我国半导体制造材料行业分析(三)溅射靶材篇

发布者:管理员  2020/5/20 17:20:34



一、引言

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。

半导体芯片对溅射靶材的技术要求最高,价格也最为昂贵,对于靶材纯度和技术的要求高于平面显示器、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,溅射靶材若杂质含量过高,形成的薄膜就无法达到使用所要求的电性能,并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。

在当今及以后的半导体制造流程当中,溅射靶材是非常重要的原材料之一,其质量和纯度对半导体产业链的后续生产质量起着关键性作用。

二、半导体制造材料——溅射靶材市场分析

(一)溅射靶材基本概况

1.溅射靶材含义

高纯溅射靶材主要是指纯度为99.9%-99.9999%(3N-6N之间)的金属或非金属靶材,应用于电子元器件制造的物理气象沉积(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。

2.溅射工艺流程

溅射靶材是半导体金属化的关键材料,就具体操作来看,首先需要利用高电压下的高速离子流,在高真空条件下产生Ar阳离子,来轰击不同种类的金属溅射靶材(阴极)的表面。当带能量的氩离子撞击靶材表面时,靶材的原与氩原子发生动量转移而物理性的从表面弹

出,以金属蒸汽的形式引入真空反应室。最后金属蒸汽会到达晶圆表面并吸附在表面形成附着原子,靶材表面的原子将一层一层地沉积在半导体芯片的表面上,形成金属薄膜。当金属薄膜形成后,可再通过刻蚀或CMP工艺,将沉积在芯片表面的金属薄膜刻蚀成纳米级别的金属线。通过金属线将芯片内部数以亿计的微型晶体管相互连接起来,从而起到传递信号的作用。

3.溅射靶材分类

①按照靶材应用领域的不同,以及对材料纯度、稳定性要求的不同,溅射靶材可分为半导体用溅射靶材、平板显示器用溅射靶材、太阳能电池用溅射靶材、磁记录介质用建设靶材等。其中半导体芯片溅射靶材主要使用超高纯度铝、钛、铜、钽等金属材料,用于制造集成电路。平面显示器用溅射靶材主要使用高纯度铝、铜、钼,掺锡氧化铟(ITO)等材料,用于高清晰电视、笔记本电脑显示器的制造。太阳能电池用溅射靶材主要使用高纯度铝、铜、 钼、铬和 ITO 等材料,用来制造薄膜太阳能电池。

②按照靶材金属材质的不同,溅射靶材可以分为铜靶、钛靶、铝靶、钽靶、钨钛合金靶、铝合金靶等。集成电路使用的溅射靶材主要包括铝靶、钛靶、铜靶、钽靶、钨钛靶等。平板显示镀膜用溅射靶材主要品种包括钼靶、铝靶、铝合金靶、铬靶、铜靶、铜合金靶、靶、钛靶、铌靶和氧化铟锡(ITO)靶材等。太阳能电池板中较为常用的溅射靶材包括铝靶、铜靶、钼靶、铬靶以及 ITO 靶、AZO 靶 (Aluminum Zinc Oxide,氧化铝锌)等。

图表1  溅射靶材分类及用途

类别

常用靶材(纯度5N=99.999%)

主要用途

性能要求

半导体用靶材

钽、铜、钛、金、镍、高熔点金属、铬

集成电路的关键原材料

技术要求最高:纯度、尺寸、集成度

平面显示器用靶材

铝、铜、钼、铬、铟

电视、笔记本的各型大面积膜层

技术要求高:纯度、大面积、均匀性

太阳能电池用靶材

铝、铜、钼、铬、铟

“窗口层”、阻挡层、电极与导电膜

技术要求高,应用范围大

信息存储用靶材

钴、镍、铁合金、铬、碲、硒、稀土-迁移金属

光驱与光盘的磁头、中间层、底层

高储存密度、高传输速度

工具改性用靶材

钛、锆、铬、铬铝合金

表面强化

性能要求较高,长寿命

电子器件用靶材

铝合金、硅化物

薄膜电阻与电容

尺寸小、稳定性、电阻湿度系数小

其他

氧化物、石英、硅、钛、钽

装饰镀膜与玻璃镀膜

技术要求一般


(二)溅射靶材技术门槛分析

靶材的生产需要经过预处理、塑性加工、热处理、焊接、机加、净化、检测等多道工艺处理,塑性变形再结晶过程需要重复进行。以铝靶材为例,一般是将铝原料进行熔炼(电子束或电弧,等离子熔炼)、铸造,将得到的锭或胚料进行热锻破坏铸造组织,使气孔或偏析扩散、消失,再通过退火使其再结晶化从而提高材料组织的致密化和强度,进而经过焊接、机加和清洗等步骤最终制备成靶材。

