datasheet

XSY芯师爷

文章数:2211 被阅读:6068686

账号入驻

我国集成电路材料专题系列报告!

2019-07-15
    阅读数:

集成电路材料对集成电路制造业安全可靠发展以及持续技术创新起到至关重要的支撑作用。本报告将全面梳理我国集成电路材料产业细分领域的发展状况。

本报告系列文章将分以下几个部分

(1)我国集成电路发展态势及我国集成电路产业总体情况 

(2)衬底材料发展情况;

(3)光刻胶和掩膜版发展情况;

(4)工艺化学品和电子气体发展情况;

(5)抛光材料和靶材发展情况;

(6)封装材料发展情况。


一、我国集成电路发展态势及产业总体情况


1、 我国集成电路发展态势


集成电路产业作为信息技术产业的核心,是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业,是培育发展战略性新兴产业、推动信息化和工业化深度融合的基础,是保障国家信息安全的重要支撑,其产业能力决定了各应用领域的发展水平,并已成为衡量一个国家产业竞争力和综合国力的重要标志之一。2018年两会的《政府工作报告》论述中,把推动集成电路产业发展放在实体经济发展的首位强调,凸显出在中国制造大投入、大发展、大跨越的趋势下集成电路产业的重要性和先导性。


长期以来,我国是世界上最大的集成电路消费市场,但是由于核心技术落后,大部分产品严重依赖进口。海关总署公布的数据显示,从2013年开始,我国集成电路进口额突破2000亿美元,已经连续四年远超原油这一战略物资的进口额,位列我国进口最大宗商品(图1)。集成电路贸易逆差持续扩大,阻碍我国国民经济的快速发展;高端核心芯片几乎全部依赖进口,直接威胁我国国防系统的信息安全和通讯、能源、工业、汽车、消费电子等支柱产业的产业安全。

 

图1 我国集成电路与原油进口金额对比


当前,中美贸易摩擦不断升级,我国集成电路产业“软肋”频现。从《瓦森纳协定》到如今持续发酵的中美贸易摩擦,以美国为首的欧美国家一直紧防我国自主发展核心知识产权,集成电路更是发达国家制衡我国屡屡得逞的战略武器:受限于《瓦森纳协议》,从芯片设计、制造等多个领域,我国都无法借鉴国外的最新科技;2017年,美国发布报告《确保美国半导体的领导地位》,不仅将发展半导体上升为国家安全的重要战略,还将我国明确为威胁对象;


在进出口贸易中,美国多次发布针对我国的“301调查”和“337调查”报告,不断更新加征关税的自中国进口产品清单,集成电路行业赫然在列;美国接连对中兴、华为、晋华等战略支柱企业进行封杀和定点打击,彰显其遏制中国5G及相关集成电路支撑产业崛起的决心和手段,等等。这些接踵而至且切中要害的强势打压,严重掣肘我国集成电路的发展

 

图2 我国12英寸芯片厂分布


近十年来,我国政府通过实施国家科技重大专项01/02专项,颁布国家和地方政策,成立产业基金等多种方式大力支持集成电路产业的发展,特别是从2014年《国家集成电路产业发展推进纲要》颁布实施以来,各地发展集成电路热情高涨,纷纷兴建新工厂。据统计,到2018年底,我国12英寸晶圆厂已投产14条,15条线宣布在建并预计2020年前投产(图2),届时全国12寸晶圆厂产能将超过2500k/月


目前在建12寸晶圆厂涉及投资额约5013亿元;规划中的12寸晶圆厂投资高达7812.3亿元。各地晶圆厂兴建不停,国内产能的集中释放,为集成电路产业提供了巨大的发展空间,然而产业链各环节依然薄弱,产业整体严重受制于人,因此,我国集成电路制造业发展机遇和风险并存。


2、我国集成电路材料产业发展情况


产业规模大、细分行业多、技术门槛高的集成电路材料业是整个集成电路产业的先导基础,其对集成电路制造业安全可靠发展以及持续技术创新起到至关重要的支撑作用,约400亿规模的集成电路材料业支撑起4000亿美元规模的集成电路产业以及上万亿规模的电子应用系统产业的良性发展。


材料作为集成电路产业的“脖子”,一旦受卡,整个制造业将受到重创,例如2011年日本“311大地震”造成集成电路关键原材料供货中断,包括台积电、联电等芯片制造厂,虽然靠着库存渡过难关,但在材料恢复全产能供货之前,营收仍受到不同程度的影响。与此同时,集成电路使用的材料种类层出不穷,材料成分也越发复杂,集成电路性能的提升越发依赖材料技术的底层创新(图3)。


过去,应变硅、高k金属栅、钴互联材料等越来越多材料领域的创新和应用,推动芯片制造沿着摩尔定律持续前行。据估算,材料对芯片性能提升的贡献目前已超过六成。可以预见,未来超越摩尔领域的异质集成、3D IC、二维半导体等技术能否取得突破性进展,将更多依赖于材料的创新。


集成电路材料作为集成电路产业链中细分领域最多的一环,贯穿集成电路制造的晶圆制造、前道工艺(芯片制造)和后道工艺(封装)整个过程,按照产业链主要分为衬底材料、工艺材料(包括光刻胶、掩膜版、工艺化学品、电子气体、抛光材料、靶材)以及封装材料三大板块。据SEMI统计,2017年全球集成电路材料产业规模达到469亿美元,其中衬底材料、工艺材料和封装材料比例约为1:2:2。从区域来看,我国大陆自2016年以来已跃居仅次于我国台湾的第二大材料消费地区(图4),且市场容量高速增长(2017年同比增长12%),显示出巨大的市场需求潜能。

  

图3 左图:2015年和1985年集成电路使用的材料元素种类对比;右图:芯片性能提升的贡献因素。

  

