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细看我国集成电路发展状况(二)

www.91jinshu.com   2019-09-10  来源:芯师爷  编辑部
摘要 2、GaAs衬底半绝缘高阻GaAs(ρ>107Ω-cm)抛光片和外延片衬底具备高功率和高线性度的特性,在射频应用领域占有一定的市场份额。目前4-6英寸GaAs衬底市场主要掌握在美日欧厂商手中。在GaAs抛光片供应方面,日本住友电工、德国弗莱贝格化合物材料、AXT三家公司占据约95
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2、GaAs衬底

半绝缘高阻GaAs(ρ>107Ω-cm)抛光片和外延片衬底具备高功率和高线性度的特性,在射频应用领域占有一定的市场份额。目前4-6英寸GaAs衬底市场主要掌握在美日欧厂商手中。在GaAs抛光片供应方面,日本住友电工、德国弗莱贝格化合物材料、AXT三家公司占据约95%市场份额。

 

GaAs外延片市场经历了多次整合,如今产生了英国IQE、台湾全新光电(VPEC)、日本住友化学、美国英特磊四大领导厂商,销售的6英寸半绝缘GaAs产品的电阻率从107Ω-cm覆盖到108Ω-cm,具有较高的晶体轴向和径向电阻率均匀性,抛光片的加工几何参数如翘曲等很小,抛光片表面质量状态优良。

 

目前国内的GaAs衬底产品以LED用低阻GaAs抛光片为主,射频用半绝缘衬底由于研究基础较薄弱还未形成产业规模,高质量4-6英寸半绝缘体GaAs基本依赖进口。我国从事GaAs单晶研发与小规模生产的公司主要有:大庆佳昌、中科晶电、云南鑫耀、廊坊国瑞、天津晶明、新乡神州、扬州中显、中科嫁英、海威华芯、有研新材等公司,其中中科晶电和天津晶明具备4英寸GaAs衬底的生产能力,正在研发6英寸半绝缘抛光片;新乡神舟近期开始进行VGF法生长半绝缘GaAs单晶工艺研究,目前市场定位还不是很明确,主要以承担军工科研任务为主。

 

整体上,我国GaAs材料产业发展迅速,但由于加工经验和设备的限制,生产的产品性能指标与国外领先水平还有一定的差距(表4),表现在:单晶位错密度高,电阻率均一性差,批次间重复性低等。我国射频芯片厂用低位错密度的高质量大尺寸GaAs衬底需要进口。

 

表4 国内某公司半绝缘GaAs与国际先进水平的对比

 

3、InP衬底

InP衬底是数据通信收发器不可或缺的材料。Yole预测,5G技术的深入发展将带动InP抛光片和外延片市场由2018年的7700万美元,增长到2024年的1.72亿美元,复合年增长率达14%。目前InP衬底的主流尺寸是2-6英寸,且市场集中度较高,超过80%的衬底市场份额由日本住友电工和美国AXT两家公司占有。

 

由于InP晶体生长设备和技术门槛极高,国内只有少数厂家和科研单位可以制造InP单晶生长设备和生长InP衬底。中国电科13所最早设计了国产InP高压单晶炉并制备了我国第一根InP单晶,其余的生产企业还包括鼎泰芯源、北京世纪金光、云南业、广东天鼎思科新材料、广东先导半导体材料、深圳泛美、南京金美业等。其中珠海鼎泰芯源通过与中科院半导体所的团队进行联合攻关,已掌握了2-6英寸衬底的生产技术,产品产能为10万片/年(折合2英寸)。

 

比较来看,我国InP材料行业虽然在材料合成、晶体生长、材料热处理和材料特性等方面取得进步,也掌握了2-6英寸衬底片的技术,但国内企业产能规模仍然较小,大尺寸InP生产能力不足,市场主要掌握在外资企业中。

 

4、GaN衬底

由于GaN体单晶的生长需要高温、高压等极端的物理条件,因此不能用传统晶体生长方法直接合成,很长时间里,GaN单晶薄膜都是在异质基底上外延得到的。起先,蓝宝石是最常用的GaN异质外延基底,但是由于其晶格常数和热膨胀系数与GaN 有显著的差别,得到的外延衬底片仅适用于制备低端LED器件。SiC具有晶格失配小、导热性能好等特点(表5),非常适合高质量GaN外延材料的生长,是制作高频、大功率GaN HEMT器件的主要基底材料。

