1、應(yīng)用背景
半導(dǎo)體芯片行業(yè)是金屬濺射靶材的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，也是對靶材的成分、組織和性能要求最高的領(lǐng)域。具體地，半導(dǎo)體芯片的制作過程可分為硅片制造、晶圓制造和芯片封裝等三大環(huán)節(jié)，其中，在晶圓制造和芯片封裝這兩個環(huán)節(jié)中都需要用到金屬濺射靶材[1]。
(1)硅片制造:單晶硅片的制造過程，首先是將電子級高純多晶硅通過重熔拉成單晶硅棒，切割成厚度為0.5~1.5mm的薄圓片，常見的晶圓直徑包括:150mm、200mm、300mm和450mm等(分別對應(yīng)6寸、8寸、12寸以及18寸等規(guī)格)。
(2)晶圓制造:每個晶圓片上一般包含成百上甚至千個芯片，而每個芯片的內(nèi)部又包含著數(shù)以億計(jì)的微型晶體管。晶圓的制造可分為前、后端兩大工序。其中，前端工序，就是按照設(shè)計(jì)要求在每個芯片上制作出大量微型晶體管的過程。后端工序，是將芯片內(nèi)部的晶體管用金屬線連接成電路的過程。
(3)芯片封裝:是將芯片上的電路管腳接到芯片封裝外殼的引腳上，從而起到聯(lián)接芯片內(nèi)部與外部電路并且保護(hù)芯片的作用。
2、濺射原理
半導(dǎo)體芯片用金屬濺射靶材的作用，就是給芯片上制作傳遞信息的金屬導(dǎo)線。
具體的濺射過程，如圖1所示，首先利用高速離子流，在高真空條件下分別去轟擊不同種類的金屬濺射靶材的表面，使各種靶材表面的原子一層一層地沉積在半導(dǎo)體芯片的表面上，然后再通過的特殊加工工藝，將沉積在芯片表面的金屬薄膜刻蝕成納米級別的金屬線，將芯片內(nèi)部數(shù)以億計(jì)的微型晶體管相互連接起來，從而起到傳遞信號的作用。
3、靶材分類
半導(dǎo)體芯片行業(yè)用的金屬濺射靶材，主要種類包括:銅、鉭、鋁、鈦、鈷和鎢等高純?yōu)R射靶材，以及鎳鉑、鎢鈦等合金類的濺射靶材[2]。具體圖2和表1所示:
表1半導(dǎo)體芯片行業(yè)用主要金屬濺射靶材簡介
| 序號 | 材料 | 應(yīng)用說明 | 備注 |
| 1 | 銅靶 | 導(dǎo)電層 | 高純銅材料因其電阻很低,對芯片集成度的提 高非常有效,因此在110nm以下技術(shù)節(jié)中被大量 用作布線材料3。 | 銅靶和鉭靶通常配合起來使用。 晶圓的制造技術(shù),目前正在朝著更小的制程方 向發(fā)展,銅導(dǎo)線工藝的應(yīng)用量在逐步增大,因 此,銅和鉭靶材的需求將有望持續(xù)增長。 |
| 2 | 鉭靶 | 阻擋層 | 高純鉭靶主要用在12英寸晶圓片90nm以下的 高端半導(dǎo)體芯片上。 |
| 3 | 鋁靶 | 導(dǎo)電層 | 高純鋁靶在制作半導(dǎo)體芯片導(dǎo)電層方面應(yīng)用甚 廣,但因其響應(yīng)速度方面的原因,而在110nm以 下技術(shù)節(jié)點(diǎn)中很少應(yīng)用。 | 鋁靶和鈦靶通常配合起來使用。 目前,在汽車電子芯片等需要110nm以上技術(shù) 節(jié)點(diǎn)來保證其穩(wěn)定性和抗干擾性的領(lǐng)域,仍需 大量使用鋁、鈦靶材。 |
| 4 | 鈦靶 | 阻擋層 | 高純鈦靶主要用在8英寸晶圓片130和180nm技 術(shù)節(jié)點(diǎn)上。 |
| 5 | 鎳鉑 合金靶 | 接觸層 | 可與芯片表面的硅層生成一層薄膜,起到接觸 作用4。 |
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| 6 | 鈷靶 | 接觸層 | 可與芯片表面的硅層生成一層薄膜,起到接觸 作用。 |
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| 7 | 鎢鈦 合金靶 | 接觸層 | 鎢鈦合金,由于其電子遷移率低等優(yōu)點(diǎn),可作為 接觸層材料用在芯片的門電路中。 |
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| 8 | 鎢靶 |
| 主要用于半導(dǎo)體芯片存儲器領(lǐng)域[5]。 |
