材料行業研究之 | 高純濺射靶材行業
專欄:行業資訊
發布日期:2018-04-18
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作者:佚名
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一、濺射靶材簡介超大規模集成電路制造過程中要反復用到的濺射(Sputtering)工藝屬于物理氣相沉積(PVD)技術的一種,是制備電子薄膜材料的主要技術之一,它利用離子源產生的離子,在高真空中經過加速聚集,而形成高速度能的離子束流,轟擊固體表面,離子和固體表面原子發生動能交換,使固體表面的原子離開固體并沉積在基底表面,被轟擊的固體是用濺射法沉積薄膜的原材料,稱為濺射靶材。濺射靶材工作原理示意圖如下...

一、濺射靶材簡介


超大規模集成電路制造過程中要反復用到的濺射(Sputtering)工藝屬于物理氣相沉積(PVD)技術的一種,是制備電子薄膜材料的主要技術之一,它利用離子源產生的離子,在高真空中經過加速聚集,而形成高速度能的離子束流,轟擊固體表面,離子和固體表面原子發生動能交換,使固體表面的原子離開固體并沉積在基底表面,被轟擊的固體是用濺射法沉積薄膜的原材料,稱為濺射靶材。


濺射靶材工作原理示意圖如下:


一般來說,濺射靶材主要由靶坯、背板等部分構成,其中,靶坯是高速離子束流轟擊的目標材料,屬于濺射靶材的核心部分,在濺射鍍膜過程中,靶坯被離子撞擊后,其表面原子被濺射飛散出來并沉積于基板上制成電子薄膜;由于高純度金屬強度較低,而濺射靶材需要安裝在專用的機臺內完成濺射過程,機臺內部為高電壓、高真空環境,因此,超高純金屬的濺射靶坯需要與背板通過不同的焊接工藝進行接合,背板起到主要起到固定濺射靶材的作用,且需要具備良好的導電、導熱性能。 


濺射靶材的種類較多,即使相同材質的濺射靶材也有不同的規格。按照不同的分類方法,能夠將濺射靶材分為不同的類別,主要分類情況如下:


按形狀分類:長靶、方靶、圓靶


按化學成份分類: 金屬靶材(純金屬鋁、鈦、銅、鉭等)、合金靶材(鎳鉻合金、鎳鈷合金等)、陶瓷化合物靶材(氧化物、硅化物、碳化物、硫化物等)


按應用領域分類: 半導體芯片靶材、平面顯示器靶材、太陽能電池靶材、信息存儲靶材、工具改性靶材、電子器件靶材、其他靶材


在濺射靶材應用領域中,半導體芯片對濺射靶材的金屬材料純度、內部微觀結構等方面都設定了極其苛刻的標準,需要掌握生產過程中的關鍵技術并經過長期實踐才能制成符合工藝要求的產品,因此,半導體芯片對濺射靶材的要求是最高的,價格也最為昂貴;相較于半導體芯片,平面顯示器、太陽能電池對于濺射靶材的純度和技術要求略低一籌,但隨著靶材尺寸的增大,對濺射靶材的焊接結合率、平整度等指標提出了更高的要求。此外,濺射靶材需要安裝在濺射機臺內完成濺射過程,濺射機臺專用性強,對濺射靶材的形狀、尺寸和精度也設定了諸多限制。


二、 行業產業鏈


高純濺射靶材行業屬于電子材料領域,其產業鏈上下游關系如下:


超高純金屬及濺射靶材是電子材料的重要組成部分,濺射靶材產業鏈主要包括金屬提純、靶材制造、濺射鍍膜和終端應用等環節,其中,靶材制造和濺射鍍膜環節是整個濺射靶材產業鏈中的關鍵環節。