图4 左图:2017年全球集成电路材料细分市场产品结构;右图:2017年全球集成电路材料市场区域结构。


在供给侧,尽管我国集成电路材料产业持续壮大,但相对我国市场的需求和发展,材料自给能力还远远不够。近几年,受国家政策支持以及国内市场需求的双重驱动,我国集成电路材料发展到了一个新的高度,关键材料实现从无到有,产业增长进一步加快,培育了一批富有创新活力,具备一定国际竞争力的骨干企业。


根据集成电路材料和零部件产业技术创新战略联盟(ICMTIA)统计,我国集成电路材料营收十年翻两番,江丰电子、安集微电子等公司的溅射靶材和抛光液等上百种关键材料通过大生产线认证进入批量销售,打入国内外先进芯片厂供应链。但是,我国集成电路材料还很弱小,自主可控和参与国际竞争能力远远不足(图5),主要产品还集中在中低端,高端产品严重依赖进口,“卡脖子”问题严峻


根据工信部对30多家大型企业130多种关键基础材料调研结果显示,32%的关键材料在我国仍为空白,52%依赖进口。集成电路材料遭“卡脖子”,严重制约我国集成电路产业健康发展。


图5 近10年我国集成电路材料市场需求及国产半导体年销售收入对比


二、衬底材料发展情况


衬底材料按照演进过程可分为三代:以硅、锗等元素半导体材料为代表的第一代,奠定微电子产业基础;以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)等化合物材料为代表的第二代,奠定信息产业基础;以及以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等宽禁带半导体材料为代表的第三代,支撑战略性新兴产业的发展(图6)。


图6  衬底材料分类


目前硅已经成为应用最广的一种半导体材料。从半导体器件产值来看,2017年全球95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路采用硅作为衬底材料,而化合物半导体市场占比在5%以内。从衬底市场规模看,2017年硅衬底年销售额87亿美元,GaAs衬底年销售额约8亿美元,GaN衬底年销售额约1亿美元,SiC衬底年销售额约3亿美元。硅衬底销售额占比达85%+,其主导和核心地位仍不会动摇。以下重点分析我国硅片、GaAs、InP、GaN以及SiC这几种重要衬底材料的技术水平和产业化能力。


1、硅衬底


目前主流的硅片尺寸为300mm(12英寸)、200mm(8英寸)以及150mm(6英寸)。其中,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%,预计2020年将占硅片市场需求超过84%的份额,是硅片市场的首要产品。


全球硅片市场高度集中。目前硅片的供应商主要有日本的信越化学和盛高、台湾的环球晶、德国的Siltronic以及韩国的SK Siltron,这五大供应商通过产业整合和并购已经占据了全球94%的市场份额(图7)。

 

图7 全球主要硅片供应商市场份额


相比之下,我国硅片生产商分布零散,主要硅片产品集中在6-8英寸,12英寸硅片的研发和生产处于起步阶段。当前,有研半导体、金瑞泓、天津中环、洛阳麦克斯、合晶/晶盟、中环环欧等公司能够批量供应6英寸硅片,满足国内小尺寸硅片市场的需求。随着我国集成电路正积极迈向8英寸与12英寸制造,各地多项大硅片项目正在启动中。2017年以来,我国陆续已有近20个硅片项目公布规划,部分项目已开工建设,少数项目实现量产。


在8英寸硅片方面,未来我国新增硅片设计产能将超过350万片/月(表1),并且产能正在加速释放中。其中浙江金瑞泓建成了8英寸硅片的生产线,具备月产12万片能力;有研半导体8英寸硅片产能提升至每月10万片,达到0.13μm技术要求,并获得海外知名厂商的正片订单;中环股份建成了从区熔设备制造、单晶制备、硅片加工的完整产业链,具备月产5万片8英寸IGBT器件用抛光片生产能力;上海新傲、河北普兴、南京国盛等具备8英寸外延片批量生产能力。


绝缘体上硅(SOI)作为硅衬底的一个重要分支,在高温、强辐射等特殊应用以及高频、低功耗等差等异化应用中优势明显。在商用8英寸SOI衬底方面,上海新傲拥有一系列自主知识产权的8英寸SOI产品,供货给全球一流芯片制造厂,应用于航空航天、射频通信等领域,相关产品持续上量中;沈阳硅基也有一定的SOI衬底制造能力,产品主要应用于射频及MEMS传感器等。


表1 国内8英寸硅片主要供应商及投产计划


在12英寸硅片方面,未来我国新增硅片设计产能将接近500万片/月(表2),但目前仅有上海新昇和有研半导体两家公司能够少量生产12英寸硅片,其中上海新昇已研发出适用于45~28nm工艺节点的12英寸硅片,实现产能10万片/月,完成产品认证数十个;有研半导体建有一条适用于90nm节点的12英寸硅片生产中试线,月产能1万片;除此之外,其他大硅片项目仍处于规划建厂或产品研发的早期阶段。


分析可知,我国8英寸硅片已经开始进入放量阶段,预计2年内将对全球8英寸硅片供应端产能影响。相较于8英寸国产硅片的量产进度,12英寸国产硅片远未进入产能释放阶段,与庞大的需求相比供应量远远不足。初步估计,到2020年我国大陆芯片制造能力有望达到全球的30%,届时我国大陆12英寸硅片产能与芯片代工产能严重失配。


除了供需缺口之外,我国12英寸硅片产品的质量也有待提升。国内现有硅片产品仅能支持28nm节点及以上工艺,无法满足14nm以下更先进制造工艺的需求,较世界先进水平尚存在至少2代差距。另外,由于研发技术难度大以及国外的技术封锁,我国尚不具备12英寸SOI衬底的生产能力。因此,短期内我国12英寸硅衬底严重依赖进口的状况不会改变。此外,我国尚无一家公司能够批量供应射频微波用大尺寸高阻硅(HR-Si)衬底。


表2 国内12英寸硅片主要供应商及投产计划


表3 国内电子级多晶硅主要供应商及投产计划


2、GaAs衬底


半绝缘高阻GaAs(ρ>107Ω-cm)抛光片和外延片衬底具备高功率和高线性度的特性,在射频应用领域占有一定的市场份额。目前4-6英寸GaAs衬底市场主要掌握在美日欧厂商手中。在GaAs抛光片供应方面,日本住友电工、德国弗莱贝格化合物材料、AXT三家公司占据约95%市场份额


