刻胶、光刻胶配套材料、湿化学品、靶材等金额占比如下图,因为高精度、高纯度、高风险性等特点,这些材料对制造技术和各物流环节的要求极高,全球半导体材料供应链主要依赖于日本、美国等国家的企业,易受新冠疫情、突发事件和国际局势等因素的冲击。tX2esmc

大硅片是晶圆制造的基础原材料

硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等半导体材料的电阻率随温度升高和辐射增强而减小,在加入微量杂质时,其导电性也会发生显著变化,这些特征使其成为制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的基础材料。当前,硅材料约占整个半导体硅片市场的95%,GaAs材料以射频器件为主,SiC和GaN材料以高功率为主,短期内化合物和硅材料主要是互补关系。硅材料应用广泛也很常见。当熔融的单质硅凝固时,其晶核长成晶面取向相同的晶粒,形成单晶硅。单晶硅材料的形成可粗略分为石英砂-冶金级硅-提纯和精炼-沉积多晶硅锭-单晶硅-硅片切割等阶段,主要用于半导体和太阳能光伏发电等行业,一般半导体用单晶硅的纯度要求为99.999999999%(小数点后9个9)tX2esmc

按尺寸不同,硅片可分为4英寸、5英寸、6英寸、8英寸和12英寸等,尺寸越大晶圆能切割下的芯片就越多,成本就越低,但对设备和工艺的要求则越高,当前全球市场已进入大硅片时代,2018年12寸硅片占比约64%,8寸占比约26%,其余的占比约6%。大硅片市场高度垄断,日本的Shin-Etsu和SUMCO大尺寸硅片(8寸和12寸)占全球份额约60%,其他有影响力的硅片厂商还有中国台湾的Global Wafer、Wafer Works和Episil、德国Siltronic、韩国LG Siltron、法国Soitec、芬兰Okmetic等,中国大陆的半导体硅片厂商有沪硅产业、金瑞泓、有研和中环等,当前12寸硅片主要依赖进口。tX2esmc

全球主要硅片企业

1、日本信越化学(Shin-Etsu Chemical)设立于1926年,主营业务包括PVC(聚氯乙烯)、有机硅塑料、纤维素衍生物、硅片、磷化镓、稀土磁体、光刻胶等,在多个材料领域全球领先,多元化业务有助于硅片业务垂直延伸,并平滑了半导体业务的波动。营业收入在100 亿~120 亿美元之间,净利率在10%~12%。半导体硅市占率约27%。tX2esmc

2、日本三菱住友胜高(SUMCO)专注于硅片制造,主要产品包括4寸-12寸半导体硅片与 SOI 硅片,其前身为成立于1937年的Osaka Special Steel,先后合并了kyushu和Sumitomo Sitix,1999年与三菱材料成立联合硅制造公司,通过主业并购提升技术储备和产品竞争力。市占率26%,2019年公司营业收入为 191.91 亿元。tX2esmc

3、中国台湾环球晶圆(Global Wafer)是中美硅晶的子公司,在台湾地区、中国大陆、日本与欧美等地均有布局,2008年并购美商Globitech获得德州仪器和MEMC等客户,2012年并购日商Covalent Materials(现为CoorsTek)获得12寸晶圆技术,2016年并购丹麦Topsil获得8英寸FZ区熔硅片技术,并购美商Sun Edison(原MEMC)获得SOI硅片与外延片技术,市占率17%。tX2esmc

4、德国世创(Siltronic AG)是Wacker的子公司,1953年开始从事半导体硅片业务的研发工作,主要产品包括5寸-12寸半导体硅片,1998年通过与三星合作,成为全球首个推出12寸晶圆的公司。市占率13%,2019营收12.7亿欧元。tX2esmc

5、韩国LG Siltron(矽创)长期专注于半导体硅片业务,2017年51%股份出售予SK集团,易名为SK Silitron,市占率9%。tX2esmc

此外,法国Soitec是全球最大的SOI(Silicon-On-Insulator,绝缘衬底上的硅)晶圆提供商,芬兰Okmetic业务侧重于MEMS和传感器以及分立半导体和模拟电路,台湾合晶(Wafer Works)拥有垂直整合的单晶锭,抛光和Epi晶圆生产线,台湾嘉晶(Episil)车用、挖矿、资料中心等订单尤其超强劲,后续扩产也会专注在利基型产品。tX2esmc