高純濺射靶材產業鏈


高純度乃至超高純度的金屬材料是生產高純濺射靶材的基礎,以半導體芯片用濺射靶材為例,若濺射靶材雜質含量過高,則形成的薄膜無法達到使用所要求的電性能,并且在濺射過程中易在晶圓上形成微粒,導致電路短路或損壞,嚴重影響薄膜的性能。通常情況下,高純金屬提純分為化學提純和物理提純,為了獲得更高純度的金屬材料,最大限度地去除雜質,需要將化學提純和物理提純結合使用。在將金屬提純到相當高的純度后,往往還需配比其他金屬元素才能投入使用,在這個過程中,需要經過熔煉、合金化和鑄造等步驟:通過精煉高純金屬,去除氧氣、氮氣等多余氣體;再加入少量合金元素,使其與高純金屬充分結合并均勻分布;最后將其鑄造成沒有缺陷的錠材,滿足生產加工過程中對金屬成份、尺寸大小的要求。


濺射靶材制造環節首先需要根據下游應用領域的性能需求進行工藝設計,然后進行反復的塑性變形、熱處理,需要精確地控制晶粒、晶向等關鍵指標,再經過焊接、機械加工、清洗干燥、真空包裝等工序。濺射靶材制造所涉及的工序精細且繁多,工序流程管理及制造工藝水平將直接影響到濺射靶材的質量和良品率。


濺射鍍膜是指物體被離子撞擊時,被濺射飛散出,因被濺射飛散的物體附著于目標基板上而制成薄膜的過程,濺射靶材就是高速荷能粒子轟擊的目標材料。此環節是在濺射靶材產業鏈條中對生產設備及技術工藝要求最高的環節,濺射薄膜的品質對下游產品的質量具有重要影響。在濺射鍍膜過程中,濺射靶材需要安裝在機臺中完成濺射反應,濺射機臺專用性強、精密度高,市場長期被美國、日本跨國集團壟斷,主要設備提供商包括AMAT(美國)、ULVAC(日本)、ANELVA(日本)、Varian(美國)、ULVAC(日本)等行業內知名企業。


終端應用是針對各類市場需求利用封裝好的元器件制成面向最終用戶的產品,包括汽車電子、智能手機、平板電腦、家用電器等終端消費電子產品。通常情況下,在半導體靶材濺射鍍膜后,需要將鍍膜硅片切割并進行芯片封裝。封裝是指將電路用導線連接到外部接頭處,以便與其他器件連接的工序,不僅能夠起到保護芯片的作用,還將芯片與外界隔離,防止空氣中的雜質對芯片電路造成腐蝕而損害導電性能。此外,終端應用也包括制備太陽能電池、光學鍍膜、工具改性、高檔裝飾用品等,此環節技術面較寬,呈現多樣化特征。


全球范圍內,濺射靶材產業鏈各環節參與企業數量基本呈金字塔型分布,高純濺射靶材制造環節技術門檻高、設備投資大,具有規模化生產能力的企業數量相對較少,主要分布在美國、日本等國家和地區,其中,部分企業同時開展金屬提純業務,將產業鏈延伸到上游領域;部分企業只擁有濺射靶材生產能力,高純度金屬需要上游企業供應。濺射靶材最高端的應用是在超大規模集成電路芯片制造領域,這個領域只有美國和日本的少數公司(日礦金屬、霍尼韋爾、東曹、普萊克斯等)從事相關業務,是一個被跨國公司壟斷的行業。


作為濺射靶材客戶端的濺射鍍膜環節具有規模化生產能力的企業數量相對較多,但質量參差不齊,美國、歐洲、日本、韓國等知名企業居于技術領先地位,品牌知名度高、市場影響力大,通常會將產業鏈擴展至下游應用領域,利用技術先導優勢和高端品牌迅速占領終端消費市場,如IBM、飛利浦、東芝、三星等。


終端應用環節是整個產業鏈中規模最大的領域,其產品的開發與生產分散在各個行業領域,同時,此環節具有突出的勞動密集性特點,參與企業數量最多,機器設備投資一般,主要分布在日本、中國臺灣和中國大陸等,并逐漸將生產工廠向人力成本低的國家和地區轉移。


