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从十四个核心材料看懂芯片制造:“国产替代”将成必然

2020-01-14 龚诚 唐泓翼 欧阳仕华 阅读:
从十四个核心材料看懂芯片制造:“国产替代”将成必然
目前全球半导体制造业正处于向大陆地区转移的历史大变革当中,国内半导体材料产业面临巨大的历史机遇 。 目前我国半导体材料的国产化率仅约 20 未来国内半导体材料市 场需求随晶圆制造产能的持续扩张仍有较大的规模增长。

2018 年全球半导体产业规模达 4373 亿美元,其中半导体材料规模达 519亿美元,大陆地区半导体产业规模达 1220 亿美元,其中半导体材料规模达 844 亿元 。 大陆地区半导体产业占全球总量的 28%,半导体材料占全球总量的 16% 。欧美、日韩和台湾等地区的半导体产业发展较早,全球半导体材料仍主要由海外企业所主导 ,国内企业目前还处于起步阶段参与产业链的程度普遍较低 。nWdednc

目前全球半导体制造业正处于向大陆地区转移的历史大变革当中,国内半导体材料产业面临巨大的历史机遇 。 目前我国半导体材料的国产化率仅约 20 未来国内半导体材料市 场需求随晶圆制造产能的持续扩张仍有较大的规模增长。参考锂电池材料为例,在政策推动下国内动力锂电池需求急速增长,巨量市场需求引导下,锂电池四大材料在 2017 年就基本实现国产化替代。nWdednc

国信证券发表了《半导体材料专题报告》,全面梳理半导体材料产业链,预测国内半导体产业发展趋势。并表示在巨大的半导体市场需求刺激下,国内半导体材料顺利完成进口替代将成必然趋势。nWdednc

一、半导体材料产业链

半导体产业链可以大致分为设备、材料、设计等上游环节、中游晶圆制造,以及下游封装测试等三个主要环节。半导体材料是产业链上游环节中非常重要的一环,在芯片的生产制造中起到关键性的作用。根据半导体芯片制造过程,一般可以把半导体材料分为基体、制造、封装等三大材料,其中基体材料主要是用来制造硅晶圆半导体或者化合物半导体,制造材料则主要是将硅晶圆或者化合物半导体加工成芯片的过程中所需的各类材料,封装材料则是将制得的芯片封装切割过程中所用到的材料。nWdednc

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半导体材料处于整个产业链的上游环节nWdednc

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半导体芯片制造过程示意图nWdednc

各个环节的材料基本都有国内企业参与供应

1、基体材料 nWdednc

根据芯片材质不同,分为硅晶圆片和化合物半导体,其中硅晶圆片的使用范围最广,是集成电路 IC 制造过程中最为重要的原材料。硅晶圆片全部采用单晶硅片,对硅料的纯度要求较高,一般要求硅片纯度在 99.9999999%(9N)以上,远高于光伏级硅片纯度。先从硅料制备单晶硅柱,切割后得到单晶硅片,一般可以按照尺寸不同分为 6-18 英寸,目前主流的尺寸是 8 英寸(200mm)和 12英寸(300mm),18 英寸(450mm)预计至少要到 2020 年之后才会逐渐增加市场占比。全球龙头企业主要是信越化工、SUMCO、环球晶圆、Silitronic、LG等企业。nWdednc

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硅晶圆片示意图nWdednc

化合物半导体主要指砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等第二、第三代半导体,相比第一代单质半导体(如硅(Si)、锗(Ge)等所形成的半导体),在高频性能、高温性能方面优异很多。三大化合物半导体材料中,GaAs占大头,主要用在通讯领域,全球市场容量接近百亿美元;GaN 的大功率和高频性能更出色,主要应用于军事领域,目前市场容量不到 10 亿美元,随着成本下降有望迎来广泛应用;SiC 主要作为高功率半导体材料,通常应用于汽车以及工业电力电子,在大功率转换领域应用较为广泛。nWdednc

2、制造材料nWdednc

抛光材料 nWdednc

半导体中的抛光材料一般是指 CMP 化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing)过程中用到的材料,CMP 抛光是实现晶圆全局均匀平坦化的关键工艺。CMP 抛光的原理是是在一定压力下及抛光浆料存在下,被抛光工件相对于抛光垫做相对运动,借助于纳米粒子的研磨作用与氧 化剂的腐蚀作用之间的有机结合,在被研磨的工件表面形成光洁表面。nWdednc