 

相较于SiC基GaN材料,Si基GaN衬底材料在低成本和大尺寸制备方面颇具优势,同时可与Si工艺兼容从而实现大规模量产。因此,在低成本、高产能需求的通信领域和消费类电子领域,Si基GaN材料是近年来商业化最快的GaN外延片。随着市场对高功率、高频器件需求的增大以及HVPE生长技术的不断成熟,越来越多的GaN基器件也开始采用先进的GaN同质外延材料,但GaN体单晶的成本一直居高不下。

 

此外,晶圆键合是用于制备GaN异质衬底的另一种新兴技术。目前GaN-on-Si和GaN-on-SiC材料能够满足集成电路应用需求,而其他衬底预计在2020年涉足射频和功率应用领域(图8)。

 

表5 不同基底上GaN单晶材料的特性

 

目前GaN体单晶市场重度集中。住友电工、日立电线、古河机械金属和三菱化学等日本公司已可以批量出售2-3英寸GaN体单晶材料,占据了超过85%的全球市场,并具备4英寸体单晶的小批量供应能力。其它厂商仍处于小规模量产或研发阶段,代表性公司有Aixtron、Kyma、牛津仪器等。

 

在外延片方面,美国科锐、雷声、道康宁,英国IQE,日本罗姆以及比利时的EpiGan(近期被Soitec收购)等多家公司可以供应3-4英寸GaN-on-SiC外延片,部分公司开始量产6英寸外延片。4-8英寸GaN-on-Si衬底也已经实现商用化,知名供应商包括日本的NTT-AT、比利时的EpiGan等,美国IR、英国IQE、日本Dowa、德国Azzurro、法国ST等公司也正在开发8英寸GaN-on-Si外延技术。

 

另外,法国Soitec在GaN键合片研发方面独树一帜,基于智能剥离技术开发的6英寸GaN-on-Si键合片已进入试生产阶段。

 

图8 GaN材料发展趋势

 

与此同时,我国GaN材料制备技术也不断取得突破。GaN体单晶材料方面,苏州纳维、东莞中镓以及厦门中芯晶研具备2-4英寸产品批量化生产能力,并积极向6英寸拓展。在GaN外延片方面,我国遍地开花,竞相重点布局GaN-on-Si外延片制造,其中长三角地区聚集了众多技术领先的GaN外延片生产商,研发能力全国最强,产业链最完备(表6)。整体上,我国已经具备了一定的GaN材料研发和产业化能力,但产品的质量和产能仍需不断加强。

 

表6 国内GaN外延片生产厂商、产品规格及产能

 

5、SiC衬底

SiC衬底在电力电子和微波射频领域具有广阔的应用前景,因此成为半导体技术研究前沿和产业竞争焦点,目前已基本形成了美国、欧洲、日本三足鼎立的局面。国际上实现SiC单晶和外延片商业化的公司主要有美国的科锐、Bandgap、Dow Dcorning、II-VI、Instrinsic,日本的Rohm、NSC、Nippon、Sixon、Bridegestone、昭和电工、Denso,芬兰Okmetic,德国Sicrystal、英飞凌,比利时EpiGaN等。其中,科锐是全球最大的SiC单晶供应商,占全球市场的85%以上,Sicrystal公司是欧洲地区的主要供应商。从产品来看,国际主流SiC衬底材料产品已经向6英寸过渡,8英寸衬底样品已经面市。

 

我国SiC生产企业的技术研发能力处于与世界先进水平并行的地位,国内开始批量生产4英寸导电和半绝缘衬底,并开发出6英寸样品(表7),但产品批量生产能力较弱,产品的微管缺陷密度与位错缺陷密度等关键技术指标与国际水平存在一定差距,主要以国内市场为主。

 

表7 国内SiC衬底生产厂商、产品规格及产能

 

6、其他衬底材料

以5G芯片及其集成技术为代表的新兴差异化应用的发展需要多种核心衬底材料的支撑。除了硅片、化合物半导体以外,SiGe、硅基压电材料(POI、AlN及其化合物等)也是5G所需的核心关键材料。我国在这些高质量特殊衬底材料制备方面基础薄弱,相关产品尚处于实验室或中试阶段。