GaAs外延片市场经历了多次整合,如今产生了英国IQE、台湾全新光电(VPEC)、日本住友化学、美国英特磊四大领导厂商,销售的6英寸半绝缘GaAs产品的电阻率从107Ω-cm覆盖到108Ω-cm,具有较高的晶体轴向和径向电阻率均匀性,抛光片的加工几何参数如翘曲等很小,抛光片表面质量状态优良。


目前国内的GaAs衬底产品以LED用低阻GaAs抛光片为主,射频用半绝缘衬底由于研究基础较薄弱还未形成产业规模,高质量4-6英寸半绝缘体GaAs基本依赖进口。我国从事GaAs单晶研发与小规模生产的公司主要有:大庆佳昌、中科晶电、云南鑫耀、廊坊国瑞、天津晶明、新乡神州、扬州中显、中科嫁英、海威华芯、有研新材等公司,其中中科晶电和天津晶明具备4英寸GaAs衬底的生产能力,正在研发6英寸半绝缘抛光片;新乡神舟近期开始进行VGF法生长半绝缘GaAs单晶工艺研究,目前市场定位还不是很明确,主要以承担军工科研任务为主。


整体上,我国GaAs材料产业发展迅速,但由于加工经验和设备的限制,生产的产品性能指标与国外领先水平还有一定的差距(表4),表现在:单晶位错密度高,电阻率均一性差,批次间重复性低等。我国射频芯片厂用低位错密度的高质量大尺寸GaAs衬底需要进口


表4 国内某公司半绝缘GaAs与国际先进水平的对比


3、InP衬底


InP衬底是数据通信收发器不可或缺的材料。Yole预测,5G技术的深入发展将带动InP抛光片和外延片市场由2018年的7700万美元,增长到2024年的1.72亿美元,复合年增长率达14%。目前InP衬底的主流尺寸是2-6英寸,且市场集中度较高,超过80%的衬底市场份额由日本住友电工和美国AXT两家公司占有。


由于InP晶体生长设备和技术门槛极高,国内只有少数厂家和科研单位可以制造InP单晶生长设备和生长InP衬底。中国电科13所最早设计了国产InP高压单晶炉并制备了我国第一根InP单晶,其余的生产企业还包括鼎泰芯源、北京世纪金光、云南锗业、广东天鼎思科新材料、广东先导半导体材料、深圳泛美、南京金美镓业等。其中珠海鼎泰芯源通过与中科院半导体所的团队进行联合攻关,已掌握了2-6英寸衬底的生产技术,产品产能为10万片/年(折合2英寸)。


比较来看,我国InP材料行业虽然在材料合成、晶体生长、材料热处理和材料特性等方面取得进步,也掌握了2-6英寸衬底片的技术,但国内企业产能规模仍然较小,大尺寸InP生产能力不足,市场主要掌握在外资企业中。


4、GaN衬底


由于GaN体单晶的生长需要高温、高压等极端的物理条件,因此不能用传统晶体生长方法直接合成,很长时间里,GaN单晶薄膜都是在异质基底上外延得到的。起先,蓝宝石是最常用的GaN异质外延基底,但是由于其晶格常数和热膨胀系数与GaN 有显著的差别,得到的外延衬底片仅适用于制备低端LED器件。SiC具有晶格失配小、导热性能好等特点(表5),非常适合高质量GaN外延材料的生长,是制作高频、大功率GaN HEMT器件的主要基底材料。


相较于SiC基GaN材料,Si基GaN衬底材料在低成本和大尺寸制备方面颇具优势,同时可与Si工艺兼容从而实现大规模量产。因此,在低成本、高产能需求的通信领域和消费类电子领域,Si基GaN材料是近年来商业化最快的GaN外延片。随着市场对高功率、高频器件需求的增大以及HVPE生长技术的不断成熟,越来越多的GaN基器件也开始采用先进的GaN同质外延材料,但GaN体单晶的成本一直居高不下


此外,晶圆键合是用于制备GaN异质衬底的另一种新兴技术。目前GaN-on-Si和GaN-on-SiC材料能够满足集成电路应用需求,而其他衬底预计在2020年涉足射频和功率应用领域(图8)。


表5 不同基底上GaN单晶材料的特性


目前GaN体单晶市场重度集中。住友电工、日立电线、古河机械金属和三菱化学等日本公司已可以批量出售2-3英寸GaN体单晶材料,占据了超过85%的全球市场,并具备4英寸体单晶的小批量供应能力。其它厂商仍处于小规模量产或研发阶段,代表性公司有Aixtron、Kyma、牛津仪器等。


在外延片方面,美国科锐、雷声、道康宁,英国IQE,日本罗姆以及比利时的EpiGan(近期被Soitec收购)等多家公司可以供应3-4英寸GaN-on-SiC外延片,部分公司开始量产6英寸外延片。4-8英寸GaN-on-Si衬底也已经实现商用化,知名供应商包括日本的NTT-AT、比利时的EpiGan等,美国IR、英国IQE、日本Dowa、德国Azzurro、法国ST等公司也正在开发8英寸GaN-on-Si外延技术。


另外,法国Soitec在GaN键合片研发方面独树一帜,基于智能剥离技术开发的6英寸GaN-on-Si键合片已进入试生产阶段

 

图8 GaN材料发展趋势


与此同时,我国GaN材料制备技术也不断取得突破。GaN体单晶材料方面,苏州纳维、东莞中镓以及厦门中芯晶研具备2-4英寸产品批量化生产能力,并积极向6英寸拓展。在GaN外延片方面,我国遍地开花,竞相重点布局GaN-on-Si外延片制造,其中长三角地区聚集了众多技术领先的GaN外延片生产商,研发能力全国最强,产业链最完备(表6)。整体上,我国已经具备了一定的GaN材料研发和产业化能力,但产品的质量和产能仍需不断加强