濺射靶材產業分布具有一定的區域性特征,美國、日本跨國集團產業鏈完整,囊括金屬提純、靶材制造、濺射鍍膜和終端應用各個環節,具備規模化生產能力,在掌握先進技術以后實施壟斷和封鎖,主導著技術革新和產業發展;韓國、新加坡及中國臺灣地區在磁記錄及光學薄膜領域有所特長。另外由于上述地區芯片及液晶面板產業發展較早,促使服務分工明確,可以為產業鏈下游的品牌企業提供如焊接、清洗、包裝等專業代工服務,將上游基礎材料和下游終端應用對接,起到承上啟下的作用,并在一定程度上推動上游濺射靶材的產品開發和市場擴展。但是上述地區的靶材服務廠商缺少核心技術及裝備,不能夠在金屬的提純、組織的控制等核心技術領域形成競爭力濺射靶材的材料即靶坯依然依賴美國和日本的進口。超高純金屬材料及濺射靶材在我國還屬于較新的行業,以芯片制造廠商、液晶面板制造企業為代表的下游濺射鍍膜和終端用戶正在加大力度擴展產能。從全球來看,芯片及液晶面板行業制造向中國大陸轉移趨勢愈演愈烈,中國正在迎來這一領域的投資高峰。為此高端濺射靶材的應用市場需求正在快速增長。


三、全球濺射靶材行業發展概況


由于濺射鍍膜工藝起源于國外,所需要的濺射靶材產品性能要求高、專業應用性強,因此,長期以來全球濺射靶材研制和生產主要集中在美國、日本少數幾家公司,產業集中度相當高。以霍尼韋爾(美國)、日礦金屬(日本)、東曹(日本)等跨國集團為代表的濺射靶材生產商較早涉足該領域,經過幾十年的技術積淀,憑借其雄厚的技術力量、精細的生產控制和過硬的產品質量居于全球濺射靶材市場的主導地位,占據絕大部分市場份額。這些企業在掌握濺射靶材生產的核心技術以后,實施極其嚴格的保密措施,限制技術擴散,同時不斷進行橫向擴張和垂直整合,將業務觸角積極擴展到濺射鍍膜的各個應用領域,牢牢把握著全球濺射靶材市場的主動權,并引領著全球濺射靶材行業的技術進步。


四、我國濺射靶材行業發展概況


受到發展歷史和技術限制的影響,濺射靶材行業在我國起步較晚,目前仍然屬于一個較新的行業。與國際知名企業生產的濺射靶材相比,我國濺射靶材研發生產技術還存在一定差距,市場影響力相對有限,尤其在半導體芯片、平板顯示器、太陽能電池等領域,全球高純濺射靶材市場依然被美國、日本的濺射靶材生產廠商所控制或壟斷。隨著濺射靶材朝著更高純度、更大尺寸的方向發展,我國濺射靶材生產企業只有不斷進行研發創新,具備較強的產品開發能力,研制出適用不同應用領域的濺射靶材產品,才能在全球濺射靶材市場中占得一席之地。


半導體芯片、平板顯示器、太陽能電池等下游工業對產品的品質和穩定性等方面有較高的要求,為了嚴格控制產品質量,下游客戶尤其是全球知名廠商在選擇供應商時,供應商資格認證壁壘較高,且認證周期較長。我國高純濺射靶材企業要進入國際市場,首先要通過部分國際組織和行業協會為高純濺射靶材設置的行業性質量管理體系標準,例如,應用于汽車電子的半導體廠商普遍要求上游濺射靶材供應商能夠通過ISO/TS16949質量管理體系認證,應用于電器設備的濺射靶材生產商需要滿足歐盟制定的RoHS強制性標準;其次,半導體芯片、平板顯示器、太陽能電池等下游知名客戶均建立了十分完善的客戶認證體系,在高純濺射靶材供應商滿足行業性質量管理體系認證的基礎上,下游客戶往往還會根據自身的質量管理要求再對供應商進行合格供應商認證。認證過程主要包括技術評審、產品報價、樣品檢測、小批量試用、批量生產等幾個階段,認證過程相當苛刻,從新產品開發到實現大批量供貨,整個過程一般需要2-3年時間。為了降低供應商開發與維護成本,保證產品質量的持續性,濺射靶材供應商在通過下游客戶的資格認證后,下游客戶會與濺射靶材供應商保持長期穩定的合作關系,不會輕易更換供應商,并在技術合作、供貨份額等方面向優質供應商傾斜。