 

三、光刻胶和掩膜版发展情况

1、光刻胶

光刻胶是微细图形加工关键材料之一,由成膜树脂、感光组分、微量添加剂(染料、增粘剂等)和溶剂等成分组成的对光敏感的混合液体,具有纯度高、生产工艺复杂、生产及检测等设备投资大、技术积累期长等特征,属于资本技术双密集型产业。

 

目前,全球芯片工艺水平已跨入微纳米级别,光刻胶的波长由紫外宽谱(300-450nm)逐步至G线(436nm)、I线(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm),以及最先进的EUV(<13.5nm)水平(表8)。从全球光刻胶分类市场份额占比来看,高端光刻胶占据最大的市场份额,其中G/I线光刻胶占比为24%,KrF光刻胶占比为22%,ArF光刻胶占比为41%。

 

表8 光刻胶种类、应用领域及特性

 

全球光刻胶市场基本被日本JSR、东京应化、住友化学、信越化学,美国罗门哈斯等几家大型企业所垄断,市场集中度非常高。国内芯片制造厂向28nm以下更小节点不断发展,先进工艺对高端光刻胶的需求不断增大。但高端光刻胶因技术受卡,始终依赖进口,国产化率低(表9)。根据中国产业信息网的数据,适用于6英寸硅片的G/I线光刻胶的自给率分别约为60%和20%,适用于8英寸硅片的KrF光刻胶的自给率仅有1%,而适用于12寸硅片的ArF光刻胶完全依靠进口。

 

表9 光刻胶企业材料量产和研发情况

 

目前我国有北京科华、苏州瑞红、潍坊星泰克、上海飞凯光电材料、容大感光、广信材料、东方材料、永太科技等超过10家光刻胶企业,但产品能够批量进入集成电路的只有三家,分别是北京科华(南大光电持股31.39%)、苏州瑞红(晶瑞股份100%控股)和潍坊星泰克。

 

北京科华主要产品为紫外负性光刻胶及配套试剂,lift-off负胶,紫外正性光刻胶(G线、I线)及配套试剂,248nm光刻胶。北京科华的I线光刻胶已全面进入国内主要的6英寸及以下芯片厂,并在部分8英寸芯片厂实现小批量应用。同时,北京科华进一步研发ArF光刻胶,2017年研发生产的ArF干法光刻胶中试产品已完成在国内一流芯片制造厂的测试;苏州瑞红主要产品为紫外负性光刻胶及配套试剂、G线光刻胶及配套试剂等。苏州瑞红承担的国家02专项项目I线光刻胶产业化技术开发项目正在进展当中;潍坊星泰克主要产品包括G线光刻胶、Lift-off负胶。

 

从国内市场来看,目前主流的四种中高端光刻胶中,G/I线光刻胶已经实现量产;KrF光刻胶正逐步通过芯片厂认证并开始小批量生产;ArF光刻胶乐观预计在2020年能有效突破并完成认证;最新的EUV和电子束光刻胶方面,现在国内还不具备条件也没有这方面研发能力,量产更是遥遥无期。

 

另外,我国光刻胶的发展面临高纯光刻胶原材料的国产化问题。除了强力新材、河南翰亚微电子江苏天音化工等少数企业能够少量供应部分光刻胶原材料以外,高端光刻胶所需的树脂主体材料、光敏剂、抗反射涂层(ARC)等基本依赖进口。

 

2、掩膜版

掩膜版(表10)在集成电路行业中的作用就像照相行业中的胶卷底片,行业地位特殊,其质量很大程度上决定了集成电路最终产品的质量。对于芯片制造,掩膜版的设计和制造需要与集成电路工艺紧密衔接,因此,芯片制造厂一般都有配套的专业掩膜版工厂,先进的掩膜版技术也因此掌握在先进芯片制造厂商手中。

 

