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半导体材料市场你知道多少
来源:中国传动网   发布时间:[2018/11/03 09:53:14]

提到半导体,相信大家都不会陌生了。从今年中兴事件开始,半导体行业,芯片这些词被频频推到公众的眼前。这篇文章将会是半导体产业链的开端,分成上中下游是三个部分给大家展现一个真实的半导体产业。

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从大方向来说:

半导体产业最上游是IC设计公司与硅晶圆制造公司,IC设计公司依客户的需求设计出电路图,硅晶圆制造公司则以多晶硅为原料制造出硅晶圆。中游的IC制造公司主要的任务就是把IC设计公司设计好的电路图移植到硅晶圆制造公司制造好的晶圆上。完成后的晶圆再送往下游的IC封测厂实施封装与测试,就算完成了。

晶圆材料主要有硅片、光掩膜、光刻胶、光刻胶辅助设备、湿制程、溅射靶、抛光液、其他材料。封装材料主要有层压基板、引线框架、焊线、模压化合物、底部填充料、液体密封剂、粘晶材料、锡球、晶圆级封装介质、热接口材料。

在半导体材料领域,由于高端产品技术壁垒高,国内企业长期研发投入和积累不足,我国半导体材料在国际分工中多处于中低端领域,高端产品市场主要被欧美日韩台等少数国际大公司垄断,比如:硅片全球市场前六大公司的市场份额达90%以上,光刻胶全球市场前五大公司的市场份额达80%以上,高纯试剂全球市场前六大公司的市场份额达80%以上,CMP材料全球市场前七大公司市场份额达90%。

国内大部分产品自给率较低,基本不足30%,并且大部分是技术壁垒较低的封装材料,在晶圆制造材料方面国产化比例更低,主要依赖于进口。另外,国内半导体材料企业集中于6英寸以下生产线,目前有少数厂商开始打入国内8英寸、12英寸生产线。


一、大硅片(占比33%)

硅片是最主要的半导体材料,历年来硅晶圆片的市场销售额占整个半导体材料市场总销售额的32%~40%。在具体的硅片方面,目前主流的硅片为300mm(12英寸)、200mm(8英寸)和150mm(6英寸)。单晶硅片直径越大,所能刻制的集成电路越多,芯片的成本也就越低。12英寸硅片自2009年开始市场份额超过50%,到2015年的份额已经达到78%。12英寸大硅片主要用于生产90nm-28nm及以下特征尺寸(16nm和14nm)的存储器、数字电路芯片及混合信号电路芯片,多用于PC、平板、手机等领域。

半导体材料市场你知道多少?

半导体硅片具有极高的技术壁垒,全球市场呈现出寡头垄断的格局,日本信越和SUMCO(由三菱硅材料和住友材料Sitix分部合并而来)一直占据主要市场份额,双方约各占30%左右,日本在切、磨、抛设备及浆料、切削油等材料方面占据主导地位。其他主要公司有德国Siltronic(德国化工企业Wacker的子公司)、韩国LGSiltron、美国MEMC和台湾环球晶圆四家公司。上述6家供应商合计占据全球90%以上的市场份额。

国内大硅片领先企业——上海新阳曾透露,该公司12英寸大硅片生产线所用的拉晶炉主要采购自韩国、日本、德国,切割、研磨、抛光设备主要采购自日本,部分非关键设备采购自韩国和台湾。

虽然目前差距甚大,但是中国企业的追赶也已经起步。10月16日,晶盛机电股份宣布与中环领先半导体材料就集成电路用8-12英寸半导体硅片项目四工段设备采购第一包及第二包签订了设备购销合同,合同金额合计4.028亿元。根据合同,双方就半导体单晶炉与半导体单晶硅切断机、滚磨机设备达成合作。其中,半导体单晶炉合同总价款为3.6亿元,按月分批交货,于2019年5月底前交付全部设备;半导体单晶硅切断机、滚磨机合同总价款4240万元,按月分批交货,2019年8月底前交付全部设备。亚化咨询认为,此次中标,是半导体单晶炉国产化的一大步。

