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          半導體材料全球格局

          發布時間:2023-12-23

                       半導體材料全球格局

             半導體材料是半導體產業鏈的重要支撐產業,按應用環節劃分為晶圓制造材料和封裝材料。整個半導體產業鏈主要包括IC的設計、晶圓制造以及封裝測試等環節,半導體材料主要應用在集成電路的制造和封裝測試等領域。集成電路的制造和封測對材料和裝備需求巨大。從材料角度看,涉及到大硅片光刻膠、掩膜版、特種氣體等原材料;從裝備角度看,涉及到光刻機、刻蝕機、PVD、CVD等各種核心設備。而本文主要圍繞晶圓制造材料角度展開。
          集成電路產鏈

           半導體材料市場概覽

            集成電路生產需要用到包括硅基材、CMP拋光材料、高純試劑(用于顯影、清洗、剝離、刻蝕)、特種氣體、光刻膠、掩膜版、封裝材料等多種電子化學品材料。根據Prismark數據,全球集成電路制造成本中,電子化學品占集成電路制造成本的比重約為20%。

          集成電路生產用晶圓制造材料

            集成電路晶圓制造流程:6個獨立的生產區構成完整晶圓制造流程
          (1)擴散:進行高溫工藝和薄膜淀積的區域,將硅片徹底清洗并進行自然氧化;(2)光刻:對硅片進行預處理、涂膠、曝光、顯影,隨后清洗硅片再次烘干;(3)蝕刻:用高純試劑(氫氟酸、鹽酸等)進行刻蝕,保留設計好的圖案;(4)離子注入:注入離子(磷、硼),高溫擴散,形成集成器件;(5)薄膜生長:進行各個步驟當中介質層和金屬層的淀積;(6)拋光:拋光材料打磨,并再次清洗插入電極等后續處理,進行WAT測試。
          晶圓制造材料在半導體制造流程中的應用環節
          全球半導體材料市場跟隨半導體市場呈周期波動。根據SEMI數據顯示,2009-2011年,受半導體市場規模持續擴張影響,全球半導體材料迎來快速增長,市場規模由346.4億美元提升至478.8億美元。2012-2017年,半導體材料市場進入震蕩調整階段,市場規模維持在420-470億美元。2018年市場再次迎來爆發,同比2017年提升50億市場規模。2019年,半導體材料市場維持穩定,全球銷售額約為521.1億美元,其中晶圓制造材料約為328億美元,封裝材料約為192億美元。2008-2019年全球半導體材料市場規模
          而在過去幾年,中國半導體材料市場穩步增長。
          根據SEMI數據,2009-2019年,中國半導體材料市場從32.6億美元提升至86.9億美元,年均復合增長率(CAGR)達到10%。整體來看,我國半導體材料的國產化率仍處于較低水平,進口替代空間大。此外,隨著國內晶圓廠的投資完成以及本土先進制程推進,國內半導體材料的市場有望持續增長,給本土材料廠商帶來較大的導入機會。
          2008-2019年中國半導體材料市場規模(億美元)
          從半導體材料市場的具體構成來看,根據SEMI數據,大硅片占比高達38%,電子特氣與掩膜版均占比13%位居次席,其余市場份額由光刻膠、靶材、CMP拋光材料等產品占據。
          2018年全球半導體材料市場構成

          硅片:半導體材料市場的半壁江山

             如上圖所示,硅片是半導體材料中最重要的組成。而晶圓材料的發展歷程大致可分為三代:第一代為鍺、硅為代表;第二代主要是砷化鎵、磷化銦;第三代為氮化鎵、碳化硅等。目前大部分晶圓仍以硅為主要原料。硅晶圓的加工可分為硅提純、拉晶、晶棒測試、外徑研磨、切片等流程。

