芯片制造的核心材料,被美法德日四国垄断,国产替代计划全面加速

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2018 年全球集成电路用电子气体的市场规模达到 45.12 亿美元,同比增长 16%,中国集成电路用电子特气的市场规模约 4.89 亿美元。半导体用电子特气行业增速高,庞大的市场规模,让电子特气的国产替代计划全面加速!

什么是电子特气呢?电子气体是指用于半导体及相关电子产品生产的特种气体。

通常半导体生产行业,将气体划分成常用气体和特殊气体两类。其中,常用气体指集中供给而且使用非常 多的气体,比如 N2、H2、O2、Ar、He 等。特种气体指半导体生产环节中,比如延伸、离子注进、掺和、洗涤、遮掩膜形成过程中使用到一些化学气体,也就是我们现在所说的电子特气,比如高纯度的 SiH4、PH3、AsH3、B2H6、N2O、NH3、SF6、NF3、CF4、BCl3、BF3、HCl、Cl2等,

电子特气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用气体、外延用气体、离子注入气、发光二极管用气、刻蚀用气体、化学气相沉积气和平衡气。在半导体工业中应用的有110余种单元特种气体,其中常用的有超过30种。

除了半导体产业,电子特气广泛应用于太阳能电池、移动通讯、 汽车 导航及车载音像系统、航空航天、军事工业等诸多领域,所以也被称为电子工业的“血液”。

可以说,如果想要发展半导体产业,电子特气不可或缺。电子特气贯穿半导体各步工艺制程,尤其在半导体薄膜沉积环节发挥不可取代的作用,是形成薄膜的主要原材料之一。又决定了集成电路的性能、集成度、成品率,特气若不合格轻则导致产品严重缺陷,重则导致整条生产线被污染乃至全面瘫痪。

在半导体领域,电子特气在半导体制造的材料成本中占比高达 13%,是仅次于硅片的第二大材料。之所以成本如此高,是因为电子特气的技术难度不低。

电子特气对纯度的要求很高,因为纯度如果没有达到要求的话,电子特气中水汽、氧等杂质组就容易使半导体表面生成氧化膜,影响电子器件的使用寿命,而电子特气中含有的颗粒杂质会造成半导体短路及线路损坏。可以说纯度的提高,对电子器件生产的良率和性能起到了至关重要的作用。

伴随半导体工业的不断发展,芯片制程不断提高,如今已经做到了5nm,快要逼近摩尔定律的极限,,相当于头发丝直径(约为0.1毫米)的二万分之一。所以这也对半导体生产的电子特气纯度亦提出了更高的要求。

电子特气纯度提升的影响因素主要包括“气体的分离和提纯”、“气体杂质检测和监控”、“气体的运输和储存”三个方面,以“气体的运输和储存”为例,高纯特气在储存和运输过程中要求使用高质量的气体包装储运容器、以及相应的气体输送管线、阀门和接口,确保避免二次污染,而且一些电子特气还具有自燃性、腐蚀性、毒性等,所以运输和存储都要特别小心。

目前全球特气市场包括美国空气化工、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特气90%以上的市场份额。国内市场也被这几大企业控制了85%的份额。

随着中国对半导体产业的扶持加大,芯片国产化率的不断提高,电子特气也要跟上步伐,能够做到自给自足。

以昊华 科技 为例,是国内唯一具有4N高纯硒化氢产品研制及批量生产能力的企业。高纯硒化氢产品填补了国内空白,指标达到国外先进水平。此外,它们企业的特种气体产品还包括绿色四氧化二氮、高纯硫化氢、二氧化碳-环氧乙烷混合气(熏蒸剂)、标准混合气体等。昊华 科技 与韩国大成合作建设的 2,000 吨/年三氟化氮项目,广泛应用于蚀刻、清洗、 离子注入等半导体生产工艺。

目前,昊华 科技 部分产品已实现 进口替代。公司工业级六氟化硫国内市占率约为 30%,电子级六氟 化硫市占率约为 70%,三氟化氮市占率约为 30%。

但目前的难题是,电子特气种类太多,如果要全部做到高端化,难度比较高,目前也缺乏领军型的企业。

2014年,国家集成电路产业投资基金成立,首期募集资金规模达1387亿元。基金二期募资于2019年完成,募资2000亿,也就是目前中国共募资3387亿,对设备制造、芯片设计和材料领域加大投资。

中国也立下了宏伟目标,明确提出在2020年之前,90-32nm设备国产化率达到50%,2025年之前,20-14nm设备国产化率达到30%,而国产芯片自给率要在2020年达到40%,2025年达到70%。

国家目前也开始对电子特气领域进行投资扶持,可以说随着中国对半导体产业的不断重视,国产全面替代计划终会成功!