根据靶材材料以及用途的不同,制备工艺主要包含熔炼铸造法和粉末烧结法两大技术路径。

熔炼铸造法:高纯金属如 Al、Ti、Ni、Cu、Co、Ta、Ag、Pt 等具有良好的塑性,直接采用物理提纯法熔炼制备的铸锭或在原有铸锭基础上进一步熔铸后,进行锻造、轧制和热处理等热机械化处理技术进行微观组织控制和坯料成型。

粉末烧结法:对于 W、Mo、Ru 等难熔金属及合金,由于材料的熔点高、合金含量高、易偏析、本征脆性大等原因,采用熔炼法难以制备或者材料性能无法满足溅射需求时,需要采用粉末烧结法制备。首先进行粉体材料的预处理,包括采用粒度和形貌合适的高纯金属粉末进行均匀化混合、造粒等,再选择合适的烧结工艺,包括冷等静压CIP、热压HP、热等静压HIP及无压烧结成型等。  

                                                           图表2  铝靶生产工艺处理流程 

                                                           

从工艺的难易程度来看,超高纯金属控制和提纯技术、晶粒晶向控制技术、异种金属大面积焊接技术、金属的精密加工及特殊处理技术、靶材的清洗包装技术是目前靶,生产过程中的五大核心技术。这五大技术在生产工艺中主要影响靶材的纯度、杂质含量、密实度、晶粒尺寸及尺寸分布、结晶取向与结构均匀性、几何形状与尺寸等,进而影响镀膜溅射效率及沉积薄膜的质量。其中,晶粒晶向控制技术主要通过塑形加工再结晶流程(TMP)即塑性加工——热处理——结晶退火来控制晶粒晶向,来使各晶粒的大小和排列方向相同,保证溅射成膜的均匀性和溅射速度,是靶材生产的核心。

                                                  图表3  溅射靶材生产中的五大核心技术内容

技术

功能

方案

产品要求

超高纯金属控制和提纯技术

减少靶材杂志。提高材料导电性能;使互联线不易短路或断路

两大步骤:纯化、超纯化                         提高纯度:化学+物理提纯

半导体、显示器等领域对靶材纯度的要求十分严格:芯片、平面显示器、太阳能电池通常要求靶材纯度分别达到99.9995%、5N、4N5以上

晶粒晶向控制技术

使各晶粒的大小和排列方向相同,保证溅射成膜的均匀性和溅射速度

通常通过塑形加工再结晶流程来控制晶粒晶向:塑形加工——热处理——结晶退火

溅射时,靶材的原子最容易沿着密排面方向优先溅射出来,所以需根据靶材的组织结构特点,采用不同的成型方法和热处理工艺进行靶材的结晶取向控制

异种金属大面积焊接技术

连接靶胚和背板,起到靶材的固定作用

电子束焊接、钎焊、扩散焊接等

多数靶材在溅射前须与背板绑定从而确保其溅射时导热导电状况良好,有效焊合率是评判绑定质量的标准,一般要求大于95%以上

金属的精密加工及特殊处理技术

利用精密机台使靶材的尺寸和形状与要镀膜的基片匹配

包括微细加工、光整加工和精整加工等

下游客户用于靶材溅射的机台十分精密,对溅射靶材的尺寸要求很高,较小的偏差会影响溅射反应过程和溅射产品的性能

靶材的清洗包装技术

使靶材洁净程度满足生产要求

真空、反复、全自动等

由于靶材会直接用于晶圆生产,所以对洁净程度要求极高



(三)溅射靶材市场发展规模分析

1.全球溅射靶材市场规模

高纯溅射靶材全球市场规模近百亿美元,其中半导体用靶材全球市场规模约在十亿美元以上,市场规模居于平板显示器、记录媒体以及太阳能电池之后,是高纯溅射靶材的主要应用领域之一。随着移动智能终端、平板电脑、消费电子、以及汽车电子产品等市场需求的推动下,高纯溅射靶材呈现高速增长的趋势,市场规模近百亿美元。

根据SEMI统计数据,2016-2018年全球半导体芯片用溅射靶材产值从6.7亿美元增长至8亿美元,CAGR为9.3%。由于半导体溅射靶材市场与晶圆产量存在直接关系,以中国大陆晶圆厂产能占世界比例为12.5%计算,2018年中国半导体溅射靶材市场约1亿美元,随晶圆厂产能向中国转移,2019年中国半导体溅射靶材市场将达到1.11亿美元,同比增长28.59%。

图表4  全球半导体芯片晶圆制造溅射靶材产值(亿美元)

                                   


IC Mtia统计,2017年中国半导体用靶材市场规模约为10亿元。

  图表5  中国半导体溅射靶材市场规模(亿元)

                                      


2.半导体靶材市场竞争格局


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,产业集中度高。

目前全球溅射靶材研制和生产主要集中在美国、日本少数几家公司。据有研新材公告数据估算,日矿金属是全球最大的靶材供应商,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比20%和10%。  