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半导体抛光原理示意图nWdednc

抛光材料一般可以分为抛光垫、抛光液、调节器和清洁剂,其中前二者最为关键。抛光垫的材料一般是聚氨酯或者是聚酯中加入饱和的聚氨酯,抛光液一般是由超细固体粒子研磨剂(如纳米级二氧化硅、氧化铝粒子等)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成。nWdednc

根据SEMI和IC Mtia数据,2016年全球抛光材料的市场规模大约16.1亿美元,其中国内市场规模约 23 亿元。全球抛光垫市场几乎被陶氏垄断,抛光液市场则主要由日本的 Fujimi 和 Hinomoto Kenmazai,美国的卡博特、杜邦、Rodel、EKA,韩国的 ACE 等企业占领绝大多数市场份额。nWdednc

掩膜版nWdednc

掩膜版通常也被称为光罩、光掩膜、光刻掩膜版,是半导体芯片光刻过程中的设计图形的载体,通过光刻和刻蚀,实现图形到硅晶圆片上的转移。掩膜版通常根据需求不同,选择不同的玻璃基板,一般是选择低热膨胀系数、低钠含量、高化学稳定性及高光穿透性等性能的石英玻璃为主流,在上面镀厚约 100nm 的不透光铬膜和厚约 20nm 的氧化铬来减少光反射。nWdednc

根据 SEMI 和 IC Mtia 数据,2018 年全球半导体掩膜版的市场规模大约 33.2 亿美元,其中国内市场规模约 59.5 亿元。全球生产掩膜版的企业主要是日本的TOPAN、大日本印刷、HOYA、SK 电子,美国的 Photronic 等。nWdednc

湿电子化学品nWdednc

湿电子化学品,也通常被称为超净高纯试剂,是指用在半导体制造过程中的各种高纯化学试剂。按照用途可以被分为通用化学品和功能性化学品,其中通用化学品一般是指高纯度的纯化学溶剂,例如高纯的去离子水、氢氟酸、硫酸、磷酸、硝酸等较为常见的试剂。在制造晶圆的过程中,主要使用高纯化学溶剂去清洗颗粒、有机残留物、金属离子、自然氧化层等污染物。功能性化学品是指通过复配手段达到特殊功能、满足制造过程中特殊工艺需求的配方类化学品,例如显影液、剥离液、清洗液、刻蚀液等,经常使用在刻蚀、溅射等工艺环节。nWdednc

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湿电子化学品中常用的高纯试剂nWdednc

根据 SEMI 和 IC Mtia 数据,2016 年全球湿电子化学品的市场规模大约 11.1 亿美元,其中国内市场规模约 14 亿元。全球市场主要由欧美和日本企业主导,其中德国的巴斯夫和HenKel、美国的Ashland、APM、霍尼韦尔、ATMI、Airproducts、日本的住友化学、宇部兴产、和光纯药、长濑产业、三菱化学等公司。nWdednc

电子特气nWdednc

电子特气是指在半导体芯片制备过程中需要使用到的各种特种气体,按照气体的化学成分可以分为通用气体和特种气体。另外按照用途也可以分为掺杂气体、外延用气体、离子注入气、发光二极管用气、刻蚀用气、化学气相沉积气和平衡气。与高纯试剂类似,电子特气对气体纯度的要求也极高,基本上都要求 ppt级别以下的杂质含量。这是因为 IC 电路的尺寸已经达到纳米级别,气体中任何微量残存的杂质都有可能造成半导体短路或者线路损坏。nWdednc

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半导体制备过程中常用的高纯电子特气nWdednc

根据SEMI和IC Mtia数据,2016年全球电子特气的市场规模大约36.8亿美元,其中国内市场规模约 46 亿元。全球电子特气的龙头企业主要是美国的空气化工和普莱克斯、法国液空、林德集团、日本大阳日酸。nWdednc

光刻胶nWdednc

光刻胶是图形转移介质,其利用光照反应后溶解度不同将掩膜版图形转移至衬底上。目前广泛用于光电信息产业的微细图形线路加工制作,是电子制造领域关键材料。光刻胶一般由感光剂(光引发剂)、感光树脂、溶剂与助剂构成,其中光引发剂是核心成分,对光刻胶的感光度、分辨率起到决定性作用。光刻胶根据化学反应原理不同,可以分为正型光刻胶与负型光刻胶。nWdednc