2012年到2017年,全球半导体硅片出货面积稳定增长。SEMI最新数据显示,全球硅片出货面积在2018年上半年达到62.44亿平方英寸,同比增长7.0%。随着全球硅片面积和硅片价格的同时上涨,亚化咨询预计2018年全球硅片市场将达到110亿美元。

中国积极布局半导体大硅片生产制造领域。直至目前,中国在8及12英寸硅片生产上已投资数百亿元人民币。亚化咨询数据显示,未来中国新增8英寸硅片设计产能将超过210万片/月。未来新增产能将带动半导体材料及设备的强劲需求。

目前,国内8寸的硅片生产厂商仅有浙江金瑞泓、北京有研总院、河北普兴、南京国盛、上海新傲等少数厂商,远没有满足国内市场,12寸硅片目前全部采用进口,可以说是国内半导体产业链上缺失的一环。

1)上海新阳:由上海硅产业投资公司投资(持股62.82%)、上海新阳参股(持股27.56%)的上海新昇300mm大硅片项目从2017年第二季度开始已经向中芯国际等代工厂提供样片进行认证,并实现挡片、陪片、测试片等产品销售。受晶圆供应紧张影响,下游客户加快了认证进度,目前已经与中芯国际、武汉新芯、华力微电子三家公司签署了采购意向性协议。一期15万片/月的产能,预计在2018年年中实现达产;上海新昇总规划产能为60万片/月,预计在2021年实现满产。如果一切较为顺利,这将填补国内空白,具有重要的战略意义。

晶盛机电、中环股份:晶盛机电和中环股份携手无锡市,宣布共同投资30亿美元在宜兴建设集成电路用大硅片生产与制造项目。


二、电子特种气体(14%)

电子气体在电子产品制程工艺中广泛应用于薄膜、蚀刻、掺杂等工艺,被称为半导体、平面显示等材料的“粮食”和“源”。电子特种气体又可划分为掺杂气、外延气、离子注入用气、LED用气、蚀刻用气、化学汽相沉淀用气、载运和稀释气体等几大类,种类繁多,在半导体工业中应用的有110余种电子气体,常用的有20-30种。

电子特种气体行业集中度高,主要企业有美国空气化工、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,五大气体公司占有全球90%以上的市场份额,上述企业也占据了我国电子特种气体的主要市场份额。国产电子气体已开始占据一定的市场份额,经过多年发展,国内已有部分企业在部分产品方面攻克技术难关。四川科美特生产的四氟化碳进入台积电12寸台南28nm晶圆加工生产线,目前公司已经被上市公司雅克科技收购;金宏气体自主研发7N电子级超纯氨打破国外垄断,主要上市公司有雅克科技、南大光电、巨化股份。


三、光掩模板(13%)

掩膜版是在IC制作过程中,利用光刻蚀技术把设计好的电路图形复制于晶圆上。我们把电脑上设计出来的电路图用光照到金属/玻璃薄膜上,制造出掩膜。我们再把刚制作好的掩膜盖在硅片上,当光通过掩膜照射,电路图就"印制"在硅晶片上。如果我们按照电路图使应该导电的地方连通,应该绝缘的地方断开,这样我们就在硅片上形成了所需要的电路。

掩膜版质量的优劣直接影响光刻的质量。在芯片制造过程中需要经过十几甚至几十次的光刻,每次光刻都需要一块光刻掩膜版,每块光刻掩膜版的质量都会影响光刻的质量。一般来说,通过一系列光学系统将掩膜版上的图形按照4:1的比例投影在晶圆上的光刻胶涂层上,如果晶圆的最小线宽要达到28nm,掩膜版上的最小线宽只要达到112nm即可。然而随着线宽的不断缩小,光衍射导致的投影图形对比度和失真问题也相应出现,这对掩膜版制造厂商的技术提出了更多的要求。