图表6 全球靶材市场竞争格局

 


目前国内高纯溅射靶材产业总体表现出数量偏少,企业规模偏小和技术水平偏低的特征。国内半导体工业的相对落后导致了高纯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。目前国内靶材厂商主要集中在低端产品领域进行竞争,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抗衡,但是依靠产业政策导向、产品价格优势已经在国内市场占有一定的市场份额,并逐步在个别产品或细分领域挤占国际厂商的市场空间。

近年来,受益于国家从战略高度持续地支持电子材料行业的发展及应用推广,我国国内开始出现少量专业从事高纯溅射靶材研发和生产的企业,并成功开发出一批能适应高端应用领域的溅射靶材,为高纯溅射靶材大规模产业化提供了良好的研发基础和市场化条件。通过将溅射靶材研发成果产业化,积极参与溅射靶材的国际化市场竞争,我国溅射靶材生产企业在技术和市场方面都取得了长足的进步,改变了高纯溅射靶材长期依赖进口的不利局面。

2018年中国半导体溅射靶材市场分为晶圆制造和封测两个市场,合计40亿元,其中有研新材2018国内半导体溅射靶材收入为9.83亿元,江丰电子2018年国内半导体溅射靶材收入为1.26亿元,根据测算,中国半导体溅射靶材市场的国产化率超过30%。此外,产品性能方面,江丰电子和有研新材的生产技术水平均较高,其部分靶材产品已经可以达到国际最先进制程的技术要求,已成功实现国产替代。

政策方面,近年来,随国内集成电路产业持续发展,国家在集成电路的重要材料溅射靶材领域也布局了相关政策进行扶持。2015年 11月财政部、发改委、工信部、海关总署、国家税务总局联合发布的《关于调整集成电路生产企业进口自用生产性原料、消耗品、免税商品清单的通知》规定:进口靶材的免税期到2018年年底结束。这意味着从2019年开始,日、美靶材需要缴纳5-8%关税。该政策将极大利好国内的溅射靶材企业。

(四)我国溅射靶材领域代表企业分析

国内市场中,高纯溅射靶材产业发展较晚,具有规模化生产和较强研发能力的企业较少。近年来,受益于国家从战略高度持续地支持电子材料行业的发展及应用推广,我国国内开始出现少量专业从事高纯溅射靶材研发和生产的企业,目前已成功开发出一批能适应高端应用的溅射靶材,在国内靶材市场占据一定份额,主要上市企业有的江丰电子、阿石创、有研新材和隆华节能等。

1.有研新材

公司主营业务分别为高纯/超高纯金属材料、稀土材料、光电材料、医疗器械材料、红外光学光纤材料,主要从事微电子光电子用薄膜材料、超高纯金属及稀贵金属材料、高端稀土功能材料、红外光学及光纤材料、生物医用材料等新材料的研发与制备,下游主要应用于新能源及新能源汽车、新一代信息技术、生物医药、节能环保等战略性新兴产业领域。

公司是国内规模最大、材料种类最齐全的高端电子信息用材料研发制造基地,并致力于发展贵金属循环经济。2018年有研亿金30余款8-12寸靶材新产品完成加工送样,已有多款靶材产品顺利通过考核认证,覆盖中芯国际、北方华创、GF、TSMC、UMC 等多家高端客户。2018年,有研亿金承担的国家科技重大专项,02 专项“45-28nm 配线用Cu靶材开发与产业化”项目、“高代线平面显示及先进封装用大尺寸靶材”项目顺利通过验收。

2.江丰电子

公司主营业务为高纯溅射靶材的研发、生产和销售业务,主要产品为各种高纯溅射靶材,包括铝靶、钛靶、钽靶、钨钛靶等。公司成立于2005年,由全球半导体靶材龙头霍尼韦尔原大中华区总裁姚力军博士领衔创立。公司先后承担了国家02重大专项、国家863重大专项等重要科研项目,打破了日美企业在高纯金属溅射靶材的垄断。

公司作为国内半导体溅射靶材国产化先锋,部分产品已通过台积电、格罗方德、海力士等世界著名半导体厂商的认证并实现批量供货。2018年,公司实现营业收入6.5亿元,yoy+18.12%,实现归母净利润5,881万元。其中半导体靶材占公司总营收的71.73%,是公司最主要的收入来源。

图表7  公司营业收入(百万元)

                                        

图表8  2018公司营收结构

 


三、本地区发展现状


(一)宁夏地区新材料产业发展概况

近年来,宁夏地区,尤其是首府银川市,逐渐成为了国内新材料企业布局的选址地之一,越来越多的企业选择在宁夏银川市扎根进行新材料的研发生产。究其原因不难发现,一是取决于宁夏地区的资源优势,二是取决于银川发展新材料产业的空间布局和政策引导,三是企业以自身发展需要所选择的一种产业集群。