以半导体光刻胶为例,在光刻工艺中,光刻胶被均匀涂布在衬底上,经过曝光(改变光刻胶溶解度)、显影(利用显影液溶解改性后光刻胶的可溶部分)与刻蚀等工艺,将掩膜版上的图形转移到衬底上,形成与掩膜版完全对应的几何图形。光刻工艺约占整个芯片制造成本的 35%,耗时占整个芯片工艺的 40-60%,是半导体制造中最核心的工艺。nWdednc

根据 SEMI 和 IC Mtia 数据,2016 年全球光刻胶的市场规模大约 14.4 亿美元,其中国内市场规模约 20 亿元。全球光刻胶市场主要被欧美日韩台等国家和地区的企业所垄断。nWdednc

溅射靶材nWdednc

溅射靶材的使用原理是利用离子源产生的离子,在高真空中经过加速聚集,而形成高速度能的离子束流,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底表面,被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的原材料,因此称为溅射靶材。nWdednc

半导体芯片的单元器件内部由衬底、绝缘层、介质层、导体层及保护层等组成,其中,介质层、导体层甚至保护层都要用到溅射镀膜工艺。集成电路领域的镀膜用靶材主要包括铝靶、钛靶、铜靶、钽靶、钨钛靶等,要求靶材纯度很高,一般在 5N(99.999%)以上。nWdednc

全球溅射靶材的龙头企业主要是美国的霍尼韦尔和普莱克斯,日本的日矿金属、住友化学、爱发科、三井矿业和东曹。nWdednc

3、封装材料 nWdednc

半导体封装是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。封装过程为:来自晶圆前道工艺的晶圆通过划片工艺后被切割为小的晶片(Die),然后将切割好的晶片用胶水贴装到相应的基板(引线框架)架的小岛上,再利用超细的金属(金锡铜铝)导线或者导电性树脂将晶片的接合焊盘(Bond Pad)连接到基板的相应引脚(Lead),并构成所要求的电路;然后再对独立的晶片用塑料外壳加以封装保护,塑封之后还要进行一系列操作,封装完成后进行成品测试,通常经过入检 Incoming、测试 Test 和包装 Packing等工序,最后入库出货。整个封装流程需要用到的材料主要有芯片粘结材料、陶瓷封装材料、键合丝、引线框架、封装基板、切割材料等。nWdednc

芯片粘结材料nWdednc

芯片粘结材料是采用粘结技术实现管芯与底座或封装基板连接的材料,在物理化学性能上要满足机械强度高、化学性能稳定、导电导热、低固化温度和可操作性强的要求。在实际应用中主要的粘结技术包括银浆粘接技术、低熔点玻璃粘接技术、导电胶粘接技术、环氧树脂粘接技术、共晶焊技术。环氧树脂是应用比较广泛的粘结材料,但芯片和封装基本材料表面呈现不同的亲水和疏水性,需对其表面进行等离子处理来改善环氧树脂在其表面的流动性,提高粘结效果。nWdednc

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芯片粘结材料的示意图(以封装锡球为例)nWdednc

根据 SEMI 和 IC Mtia 数据,2016 年全球芯片粘结材料的市场规模大约 7.5 亿美元,其中国内市场规模约 20 亿元。nWdednc

陶瓷封装材料nWdednc

陶瓷封装材料是电子封装材料的一种,用于承载电子元器件的机械支撑、环境密封和散热等功能。相比于金属封装材料和塑料封装材料,陶瓷封装材料具有耐湿性好,良好的线膨胀率和热导率,在电热机械等方面性能极其稳定,但是加工成本高,具有较高的脆性。目前用于实际生产和开发利用的陶瓷基片材料主要包括 Al2O3、BeO 和 AIN 等,导热性来讲 BeO 和 AIN 基片可以满足自然冷却要求,Al2O3 是使用最广泛的陶瓷材料,BeO 具有一定的毒副作用,性能优良的 AIN 将逐渐取代其他两种陶瓷封装材料。nWdednc

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Al2O3电子陶瓷封装材料举例nWdednc

根据 SEMI 数据显示,2016 年全球陶瓷封装材料的市场规模大约 21.7 亿美元,占到全部封装材料市场规模的 11%左右,其中国内市场规模约 35 亿元。全球龙头企业主要是日本企业,如日本京瓷、住友化学、NTK 公司等。nWdednc

封装基板nWdednc

封装基板是封装材料中成本占比最大的一部分,主要起到承载保护芯片与连接上层芯片和下层电路板的作用。完整的芯片是由裸芯片(晶圆片)与封装体(封装基板与固封材料、引线等)组合而成。封装基板能够保护、固定、支撑芯片,增强芯片的导热散热性能,另外还能够连通芯片与印刷电路板,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。nWdednc

早期芯片封装通常使用引线框架作为导通芯片与支撑芯片的载体,但是随着 IC特征尺寸不断缩小,集成度不断提高,只有封装基板能够实现将互联区域由线扩展到面,可以缩小封装体积,因此有逐步提到传统引线框架成为主流高端封装材料的趋势。nWdednc

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封装基板图例(CSP 系列)nWdednc

封装基板通常可以分为有机、无机和复合等三类基板,在不同封装领域各有优缺点。有机基板介电常数较低且易加工,适合导热性能要求不高的高频信号传输;无极基板由无机陶瓷支撑,耐热性能好、布线容易且尺寸稳定性,但是成本和材料毒性有一定限制;复合基板则是根据不同需求特性来复合不同有机、无机材料。未来预计有机和复合基板将是主流基板材料。nWdednc

根据 SEMI 和 IC Mtia 数据,2016 年全球有机基板以及陶瓷封装体合计市场规模达 104.5 亿美元,占到全部封装材料的 53.3%,国内市场规模约 80 亿元,占全部封装材料的 30%。全球封装基板龙头企业主要是日本的 Ibiden、神钢和京瓷、韩国的三星机电、新泰电子和大德电子、台湾地区的 UMTC、南亚电路、景硕科技等公司。nWdednc

键合丝nWdednc

半导体用键合丝是用来焊接连接芯片与支架,承担着芯片与外界之间关键的电连接功能。键合丝的材料已经从过去的单一材料,逐步发展为金、银、铜、铝用相关复合材料组成的多品种产品。根据应用领域以及需求的不同,可以选择各种不同的金属复合丝。nWdednc

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键合丝的图例(金键合丝)nWdednc

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键合丝的焊线图nWdednc

根据 SEMI 数据显示,2016 年全球半导体键合丝的市场规模大约 31.9 亿美元,其中国内市场规模约 45 亿元。全球半导体用键合丝的龙头企业主要是主要是日本的贺利氏、田中贵金属和新日铁等。nWdednc

引线框架nWdednc

引线框架作为半导体的芯片载体,是一种借助于键合丝实现芯片内部电路引出端与外部电路(PCB)的电气连接,形成电气回路的关键结构件。引线框架起到了和外部导线连接的桥梁作用,绝大部分的半导体中都需要使用引线框架,是电子信息产业中重要的基础材料。引线框架的通常类型有 TO、DIP、SIP、SOP、SSOP、QFP、QFN、SOD、SOT 等,主要用模具冲压法和蚀刻法进行生产。nWdednc

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引线框架图例(MSOP 系列)nWdednc

切割材料 。半导体晶圆切割是半导体芯片制造过程中重要的工序,在晶圆制造中属于后道工序,将做好芯片的整片晶圆按照芯片大小切割成单一的芯片井粒,称为芯片切割和划分。在封装流程中,切割是晶圆测试的前序工作,常见的芯片封装流程是现将整片晶圆切割为小晶粒在进行封装测试,而晶圆级封装技术是对整片晶圆进行封装测试后再切割得到单个成品芯片。nWdednc

目前主流的切割方法分为两类,一类是用划片系统进行切割,另一种利用激光进行切割。其中划片系统切割主要包括砂浆切割和金刚石材料切割,该技术起步较早市场份额较大,金刚石锯片或者金刚石线是此类常见的划片系统切割工具,但机械力切口较大,易导致晶圆破碎。激光切割属于新兴无接触切割,切割表面光滑平整,适用于不同类型晶圆切割。nWdednc

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半导体晶圆中两种典型切割方式nWdednc

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