目前,英特尔、三星、台积电、Globalfoundries等全球最先进的芯片制造厂所用的掩膜版大部分由自己的专业工厂生产,外购量较少。据统计,芯片大厂附属掩膜版厂的掩膜版收入占整体掩膜版市场收入的六成。对于非先进制程,特别是一些60nm及90nm以上制程产品,掩膜版外包的趋势非常明显,独立掩膜版制造厂的市场比较高。目前全球独立的掩膜版厂商包括美国Photronic、日本DNP 、日本Toppan、台湾光罩以及SK-Electronics等,前三家公司占据80%以上的市场份额。

 

我国掩膜版生产公司以外资为主,美国Photronics和日本Toppan都在上海建有大规模生产基地,占据了我国高档光掩膜版市场。我国本土的掩膜版厂主营生产低端产品,按经营模式可分为3类:第一类是科研院所,包括中科院微电子中心,中国电科13所、24所、47所、55所等;第二类是独立的掩膜版制造厂商,主要有无迪思微电子和无锡中微,技术水平分别为0.8μm-0.13μm和0.25μm;第三类是芯片厂配套的掩膜厂,以中芯国际掩膜厂为代表,技术水平为0.25μm-0.18μm。整体而言,国内企业掩膜版加工能力有限,高端掩膜版技术与国外先进水平差距较大。

 

表10 常用掩膜版类型及特性

 

掩膜版的主要原材料为掩膜基板、掩膜保护膜(Pellicle透明保护膜等)等。基板通常是高纯度、低反射率、低热膨胀系数的石英玻璃,其成本占到掩膜版原材料采购成本的90%左右,是制造掩膜版的核心材料。我国尚不具备生产高档高纯石英掩膜基板的生产能力。掩膜保护膜可以增加芯片生产的良率并且减少掩膜版清洁次数和磨损,是降低光刻工艺成本的关键材料,该种保护膜生产技术被美国、日本垄断。我国迄今仅有芯恩报道了在掩膜基板和掩膜保护膜相关领域的探索性布局。

 

四、工艺化学品和电子气体发展情况

1、工艺化学品

高纯工艺化学品主要包括无机酸类、无机碱类、有机溶剂类等通用化学品以及配方型化学品(表11),通常用于芯片生产中的清洗、光刻、刻蚀、显影、互联等工艺,是集成电路制造用关键材料。

 

表11 通用和配方型工艺化学品类别

 

集成电路行业对高纯化学试剂的微量金属杂志含量、颗粒粒径和数量、阴离子杂志含量等方面有严格要求。根据SEMI标准,应用于集成电路领域的高纯化学品集中在SEMI G3、G4水平,且集成电路线宽越窄,所需的高纯化学试剂的标准越高,纯度和洁净度的要求也就越高(表12)。常用的高纯化学试剂已经超过30种,多用于清洗、刻蚀等工艺。

 

表12 高纯化学试剂SEMI国际标准等级

 

配方型化学品是指通过复配手段达到特殊功能、满足制造中特殊工艺需求的配方类或复配类化学品,主要包括清洗腐蚀试剂和光刻胶配套试剂等。清洗腐蚀试剂主要用于集成电路制造过程中的湿法清洗和刻蚀工艺。清洗腐蚀试剂的主要特点是技术含量高、工艺配套性强。

 

同时,由于集成电路制造工艺的不同或技术节点的不同,对其质量和性能的要求也不尽相同,表13列出了集成电路制造工艺中常用的清洗腐蚀试剂。光刻胶配套试剂是指在集成电路制造中与光刻胶配套使用的试剂,主要包括有机溶剂、稀释剂、显影液、漂洗液、剥离液、去边液等(表14)。大部分光刻胶配套试剂的组分是有机溶剂和微量添加剂,溶剂和添加剂都是具有低金属离子及颗粒含量的高纯试剂。

 

由于多数配方型化学品是混合物,它的理化指标很难通过普通仪器定量检测,只能通过应用手段来评价其有效性,因此产品应用测试周期较长。

 

表13 常用的清洗刻蚀试剂

 

表14 光刻胶配套试剂及用途

 

全球工艺化学品主要生产企业有德国巴斯夫,美国亚什兰化学、Arch化学,日本关东化学、三菱化学、京都化工、住友化学,台湾鑫林科技,韩国东友精细化工等,上述公司占全球市场份额的85%以上。

 