全球主要的晶圆制造厂商,如Intel、Globalfoundries、IBM、TSMC、UMC、Samsung等都有自己的专业工厂来生产自身需要的掩膜版,最先进的制程所需的掩膜版技术也就自然而然掌握在这些国际巨头手中。不过近些年,掩膜版外包的趋势非常的明显,特别是对于一些60nm及90nm以上制程的低端产品,外包的现象非常明显。

目前全球专业的掩膜版厂商包括美国的Photronics,台湾的台湾光罩,日本的Toppan,Hoya,SK-Electronics等。Photronics作为全球领先的掩膜版厂商,主要生产60nm及以上制程的光罩,2014年营收达到4.56亿美元,净利润3202万美元;而像台湾光罩则主要生产和供应相对低端的0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、0.11微米和90纳米制程的光罩,2014年营收达到4411万美元,净利润191万美元。

目前国内的掩膜版厂商主要分为3类:第一类是科研院所,主要有中科院微电子中心,中国电子科技集团第13所、24所、47所、55所等;第二类是专业的掩膜版制造厂商,主要有无锡华润微电子有限公司掩膜工厂、上海凸版光掩膜有限公司、Photronics(上海)。第三类是晶圆代工厂,例如中芯国际,中芯国际的制版能力也处于国际较先进的水平。


四、光刻胶(6%)

指通过紫外光、准分子激光、电子束、离子束、X射线等光源的照射或辐射,其溶解度发生变化的耐蚀刻薄膜材料。其溶解度发生变化的耐蚀刻薄膜材料。根据在显影过程中曝光区域的去除或保留,分为正像光刻胶和负像光刻胶。随着分辨率越来越高,光刻胶曝光波长不断缩短,由紫外宽谱向G线(436nm)→I线(365nm)→KrF(248nm)→ArF(193nm)→F2(157nm)→极紫外光EUV的方向转移。

我国光刻胶生产基本上被外资把控,并且集中在低端市场。据中国产业信息数据,2015年我国光刻胶产量为9.75万吨,其中中低端产品PCB光刻胶产值占比为94.4%,而LCD和半导体用光刻胶产值占比分别仅为2.7%和1.6%,半导体光刻胶严重依赖进口。

另外,2015年我国光刻胶前五大公司分别台湾长兴化学、日立化成、日本旭化成、美国杜邦及台湾长春化工,均是外资或合资企业,上述五大企业市场份额达到89.7%,内资企业市场份额不足10%。光刻胶主要上市公司有晶瑞股份、飞凯材料,强力新材,上海新阳。


五、光刻胶配套试剂(7%)

又称为湿功能电子化学品,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。一般配合光刻胶使用,包括显影液、漂洗液、剥离液等。

配套试剂和光刻胶配合使用,生产光刻胶的企业一般具备生产配套试剂的能力,国内的厂商包括江化微、江阴润玛、晶瑞股份等,国内企业快速突破技术壁垒,凭借成本及本土化优势得以迅速发展。中国企业不断加强湿电子化学品基础研究,目前包括江化微在内的一批本土企业突破了跨国企业的技术垄断,部分领域产品已经达到国际标准。


六、抛光液和抛光垫(7%)

目前全球抛光的主流技术是CMP技术,是指在晶圆制造过程中,使用化学及机械力对晶圆进行平坦化处理的过程。CMP技术所应用的抛光液、抛光垫、抛光浆料是硅晶圆及芯片进行工业处理的的三大消耗品,其中抛光工艺的技术核心和价值核心均在抛光垫。抛光垫价值量占抛光材料的六成,其力学性能和表面组织特征对于平坦化的效果非常关键,是CMP工艺的技术核心和价值核心。

当前全球抛光垫市场呈现寡头垄断格局,陶氏化学占据抛光垫市场近八成份额,国内缺乏独立自主知识产权和品牌,庞大的国内市场完全被外资产品所垄断,进口替代空间广阔。国产材料具有明显的价格和服务等优势,大陆建厂热潮有望驱动国内CMP抛光垫厂商加速发展。国内抛光垫核心上市公司有鼎龙股份。