内地硅片产业链

国内硅片厂商实现了部分8英寸及以下尺寸的硅片国产代替,但在12寸硅片方面存在较大差距。沪硅产业是内地最大的硅片供应商,2018年全球市占比约为2.2%,排名第八,通过旗下子公司上海新昇、新傲科技、Okmetic,以及参股法国Soitec,提升硅片业务竞争力。当前主要产品以8寸及以下硅片(含 SOI硅片)为主,已实现12寸硅片技术升级,12寸硅片产能为10万片/月,处于产品认证和市场开拓期,后续12寸占比将逐步增加。tX2esmc

中环半导体专注单晶硅产品,业务侧重于新能源行业,半导体行业占比较低,但具备8英寸区熔(FZ 法)硅片量产技术优势,在6-8寸功率器件硅片市场有竞争力,并协同晶盛机电建设8英寸和12英寸直拉法大硅片基地,多方布局为8英寸产品扩产以及增加12英寸产品线打下基础。AST超硅业务有晶体生长设备、半导体硅片等,规划上海项目月产30万片12英寸硅片。金瑞泓(立昂微控股)具有硅单晶锭、硅研磨片、抛光片、外延片和芯片制造的完整产业链,具备8英寸硅片月产12万片的产能,在研12英寸硅片技术,在浙江衢州建立大硅片产线。德州有研大硅片项目,一期规划8英寸硅片产能15万片/月。tX2esmc

此外,西安奕斯伟12寸硅片项目2020年进入投产倒计时,宁夏银和(杭州中欣子公司)项目规划年产420万片8英寸硅片和年产240万片12英寸硅片。郑州合晶一期项目建设月产能20万片8英寸硅片。安徽易芯自主研发12寸半导体级单晶硅晶体生长炉与全自动控制系统,正积极布局切磨抛产能。中晶(嘉兴)半导体12英寸大硅片项目一期规划年产480万片12英寸硅片,预计2020年厂房投入使用。另有徐州鑫晶等的12英寸硅片项目。tX2esmc

手机、PC、服务器和SSD等终端占大硅片需求的一半以上,是未来成长的主要驱动力,12寸硅片在手机中主要应用于CIS、逻辑芯片、NAND和DRAM,每部5G手机的硅片使用面积约是4G手机的1.7倍,综合多种因素预计未来几年手机硅片需求将平稳增长,同时,物联网和汽车电子系统市场成长将带动8寸及以下抛光片与SOI硅片需求。Gartner预测2020年全球硅片市场规模约为110亿美元左右,目前全球12英寸硅片月产能约600万片,8英寸硅片月产能约500万片,全球市场的总供应略大于总需求,但国内大尺寸和高端产品主要依赖进口。业内预估2020年我国12寸硅片月需求约为100万片左右,而已公布投资及规划中的12寸硅片月产能达数百万片,如果顺利投产不仅满足自我需求绰绰有余,同时会有加剧供需不平衡的风险。tX2esmc

有业内人士指出,供应链关键材料的国产化替代是必然趋势。但是,企业在积极扩产的同时,理应保有研发、资金、技术和产线等方面的可持续性和必要的机动性,尤其要加强技术研究,以应对市场周期性波动,和未来更大尺寸及其它新技术升级迭代带来的新挑战。另外,在碳化硅和高纯石英材料等方面应加大技术研发和量产力度。tX2esmc

电子气体

电子气体是半导体器件、显示面板、太阳能和光纤等生产中必不可少的原材料,在半导体制造中,应用于薄膜、刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺,常用的高纯电子气体及混合气体约30种,气体质量对器件性能有着重要影响。电子气体的提纯技术壁垒极高,包装和储运等作业环节也有专门要求。2018年全球半导体特种气体市场规模45亿美元,基本被美国的气体化工(Air Products and Chemicals)和普莱克斯(Praxair)、法国液化空气(Air Liquide)、德国林德(Linde Group)、日本的大阳日酸(TNSC)和昭和电工(Showa Denko)、英国 BOC(British Oxygen Company)等寡头所垄断。国内特种气体供应企业主要有华特气体、凯美特气、绿菱电子、昊华科技、中船重工718所、南大光电、巨化、启源、金宏、雅克科技、南京特种气体等,国内企业在奋力追赶,其中华特气体于2017 年通过ASML 的产品认证,为多家国际一流半导体厂商供货。tX2esmc

