芯片制造的基石之半導(dǎo)體材料的研發(fā)

（文章來源：樂晴智庫）
在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，材料和設(shè)備是基石，是推動集成電路技術(shù)創(chuàng)新的引擎。半導(dǎo)體材料在產(chǎn)業(yè)鏈中處于上游環(huán)節(jié)，和半導(dǎo)體設(shè)備一樣，也是芯片制造的支撐性行業(yè)，所有的制造和封測工藝都會用到不同的半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料一般均具有技術(shù)門檻高、客戶認(rèn)證周期長、供應(yīng)鏈上下游聯(lián)系緊密、行業(yè)集中度高、技術(shù)門檻高和產(chǎn)品更新?lián)Q代快的特點(diǎn)，目前高端產(chǎn)品市場份額多為海外企業(yè)壟斷，國產(chǎn)化率較低，寡頭壟斷格局一定程度制約了國內(nèi)企業(yè)快速發(fā)展。

2019年全球半導(dǎo)體材料市場營收下滑顯著，但下降幅度低于整體半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。據(jù)中國電子材料行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，2019年全球半導(dǎo)體材料整體市場營收483.6億美元（約合人民幣3430.7億元），同比2018年的519.4億美元下降6.89%。從材料的區(qū)域市場分布來看，中國臺灣地區(qū)是半導(dǎo)體材料最大區(qū)域市場，2019年市場規(guī)模達(dá)114.69億美元；韓國市場規(guī)模76.12億美元，中國大 陸市場規(guī)模81.90億美元（約合人民幣581.5億元）為全球第三大半導(dǎo)體材料區(qū)域。

從晶圓制造材料與封裝材料來看，2019年全球半導(dǎo)體晶圓制造材料市場規(guī)模293.19億美元，同比2018年的321.56億美元下降8.82%；2019年全球半導(dǎo)體晶圓封裝材料市場規(guī)模190.41億美元，同比2018年的197.43億美元下降3.56%。半導(dǎo)體材料細(xì)分行業(yè)多，芯片制造工序中各單項(xiàng)工藝均配套相應(yīng)材料。按應(yīng)用環(huán)節(jié)劃分，半導(dǎo)體材料主要可分為制造材料和封裝材料。在晶圓制造材料中，硅片及硅基材料占比最高，約占31%，其次依次為光掩模板14%，電子氣體14%，光刻膠及其配套試劑12%，CMP拋光材料7%，靶材3%，以及其他材料占13%。

在半導(dǎo)體封裝材料中，封裝基板占比最高，占40%。其次依次為引線框架15%、鍵合絲15%、包封材料13%、陶瓷基板11%、芯片粘合材料4%、以及其他封裝材料2%。封裝材料中的基板的作用是保護(hù)芯片、物理支撐、連接芯片與電路板、散熱。陶瓷封裝體用于絕緣打包。包封樹脂粘接封裝載體、同時起到絕緣、保護(hù)作用。芯片粘貼材料用于粘結(jié)芯片與電路板。半導(dǎo)體材料中前端材料市場增速遠(yuǎn)高于后端材料，前端材料的增長歸功于各種前端技術(shù)的積極使用，如極紫外(EUV)曝光，原子層沉積(ALD)和等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)等。

制造材料中的硅片是晶圓制造的基底材料，貫穿整個晶圓制造過程。晶圓制造是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中重要一環(huán)，生產(chǎn)過程中會涉及多種材料。根據(jù)細(xì)分產(chǎn)品銷售情況，2018年硅片占晶圓制造材料市場比值為38%，比重為相關(guān)材料市場第一位。雖然半導(dǎo)體材料已經(jīng)發(fā)展到第三代，但由于制備工藝、后續(xù)加工及原料來源等因素影響，硅材料依然是主流半導(dǎo)體材料。

半導(dǎo)體硅片的尺寸（以直徑計(jì)算）主要有100mm（4英寸）及以下、150mm（6英寸）、200mm（8英寸）、300mm（12英寸）與450mm（18英寸）等規(guī)格。半導(dǎo)體硅片的直徑越大，在單片硅片上可制造的芯片數(shù)量就越多，單位芯片的成本隨之降低。半導(dǎo)體硅片正在不斷向大尺寸的方向發(fā)展。硅片是制造半導(dǎo)體芯片最重要的基本材料，是以單晶硅為材料制造的片狀物體，在半導(dǎo)體硅片上可布設(shè)晶體管及多層互聯(lián)線，使之成為具有特定功能的集成電路或半導(dǎo)體器件產(chǎn)品。