新材料产业是高新技术的先导和基础,也是宁夏具有发展潜力的支柱产业之一。目前,宁夏钽铌铍等稀有金属材料产业技术水平已居世界前列;铝、镁冶炼及炭基材料技术水平均居全国领先地位;单晶硅、多晶硅、薄膜电池等光伏材料产业已经起步,形成了具有宁夏特色的产业区和良好的产业基础,呈现出以下几个方面的特点:

1、产品销售地以区外为主

目前钽粉、钽丝的出口量占生产量的90%,原镁及镁合金可达90%,碳化硅占80%,铝锭及铝合金占21%,年出口额均在数千万美元以上。

2、多为高耗能行业

宁夏新材料产业大部分为轻金属、稀有金属、铁合金冶炼加工以及碳基材料等新材料产业,年耗原煤约300万吨,年耗电约80亿千瓦时,年耗镁矿石、硅石约100万吨。

3、产业链条短

宁夏新材料产业在基础新材料产品上的生产能力较强,材料应用和后续加工少,制成品加工能力较弱,综合配套能力不强。

4、资源优势明显

宁夏是我国三大硅砂基地之一,国内最大的硅石、石英石基地在宁夏,优质硅石储量高达42.8亿吨,在区内已形成优质硅石开采、金属硅、高纯金属硅、多晶硅、单晶硅生产的产业链,在产业链中,又以单晶硅、多晶硅的生产最为引人关注。宁夏是国内最主要的金属镁及镁合金产地之一,已被国家确定为金属镁及镁合金材料产业化基地,产能、产量排全国第三位。

(二)宁夏地区靶材市场发展现状及前景分析

近年来,银川市始终坚持把项目建设作为工业强市的重要支撑,全面布局了一批战略新材料产业,先后引进了一批在国际、国内有深远影响的新材料龙头企业,目前银川经济技术开发区已发展成为世界知名的单晶硅材料生产基地、国内重要的工业蓝宝石生产基地和半导体材料产业基地。近几年,宁夏银川市在推进产业转型升级中,把新材料作为先导型战略产业,优先培育核心企业,打造行业龙头企业,通过建链、补链、强链,完善产业全链条,促进上下游企业聚集和产业链延伸,形成产业集群的叠加效应。

目前,在稀有金属靶材产业上,宁夏地区以(中色)西北稀有金属材料研究院宁夏有限公司、中色(宁夏)东方集团有限公司、宁夏东方钽业股份有限公司金属制品分厂为主的稀有金属生产及产品深加工。钽铌铍钛等稀有金属新材料产业是我国高新技术领域发展最活跃、最集中和最迅速的产业之一,也是宁夏的优势主导产业之一。在半导体的制造材料中,作为重要的溅射靶材,宁夏地区的资源及企业布局优势逐步凸显。宁夏在发展半导体制造材料产业是具备先天的强有力的资源优势,在利用优势的同时,更要注重全产业链的延伸,对于半导体制造材料乃至整个半导体行业产业链的每一个链键,都要把握机会,培育和发展新材料各个领域环节的企业,努力实现新材料产业链的建链、增链、强链计划,完善产业横向配套环节,打造一批创新能力强、创业环境好、特色鲜明的新材料产业集群,推进产业集约化、集群化、规模化发展。

四、结语

受到发展历史和技术限制的影响,溅射靶材行业在我国起步较晚,目前仍然属于一个较新的行业。与国际知名企业生产的溅射靶材相比,我国溅射靶材研发生产技术还存在一定差距,市场影响力相对有限,尤其在半导体芯片、平板显示器、太阳能电池等领域,全球高纯溅射靶材市场依然被美国、日本的溅射靶材生产厂商所控制或垄断。随着溅射靶材朝着更高纯度、更大尺寸的方向发展,我国溅射靶材生产企业只有不断进行研发创新,具备较强的产品开发能力,研制出适用不同应用领域的溅射靶材产品,才能在全球溅射靶材市场中占得一席之地。具体来说主要有以下两点:

一是发展靶材原料,纵向延伸提高附加值。靶材原料如高纯铝、高纯铜、高纯钼、ITO粉末等,早期基本靠从日美进口;但原料又是靶材产业链附加值较高的环节。目前国产企业凭借国内丰富的钼资源,已基本实现国产供应;在高纯铝和高纯铜,要加快国内金属加工企业的相关技术突破,攻克工艺难点,国内企业拓展上游高纯靶材原料来提高我国靶材内生增长力。

二是横向丰富靶材品种,适应市场需求。目前靶材的重点下游如半导体和显示企业,同时需要多品种靶材,国内企业一方面要开发市场格局趋势向上的平行靶材品种;另一方面要根据某个品种靶材工艺的发展,提前做技术储备和延伸。

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