掩膜版

掩膜版(Photo mask)又称光罩、光掩膜等,是液晶显示器、半导体等制造过程中的图形“底片”转移用的高精密工具,在光刻过程中,掩膜版是设计图形的载体,半导体掩模版市场集中度高。2018年全球半导体掩模版销售额为35.7亿美元,占到晶圆制造材料市场的13%。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DNP、美国Photronics、日本豪雅HOYA、日本SKE、韩国LGIT、及中国台湾光罩等,其中Photronics、DNP和Toppa占据全球掩膜版领域80%以上市场份额。内地掩模版企业有清溢光电、无锡华润、路维光电、龙图光电等,仅能满足中低档产品市场的需求。此外,晶圆制造厂等机构也会自制掩膜版,如英特尔、台积电、三星、中芯国际、中科院微电子所、中国电子科技等科研院所等都有自制掩膜版业务,内地掩膜版供需缺口逐年扩大。tX2esmc

光刻胶

光刻胶(Photoresist)又称光阻、光致抗蚀剂,是光刻工艺的关键化学品,主要利用光化学反应将所需要的微细图形从掩模版转移到待加工基片上,其主要成分为树脂型聚合物、光活性物质、溶剂和添加剂,分辨率、对比度和敏感度是光刻胶的核心技术参数。光刻是IC制造过程中耗时最长、难度最大的工艺,耗时占IC制造50%左右,成本约占IC生产成本的1/3,光刻胶是光刻过程最重要的耗材。2018年全球半导体光刻胶市场约20.3亿美元,主要供应商包括日本合成橡胶(JSR)、东京应化(TOK)、信越、富士、旭化成、日立化成、美国罗门哈斯(并入杜邦)、及中国台湾的长兴化学和长春化工,内地供应商主要有晶瑞股份(苏州瑞红)、北京科华等,另外南大光电、上海新阳、容大感光、飞凯、强力新材、北旭等在推进光刻胶研发项目。在面板光刻胶领域,永太科技已通过华星光电验证。tX2esmc

CMP抛光材料

CMP工艺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核心材料,占比分别为49%和33%。据Cabot Microelectronics公开信息,2018年全球CMP抛光液市场约12.7亿美元,主要企业包括美国的Cabot Microelectronics、Versum、Dow、3M和日本的Fujifilm、Hitachi,国内抛光液企业有安集科技、上海新安纳等。tX2esmc

在抛光垫方面,美国陶氏DOW垄断了全球市场约79%份额,其它企业还有美国Cabot、日本东丽、台湾三方化学等,内地从事抛光垫材料生产研究的有鼎龙股份和江丰电子,鼎龙8寸抛光垫已获晶圆厂订单,12寸抛光垫也在快速推进。江丰电子联合美国嘉柏微就抛光垫项目进行合作。tX2esmc

湿化学品(Wet Chemicals)

湿化学品是微电子、光电子湿法工艺制程中使用的各种化工材料,主要应用于清洗和腐蚀步骤,其纯度和洁净度影响着器件的性能与可靠性。2018年全球半导体用湿化学品和光刻胶配套试剂市场规模分别为16.1和22.3亿美元,领先企业主要有德国的巴斯夫(Basf)和E.Merck、比利时苏威化学(Solvay)、美国Ashland、日本的关东化学、三菱化学、东京应化、京都化工、光纯药工业(Wako)、韩国东友精细化工及中国台湾鑫林科技等企业,内地的江化微、晶瑞股份、格林达、湖北兴福、浙江凯圣、中巨芯、滨化等企业也在不断进步。tX2esmc

溅射靶材

溅射靶材是物理气相沉积(PVD)工艺步骤中所必需的材料,是制备薄膜的关键材料。2016 年全球溅射靶材市场约113.6亿美元,其中大头在平板显示和太阳能领域,半导体领域市场约11.9亿,高端市场主要被日矿金属、霍尼韦尔、东曹、普莱克斯、住友化学、爱发科等企业占据。国内溅射靶材企业有江丰电子、阿石创、有研新材、隆华节能(四丰、晶联为其子公司)等,其中江丰电子的超高纯金属溅射靶材产品已应用于世界著名半导体厂商的先端制造工艺。tX2esmc