隨著晶圓制造產(chǎn)業(yè)逐漸往國內(nèi)轉(zhuǎn)移，國內(nèi)晶圓制造材料企業(yè)在面臨挑戰(zhàn)的同時也迎來重大機(jī)遇。濺射靶材是芯片中制備薄膜的元素級材料，通過磁控進(jìn)行精準(zhǔn)放置。高純?yōu)R射靶材包括鋁靶、鈦靶、鉭靶、鎢鈦靶等，這些產(chǎn)品主要應(yīng)用于超大規(guī)模集成電路芯片、液晶面板、薄膜太陽能電池制造的物理氣相沉積（PVD）工藝。5G時代到來，需求進(jìn)一步釋放，靶材行業(yè)或 將迎來高速發(fā)展，其中預(yù)計(jì)2023年僅5G智能手機(jī)設(shè)備更新的對靶材的需求為9.56億美金，所有設(shè)備更迭將產(chǎn)生18.7億美金的市場空間。

在濺射靶材領(lǐng)域，美國、日本企業(yè)占據(jù)全球市場主要份額。濺射靶材是典型的高技術(shù)壁壘行業(yè)，由于靶材起源發(fā)展于國外，高端產(chǎn)品被以美日為代表的國外企業(yè)所壟斷。日礦金屬、霍尼韋爾、東曹、普萊克斯、住友化學(xué)、愛發(fā)科等占據(jù)全球靶材市場主要份額。國內(nèi)濺射靶材行業(yè)雖然起步晚，但在國家政策和資金的支持下，目前已有個別龍頭企業(yè)在某些細(xì)分領(lǐng)域突破國外壟斷，依靠價格優(yōu)勢在國內(nèi)靶材市場占有一定份額。

國內(nèi)濺射靶材企業(yè)主要有江豐電子、阿石創(chuàng)、有研新材等。其中，江豐電子的超高純金屬濺射靶材產(chǎn)品已應(yīng)用于世界著名半導(dǎo)體廠商的先端制造工藝，在7納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)批量供貨。

光刻膠是將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上的關(guān)鍵材料。光刻膠基于應(yīng)用領(lǐng)域不同一般可以分為半導(dǎo)體集成電路（IC）光刻膠、PCB光刻膠以及LCD光刻膠三個大類。根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，全球光刻膠市場仍主要被日本合成橡膠、東京日化（TOK）、羅門哈斯、信越化學(xué)、富士電子材料等化工寡頭壟斷，行業(yè)前七大廠商合計(jì)市占率達(dá)97.9%，行業(yè)高度集中。目前國內(nèi)集成電路用i線光刻膠國產(chǎn)化率10%左右，集成電路用KrF光刻膠國產(chǎn)化率不足1%，ArF干式光刻膠、ArFi光刻膠全部依賴進(jìn)口。

我國光刻膠及配套化學(xué)品的研究始于20世紀(jì)70年代，但目前我國在該行業(yè)與國際先進(jìn)水平相比有較大差距，造成差距主要原因系：一方面，高端光刻膠樹脂合成及光敏劑合成技術(shù)與國際水平相比還有一定距離；另一方面，高端光刻膠的研究需要匹配昂貴的曝光機(jī)和檢測設(shè)備，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般科研單位所能承受的范圍。目前，國內(nèi)高端光刻膠產(chǎn)品尚需依賴進(jìn)口。

CMP拋光液和拋光墊，通過化學(xué)反應(yīng)與物理研磨實(shí)現(xiàn)大面積平坦化。在拋光墊方面，全球市場幾乎被美國陶氏所壟斷，陶氏占據(jù)了全球拋光墊市場約79%的市場份額。國外其他拋光墊生產(chǎn)商有美國的Cabot Microelectronics、日本東麗、臺灣三方化學(xué)等。目前國內(nèi)從事拋光墊材料生產(chǎn)研究的只有兩家企業(yè)：鼎龍股份和江豐電子。

電子氣體的作用是氧化，還原和除雜。根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)，2018年全球半導(dǎo)體電子特氣市場規(guī)模約45.1億美元。空氣化工集團(tuán)、液化空氣集團(tuán)、大陽日酸株式會社、普萊克斯集團(tuán)、林德集團(tuán)等國外氣體公司的市場占比超過80%。以華特股份為代表的國內(nèi)氣體公司通過多年持續(xù)的研發(fā)和投入，已陸續(xù)實(shí)現(xiàn)IC用高純二氧化碳、高純六氟乙烷、光刻氣等多個產(chǎn)品的進(jìn)口替代。

近年來我國半導(dǎo)體材料的整體國產(chǎn)化率仍然處于比較低水平，隨著國內(nèi)企業(yè)工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)、專利布局逐漸完善，以及本土先進(jìn)制程推進(jìn)以及存儲基地擴(kuò)產(chǎn)，對半導(dǎo)體材料需求將逐年提升。半導(dǎo)體材料將受到整個行業(yè)上升趨勢的推動，國產(chǎn)化替代市場空間巨大。
（責(zé)任編輯：fqj）