芯片原材料主要是硅,制造芯片还需要一种重要的材料就是金属。

电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜(thin-film)集成电路。另有一种厚膜(thick-film)集成电路(hybridintegratedcircuit)是由独立半导体设备和被动组件,集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。

电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜(thin-film)集成电路。另有一种厚膜(thick-film)集成电路(hybridintegratedcircuit)是由独立半导体设备和被动组件,集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。

半导体芯片产业是一个庞大、复杂的产业链条,产业的各个分支都有很多企业、无数员工不断研发、不断创新支撑着。半导体产业链从大的方向来说分为上游支撑、中游制造下游应用三个环节。上游支撑细分为半导体材料、半导体设备、EDA软件工具等。中游制造可以分为IC设计、晶圆制造、半导体封测三个环节。应用环节可以说渗透到了世界电子产品的方方面面,几乎所有的电子设备都需要用到芯片。

中美事件以来,国人对于芯片的概念已经有了初步的认识,几乎所有人认为中国应该摆脱芯片行业对外国的依赖,每个国人对于中国“缺芯”感到心痛,每个人都在问,中国何时能做到半导体芯片的完全国产化?但是很多人对于中国半导体芯片产业链各环节的国产化情况还不是很了解,现在就来给大家来梳理一下上游支撑环节的国产化情况。

首先介绍下上游支撑环节的国产情况。上游支撑环境可以说是半导体芯片领域最重要的环节,技术壁垒最高,研发复杂程度最大,西方垄断程度最大,也是真正掐我们脖子的地方。

首先是半导体设备这块。半导体设备可以分十一个大块。分别为:

1.去胶设备(国产率80%),这块国产化程度很高,而且已经做到了5nm工艺节点,几乎不用有任何担心。

2.刻蚀设备(国产率20%),这块国产化虽然不高,但是中微公司已经做出了5nm工艺技术,还给台积电供货,国产替代会马上起来,这块也不用担心。

3.热处理(国产率20%),由于国内最先进的制程就是14nm,这块技术已经足够满足中国的需求,但是还需要进一步研发,达到世界先进水平,这一块暂时不用担心。

4.清洗设备(国产率20%),这一块不是很担心,国产化率会起来的比较快。

5.PVD(国产率15%),这一块还得努力,国产化不高,技术水平也不是很好,好在北方华创这家公司比较靠谱,正在突破。

6.CMP(国产率15%),这一块已经有突破,国产化率会提得比较快。

7.CVD(国产率5%),这个技术难度比较大,差距大,国产率低,北方华创承担重任。

8.涂胶显影(国产率1%),技术难度高,国产率很低,差距比较大。

9.光刻机(0%),虽然说目前国产光刻机国产化几乎为0,但是上海微电子已经能量产90nm工艺,28nm的光刻机已经取得进展。但是光刻机是半导体产业链里技术最难的设备,而要达到7nm工艺制程,必须用到EUV光刻机,以目前中国的技术而言,未来几年能突破这一技术难点就很不错了。

10.ALD、离子注入(国产率0%),这一块往往是跟其他设备配套的,目前28nm其实已经够市面上大多数电子产品芯片的制备需求。

从这里可以看出,我们在半导体设备这块的国产化率还不是很高,但是在很多设备上其实已经达到目前主流电子产品芯片的制造要求。但是半导体设备领域里的光刻机是我们的痛点,没有先进的光刻机就不可能制造先进的芯片,关键先进的光刻机不是我们想买就能买到,荷兰为了遵守美国的命令,公然不交付中芯国际已经订下的EUV光刻机,我们对此毫无办法,是我们最应该大力攻破的点。

半导体材料可以细分为硅材料、光刻胶、湿电子化学品、电子特气、光掩模、抛光材料、靶材等。

1.硅材料(高端的国产化不足1%),硅材料是半导体材料里产值最大的一块。目前上海硅产业、中环股份已经能生产12英寸的硅材料,这种材料国产替代起来会很快,估计用不了多久这块的国产化率会显著提升。

2.光刻胶(国产率不足5%),这块是半导体材料里技术含量最高的一种。目前02专项已经重点布局了几个公司攻克,期待有好消息。

3.湿电子化学品(国产率23%),这块还好,稳步进行国产替代。

4.电子特气(国产率不足15%),这一块的产品线很多,不可能有国际所有的气体都是最先进,这种注定需要全球化,不是很担心。

5.光掩模(国产率20%),正在大力推进国产化。

6.抛光材料(国产率5.5%)目前安集 科技 已经突破了先进的抛光液的技术,准备量产,抛光垫由武汉的鼎龙股份突破,马上量产。这块先进的材料会起来,国产化会提升地很快。

7.靶材(产品线多),产品线多,不一而足。

材料这块最重要的是光刻胶的发展。

目前国产率只有0.6%。不过华大九天国产EDA公司将会形成数字全流程化,并且在芯片制造、封装测试系统中不断优化升级,虽然华大九天的技术很好,但是目前华大九天只是解决了产业流程的1/3的最终解决方案,所以完全国产化还任重而道远。

我国各个环节的国产率几乎都很低,但是很多环节技术已经足够,不用很担心。真正让人忧虑的是光刻机和EDA软件这两块,这是真正技术壁垒非常强,我们急需攻破的地方,希望中国芯片完全国产化的一天早日到来。


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