              硅晶圓制造過程
            硅晶圓為IC的基底,朝大尺寸方向發展。硅片主要使用在半導體集成電路中,用來制作硅晶圓當成集成電路的基底。按照尺寸大小可分為6英寸、8英寸和12英寸,尺寸越大,加工難度也越大。由于集成電路的集成度越來越高,因此對大尺寸硅片的需求量越來越大。硅片總體需求和集成電路芯片需求高度一致。目前趨勢是6英寸硅片市場份額已經較低,12英寸硅片市場需求強勁,全球范圍內保持快速增長。
              全  球硅晶圓朝大尺寸方向發展
          半導體硅片上游材料為電子級多晶硅,德國wacker、美國hemlock、日本丸紅株式會社等境外企業占據主要市場。國內鑫華半導體、黃河水電已實現穩定量產電子級多晶硅,但產品多用于生產150-200mm(6英寸、8英寸)硅片,更大尺寸硅片的原材料仍主要依靠進口。
          半導體硅片下游是各類電子元器件。其中200mm(8英寸)及以下硅片終端應用領域主要為移動通信、汽車電子、物聯網、工業電子等。300mm(12英寸)硅片需求主要來源于智能手機、計算機、云計算、人工智能、SSD(固態存儲硬盤)。
             全球硅片出貨面積及單位價格走勢
            半導體硅片市場景氣與電子工業需求深度綁定。2009年經濟危機后硅片量價齊跌,2010年由于智能手機放量硅片量價增長有所反彈。2011年至2016年,全球經濟乏力,硅片價格持續下跌,出貨量增長主要由硅片體積增加所致,市場規模略有下降。2017年后受益于下游計算機、移動通信、固態硬盤、工業電子的需求上漲,硅片市場實現量價齊升。
             全球硅片市場規模
             全球硅片市場巨頭壟斷,中國大陸地區廠商體量較小。
          競爭格局方面,信越化學、住友勝高、世創、環球晶圓為全球四家主流供應商,市場合計占比80%以上。中國大陸地區廠商以滬硅產業、中環股份為首,2018年滬硅產業占全球硅片市場2.18%,相比全球硅片巨頭體量尚小。
          2018年全球半導體硅片競爭格局
          國內硅片廠商加速追趕,滬硅產業12寸硅片一馬當先。目前國內主要有滬硅產業、中環股份、超硅半導體、金瑞泓等企業進入大硅片領域。
          國內硅片主要企業產品情況
          它山之石:信越化學作為日本有機硅工業“國產技術”的典范,信越化學的成功離不開以下幾個方面的原因。
          強大的研發力度和研發能力,信越化學共設有7家研發中心,是研發內生增長的典范。信越化學通過自行生產金屬硅,保障了主原料的穩定性,確立了從原料開始的一貫式生產體制。
          國家的大力支持,日本政府在行業發展前期頗具戰略眼光,給予多種優惠政策,通產省1989年制定了160億日元的“硅類高分子材料研究開發基本計劃”支持硅材料的研發,這一計劃為以信越化學為首的有機硅生產企業提供了資金和技術的大力支持。

          光刻膠:高壁壘,機會大

             光刻膠是利用化學反應進行圖像轉移的媒體,將所需要的微細圖形從掩模版轉移到待加工基片上的圖形轉移介質。光刻膠被廣泛應用于光電信息產業的微細圖形線路的加工制作,是微細加工技術的關鍵性材料。在光刻工藝中,光刻膠被均勻涂布在硅片、玻璃和金屬等不同的襯底上,經曝光、顯影和蝕刻等工序將掩膜版上的圖形轉移到薄膜上,形成與掩膜版完全對應的幾何圖形。

              光刻膠應用原理
            光刻膠原材料主要為樹脂、溶劑和其他添加劑。其中溶劑質量占比最大,一般在80%以上。其他添加劑質量占比雖不足5%,卻是決定光刻膠特有性質的關鍵材料,包括光敏劑、表面活性劑等材料。光刻膠可根據其下游應用領域分為半導體光刻膠、面板光刻膠和PCB光刻膠三類,半導體光刻膠和面板光刻膠市場規模分別為13.73億美元,15.87億美元。
          光刻膠的發展是摩爾定律運行的核心驅動力。半導體工業集成電路的尺寸越來越小,集成度越來越高,并能夠按照摩爾定律向前發展,其內在驅動力就是光刻技術的不斷深入發展。集成電路水平已由微米級(2μm-1μm)、亞微米級(1-0.35μm)、深亞微米級(0.35μm以下)、納米級(90-22nm)甚至進入14-7nm階段。
          對光刻膠分辨率等性能要求不斷提高,光刻技術隨著集成電路的發展經歷了從G線(436nm)光刻,H線(405nm)光刻,I線(365nm)光刻,到深紫外線DUV光刻(KrF248nm和ArF193nm)、193nm浸沒式加多重成像技術(32nm-7nm),在到極端紫外線(EUV, <13.5nm)光刻的發展,甚至采用非光學光刻(電子束曝光、離子束曝光),以相應波長為感光波長的各類光刻膠也應用而生。目前,KrF/ArF仍是主流的加工材料。
          集成電路光刻膠產品技術路線演化
          半導體光刻膠可根據加工芯片的制程從大到小分為g線/i線光刻膠、Krf光刻膠、Arf光刻膠(干法及濕法)和EUV光刻膠。各類光刻膠中雖然各組分含量存在差異,但樹脂含量一般在 20%以下,總體來適用波長越短的光刻膠,其樹脂含量越低,溶劑含量越高。
          半導體用光刻膠應用制程及組分
          銷售量方面,g線/i線光刻膠是半導體用光刻膠需求主要構成,占比達50%以上,預計2022年需求量將達450立方米以上,KrF、ArF光刻膠2022年需求量預計分別為200.77立方米和103.56立方米。銷售額方面,ArF光刻膠由于技術附加值高,價格昂貴,占據最大銷售份額。
          全球半導體用光刻膠銷售額(億美元)
          根據富士經濟數據,預計2022年ArF銷售額將達6.74億美元,g線/i線光刻膠和KrF光刻膠銷售額預計可達3.80億美元和3.88億美元。EUV、光刻技術目前尚未普及,僅臺積電和三星掌握,EUV光刻膠市場規模較小。
          2018年全球g線/i線光刻膠競爭格局
          日本企業在半導體光刻膠領域占據絕對優勢。半導體光刻膠主要生產企業包括日本東京應化、JSR、住友化學、信越化學;韓國東進世美肯;美國陶氏杜邦,其中日本企業占據約70%市場份額。分產品看,東京應化在g線/i線和Krf光刻膠領域居龍頭地位,市場份額分別達到27.5%和32.7%。JSR在Arf光刻膠領域市占率最高,為25.6%。

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