近年來,受益于國家從戰略高度持續地支持電子材料行業的發展及應用推廣,我國國內開始出現少量專業從事高純濺射靶材研發和生產的企業,并成功開發出一批能適應高端應用領域的濺射靶材,為高純濺射靶材大規模產業化提供了良好的研發基礎和市場化條件。通過將濺射靶材研發成果產業化,積極參與濺射靶材的國際化市場競爭,我國濺射靶材生產企業在技術和市場方面都取得了長足的進步,改變了高純濺射靶材長期依賴進口的不利局面。目前,江豐股份等國內企業已經掌握了高純濺射靶材生產的關鍵技術,積累了較為豐富的產業經驗,擁有了一定的市場知名度,獲得了全球知名客戶的認可。


五、濺射靶材市場容量和發展趨勢


濺射技術作為薄膜材料制備的主流工藝,其應用領域廣泛,如集成電路、平板顯示器、太陽能電池、信息存儲、工具改性、光學鍍膜、電子器件、高檔裝飾用品等行業。高純濺射靶材則主要用于對材料純度、穩定性要求更高的領域,如集成電路、平板顯示器、太陽能電池、記錄媒體、智能玻璃等行業。


20 世紀90 年代以來,隨著消費電子等終端應用市場的飛速發展,高純濺射靶材的市場規模日益擴大,呈現高速增長的勢頭。據統計,2015年世界高純濺射靶材市場的年銷售額約94.8 億美元。據預測,未來5 年,世界濺射靶材的市場規模將超過160 億美元,高純濺射靶材市場規模年復合增長率可達到13%。


目前高純濺射靶材產品主要應用于半導體產業、平板顯示器產業以及太陽能電池產業,這些領域的市場容量及發展趨勢如下:


(1)半導體產業

高純濺射靶材是伴隨著半導體工業的發展而興起的,集成電路產業成為目前高純濺射靶材的主要應用領域之一。隨著信息技術的飛速發展,要求集成電路的集成度越來越高,電路中單元器件尺寸不斷縮小。每個單元器件內部由襯底、絕緣層、介質層、導體層及保護層等組成,其中,介質層、導體層甚至保護層都要用到濺射鍍膜工藝,因此濺射靶材是制備集成電路的核心材料之一。集成電路領域的鍍膜用靶材主要包括鋁靶、鈦靶、銅靶、鉭靶、鎢鈦靶等,要求靶材純度很高,一般在5N(99.999%)以上。


受困于2008年爆發的金融危機,全球半導體市場2009年陷入全面衰退中,2009年,全球半導體銷售額僅為2,263.1億美元,同比下降8.90%。此后,全球半導體市場迅速反彈,2010年全球半導體市場總銷售額約為2,983.2億美元,較上年同期上漲31.82%。2011-2014年,全球半導體市場保持平穩增長,年均復合增長率為3.88%,2014年銷售額達到3,358.0億美元。2015年全球半導體行業市場規模與2014年基本持平。根據世界半導體貿易統計組織(WSTS)預測,2016年和2017年全球半導體行業市場規模將繼續保持增長,增長率分別為0.3%和3.1%。總體來看,近年來全球半導體市場仍然處于整體平穩上升階段。


隨著智能手機、平板電腦、汽車電子等終端消費領域對半導體需求的持續增長,尤其是消費電子產品與互聯網、移動互聯網的緊密結合,導致手機、平板電腦、智能電視等網絡接入終端產品的應用面持續擴大,從而進一步提升半導體市場容量,預計全球半導體市場在未來將保持持續增長的態勢。芯片產業是大數據、云計算、互聯網的基礎產業。這些產業的迅猛發展為芯片帶來了強勁的市場需求。由于半導體行業所需濺射靶材品種繁多,且每一種需求量都較大,穩定的下游市場增速將有力地促進濺射靶材銷售規模的擴大。


