芯片制造的基石之半导体材料的研发

（文章来源：乐晴智库）
       在半导体产业中，材料和设备是基石，是推动集成电路技术创新的引擎。半导体材料在产业链中处于上游环节，和半导体设备一样，也是芯片制造的支撑性行业，所有的制造和封测工艺都会用到不同的半导体材料。半导体材料一般均具有技术门槛高、客户认证周期长、供应链上下游联系紧密、行业集中度高、技术门槛高和产品更新换代快的特点，目前高端产品市场份额多为海外企业垄断，国产化率较低，寡头垄断格局一定程度制约了国内企业快速发展。

2019年全球半导体材料市场营收下滑显著，但下降幅度低于整体半导体产业。据中国电子材料行业协会统计，2019年全球半导体材料整体市场营收483.6亿美元（约合人民币3430.7亿元），同比2018年的519.4亿美元下降6.89%。从材料的区域市场分布来看，中国台湾地区是半导体材料最大区域市场，2019年市场规模达114.69亿美元；韩国市场规模76.12亿美元，中国大 陆市场规模81.90亿美元（约合人民币581.5亿元）为全球第三大半导体材料区域。

从晶圆制造材料与封装材料来看，2019年全球半导体晶圆制造材料市场规模293.19亿美元，同比2018年的321.56亿美元下降8.82%；2019年全球半导体晶圆封装材料市场规模190.41亿美元，同比2018年的197.43亿美元下降3.56%。半导体材料细分行业多，芯片制造工序中各单项工艺均配套相应材料。按应用环节划分，半导体材料主要可分为制造材料和封装材料。在晶圆制造材料中，硅片及硅基材料占比最高，约占31%，其次依次为光掩模板14%，电子气体14%，光刻胶及其配套试剂12%，CMP抛光材料7%，靶材3%，以及其他材料占13%。

在半导体封装材料中，封装基板占比最高，占40%。其次依次为引线框架15%、键合丝15%、包封材料13%、陶瓷基板11%、芯片粘合材料4%、以及其他封装材料2%。封装材料中的基板的作用是保护芯片、物理支撑、连接芯片与电路板、散热。陶瓷封装体用于绝缘打包。包封树脂粘接封装载体、同时起到绝缘、保护作用。芯片粘贴材料用于粘结芯片与电路板。半导体材料中前端材料市场增速远高于后端材料，前端材料的增长归功于各种前端技术的积极使用，如极紫外(EUV)曝光，原子层沉积(ALD)和等离子体化学气相沉积(PECVD)等。

制造材料中的硅片是晶圆制造的基底材料，贯穿整个晶圆制造过程。晶圆制造是半导体产业中重要一环，生产过程中会涉及多种材料。根据细分产品销售情况，2018年硅片占晶圆制造材料市场比值为38%，比重为相关材料市场第一位。虽然半导体材料已经发展到第三代，但由于制备工艺、后续加工及原料来源等因素影响，硅材料依然是主流半导体材料。

半导体硅片的尺寸（以直径计算）主要有100mm（4英寸）及以下、150mm（6英寸）、200mm（8英寸）、300mm（12英寸）与450mm（18英寸）等规格。半导体硅片的直径越大，在单片硅片上可制造的芯片数量就越多，单位芯片的成本随之降低。半导体硅片正在不断向大尺寸的方向发展。硅片是制造半导体芯片最重要的基本材料，是以单晶硅为材料制造的片状物体，在半导体硅片上可布设晶体管及多层互联线，使之成为具有特定功能的集成电路或半导体器件产品。

随着晶圆制造产业逐渐往国内转移，国内晶圆制造材料企业在面临挑战的同时也迎来重大机遇。溅射靶材是芯片中制备薄膜的元素级材料，通过磁控进行精准放置。高纯溅射靶材包括铝靶、钛靶、钽靶、钨钛靶等，这些产品主要应用于超大规模集成电路芯片、液晶面板、薄膜太阳能电池制造的物理气相沉积（PVD）工艺。5G时代到来，需求进一步释放，靶材行业或 将迎来高速发展，其中预计2023年仅5G智能手机设备更新的对靶材的需求为9.56亿美金，所有设备更迭将产生18.7亿美金的市场空间。

在溅射靶材领域，美国、日本企业占据全球市场主要份额。溅射靶材是典型的高技术壁垒行业，由于靶材起源发展于国外，高端产品被以美日为代表的国外企业所垄断。日矿金属、霍尼韦尔、东曹、普莱克斯、住友化学、爱发科等占据全球靶材市场主要份额。国内溅射靶材行业虽然起步晚，但在国家政策和资金的支持下，目前已有个别龙头企业在某些细分领域突破国外垄断，依靠价格优势在国内靶材市场占有一定份额。

国内溅射靶材企业主要有江丰电子、阿石创、有研新材等。其中，江丰电子的超高纯金属溅射靶材产品已应用于世界著名半导体厂商的先端制造工艺，在7纳米技术节点实现批量供货。

光刻胶是将掩膜版上的图形转移到硅片上的关键材料。光刻胶基于应用领域不同一般可以分为半导体集成电路（IC）光刻胶、PCB光刻胶以及LCD光刻胶三个大类。根据中国产业信息网数据显示，全球光刻胶市场仍主要被日本合成橡胶、东京日化（TOK）、罗门哈斯、信越化学、富士电子材料等化工寡头垄断，行业前七大厂商合计市占率达97.9%，行业高度集中。目前国内集成电路用i线光刻胶国产化率10%左右，集成电路用KrF光刻胶国产化率不足1%，ArF干式光刻胶、ArFi光刻胶全部依赖进口。

我国光刻胶及配套化学品的研究始于20世纪70年代，但目前我国在该行业与国际先进水平相比有较大差距，造成差距主要原因系：一方面，高端光刻胶树脂合成及光敏剂合成技术与国际水平相比还有一定距离；另一方面，高端光刻胶的研究需要匹配昂贵的曝光机和检测设备，远远超出一般科研单位所能承受的范围。目前，国内高端光刻胶产品尚需依赖进口。

CMP抛光液和抛光垫，通过化学反应与物理研磨实现大面积平坦化。在抛光垫方面，全球市场几乎被美国陶氏所垄断，陶氏占据了全球抛光垫市场约79%的市场份额。国外其他抛光垫生产商有美国的Cabot Microelectronics、日本东丽、台湾三方化学等。目前国内从事抛光垫材料生产研究的只有两家企业：鼎龙股份和江丰电子。

电子气体的作用是氧化，还原和除杂。根据SEMI数据，2018年全球半导体电子特气市场规模约45.1亿美元。空气化工集团、液化空气集团、大阳日酸株式会社、普莱克斯集团、林德集团等国外气体公司的市场占比超过80%。以华特股份为代表的国内气体公司通过多年持续的研发和投入，已陆续实现IC用高纯二氧化碳、高纯六氟乙烷、光刻气等多个产品的进口替代。

近年来我国半导体材料的整体国产化率仍然处于比较低水平，随着国内企业工艺技术的不断改进、专利布局逐渐完善，以及本土先进制程推进以及存储基地扩产，对半导体材料需求将逐年提升。半导体材料将受到整个行业上升趋势的推动，国产化替代市场空间巨大。
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