表6 国内GaN外延片生产厂商、产品规格及产能


5、SiC衬底


SiC衬底在电力电子和微波射频领域具有广阔的应用前景,因此成为半导体技术研究前沿和产业竞争焦点,目前已基本形成了美国、欧洲、日本三足鼎立的局面。国际上实现SiC单晶和外延片商业化的公司主要有美国的科锐、Bandgap、Dow Dcorning、II-VI、Instrinsic,日本的Rohm、NSC、Nippon、Sixon、Bridegestone、昭和电工、Denso,芬兰Okmetic,德国Sicrystal、英飞凌,比利时EpiGaN等。其中,科锐是全球最大的SiC单晶供应商,占全球市场的85%以上,Sicrystal公司是欧洲地区的主要供应商。从产品来看,国际主流SiC衬底材料产品已经向6英寸过渡,8英寸衬底样品已经面市


我国SiC生产企业的技术研发能力处于与世界先进水平并行的地位,国内开始批量生产4英寸导电和半绝缘衬底,并开发出6英寸样品(表7),但产品批量生产能力较弱,产品的微管缺陷密度与位错缺陷密度等关键技术指标与国际水平存在一定差距,主要以国内市场为主


表7 国内SiC衬底生产厂商、产品规格及产能


6、其他衬底材料


以5G芯片及其集成技术为代表的新兴差异化应用的发展需要多种核心衬底材料的支撑。除了硅片、化合物半导体以外,SiGe、硅基压电材料(POI、AlN及其化合物等)也是5G所需的核心关键材料。我国在这些高质量特殊衬底材料制备方面基础薄弱,相关产品尚处于实验室或中试阶段


三、光刻胶和掩膜版发展情况


1、光刻胶 


光刻胶是微细图形加工关键材料之一,由成膜树脂、感光组分、微量添加剂(染料、增粘剂等)和溶剂等成分组成的对光敏感的混合液体,具有纯度高、生产工艺复杂、生产及检测等设备投资大、技术积累期长等特征,属于资本技术双密集型产业。


目前,全球芯片工艺水平已跨入微纳米级别,光刻胶的波长由紫外宽谱(300-450nm)逐步至G线(436nm)、I线(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm),以及最先进的EUV(<13.5nm)水平(表8)。从全球光刻胶分类市场份额占比来看,高端光刻胶占据最大的市场份额,其中G/I线光刻胶占比为24%,KrF光刻胶占比为22%,ArF光刻胶占比为41%


表8 光刻胶种类、应用领域及特性


全球光刻胶市场基本被日本JSR、东京应化、住友化学、信越化学,美国罗门哈斯等几家大型企业所垄断,市场集中度非常高。国内芯片制造厂向28nm以下更小节点不断发展,先进工艺对高端光刻胶的需求不断增大。但高端光刻胶因技术受卡,始终依赖进口,国产化率低(表9)。根据中国产业信息网的数据,适用于6英寸硅片的G/I线光刻胶的自给率分别约为60%和20%,适用于8英寸硅片的KrF光刻胶的自给率仅有1%,而适用于12寸硅片的ArF光刻胶完全依靠进口


表9 光刻胶企业材料量产和研发情况


目前我国有北京科华、苏州瑞红、潍坊星泰克、上海飞凯光电材料、容大感光、广信材料、东方材料、永太科技等超过10家光刻胶企业,但产品能够批量进入集成电路的只有三家,分别是北京科华(南大光电持股31.39%)、苏州瑞红(晶瑞股份100%控股)和潍坊星泰克。


北京科华主要产品为紫外负性光刻胶及配套试剂,lift-off负胶,紫外正性光刻胶(G线、I线)及配套试剂,248nm光刻胶。北京科华的I线光刻胶已全面进入国内主要的6英寸及以下芯片厂,并在部分8英寸芯片厂实现小批量应用。同时,北京科华进一步研发ArF光刻胶,2017年研发生产的ArF干法光刻胶中试产品已完成在国内一流芯片制造厂的测试;苏州瑞红主要产品为紫外负性光刻胶及配套试剂、G线光刻胶及配套试剂等。苏州瑞红承担的国家02专项项目I线光刻胶产业化技术开发项目正在进展当中;潍坊星泰克主要产品包括G线光刻胶、Lift-off负胶。 


从国内市场来看,目前主流的四种中高端光刻胶中,G/I线光刻胶已经实现量产;KrF光刻胶正逐步通过芯片厂认证并开始小批量生产;ArF光刻胶乐观预计在2020年能有效突破并完成认证;最新的EUV和电子束光刻胶方面,现在国内还不具备条件也没有这方面研发能力,量产更是遥遥无期。


另外,我国光刻胶的发展面临高纯光刻胶原材料的国产化问题。除了强力新材、河南翰亚微电子江苏天音化工等少数企业能够少量供应部分光刻胶原材料以外,高端光刻胶所需的树脂主体材料、光敏剂、抗反射涂层(ARC)等基本依赖进口。


2、掩膜版 


掩膜版(表10)在集成电路行业中的作用就像照相行业中的胶卷底片,行业地位特殊,其质量很大程度上决定了集成电路最终产品的质量。对于芯片制造,掩膜版的设计和制造需要与集成电路工艺紧密衔接,因此,芯片制造厂一般都有配套的专业掩膜版工厂,先进的掩膜版技术也因此掌握在先进芯片制造厂商手中。


目前,英特尔、三星、台积电、Globalfoundries等全球最先进的芯片制造厂所用的掩膜版大部分由自己的专业工厂生产,外购量较少。据统计,芯片大厂附属掩膜版厂的掩膜版收入占整体掩膜版市场收入的六成。对于非先进制程,特别是一些60nm及90nm以上制程产品,掩膜版外包的趋势非常明显,独立掩膜版制造厂的市场比较高。目前全球独立的掩膜版厂商包括美国Photronic、日本DNP 、日本Toppan、台湾光罩以及SK-Electronics等,前三家公司占据80%以上的市场份额。