根據國際半導體設備與材料協會(SEMI)統計:2015年全球半導體材料銷售額為435億美元,其中晶圓制造材料銷售額為242億美元,封裝材料為193億美元。在晶圓制造材料中,濺射靶材約占芯片制造材料市場的2.6%。在封裝測試材料中,濺射靶材約占封裝測試材料市場的2.7%。2015年全球半導體用濺射靶材銷售額為11.4億美元。


隨著國內電子產品制造業的飛速發展,我國半導體產業市場潛力巨大。經過多年的引進和大規模投資,我國現已初步形成了從設計、前工序到后封裝的產業輪廓。在全球半導體市場整體增長的帶動下,我國半導體市場步入高速增長軌道。我國半導體市場規模從2006年1,727億元增加到2013年的3,873億元,增幅達124.26%,在此期間內年均復合增長率約為12.23%。


中國半導體產業的持續發展也為半導體制造材料市場的發展奠定了良好的基礎。2015年,我國半導體制造材料市場規模達到61.2億美元。集成電路用濺射靶材為半導體制造材料中的一類,2015年,我國集成電路用濺射靶材市場規模為11.6億元,預計2016年國內半導體用濺射靶材市場規模將突破14億元。


隨著國產濺射靶材的技術成熟,尤其是國產濺射靶材具備較高的性價比優勢,并且符合濺射靶材國產化的政策導向,我國濺射靶材的市場規模將進一步擴大,在全球市場中有望獲得更多客戶的認可,市場份額進一步提高。


(2)平板顯示產業(含觸摸屏產業)


平板顯示器主要包括液晶顯示器(LCD)、等離子顯示器(PDP)、場致發光顯示器(EL)、場發射顯示器(FED)等。其中,市場應用以液晶顯示器為主。近年來,液晶顯示器逐漸取代陰極射線管顯示器成為全球主流的顯示技術,在平面顯示市場中得到了廣泛的應用,主要應用領域包括高清晰電視、筆記本電腦、臺式電腦顯示器等電子產品。平板顯示器多由金屬電極、透明導電極、絕緣層、發光層組成,為了保證大面積膜層的均勻性,提高生產率和降低成本,濺射技術越來越多地被用來制備這些膜層。平面顯示鍍膜用靶材主要品種有:鉻靶、鉬靶、鋁靶、鋁合金靶、銅靶、銅合金靶和摻錫氧化銦(ITO)靶材等。


從全球液晶顯示市場發展趨勢來看,平板電腦成長的主要動力來自于在發達市場的應用增長(包括北美、日本和西歐),根據DisplaySearch預測,平板電腦在發達市場的出貨量將從2012年的0.8億臺增長到2017年的2.54億臺。由于液晶顯示用濺射靶材尺寸普遍較大,液晶面板出貨量平穩較快的增長速度將為濺射靶材生產廠商提供更加廣闊的發展空間。


在全球液晶顯示領域,隨著日本品牌影響力的下降,韓國、中國臺灣廠商的市場地位越來越突出,其中,韓國以LG、三星為代表,LG通過不斷推陳出新,一段時期以來居于全球液晶面板出貨量榜首;中國臺灣則屬于液晶顯示技術較強和產業化程度較高的地區。我國大陸作為液晶面板最大的需求地之一,主要從韓國、中國臺灣等國家和地區進口,解決好液晶面板的來源已經涉及到我國的產業安全。


中國大陸從上世紀80年代開始進入液晶顯示領域,并緊密跟隨液晶顯示技術的發展。在政府政策導向和產業扶植下,我國大陸液晶顯示產業快速發展,目前已經成為全球主要液晶面板生產大國,并相繼形成了以京東方、深天馬、華星光電等為代表的市場影響力較大的液晶面板本土品牌。而傳統的液晶面板生產強國韓國、日本出于降低制造成本等因素的考慮,近年來加大在我國大陸投資設廠的力度,通過產業轉移的方式提升全球市場競爭力。因此,近年來國內的平板顯示產業規模迅速增長,繼日本、韓國以及臺灣地區后,成為平板顯示行業發展速度最快的地區。


