浅谈半导体靶材

时间:2019-12-16浏览数:99

靶材,特别是高纯度溅射靶材应用于电子元器件制造的物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)工艺,是制备晶圆、面板、太阳能电池等表面电子薄膜的关键材料。

所谓溅射,是制备薄膜材料的主要技术,也是PVD的一种。它通过在PVD设备中用离子对目标物进行轰击,使得靶材中的金属原子以一定能量逸出,从而在晶圆表面沉积,溅镀形成金属薄膜,其中被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的原材料,称为溅射靶材。

相比PVD的另一种工艺——真空镀膜,溅射镀膜工艺可重复性好、膜厚可控制,可在大面积基板材料上获得厚度均匀的薄膜,所制备的薄膜具有纯度高、致密性好、与基板材料的结合力强等优点,已成为制备薄膜材料的主要技术。

靶材有多种分类方法,如按化学成份分类,按形状分类,以及按应用领域分类。本文内容主要是按应用领域分类展开的。

应用要求

对靶材用量较大的行业主要有半导体集成电路、平板显示器、太阳能电池、磁记录介质、光学器件等(这些就是按应用分类的)。其中,高纯度溅射靶材主要用于对材料纯度、稳定性要求更高的领域,如半导体、平板显示器、太阳能电池、磁记录介质等。

本文主要讨论靶材在半导体当中的应用情况。

在所有应用中,半导体对溅射靶材的技术要求和纯度高,价格也为昂贵,这方面的要求明显高于平面显示器、太阳能电池等其他应用领域。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,若溅射靶材的杂质含量过高,形成的薄膜就无法达到使用所要求的电性能,且在溅射过程中易在晶圆上形成微粒,导致电路短路或损坏,将严重影响薄膜的性能。

芯片制造对溅射靶材金属纯度的要求高,通常要达到99.9995%以上,而平板显示器、太阳能电池分别要求达到 99.999%、99.995%以上即可。

除了纯度之外,芯片对溅射靶材内部微观结构等也设定了极其苛刻的标准,需要掌握生产过程中的关键技术,并经过长期实践才能制成符合工艺要求的产品。

超高纯度金属及溅射靶材是电子材料的重要组成部分,溅射靶材产业链主要包括金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用等环节,其中,靶材制造和溅射镀膜环节是整个溅射靶材产业链中的关键环节。

市场规模

随着消费电子等终端应用的飞速发展,高纯度溅射靶材的市场销售额日益扩大。据统计,2015 年,全球高纯溅射靶材市场的销售额达94.8亿美元,其中,半导体用溅射靶材的市场销售额为11.4亿美元。

中国半导体行业协会的统计数据显示,2015年,中国高纯度溅射靶材的市场需求规模约为153.5亿元人民币,约占当年全球市场的24.17%。

有预测显示,未来5年,世界溅射靶材的市场规模将超过160亿美元,高纯度溅射靶材市场复合年均增长率CAGR可达13%。

来自WSTS的统计,预计全球靶材市场,在2017~2019年增速同上,也为13%。2016年全球溅射靶材市场容量为113.6亿美元,相比于2015年的94.8亿美元,增长了20%。可推算出2018年全球高纯溅射靶材市场规模约145亿美元,折合人民币约983亿元。

靶材企业

目前,全球的靶材制造行业,特别是高纯度的靶材市场,呈现寡头垄断格局,主要由几家美日大企业把持着,如日本的三井矿业、日矿金属、日本东曹、住友化学、日本爱发科,以及美国霍尼韦尔、普莱克斯等。

根据有研新材公告数据估算,日矿金属是全球大的靶材供应商,靶材销售额约占全球市场的30%,霍尼韦尔在并购Johnson Mattey、整合高纯铝、钛等原材料生产厂后,占到全球市约20%的份额,此外,东曹和普莱克斯分别占20%和10%。

图:全球靶材市场被几大美日制造商把持。来源,有研新材

虽然市场主要被美日的几家大企业把持,但随着中国经济的发展和工业化水平的不断提升,特别是近些年半导体及相关产业的快速发展,我国国内也涌现出了一批良好的靶材企业,如江丰电子、有研新材、隆华节能、阿石创、北京格林东辉真空科技、江西睿宁高新技术材料、江苏比昂电子材料等。