我国掩膜版生产公司以外资为主,美国Photronics和日本Toppan都在上海建有大规模生产基地,占据了我国高档光掩膜版市场。我国本土的掩膜版厂主营生产低端产品,按经营模式可分为3类:第一类是科研院所,包括中科院微电子中心,中国电科13所、24所、47所、55所等;第二类是独立的掩膜版制造厂商,主要有无锡迪思微电子和无锡中微,技术水平分别为0.8μm-0.13μm和0.25μm;第三类是芯片厂配套的掩膜厂,以中芯国际掩膜厂为代表,技术水平为0.25μm-0.18μm。整体而言,国内企业掩膜版加工能力有限,高端掩膜版技术与国外先进水平差距较大。


表10 常用掩膜版类型及特性


掩膜版的主要原材料为掩膜基板、掩膜保护膜(Pellicle透明保护膜等)等。基板通常是高纯度、低反射率、低热膨胀系数的石英玻璃,其成本占到掩膜版原材料采购成本的90%左右,是制造掩膜版的核心材料。我国尚不具备生产高档高纯石英掩膜基板的生产能力。掩膜保护膜可以增加芯片生产的良率并且减少掩膜版清洁次数和磨损,是降低光刻工艺成本的关键材料,该种保护膜生产技术被美国、日本垄断。我国迄今仅有芯恩报道了在掩膜基板和掩膜保护膜相关领域的探索性布局。


四、工艺化学品和电子气体发展情况


1、工艺化学品 


高纯工艺化学品主要包括无机酸类、无机碱类、有机溶剂类等通用化学品以及配方型化学品(表11),通常用于芯片生产中的清洗、光刻、刻蚀、显影、互联等工艺,是集成电路制造用关键材料。


表11 通用和配方型工艺化学品类别


集成电路行业对高纯化学试剂的微量金属杂志含量、颗粒粒径和数量、阴离子杂志含量等方面有严格要求。根据SEMI标准,应用于集成电路领域的高纯化学品集中在SEMI G3、G4水平,且集成电路线宽越窄,所需的高纯化学试剂的标准越高,纯度和洁净度的要求也就越高(表12)。常用的高纯化学试剂已经超过30种,多用于清洗、刻蚀等工艺。


表12 高纯化学试剂SEMI国际标准等级


配方型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,主要包括清洗腐蚀试剂和光刻胶配套试剂等。清洗腐蚀试剂主要用于集成电路制造过程中的湿法清洗和刻蚀工艺。清洗腐蚀试剂的主要特点是技术含量高、工艺配套性强。


同时,由于集成电路制造工艺的不同或技术节点的不同,对其质量和性能的要求也不尽相同,表13列出了集成电路制造工艺中常用的清洗腐蚀试剂。光刻胶配套试剂是指在集成电路制造中与光刻胶配套使用的试剂,主要包括有机溶剂、稀释剂、显影液、漂洗液、剥离液、去边液等(表14)。大部分光刻胶配套试剂的组分是有机溶剂和微量添加剂,溶剂和添加剂都是具有低金属离子及颗粒含量的高纯试剂。


由于多数配方型化学品是混合物,它的理化指标很难通过普通仪器定量检测,只能通过应用手段来评价其有效性,因此产品应用测试周期较长。


表13 常用的清洗刻蚀试剂


表14 光刻胶配套试剂及用途


全球工艺化学品主要生产企业有德国巴斯夫,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,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


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,技术水平主要集中在G2级(国产化率80%)以下,8英寸(G3)及12英寸(G4)需求的高纯化学品基本靠进品,国产化率约为10%,仅有少数部分技术领先企业的部分产品达到了国际SEMI G4标准。


国内生产工艺化学品的企业主要有晶瑞股份、江阴江化微、江阴润玛电子、江阴化学试剂、苏州晶瑞化学、浙江凯圣(巨化股份)、上海新阳、湖北兴发、达诺尔等(表15)。


其中晶瑞股份的超纯氢氟酸、盐酸、硝酸和氨水纯度等级已达到SEMI G3、G4等级,双氧水产品品质达到10ppt(相当于SEMI G5等级),目前已在华虹宏力进行上线评估;江化微硝酸、氢氟酸、氨水等细分产品都达到了G4、G5的行业水平,G3等级的硫酸、过氧化氢、异丙醇、低张力二氧化硅蚀刻液、钛蚀刻液进入国内6英寸晶圆、8英寸先进封装凸块芯片生产线,部分光刻胶配套试剂产品进入中芯国际、士兰微等供应链;浙江凯盛生产的电子级硝酸进入国内12英寸芯片工艺制程供应链;上海新阳已成为先进封装和传统封装行业所需电镀与清洗化学品的主流供应商,其超纯电镀硫酸铜电镀液已成功进入中芯国际、海力士的28nm大马士革工艺制程,成为Baseline产品,进入工业化量产阶段。


表15 国内工艺化学品企业及代表产品


2、电子气体 


在集成电路制造业中,气体的使用非常广泛,约占全部生产材料的三分之一。气体的纯度和洁净度直接影响到电子元器件的质量、集成度、特定技术指标和成品率,并从根本上制约着电路和器件的精确性和准确性。


目前,大部分高纯气体的纯度达到99.99%(4N)以上,部分气体纯度应达到5N以上。在集成电路工业中应用的有110余种气体,其中常用的有超过30种,按其本身化学成分可分为硅系、砷系、磷系、硼系、金属氢化物、卤化物和金属烃化物七类,按在集成电路中不同应用途径可分为掺杂气体、外延气体、掺杂气体、刻蚀用气体、化学气相沉积气和载气等(表16)。


表16 集成电路中常用的气体(绿色字体代表已实现国产化)