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4、供應(yīng)格局
當(dāng)前國際上，日本的日礦金屬、東曹公司以及美國的霍尼韋爾、普萊克斯公司，這四家靶材制造國際巨頭，占居了全球半導(dǎo)體芯片用靶材市場約90%的份額。同時(shí)，近年來,以江豐電子、有研新材以及貴研鉑業(yè)等為代表的國內(nèi)靶材制造企業(yè)也在快速崛起,并已經(jīng)在全球靶材市場上占有了一席之地。具體如表2所示。
表2國內(nèi)外半導(dǎo)體芯片用靶材的主要供應(yīng)商介紹
| 序號 | 公司名稱 | 國家 | 半導(dǎo)體行業(yè)用主要靶材產(chǎn)品介紹 |
| 1 | 日礦金屬 | 日本 | 日礦金屬的靶材加工綜合實(shí)力居國際第一,其在全球范圍內(nèi),占據(jù)了半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域約30%的靶材 市場份額。 |
| 其生產(chǎn)的半導(dǎo)體芯片用鉭靶和銅靶以及半導(dǎo)體芯片存儲器用鎢靶等的市場占有率居全球第一。另 外,其生產(chǎn)的半導(dǎo)體芯片用鋁靶和鈦靶也占有較大的全球市場份額。 |
| 2 | 東曹 | 日本 | 東曹是一家國際領(lǐng)先的靶材加工企業(yè),在我國和美、日、韓等國家均具有生產(chǎn)基地。 |
| 其在半導(dǎo)體芯片用鋁靶方面,基本與美國的普萊克斯公司共同平分了全球市場。另外,其存儲器芯 片用的鎢靶的市場占有率居全球第二,而且,在半導(dǎo)體芯片用銅靶和鉭靶方面,也占有全球較大的 市場份額。 |
| 3 | 霍尼韋爾 | 美國 | 霍尼韋爾是一家國際領(lǐng)先的靶材加工企業(yè)。 |
| 其高純鈦原料的制備能力在全球遙遙領(lǐng)先,其高純鈦靶材的加工能力和市場占有率居全球第一,其 半導(dǎo)體芯片用的銅靶的市場占有率居全球第二,此外,其鋁靶的全球市場份額也較大。 |
| 4 | 普萊克斯 | 美國 | 普萊克斯是一家國際領(lǐng)先的靶材加工企業(yè)。 |
| 其在半導(dǎo)體芯片用鋁靶方面,基本與日本的東曹公司共同平分了全球市場。另外,其半導(dǎo)體芯片用 的鈦靶的市場占有率居全球第二,同時(shí),其鉭靶和銅靶的全球市場份額也較大。 |
| 5 | 世泰科 | 德國 | 全球領(lǐng)先的鎢、鉬鉭、鈮、錸及陶瓷粉提供商。 |
| 其幾乎壟斷著全球半導(dǎo)體芯片用鉭靶材的鉭粉原料和鉭靶坯的供應(yīng)。 |
| 6 | 江豐電子 | 中國 | 江豐電子是國內(nèi)高端濺射靶材行業(yè)的最有影響力的代表企業(yè)。 |
| 其靶材的下游應(yīng)用行業(yè),以半導(dǎo)體芯片為主,以平面顯示和光伏為輔,其銷售區(qū)域則以出口為主 (2017年?duì)I收的70.5%來自出口市場)。 |
| 具體的靶材產(chǎn)品包括高純鉭靶、高純鈦靶、高純鋁靶以及鎢鈦靶等等。另外其高純銅原料及靶材生 產(chǎn)工藝已經(jīng)日趨成熟,正等待逐步量產(chǎn)。而且該公司已經(jīng)從瑞典購置了國際領(lǐng)先的熱等靜壓設(shè)備, 主要用來生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片存儲器的用高端鎢靶材。 |
| 7 | 有研新材 | 中國 | 有研新材旗下的全資子公司有研億金,沒有平面顯示行業(yè)用條靶生產(chǎn)線,只生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片行業(yè)用 高端濺射靶材,也是是國內(nèi)研發(fā)最早、實(shí)力最強(qiáng)、銷售規(guī)模最大的靶材制造企業(yè)之一。 |
| 有研億金是我國唯一具備超高純金屬原料和半導(dǎo)體芯片用濺射靶材整套研發(fā)制造體系的企業(yè),其高 純銅、鎳、鈷以及金、銀等貴金屬材料提純技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平,并在去年成為了全球最大的晶 圓代工廠臺積電的第二家高純鉆濺射靶材合格供應(yīng)商。 |