国内生产超净高纯试剂的企业中产品达到国际标准且具有一定生产量的企业有30多家,技术水平主要集中在G2级(国产化率80%)以下,8英寸(G3)及12英寸(G4)需求的高纯化学品基本靠进品,国产化率约为10%,仅有少数部分技术领先企业的部分产品达到了国际SEMI G4标准。

 

国内生产工艺化学品的企业主要有晶瑞股份、江阴江化微、江阴润玛电子、江阴化学试剂、苏州晶瑞化学、浙江凯圣(巨化股份)、上海新阳、湖北兴发、达诺尔等(表15)。

 

其中晶瑞股份的超纯氢氟酸、盐酸、硝酸和氨水纯度等级已达到SEMI G3、G4等级,双氧水产品品质达到10ppt(相当于SEMI G5等级),目前已在华虹宏力进行上线评估;江化微硝酸、氢氟酸、氨水等细分产品都达到了G4、G5的行业水平,G3等级的硫酸、过氧化氢、异丙醇、低张力二氧化硅蚀刻液、蚀刻液进入国内6英寸晶圆、8英寸先进封装凸块芯片生产线,部分光刻胶配套试剂产品进入中芯国际、士兰微等供应链;浙江凯盛生产的电子级硝酸进入国内12英寸芯片工艺制程供应链;上海新阳已成为先进封装和传统封装行业所需电镀与清洗化学品的主流供应商,其超纯电镀硫酸电镀液已成功进入中芯国际、海力士的28nm大马士革工艺制程,成为baseline产品,进入工业化量产阶段。

 

表15 国内工艺化学品企业及代表产品

 

2、电子气体

在集成电路制造业中,气体的使用非常广泛,约占全部生产材料的三分之一。气体的纯度和洁净度直接影响到电子元器件的质量、集成度、特定技术指标和成品率,并从根本上制约着电路和器件的精确性和准确性。

 

目前,大部分高纯气体的纯度达到99.99%(4N)以上,部分气体纯度应达到5N以上。在集成电路工业中应用的有110余种气体,其中常用的有超过30种,按其本身化学成分可分为硅系、砷系、磷系、硼系、金属氢化物、卤化物和金属烃化物七类,按在集成电路中不同应用途径可分为掺杂气体、外延气体、掺杂气体、刻蚀用气体、化学气相沉积气和载气等(表16)。

 

表16 集成电路中常用的气体(绿色字体代表已实现国产化)

 

电子气体从生产到分离提纯以及运输供应阶段都存在较高的技术壁垒,市场准入条件高,全球市场主要被几家跨国巨头垄断。包括美国空气化工、普莱克斯、德国林德集团、法国液化空气、日本大阳日酸株式会社等公司占据了全球电子气体90%以上的市场份额。国内电子气体企业的生产技术与国外存在较大差距,电子气体市场仍被外企主导。截止2016年年底,美国化工、普莱克斯、日本昭和电工、英国BOC公司、法国液化公司、日本酸素等六家公司合计占据了我国电子气体85%的市场份额,国内企业主要集中在中低端市场。

 

国内从事高纯电子气体生产的主要企业有中船重工七18所、中昊光明化工研究设计院、苏州金宏气体、大连保税区科利德化工科技、佛山市华特气体、江苏南大光电、黎明化工研究设计院、绿菱电子材料(天津)、广东华特气体、北京华宇同方化工科技、杭州同益气体研究所、湖北晶星科技、江苏雅克科技、南京亚格泰新能源材料、上海正帆科技等十几家企业。其中中船重工的NF3、WF6进入国内主流12英寸芯片制造厂商生产线,雅克科技产品中CF4进入台积电12英寸28nm晶圆加工生产线,南大光电所售高纯磷烷、砷烷产品以及三甲基镓、三甲基、三乙基镓、三甲基等MO源产品纯度达到6N级别。

 

虽然我国电子气体已经摆脱完全依赖进口的状态,国内企业已经基本具备了生产部分高纯电子气体的能力,但是由于本土电子气体的生产和供应商规模较小,产品质量稳定性差,国内电子产品的包装、储运未能和现代电子工业的要求接轨等原因,导致目前大部分电子气体还不能全面进入集成电路领域(表16)。

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