电子气体从生产到分离提纯以及运输供应阶段都存在较高的技术壁垒,市场准入条件高,全球市场主要被几家跨国巨头垄断。包括美国空气化工、普莱克斯、德国林德集团、法国液化空气、日本大阳日酸株式会社等公司占据了全球电子气体90%以上的市场份额。国内电子气体企业的生产技术与国外存在较大差距,电子气体市场仍被外企主导。截止2016年年底,美国化工、普莱克斯、日本昭和电工、英国BOC公司、法国液化公司、日本酸素等六家公司合计占据了我国电子气体85%的市场份额,国内企业主要集中在中低端市场。


国内从事高纯电子气体生产的主要企业有中船重工七18所、中昊光明化工研究设计院、苏州金宏气体、大连保税区科利德化工科技、佛山市华特气体、江苏南大光电、黎明化工研究设计院、绿菱电子材料(天津)、广东华特气体、北京华宇同方化工科技、杭州同益气体研究所、湖北晶星科技、江苏雅克科技、南京亚格泰新能源材料、上海正帆科技等十几家企业。其中中船重工的NF3、WF6进入国内主流12英寸芯片制造厂商生产线,雅克科技产品中CF4进入台积电12英寸28nm晶圆加工生产线,南大光电所售高纯磷烷、砷烷产品以及三甲基镓、三甲基铟、三乙基镓、三甲基铝等MO源产品纯度达到6N级别。


虽然我国电子气体已经摆脱完全依赖进口的状态,国内企业已经基本具备了生产部分高纯电子气体的能力,但是由于本土电子气体的生产和供应商规模较小,产品质量稳定性差,国内电子产品的包装、储运未能和现代电子工业的要求接轨等原因,导致目前大部分电子气体还不能全面进入集成电路领域(表16)。


五、抛光材料和靶材发展情况


1、抛光材料 


CMP抛光材料是集成电路制造中的关键耗材,主要包括抛光液、抛光垫和修整盘等,其中抛光垫与抛光液占80%以上。随着集成电路工艺技术节点尺寸的不断缩小,互联层数的不断增加和新材料新工艺的应用,CMP在芯片工艺制程中的使用次数和重要性不断增加(图9),所抛光的材料有多种金属(包括Co、Al、W、Cu、Ta等)和非金属(包括SiO2、Si3N4、衬底材料等),技术节点降低同时对CMP提出了更高的要求,在抛光缺陷、表面污染物的尺寸和数量、抛光性能的稳定性、抛光工艺可控性、抛光均一性、电性能和可靠性等方面提出了更为苛刻的要求。


抛光液是决定CMP工艺性能最终良率最为关键的材料,约占整个CMP材料市场的49%。抛光液主要由纳米级的研磨颗粒、不同化学剂和去离子水组成。针对具体工艺和被抛光材料的要求,不同种类的研磨颗粒(如二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铈等)和多种化学试剂(如金属络合剂、表面抑制剂、氧化还原剂、分散剂以及其他助剂等)被使用在CMP抛光液的配方中。


根据其应用,抛光液可以使用在集成电路芯片制造前/后道的各个工序中,如FinFET栅极、浅沟道隔离、钨栓塞、铜互联等。另外,抛光液还应用在先进封装中的硅通孔工艺中,所需要的抛光液也因工艺和材料要求的不同而不同。集成电路用抛光液市场主要被美日欧企业垄断,主要企业有美国的 Cabot、Nalco、Rodel、DuPont、Grace,荷兰的Akzol Nobel,德国的Bayer和Wacker,日本的 Fujimi、Fujifilm、Nissan Chemical、Fuso等,占据全球90%以上的市场份额。

 

图9 不同技术节点CMP工艺处理的材料


国内从事CMP抛光液研发与生产的企业有安集微电子、上海新安纳电子、北京国瑞升科技等。其中安集微生产的铜/铜阻挡层抛光液、二氧化硅抛光液、TSV抛光液、硅抛光液、铜抛光后清洗液等产品已成功进入国内外8英寸和12英寸客户芯片生产线使用,铜/铜阻挡层抛光液产品已经进入国内外领先技术节点,产品涵盖130nm~28nm技术节点;上海新安纳电子级二氧化硅纳米磨料成功应用于集成电路抛光液,是目前国内唯一的供应商,研发出的硅片粗抛抛光液获得中国新材料首批次应用的支持,成功应用在8英寸和12英寸硅片抛光上。另外,上海新安纳在存储器抛光液等产品开发方面取得较好进展。


虽然我国在抛光液领域取得了点的突破,但是整体上我国抛光液的国产化率约为5%,主要为铜及其阻挡层抛光液、TSV抛光液和硅的粗抛液,其它的CMP工艺抛光液(硅片精抛液、化合物半导体抛光液,14nm以下FinFET工艺抛光液,钴、铷等新金属互联材料的抛光,STI抛光液等)及其抛光磨料还是依赖进口。


CPM工艺中的另一个重要工艺耗材为抛光垫,约占整个CMP材料市场的33%。抛光垫的主要功能是提供机械摩擦和承载抛光液,是影响CMP抛光工艺参数(如抛光速率、均匀度、平整度、缺陷率)的关键因素之一。抛光垫主要以聚亚氨脂为原材料,通过特殊的发泡和成型工艺制作而成。根据不同CMP工艺的需求,需要对抛光垫的材料配方和工艺进行调整,从而获得不同的抛光垫硬度、发泡尺寸、可伸缩性以及表面沟槽的图形和深度。


目前,国际上抛光垫市场由陶氏化学一家独大,占整个市场份额的80%,嘉柏微电子次之,约占10%的市场份额。CMP修整盘也是CMP工艺材料中的关键组成部分,其作用是将金刚石颗粒镶嵌在金属胎体上,在抛光过程中对抛光垫进行修正,以保证抛光工艺的稳定性和重复性。美国的3M、韩国的Saesol、我国台湾的中砂等公司都占有一定的CMP修整盘市场份额。


国内方面,近年来成长起来的成都时代立夫在CMP抛光垫产品开发方面取得较好进展,部分产品在8英寸和12英寸CMP工艺中正在进行应用评估;湖北鼎龙控股开发的铜抛光垫、氧化物抛光垫和钨抛光垫也开始认证;此外,宁波江丰电子和苏州观胜半导体也开始上马新型局抛光垫项目。深圳嵩洋微电子正在开发金刚石修整盘;宁波江丰电子的金刚石修整盘和保持环已进入评价验证阶段。就抛光垫修整盘整体而言,我国本土企业仍处于尝试突破阶段,高端产品依然空白