5、供應(yīng)商認(rèn)證
(1)認(rèn)證周期較長:
半導(dǎo)體芯片制造企業(yè)對靶材合格供應(yīng)商的認(rèn)證過程非常漫長和苛刻，一般至少需要2-3年以上。對絕大多數(shù)靶材生產(chǎn)企業(yè)來說，都難以承受在此期間所要付出的巨大資金、人力以及時(shí)間成本，而對芯片制造企業(yè)來說，開發(fā)新的合格供應(yīng)商的時(shí)間成本和風(fēng)險(xiǎn)也很高,在現(xiàn)有靶材供應(yīng)商能夠滿足其生產(chǎn)需求的情況下，對引入新的供應(yīng)商幾乎沒有興趣。這些也是造成該行業(yè)高技術(shù)壁壘的原因之一。
(2)認(rèn)證模式各異:
半導(dǎo)體芯片制造企業(yè)對靶材合格供應(yīng)商的認(rèn)證模式各不相同。其中，要進(jìn)入日、韓等國家芯片制造企業(yè)的靶材供應(yīng)商,則必須通過日、韓本國的中間商或者商社來間接供應(yīng);要進(jìn)入英特爾的靶材供應(yīng)商,則必須通過應(yīng)用材料(AM)的推薦;要進(jìn)入全世界最大的晶圓代工企業(yè)臺積電的靶材供應(yīng)商,則需要通過其最終客戶(蘋果和華為等)的認(rèn)可。
(3)供應(yīng)商的份額:
半導(dǎo)體芯片制造企業(yè)對其所需要的每一種濺射靶材，一般都會選擇三家左右的穩(wěn)定供應(yīng)商。并且，從排名第一的供應(yīng)商處的采購量最大,從排名第二的供應(yīng)商處的采購量較小，而排名第三的供應(yīng)商則基本相當(dāng)于備胎。
6、結(jié)論
(1)半導(dǎo)體芯片的制作過程可大致分為硅片制造、晶圓制造和芯片封裝等三個環(huán)節(jié),其中,在晶圓制造和芯片封裝兩個環(huán)節(jié)中都需要用到金屬濺射靶材。
(2)半導(dǎo)體芯片行業(yè)用的金屬濺射靶材，主要種類包括:銅、鉭、鋁、鈦、鈷和鎢等高純?yōu)R射靶材，以及鎳鉑、鎢鈦等合金類的濺射靶材。
(3)銅靶和鉭靶通常配合起來使用。目前晶圓的制造正朝著更小的制程方向發(fā)展，銅導(dǎo)線工藝的應(yīng)用量在逐步增大，因此，銅和鉭靶材的需求將有望持續(xù)增長。
(4)鋁靶和鈦靶通常配合起來使用。目前，在汽車電子芯片等需要110nm以上技術(shù)節(jié)點(diǎn)來保證其穩(wěn)定性和抗干擾性的領(lǐng)域，仍需大量使用鋁、鈦靶材。
(5)國外方面,日本的日礦金屬、東曹公司以及美國的霍尼韋爾、普萊克斯公司，這四家靶材制造國際巨頭，占居了全球半導(dǎo)體芯片用靶材市場約90%的份額。而德國世泰科公司是全球領(lǐng)先的鎢、鉬鉭、鈮、錸及陶瓷粉提供商，并幾乎壟斷著全球半導(dǎo)體芯片用鉭靶材的鉭粉原料和鉭靶坯的供應(yīng)。
(6)國內(nèi)方面，以江豐電子、有研新材以及貴研鉑業(yè)等為代表的國內(nèi)靶材制造企業(yè)近年來正在快速崛起，其鋁、鈦、銅、鉭、鈷等高純靶材以及鎢鈦、鎳鉑等合金靶材，已在全球市場占有了一席之地。
(7)半導(dǎo)體芯片制造企業(yè)對其靶材合格供應(yīng)商的認(rèn)證過程十分苛刻，且各家認(rèn)證模式也各不相同，絕大多數(shù)供應(yīng)商都難以承受認(rèn)證過程中的巨大資金和時(shí)間成本，而芯片制造企業(yè)也對引入新的供應(yīng)商興趣不大。
(8)半導(dǎo)體芯片制造企業(yè)對其所需要的每一種濺射靶材,一般都會選擇三家左右的穩(wěn)定供應(yīng)商。但主要從排名第一的供應(yīng)商處的大量采購,從排名第二的供應(yīng)商處的采購份額較小，排名第三及以后的供應(yīng)商則基本相當(dāng)于備胎。
參考文獻(xiàn)
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（注，原文標(biāo)題：半導(dǎo)體芯片行業(yè)用金屬濺射靶材市場分析）
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