中国靶材产业格局

中国半导体工业的相对落后导致了高纯度溅射靶材产业起步较晚。受到技术、资金和人才的限制,多数国内厂商还处于企业规模较小、技术水平偏低、以及产业布局分散的状态。

究其原因,一方面,溅射镀膜工艺起源于国外,对所需溅射靶材的性能要求高、专业性强,属于技术密集型产业,而我国企业都为新进入者,在技术、人才等方面差距明显。另外,靶材行业下游客户认证周期长,定制化程度高,要成为正式供应商,一般需要2~3 年,且一旦成为供应商,将保持相对稳定的关系,难以被打破,这对后来者是个不小的挑战。

目前,国内靶材厂商主要聚焦在低端产品领域,在半导体、液晶显示器和太阳能电池等市场还无法与国际巨头全面竞争,但是,依靠国内的巨大市场潜力和利好的产业政策,以及产品价格优势,它们已经在国内市场占有一定的市场份额,并逐步在个别细分领域抢占了部分国际大厂的市场空间。

近年来,我国政府制定了一系列产业政策,如863计划、02专项基金等来加速溅射靶材供应的本土化进程,推动国产靶材在多个应用领域实现从无到有的跨越。这些都从国家战略高度扶植并推动着溅射靶材产业的发展壮大。

目前国内靶材行业已经初具规模,随着国内靶材企业的技术创新,在半导体、面板以及光学器件等领域出现了具备和日美跨国集团竞争的本土靶材企业。

以我国靶材龙头企业江丰电子为例,该公司的半导体靶材产品已应用于以台积电为代表的着名晶圆代工厂商的先进制造工艺,在14/16nm技术节点实现批量供货,联电也是该公司的大客户,此外,格芯、意法半导体也都采用了其产品,同时,该公司也是本土晶圆代工龙头企业中芯国际、华宏等的优质供应商,满足了国内厂商在28nm技术节点的量产需求。有统计显示,江丰电子的产品已经成功打入了全球280多个半导体芯片制造工厂。

江丰电子还完成了国家02重大专项(300mm硅片工艺用Al、Ti、Ta靶材制造技术研发与产业化)项目验收,所生产的产品直接用于iphone6、奥迪等产品,iPhone 7核心处理器A10芯片也采用了该公司的产品,这是中国电子材料次大规模应用在16nm FinFET+技术产品上。

此外,有研亿金也实现了为本土芯片封测厂长电科技等的批量供货。

另外,我国的隆华节能、有研新材、阿石创等也已经进入国内外主流半导体、平板显示、光伏、光学器件企业供应链体系,且已经在部分企业本土产线实现大批量供货。在面板靶材领域,隆华节能子公司四丰电子实现了高纯钼靶材向三星、LG、京东方、国星光电等国内外显示龙头的直接供货。此外,江丰生产用于G8.5代、G6代液晶面板的超高纯铝溅射靶材也已开始给国内液晶面板的龙头企业供货。在光学器件领域,阿石创已经实现为群创、蓝思科技、伯恩光学等光学器件龙头企业批量供货。

半导体驱动靶材市场快速增长

WSTS预计,2018年全球半导体规模增速达12.4%。2010~2016年,全球半导体销售额保持平稳发展,而2017年全球市场增速超预期,达21.62%,特别是存储器市场,增速高达61.49%。一方面,存储芯片需求旺盛,产品价格大幅上涨,另一方面,物联网、汽车电子、AI等新应用拉动下游需求,WSTS 预计,在AI、智能驾驶、5G、VR/AR等需求持续带动下,2018年全球半导体行业将实现12.4%的增速,2019年的增速预估为4.4%。

此外,中国大陆地区近些年迎来了建厂热潮。SEMI数据显示,2016~2017年,全球新建了17座12英寸晶圆代工厂,其中有10座位于中国大陆。从未来的投资计划看,2017~2020是晶圆厂投资的高峰期,预计全球新增半导体产线62条,其中有26条位于中国大陆,占总数的42%。

在这样的产业背景下,全球对于晶圆的需求量将不断提升。据SEMI预测,未来两年,全球晶圆出货量将从2017年的11448百万平方英寸上升到2019年的12235百万平方英寸.年复合增长率为3.38%。

基于此,2017年,全球晶圆制造材料市场规模达到259.8亿美元,其中,靶材在晶圆制造和封测中占比均在3%左右,预计2018年全球晶圆制造用靶材的市场增速可达19%,封测用靶材增速更高,将达到26%。

我国国内的靶材市场需求也会大幅增加,同时,随着国内溅射靶材技术的不断成熟,再加上其先天的性价比优势,预计2018年中国半导体靶材市场增速有望达到60%,远高于全球平均水平。


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