封装基板

完整的芯片由裸芯片(制造完成的晶圆片)与封装体(封装基板、固封材料和引线等)组合而成,封装材料的门槛比晶圆制造材料要低一些。半导体封装材料主要有引线框架、封装基板、陶瓷封装材料、包封材料及芯片粘结材料等,其中封装基板占比最大。封装基板作为芯片封装的核心材料,一方面能保护、固定和支撑芯片,增强芯片导热散热性能,另一方面封装基板的上层与芯片相连,下层和电路板相连,实现电气和物理连接、功率分配、信号分配,以及沟通芯片内部与外部电路等功能。tX2esmc

按芯片与封装基板的连接方式,封装基板可分为引线键合封装基板和倒装封装基板。引线键合(Wire Bonding,WB)使用金属线,并利用热、压力、超声波能量使金属引线与芯片焊盘、基板焊盘紧密焊合,实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通,广泛应用于射频模块、储存芯片及微机电系统的器件封装。倒装封装(Flip Chip,FC)采用倒装焊球连接芯片与基板,应用于CPU、GPU及Chipset等产品封装。在整个半导体封装材料市场中,封装基板约占40%左右,引线框架、键合线、塑封料各占15%左右,中国台湾、韩国和日本占了全球封装基板产业接近90%的份额,内地主流基板厂有深南电路、珠海越亚、兴森科技和丹邦科技等,其它封测材料企业还有康强电子、华龙电子、达博、飞凯和中鹤等。tX2esmc

半导体材料供应链的小结

以上这些半导体材料,虽然单一市场规模不大,但却丝毫不能轻视。2019年日本限制高纯度氟化氢、光刻胶、氟聚酰亚胺3种半导体材料对韩出口,引起业界震动,而之所以会有这样的“震动”是因为在那之前人们很少会意识到这样的问题。这再次说明供应链的均衡发展有多么重要!半导体材料细分行业多,涉及各种金属、合金、非金属、各类元素、以及酸、碱等各类试剂,细分子行业多达上百个,许多材料单个细分市场很小,工艺和生产复杂繁琐,对专业知识和技术经验要求又很高……但一个都不能少,否则供应链就停摆。tX2esmc

市场规模不大,但照样可以培养许许多多世界一流的、隐形冠军型顶尖企业。从某种程度上说,这些规模不大的企业的水平,才代表着一个经济体工业和科技的真实水平,为常规情况下的经济高质量运行提供保障和支撑,并在关键时刻发挥奇兵效应。另外,许多材料企业的经营范围是跨越多个行业和领域的,半导体行业仅仅是它们的一个细分市场。tX2esmc

整体来看,国内半导体材料业在封装基板、CMP抛光液、湿电子化学品、引线框等部分的技术标准达到先进水平,靶材、电子气体、硅片、化合物半导体、掩模版本土生产实现突破,光刻胶、抛光垫、碳化硅、高纯石英材料等与先进技术存在较大差距,在许多细分领域,企业的研发投入和技术积累不足。说“材料是工业王冠上的钻石”并不夸张,在许多尖端科技领域,材料是竞争的关键环节。巧妇难为无米之炊,没有适合的材料、配方或工艺,很多时候就只能靠运气。半导体材料的重要性并不亚于设备,二者既相辅相成又各有侧重,半导体材料分的更细更琐碎,需要更多领域的长期钻研和积累,也潜藏着更多的隐形冠军。tX2esmc

在全球半导体材料供应链中,日企占主导地位。日本和德国历来以工匠精神著称,企业持之以恒地在材料和工艺的精度方面精益求精、一丝不苟。这种效果在短期不明显,但时间久了优势就会越积越大,惯性势能就会越来越强。更重要的是,这种优势形成良性循环,从一个行业传导到无数个行业,后来者追赶的难度可想而知。精益思想已让日本在半导体材料、碳纤维材料、冶金技术等领域形成了极高壁垒。tX2esmc

材料和设备领域的话语权靠的是硬核实力,良性国际分工的平衡与维护更需要实力作后盾。我们需要学习工匠精神,培养科技创新精神,同时注重人才培育,招揽海外人才,对产业链进行整合,并适时进行海外并购。tX2esmc

参考资料:tX2esmc

  • 半导体制造工艺中的主要设备及材料大盘点
  • 一文看懂国产半导体材料现状   方正证券
  • 2019年全球及中国半导体材料行业市场现状及未来发展趋势分析  中国产业信息网
  • 韩国半导体三大关键材料被日本卡脖子,中国企业有机会吗?  天下网商

*国际电子商情对文中陈述、观点判断保持中立,不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。tX2esmc

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