2、靶材 


高纯溅射靶材(包括蒸发材料)作为集成电路芯片制造过程中重要的配套材料之一,主要用于金属化工艺中互连线、阻挡层、通孔、背面金属化层等薄膜的制备。使用的靶材原材料主要有超高纯铝及其合金、铜、钛、钽、钨、钨钛合金以及镍及合金、钴、金、银、铂及合金等(表17)。


全球靶材制造行业呈现寡头垄断格局,少数日美化工与制造集团主导了全球靶材制造行业,其中霍尼韦尔、日矿金属、东曹、普莱克斯、住友化学、爱发科等跨国集团占据主导地位。 


在国内,靶材是集成电路材料领域最先打破国外垄断的产品。目前我国靶材行业已经初具规模,随着国内靶材企业的不断技术创新,出现了具备和日美跨国集团竞争的本土靶材企业。


国内靶材行业龙头包括宁波江丰电子、有研新材子公司有研亿金新材等。在逻辑芯片用靶材方面,国内最大的靶材生产商江丰电子生产的8-12英寸铝、钛、铜、钽靶材已批量进入国际主流芯片厂,公司产品70%以上销往以台积电等为代表的280多家海外芯片制造工厂,并在国际领先的7nm技术得到量产应用;在封装用靶材方面,有研亿金新材8英寸靶材也开始进入市场,公司正在建设12英寸系列靶材生线,在稀贵金属靶材研究与生产方面具备优势。


表17 常用靶材类别及其纯度和用途


整体上,我国高纯靶材生产技术已跻身国际第一梯队,以江丰电子为代表的国内靶材厂商目前掌握了钛靶、铝靶、铜靶等靶材从提纯到最终靶材成型的整套工艺,但7nm先进工艺用高端钴靶以及存储芯片用钨靶始终被韩国、美国等跨国公司垄断,国内供应商还在需求突破。


六、封装材料发展情况


封装材料主要包括封装基板、引线框架、键合丝、塑封料、黏结材料、底部填充料、液体密封剂、贴片材料、焊球、晶圆级封装电介质等。根据SEMI数据,2017年全球封装材料市场为191亿美金,其中封装基板、引线框架、键合丝、塑封料四大主要材料的占比分别为32.46%、16.75%、16.23%和6.81%(图10)。以下对这四类材料作重点分析。

 

图10 2017年全球封装材料市场


1、封装基板


封装基板作为芯片与外界电路连接的接口,主要起承载保护芯片与连接上层芯片和下层电路板作用(表18),已经成为封装材料细分领域销售占比最大的原材料,占封装材料比重超过50%。从材料上分类,封装基板可以分为有机基板、陶瓷基板、金属基板以及应用于三维集成的硅/玻璃基板等。其中有机基板由于具有节点常熟低、质量密度低、加工工艺简单、生产效率高和成本低等优点,是目前封装基板的主流产品。根据统计,有机封装基板的产值约占整个集成电路封装基板总产值的80%以上,其中又以刚性基板为主。


全球封装基板的主要生产厂商集中在我国台湾、韩国和日本三地,其市场占有率在90%以上。国内封装基板生产企业虽然仍与先进水平存在差距,但已经具备了基板加工工艺能力,并正在向领先技术靠近。目前国内主流基板厂有深南电路、珠海越亚、兴森科技和丹邦科技等。


从产品结构上看,深南电路和兴森科技均是在拥有较大规模的PCB业务的基础上开始发展封装基板业务,而珠海越亚和丹邦科技则是专注于发展的刚性有机无芯封装基板和COF柔性封装基板等高端基板业务。经过不断研发和技术积累,我国封装基板企业成功实现部分封装基板自产。其中深南电路在 FC、BGA、CSP 等高端基板领域已比较成熟,MEMS统封装基板全球占市率超过30%;珠海越亚的射频芯片封装基板全球市场容量达25%,细分领域处于世界领先水平


同时,珠海越亚生产的无芯封装基板已经成功通安华高科等行业巨头的认证并已向其供货多年;此外,丹邦科技目前已成为全球极少数掌握COF基板关键原材料FCCL自产技术的基板厂商,并且正积极研发原材料PI膜


表18 主要封装基板材料及用途


现阶段,国内基板企业不断积极开发新工艺、新技术,努力缩小于国外厂商的差距,但国内基板企业从技术、成本等等方面均缺乏竞争优势,部分高端封装基板先进工艺技术完全被日韩等企业垄断的局面仍然存在,而且原材料也受制于海外企业。


2、引线框架


引线框架作为集成电路的芯片载体,是一种借助于键合材料(金丝、铝丝、铜丝)实现芯片内部电路引出端与外引线的电气连接,形成电气回路的关键结构件,它起到了和外部导线连接的桥梁作用。理想的引线框架材料必须满足以下特性:导热、导电性能好;有足够的强度、刚度和成型性;较低的热膨胀系数、良好的匹配性、钎焊性、耐腐蚀性、耐热性和耐氧化性;平整度好,残余应力小,加工后不成形;易冲裁加工。常用的引线框架材料有两类,即铜基引线框架材料和铁基引线框架材料(表19)。


表19 常用引线框架材料类别及其特性和用途


目前国际引线框架的供货大格局没有大的变化,仍是日韩及台湾企业为主(表20)。外资企业一直占据着国内引线框架的中高端市场,其份额约占3/5左右,全球排名前10位的引线框架企业基本都在国内设有工厂。近年来以宁波康强电子(全球排名第七)为代表的国内本土引线框架企业成长较快,表21是目前主要的内资引线框架企业情况。内资引线框架企业中目前宁波康强一家独大,与其他引线框架企业差距拉大,这从另一方面说明了中国大陆本土引线框架企业较分散,与外资企业的差距还相当大,发展后劲也略显不足。