七、光阻材料(7%)

光阻材料是印刷电路板线路影像转移与制作的重要材料。在电子产品日益轻、薄、短、小之趋势下,干膜光阻正扮演决定性的角色;其制作技术是直接影响信息及通讯等产品质量的关键。受到市场需求强劲推动,中国大陆在全球光阻材料市场中所占份额必将大幅提升。数据显示,中国大陆市场所需G-Line光阻材料在全球市场所占份额从2012年起大幅增加;所需I-Line光阻材料在全球市场所占份额从2013年起大幅增加;所需248nm光阻材料在全球市场所占份额从2013年起大幅增加。

光阻材料暂无上市公司,北京化工大学、江苏博砚科技有限公司联合召开的国家重点研发与产业化项目推进会上获悉,我国微电子加工用高端超纯化学品关键技术已取得重大突破,并已在江苏宜兴建成国内首条年产1000吨黑色光阻示范生产线。这意味着长期受国外垄断的微电子材料开始走向国产化,并为我国微电子及相关产业摆脱进口依赖起到了重要的引领作用。


八、超净高纯试剂(占比4%)

又称湿化学品,亦可称为通用湿电子化学品,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。主要以上游硫酸、盐酸、氢氟酸、氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、丙酮、乙醇、异丙醇等为原料,经过预处理、过滤、提纯等工艺生产的得到纯度高产品。在半导体领域主要用于芯片的清洗和腐蚀,同时在硅晶圆的清洗中也起到重要作用。其纯度和洁净度对集成电路成品率、电性能及可靠性有十分重要的影响。

应用于半导体的超净高纯试剂,全球主要企业有德国巴斯夫,美国亚什兰化学、Arch化学,日本关东化学、三菱化学、京都化工、住友化学、和光纯药工业,台湾鑫林科技,韩国东友精细化工等,上述公司占全球市场份额的85%以上。

目前,国内生产超净高纯试剂的企业中产品达到国际标准且具有一定生产量的企业有30多家,国内超净高纯试剂产品技术等级主要集中在G2级以下,国内江化微、晶瑞股份等企业部分产品已达到G3、G4级别,晶瑞股份超纯双氧水已达G5级别,部分产品已经实现进口替代。我国内资企业产超净高纯试剂在6英寸及6英寸以下晶圆市场上的国产化率已提高到80%,而8英寸及8英寸以上晶圆加工的市场上,其国产化率由2012年约8%左右缓慢增长到2014年的10%左右。超净高纯试剂产能方面,晶瑞股份产能3.87万吨,江化微产能3.24万吨。


九、靶材(3%)

半导体行业生产领域,靶材是溅射工艺中必不可少的重要原材料。溅射工艺是制备电子薄膜材料的主要技术之一,它利用离子源产生的离子轰击固体表面,使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面,被轰击的固体称为溅射靶材。

靶极按照成分不同可分为金属靶极(纯金属铝、钛、铜、钽等)、合金靶极(镍铬合金、镍钴合金等)和陶瓷化合物靶极(氧化物、硅化物、碳化物、硫化物等)。半导体晶圆制造中200nm(8寸)及以下晶圆制造通常以铝制程为主,使用的靶材以铝、钛元素为主。300nm(12寸)晶圆制造,多使用先进的铜互连技术,主要使用铜、钽靶材。

半导体芯片对溅射靶材的金属材料纯度、内部微观结构等方面都设定了极其苛刻的标准,长期以来一直被美、日的跨国公司所垄断,我国的超高纯金属材料及溅射靶材严重依赖进口。目前上市的靶材公司有江丰电子、有研新材、阿石创。


总结

中国企业在半导体大硅片材料、设备领域较为薄弱,需要与国际领军企业交流学习技术,借鉴成功经验,发展壮大。助力中国半导体产业的崛起。

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