賽迪顧問數據顯示,2015年中國平板顯示器件產業整體規模達到1,190.6億元,同比增長23.7%。縱觀2015年中國平板顯示器件產業,雖然產業增長率相比2014年有所下降,但是隨著京東方重慶8.5代線、華星光電深圳8.5代線二期和中電熊貓南京8.5代線的相繼建成投產,以及2014年投產的諸多產線陸續度過爬坡期進入量產期,整體產業規模與2014年同期相比依舊保持了較快的增長。


2016年,中國平板顯示產業在一系列投資的助推下發展迅速,TFT-LCD產業投資進入新高潮,京東方、華星光電、和輝光電等面板企業在OLED上的投資也是非常搶眼。



基于產品價格、采購國產化等因素的考慮,我國液晶面板廠商開始有選擇地與本土優秀濺射靶材廠商合作,并期望建立長期合作伙伴關系,這為帶動我國濺射靶材行業的快速發展提供了有利的市場條件。中國電子材料行業協會數據顯示,2013年-2015年,全球平板顯示用濺射靶材市場規模分別為29.5億美元、31.4億美元和33.8億美元。其中,我國平板顯示用濺射靶材2013年度、2014年度、2015年度市場規模分別為39.4億元、55億元和69.3億元。


六、行業競爭格局


1)跨國公司競爭優勢明顯,處于行業領導地位


高純濺射靶材是伴隨著半導體工業的發展而興起的,屬于典型的技術密集型產業,產品術含量高,研發生產設備專用性強。隨著半導體工業技術創新的不斷深化,以美國、日本為代表的半導體廠商需要加強對上游原材料的創新力度,從而最大限度地保證半導體產品的技術先進性,因此,美國、日本的半導體工業相繼催生了一批高純濺射靶材生產廠商,并于當前居于全球市場的主導地位,在一定程度上,全球半導體工業的區域集聚性造就了高純濺射靶材生產企業的高度聚集。自誕生之日起,以美國、日本為代表的高純濺射靶材生產企業便對核心技術執行嚴格的保密措施,導致濺射靶材行業在全球范圍內呈現明顯的區域集聚特征,生產企業主要集中在美國和日本。


全球范圍內,日礦金屬、霍尼韋爾、東曹、普萊克斯、住友化學、愛發科等資金實力雄厚、技術水平領先、產業經驗豐富的跨國公司居于全球高純濺射靶材行業的領導地位,屬于濺射靶材的傳統強勢企業,憑借其強大的技術研發實力和市場影響力牢牢占據全球濺射靶材市場的絕大部分市場份額,主導著全球濺射靶材產業的發展,推動行業技術的進步。


2)國內專業廠商興起,與跨國公司的差距逐步縮小


國內市場中,高純濺射靶材產業起步較晚,主要高純濺射靶材生產企業均由國有資本和少數民營資本所投資。受到技術、資金和人才的限制,國內專業從事高純濺射靶材的生產廠商數量仍然偏少,企業規模和技術水平參差不齊,多數國內廠商還處于企業規模較小、技術水平偏低、產業布局分散的狀態,市場尚處于開拓初期,主要集中在低端產品領域進行競爭,在半導體芯片、液晶顯示器和太陽能電池等市場還無法與國際巨頭全面抗衡,但是依靠產業政策導向、產品價格優勢已經在國內市場占有一定的市場份額,并逐步在個別產品或領域擠占國際廠商的市場空間。



經過數年的科技攻關和產業化應用,目前,國內高純濺射靶材生產企業已經逐漸突破關鍵技術門檻,擁有了部分產品的規模化生產能力,整體實力不斷增強,形成了以本公司、有研新材等為代表的專業從事高純濺射靶材的生產商,正在經歷高速發展時期,上升勢頭較快,打破了濺射靶材核心技術由國外壟斷、產品供應完全需要進口的不利局面,不斷彌補國內同類產品的技術缺陷,進一步完善濺射靶材產業發展鏈條,并積極參與國際技術交流和市場競爭。

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