另外,目前国内引线框架企业的发展跟不上国内封装行业的发展,没有形成像封装企业那样的产业集群格局。因此,国内引线框架企业对我国集成电路行业的支撑作用还需要进一步加强。


表20 2017年全球引线框架供应商市场份额(按销售额计)

表21 主要内资引线框架企业


3、键合丝


键合丝是半导体器件和集成电路组装四大必须基础材料之一,作为芯片与引线框架之间内引线,实现稳定、可靠的电连接,广泛应用于集成电路、分立器件、光电器件和功率器件的封装。虽然现在有不用键合丝的键合方法(比如倒装焊),但目前90%的集成电路产品是以键合丝来封装


从基础材料划分,目前市场上使用比较普及的键合丝产品主要有4大类型:键合金丝、键合铜丝、键合银丝、键合铝丝。目前,键合丝中铝丝、铜丝主要应用于中低端产品,贵金属丝主要用于高端集成电路产品,尤其金丝以其优异的性质一直占据着键合丝市场的绝大部分份额。从合金成分及复合结构细分见表22。


表22 键合丝分类及用途


目前日本、德国、韩国等是全球键合丝主要生产国,主要生产企业包括日本田中贵金属、日本新日铁、德国贺利氏、韩国MKE、韩国Heesung及台湾乐金、台湾钰成金属等。其中,日本田中贵金属株式会社、德国贺利氏控股集团属于国际上较早从事键合丝生产的大型企业,在全球键合丝行业中仍具有较强影响力。


国内键合丝生产企业有20几家,主要有贺利氏(招远)贵金属材料、贺利氏招远(常熟)电子材料、田中电子(杭州)、烟台一诺电子材料、招金励福贵金属、北京达博有色金属焊料、铭凯益电子(昆山)、佳博电子科技、宁波康强电子、山东科大鼎新电子科技、四川维纳尔等。


国内具有一定影响力的键合丝生产企业主要为国际知名键合丝制造商贺利氏、田中等在国内的独资或合资企业,占据高端金丝和铜丝产品市场;本土企业达博、只能在低端领域进行激烈竞争,尽管近几年部分内资企业发展很快,已具有与国际键合丝巨头竞争的能力,部分键合丝生产企业已经达到国际同等领先水平,但国内制造企业对新技术的掌握以及产品设计和制造质量的控制手段以及新产品导入的流程控制等方面与国外存在一定的差距。


4、塑封材料、金属封装材料、陶瓷封装材料


按照封装材料种类的不同,电子器件封装可以分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装三种(表23)。(环氧)塑封具有成本低、尺寸小、质量小、可批量生产等优点,目前95%以上的集成电路都采用塑料封装,而在塑料封装中,97%以上都是利用环氧塑封料(EMC)进行的


表23 封装材料种类及特性


国外塑封料生产厂家主要集中在日本、韩国、台湾等,主要有日本住友电木、日本日立化成、日本京瓷化学、日本信越化学、日本松下电工、韩国三星Cheil、台湾长春等厂家,其中日本企业技术领先,产量最大。国内塑封料生产商有20几家,主要包括长春塑封(常熟)、衡所华威、江苏中鹏、江苏华海诚科、昆山长兴、北京科化等。


日本企业的塑封料产品,依靠其产品在操作性和可靠性上的技术优势在SOP、QFP\BGA等中高端市场占有较大份额。韩国和中国的企业以其成本优势占据分立器件DO、TO、SOD、SOT、DIP、SOP、QFP等中低端市场。国内塑封产品多在中低端市场领域,高端市场被日本厂商垄断,国内塑封产品仅占30%国内市场份额,部分中端产品进口依存度高达80%以上,高端产品基本上全部依赖进口(表24)。


表24 国内环氧塑封料应用情况


国内从事金属外壳研发和生产的单位主要有合肥圣达电子、中国电科44所、中国电科55所、青岛凯瑞电子、宜兴吉泰电子、浙江长兴电子、诸城电子封装厂、无锡惠波电子器材二厂、蚌埠兴创电子科技、武汉钧菱电子等,主要产品是分立器件、集成电路、光电器件、各类传感器等使用的金属陶瓷外壳及微波外壳。


国外陶瓷封装日本居首位,日本占据了美国陶瓷封装市场的90%~95%,占美国国防陶瓷封装市场的95%~98%。日本的NTK陶瓷、SMI和KyoceraInternational等三家陶瓷封装公司几乎垄断了美国电子武器装备用陶瓷封装集成电路和分立器件市场。


我国集成电路用陶瓷外壳生产厂目前主要有中国电科13所、江苏宜兴电子器件总厂、福建闽航电子器件、中国电科55所、浙江长兴电子、潮州三环、南平三金电子等,其中前三家均有从国外引进的生产线,采用流延技术可生产方形扁平陶瓷封装(CQFP)、无引线陶瓷芯片封装(CLCC)、插脚阵列式陶瓷封装(CPGA)等产品。


在国内金属陶瓷管壳及封装工艺技术快速发展的同时,也应该看到与国际先进技术水平存在的差距。特别是内陶瓷管壳的一致性和成品率需要进一步提高,大引脚高密度陶瓷和Ka波段以上频率器件外壳的研制还是空白,多信号系统的外壳距离产业化还存在较大的差距,国产外壳还无法实现千瓦级微波大功率器件的封装。尤其在高可靠圆片级工艺、硅通孔3D封装工艺平台等方面,3D/SiP封装的设计、工艺、可靠性以及产品研发还需要进一步提升。


备注:本报告部分内容主要参考了《集成电路产业全书》、2017版《中国半导体支撑业发展状况报告》、2018版《中国半导体封装测试产业调研报告》等权威资料以及网络公开资料,部分数据未区分集成电路和半导体。


本文为SIMIT战略研究室原创,作者朱雷、王轶滢、戴梅,芯师爷授权转发,感谢分享!


  End —— 


About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: TI培训

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2018 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved