我國半導體制造材料行業分析(三)濺射靶材篇

發布者:管理員  2020-05-20 17:20:34



一、引言

靶材,特別是高純度濺射靶材應用于電子元器件制造的物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)工藝,是制備晶圓、面板、太陽能電池等表面電子薄膜的關鍵材料。

半導體芯片對濺射靶材的技術要求最高,價格也最為昂貴,對于靶材純度和技術的要求高于平面顯示器、太陽能電池等其他應用領域。半導體芯片對濺射靶材的金屬材料純度、內部微觀結構等方面都設定了極其苛刻的標準,濺射靶材若雜質含量過高,形成的薄膜就無法達到使用所要求的電性能,并且在濺射過程中易在晶圓上形成微粒,導致電路短路或損壞,將嚴重影響薄膜的性能。

在當今及以后的半導體制造流程當中,濺射靶材是非常重要的原材料之一,其質量和純度對半導體產業鏈的后續生產質量起著關鍵性作用。

二、半導體制造材料——濺射靶材市場分析

(一)濺射靶材基本概況

1.濺射靶材含義

高純濺射靶材主要是指純度為99.9%-99.9999%(3N-6N之間)的金屬或非金屬靶材,應用于電子元器件制造的物理氣象沉積(PVD)工藝,是制備晶圓、面板、太陽能電池等表面電子薄膜的關鍵材料。

所謂濺射,是制備薄膜材料的主要技術,也是PVD的一種。它通過在PVD設備中用離子對目標物進行轟擊,使得靶材中的金屬原子以一定能量逸出,從而在晶圓表面沉積,濺鍍形成金屬薄膜,其中被轟擊的固體是用濺射法沉積薄膜的原材料,稱為濺射靶材。

2.濺射工藝流程

濺射靶材是半導體金屬化的關鍵材料,就具體操作來看,首先需要利用高電壓下的高速離子流,在高真空條件下產生Ar陽離子,來轟擊不同種類的金屬濺射靶材(陰極)的表面。當帶能量的氬離子撞擊靶材表面時,靶材的原與氬原子發生動量轉移而物理性的從表面彈

出,以金屬蒸汽的形式引入真空反應室。最后金屬蒸汽會到達晶圓表面并吸附在表面形成附著原子,靶材表面的原子將一層一層地沉積在半導體芯片的表面上,形成金屬薄膜。當金屬薄膜形成后,可再通過刻蝕或CMP工藝,將沉積在芯片表面的金屬薄膜刻蝕成納米級別的金屬線。通過金屬線將芯片內部數以億計的微型晶體管相互連接起來,從而起到傳遞信號的作用。

3.濺射靶材分類

①按照靶材應用領域的不同,以及對材料純度、穩定性要求的不同,濺射靶材可分為半導體用濺射靶材、平板顯示器用濺射靶材、太陽能電池用濺射靶材、磁記錄介質用建設靶材等。其中半導體芯片濺射靶材主要使用超高純度鋁、鈦、銅、鉭等金屬材料,用于制造集成電路。平面顯示器用濺射靶材主要使用高純度鋁、銅、鉬,摻錫氧化銦(ITO)等材料,用于高清晰電視、筆記本電腦顯示器的制造。太陽能電池用濺射靶材主要使用高純度鋁、銅、 鉬、鉻和 ITO 等材料,用來制造薄膜太陽能電池。

②按照靶材金屬材質的不同,濺射靶材可以分為銅靶、鈦靶、鋁靶、鉭靶、鎢鈦合金靶、鋁合金靶等。集成電路使用的濺射靶材主要包括鋁靶、鈦靶、銅靶、鉭靶、鎢鈦靶等。平板顯示鍍膜用濺射靶材主要品種包括鉬靶、鋁靶、鋁合金靶、鉻靶、銅靶、銅合金靶、靶、鈦靶、鈮靶和氧化銦錫(ITO)靶材等。太陽能電池板中較為常用的濺射靶材包括鋁靶、銅靶、鉬靶、鉻靶以及 ITO 靶、AZO 靶 (Aluminum Zinc Oxide,氧化鋁鋅)等。

圖表1  濺射靶材分類及用途

類別

常用靶材(純度5N=99.999%)

主要用途

性能要求

半導體用靶材

鉭、銅、鈦、金、鎳、高熔點金屬、鉻

集成電路的關鍵原材料

技術要求最高:純度、尺寸、集成度

平面顯示器用靶材

鋁、銅、鉬、鉻、銦

電視、筆記本的各型大面積膜層

技術要求高:純度、大面積、均勻性

太陽能電池用靶材

鋁、銅、鉬、鉻、銦

“窗口層”、阻擋層、電極與導電膜

技術要求高,應用范圍大

信息存儲用靶材

鈷、鎳、鐵合金、鉻、碲、硒、稀土-遷移金屬

光驅與光盤的磁頭、中間層、底層

高儲存密度、高傳輸速度

工具改性用靶材

鈦、鋯、鉻、鉻鋁合金

表面強化

性能要求較高,長壽命

電子器件用靶材

鋁合金、硅化物

薄膜電阻與電容

尺寸小、穩定性、電阻濕度系數小

其他

氧化物、石英、硅、鈦、鉭

裝飾鍍膜與玻璃鍍膜

技術要求一般


(二)濺射靶材技術門檻分析

靶材的生產需要經過預處理、塑性加工、熱處理、焊接、機加、凈化、檢測等多道工藝處理,塑性變形再結晶過程需要重復進行。以鋁靶材為例,一般是將鋁原料進行熔煉(電子束或電弧,等離子熔煉)、鑄造,將得到的錠或胚料進行熱鍛破壞鑄造組織,使氣孔或偏析擴散、消失,再通過退火使其再結晶化從而提高材料組織的致密化和強度,進而經過焊接、機加和清洗等步驟最終制備成靶材。

根據靶材材料以及用途的不同,制備工藝主要包含熔煉鑄造法和粉末燒結法兩大技術路徑。

熔煉鑄造法:高純金屬如 Al、Ti、Ni、Cu、Co、Ta、Ag、Pt 等具有良好的塑性,直接采用物理提純法熔煉制備的鑄錠或在原有鑄錠基礎上進一步熔鑄后,進行鍛造、軋制和熱處理等熱機械化處理技術進行微觀組織控制和坯料成型。

粉末燒結法:對于 W、Mo、Ru 等難熔金屬及合金,由于材料的熔點高、合金含量高、易偏析、本征脆性大等原因,采用熔煉法難以制備或者材料性能無法滿足濺射需求時,需要采用粉末燒結法制備。首先進行粉體材料的預處理,包括采用粒度和形貌合適的高純金屬粉末進行均勻化混合、造粒等,再選擇合適的燒結工藝,包括冷等靜壓CIP、熱壓HP、熱等靜壓HIP及無壓燒結成型等。  

                                                           圖表2  鋁靶生產工藝處理流程 

                                                           

從工藝的難易程度來看,超高純金屬控制和提純技術、晶粒晶向控制技術、異種金屬大面積焊接技術、金屬的精密加工及特殊處理技術、靶材的清洗包裝技術是目前靶,生產過程中的五大核心技術。這五大技術在生產工藝中主要影響靶材的純度、雜質含量、密實度、晶粒尺寸及尺寸分布、結晶取向與結構均勻性、幾何形狀與尺寸等,進而影響鍍膜濺射效率及沉積薄膜的質量。其中,晶粒晶向控制技術主要通過塑形加工再結晶流程(TMP)即塑性加工——熱處理——結晶退火來控制晶粒晶向,來使各晶粒的大小和排列方向相同,保證濺射成膜的均勻性和濺射速度,是靶材生產的核心。

                                                  圖表3  濺射靶材生產中的五大核心技術內容

技術

功能

方案

產品要求

超高純金屬控制和提純技術

減少靶材雜志。提高材料導電性能;使互聯線不易短路或斷路

兩大步驟:純化、超純化                         提高純度:化學+物理提純

半導體、顯示器等領域對靶材純度的要求十分嚴格:芯片、平面顯示器、太陽能電池通常要求靶材純度分別達到99.9995%、5N、4N5以上

晶粒晶向控制技術

使各晶粒的大小和排列方向相同,保證濺射成膜的均勻性和濺射速度

通常通過塑形加工再結晶流程來控制晶粒晶向:塑形加工——熱處理——結晶退火

濺射時,靶材的原子最容易沿著密排面方向優先濺射出來,所以需根據靶材的組織結構特點,采用不同的成型方法和熱處理工藝進行靶材的結晶取向控制

異種金屬大面積焊接技術

連接靶胚和背板,起到靶材的固定作用

電子束焊接、釬焊、擴散焊接等

多數靶材在濺射前須與背板綁定從而確保其濺射時導熱導電狀況良好,有效焊合率是評判綁定質量的標準,一般要求大于95%以上

金屬的精密加工及特殊處理技術

利用精密機臺使靶材的尺寸和形狀與要鍍膜的基片匹配

包括微細加工、光整加工和精整加工等

下游客戶用于靶材濺射的機臺十分精密,對濺射靶材的尺寸要求很高,較小的偏差會影響濺射反應過程和濺射產品的性能

靶材的清洗包裝技術

使靶材潔凈程度滿足生產要求

真空、反復、全自動等

由于靶材會直接用于晶圓生產,所以對潔凈程度要求極高



(三)濺射靶材市場發展規模分析

1.全球濺射靶材市場規模

高純濺射靶材全球市場規模近百億美元,其中半導體用靶材全球市場規模約在十億美元以上,市場規模居于平板顯示器、記錄媒體以及太陽能電池之后,是高純濺射靶材的主要應用領域之一。隨著移動智能終端、平板電腦、消費電子、以及汽車電子產品等市場需求的推動下,高純濺射靶材呈現高速增長的趨勢,市場規模近百億美元。

根據SEMI統計數據,2016-2018年全球半導體芯片用濺射靶材產值從6.7億美元增長至8億美元,CAGR為9.3%。由于半導體濺射靶材市場與晶圓產量存在直接關系,以中國大陸晶圓廠產能占世界比例為12.5%計算,2018年中國半導體濺射靶材市場約1億美元,隨晶圓廠產能向中國轉移,2019年中國半導體濺射靶材市場將達到1.11億美元,同比增長28.59%。

圖表4  全球半導體芯片晶圓制造濺射靶材產值(億美元)

                                   


IC Mtia統計,2017年中國半導體用靶材市場規模約為10億元。

  圖表5  中國半導體濺射靶材市場規模(億元)

                                      


2.半導體靶材市場競爭格局


全球靶材制造行業呈現寡頭壟斷格局,少數日美化工與制造集團主導了全球靶材制造行業,產業集中度高。

目前全球濺射靶材研制和生產主要集中在美國、日本少數幾家公司。據有研新材公告數據估算,日礦金屬是全球最大的靶材供應商,靶材銷售額約占全球市場的30%;霍尼韋爾在并購Johnson Mattey、整合高純鋁、鈦等原材料生產廠后,占到全球市約20%的份額,此外東曹和普萊克斯分別占比20%和10%。  

圖表6 全球靶材市場競爭格局

 


目前國內高純濺射靶材產業總體表現出數量偏少,企業規模偏小和技術水平偏低的特征。國內半導體工業的相對落后導致了高純濺射靶材產業起步較晚。受到技術、資金和人才的限制,多數國內廠商還處于企業規模較小、技術水平偏低、以及產業布局分散的狀態。目前國內靶材廠商主要集中在低端產品領域進行競爭,在半導體、液晶顯示器和太陽能電池等市場還無法與國際巨頭全面抗衡,但是依靠產業政策導向、產品價格優勢已經在國內市場占有一定的市場份額,并逐步在個別產品或細分領域擠占國際廠商的市場空間。

近年來,受益于國家從戰略高度持續地支持電子材料行業的發展及應用推廣,我國國內開始出現少量專業從事高純濺射靶材研發和生產的企業,并成功開發出一批能適應高端應用領域的濺射靶材,為高純濺射靶材大規模產業化提供了良好的研發基礎和市場化條件。通過將濺射靶材研發成果產業化,積極參與濺射靶材的國際化市場競爭,我國濺射靶材生產企業在技術和市場方面都取得了長足的進步,改變了高純濺射靶材長期依賴進口的不利局面。

2018年中國半導體濺射靶材市場分為晶圓制造和封測兩個市場,合計40億元,其中有研新材2018國內半導體濺射靶材收入為9.83億元,江豐電子2018年國內半導體濺射靶材收入為1.26億元,根據測算,中國半導體濺射靶材市場的國產化率超過30%。此外,產品性能方面,江豐電子和有研新材的生產技術水平均較高,其部分靶材產品已經可以達到國際最先進制程的技術要求,已成功實現國產替代。

政策方面,近年來,隨國內集成電路產業持續發展,國家在集成電路的重要材料濺射靶材領域也布局了相關政策進行扶持。2015年 11月財政部、發改委、工信部、海關總署、國家稅務總局聯合發布的《關于調整集成電路生產企業進口自用生產性原料、消耗品、免稅商品清單的通知》規定:進口靶材的免稅期到2018年年底結束。這意味著從2019年開始,日、美靶材需要繳納5-8%關稅。該政策將極大利好國內的濺射靶材企業。

(四)我國濺射靶材領域代表企業分析

國內市場中,高純濺射靶材產業發展較晚,具有規?;a和較強研發能力的企業較少。近年來,受益于國家從戰略高度持續地支持電子材料行業的發展及應用推廣,我國國內開始出現少量專業從事高純濺射靶材研發和生產的企業,目前已成功開發出一批能適應高端應用的濺射靶材,在國內靶材市場占據一定份額,主要上市企業有的江豐電子、阿石創、有研新材和隆華節能等。

1.有研新材

公司主營業務分別為高純/超高純金屬材料、稀土材料、光電材料、醫療器械材料、紅外光學光纖材料,主要從事微電子光電子用薄膜材料、超高純金屬及稀貴金屬材料、高端稀土功能材料、紅外光學及光纖材料、生物醫用材料等新材料的研發與制備,下游主要應用于新能源及新能源汽車、新一代信息技術、生物醫藥、節能環保等戰略性新興產業領域。

公司是國內規模最大、材料種類最齊全的高端電子信息用材料研發制造基地,并致力于發展貴金屬循環經濟。2018年有研億金30余款8-12寸靶材新產品完成加工送樣,已有多款靶材產品順利通過考核認證,覆蓋中芯國際、北方華創、GF、TSMC、UMC 等多家高端客戶。2018年,有研億金承擔的國家科技重大專項,02 專項“45-28nm 配線用Cu靶材開發與產業化”項目、“高代線平面顯示及先進封裝用大尺寸靶材”項目順利通過驗收。

2.江豐電子

公司主營業務為高純濺射靶材的研發、生產和銷售業務,主要產品為各種高純濺射靶材,包括鋁靶、鈦靶、鉭靶、鎢鈦靶等。公司成立于2005年,由全球半導體靶材龍頭霍尼韋爾原大中華區總裁姚力軍博士領銜創立。公司先后承擔了國家02重大專項、國家863重大專項等重要科研項目,打破了日美企業在高純金屬濺射靶材的壟斷。

公司作為國內半導體濺射靶材國產化先鋒,部分產品已通過臺積電、格羅方德、海力士等世界著名半導體廠商的認證并實現批量供貨。2018年,公司實現營業收入6.5億元,yoy+18.12%,實現歸母凈利潤5,881萬元。其中半導體靶材占公司總營收的71.73%,是公司最主要的收入來源。

圖表7  公司營業收入(百萬元)

                                        

圖表8  2018公司營收結構

 


三、本地區發展現狀


(一)寧夏地區新材料產業發展概況

近年來,寧夏地區,尤其是首府銀川市,逐漸成為了國內新材料企業布局的選址地之一,越來越多的企業選擇在寧夏銀川市扎根進行新材料的研發生產。究其原因不難發現,一是取決于寧夏地區的資源優勢,二是取決于銀川發展新材料產業的空間布局和政策引導,三是企業以自身發展需要所選擇的一種產業集群。

新材料產業是高新技術的先導和基礎,也是寧夏具有發展潛力的支柱產業之一。目前,寧夏鉭鈮鈹等稀有金屬材料產業技術水平已居世界前列;鋁、鎂冶煉及炭基材料技術水平均居全國領先地位;單晶硅、多晶硅、薄膜電池等光伏材料產業已經起步,形成了具有寧夏特色的產業區和良好的產業基礎,呈現出以下幾個方面的特點:

1、產品銷售地以區外為主

目前鉭粉、鉭絲的出口量占生產量的90%,原鎂及鎂合金可達90%,碳化硅占80%,鋁錠及鋁合金占21%,年出口額均在數千萬美元以上。

2、多為高耗能行業

寧夏新材料產業大部分為輕金屬、稀有金屬、鐵合金冶煉加工以及碳基材料等新材料產業,年耗原煤約300萬噸,年耗電約80億千瓦時,年耗鎂礦石、硅石約100萬噸。

3、產業鏈條短

寧夏新材料產業在基礎新材料產品上的生產能力較強,材料應用和后續加工少,制成品加工能力較弱,綜合配套能力不強。

4、資源優勢明顯

寧夏是我國三大硅砂基地之一,國內最大的硅石、石英石基地在寧夏,優質硅石儲量高達42.8億噸,在區內已形成優質硅石開采、金屬硅、高純金屬硅、多晶硅、單晶硅生產的產業鏈,在產業鏈中,又以單晶硅、多晶硅的生產最為引人關注。寧夏是國內最主要的金屬鎂及鎂合金產地之一,已被國家確定為金屬鎂及鎂合金材料產業化基地,產能、產量排全國第三位。

(二)寧夏地區靶材市場發展現狀及前景分析

近年來,銀川市始終堅持把項目建設作為工業強市的重要支撐,全面布局了一批戰略新材料產業,先后引進了一批在國際、國內有深遠影響的新材料龍頭企業,目前銀川經濟技術開發區已發展成為世界知名的單晶硅材料生產基地、國內重要的工業藍寶石生產基地和半導體材料產業基地。近幾年,寧夏銀川市在推進產業轉型升級中,把新材料作為先導型戰略產業,優先培育核心企業,打造行業龍頭企業,通過建鏈、補鏈、強鏈,完善產業全鏈條,促進上下游企業聚集和產業鏈延伸,形成產業集群的疊加效應。

目前,在稀有金屬靶材產業上,寧夏地區以(中色)西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司、中色(寧夏)東方集團有限公司、寧夏東方鉭業股份有限公司金屬制品分廠為主的稀有金屬生產及產品深加工。鉭鈮鈹鈦等稀有金屬新材料產業是我國高新技術領域發展最活躍、最集中和最迅速的產業之一,也是寧夏的優勢主導產業之一。在半導體的制造材料中,作為重要的濺射靶材,寧夏地區的資源及企業布局優勢逐步凸顯。寧夏在發展半導體制造材料產業是具備先天的強有力的資源優勢,在利用優勢的同時,更要注重全產業鏈的延伸,對于半導體制造材料乃至整個半導體行業產業鏈的每一個鏈鍵,都要把握機會,培育和發展新材料各個領域環節的企業,努力實現新材料產業鏈的建鏈、增鏈、強鏈計劃,完善產業橫向配套環節,打造一批創新能力強、創業環境好、特色鮮明的新材料產業集群,推進產業集約化、集群化、規?;l展。

四、結語

受到發展歷史和技術限制的影響,濺射靶材行業在我國起步較晚,目前仍然屬于一個較新的行業。與國際知名企業生產的濺射靶材相比,我國濺射靶材研發生產技術還存在一定差距,市場影響力相對有限,尤其在半導體芯片、平板顯示器、太陽能電池等領域,全球高純濺射靶材市場依然被美國、日本的濺射靶材生產廠商所控制或壟斷。隨著濺射靶材朝著更高純度、更大尺寸的方向發展,我國濺射靶材生產企業只有不斷進行研發創新,具備較強的產品開發能力,研制出適用不同應用領域的濺射靶材產品,才能在全球濺射靶材市場中占得一席之地。具體來說主要有以下兩點:

一是發展靶材原料,縱向延伸提高附加值。靶材原料如高純鋁、高純銅、高純鉬、ITO粉末等,早期基本靠從日美進口;但原料又是靶材產業鏈附加值較高的環節。目前國產企業憑借國內豐富的鉬資源,已基本實現國產供應;在高純鋁和高純銅,要加快國內金屬加工企業的相關技術突破,攻克工藝難點,國內企業拓展上游高純靶材原料來提高我國靶材內生增長力。

二是橫向豐富靶材品種,適應市場需求。目前靶材的重點下游如半導體和顯示企業,同時需要多品種靶材,國內企業一方面要開發市場格局趨勢向上的平行靶材品種;另一方面要根據某個品種靶材工藝的發展,提前做技術儲備和延伸。

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