最近，有新聞報道日本要斷供韓國半導(dǎo)體材料，而韓國的三星和LG Display等廠商或受此影響而無法生產(chǎn)柔性OLED屏?？此撇黄鹧鄣陌雽?dǎo)體材料竟有如此重要作用？中國在半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)上又有哪些布局？

 

下面為大家推薦的這篇文章

來自「SIMIT戰(zhàn)略研究室」，詳細(xì)介紹了國內(nèi)半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。

 

引言：

集成電路材料對集成電路制造業(yè)安全可靠發(fā)展以及持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新起到至關(guān)重要的支撐作用。本報告將全面梳理我國集成電路材料產(chǎn)業(yè)細(xì)分領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r。

 

本報告系列文章將分以下幾個部分依次發(fā)布：（1）我國集成電路發(fā)展態(tài)勢及我國集成電路產(chǎn)業(yè)總體情況 （2）襯底材料發(fā)展情況；（3）光刻膠和掩膜版發(fā)展情況；（4）工藝化學(xué)品和電子氣體發(fā)展情況；（5）拋光材料和靶材發(fā)展情況。（6）封裝材料發(fā)展情況。

 

我國集成電路發(fā)展態(tài)勢及我國集成電路產(chǎn)業(yè)總體情況

一. 我國集成電路發(fā)展態(tài)勢

集成電路產(chǎn)業(yè)作為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、推動信息化和工業(yè)化深度融合的基礎(chǔ)，是保障國家信息安全的重要支撐，其產(chǎn)業(yè)能力決定了各應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展水平，并已成為衡量一個國家產(chǎn)業(yè)競爭力和綜合國力的重要標(biāo)志之一。2018年兩會的《政府工作報告》論述中，把推動集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展放在實體經(jīng)濟(jì)發(fā)展的首位強(qiáng)調(diào)，凸顯出在中國制造大投入、大發(fā)展、大跨越的趨勢下集成電路產(chǎn)業(yè)的重要性和先導(dǎo)性。

 

長期以來，我國是世界上最大的集成電路消費市場，但是由于核心技術(shù)落后，大部分產(chǎn)品嚴(yán)重依賴進(jìn)口。海關(guān)總署公布的數(shù)據(jù)顯示，從2013年開始，我國集成電路進(jìn)口額突破2000億美元，已經(jīng)連續(xù)四年遠(yuǎn)超原油這一戰(zhàn)略物資的進(jìn)口額，位列我國進(jìn)口最大宗商品（圖1）。集成電路貿(mào)易逆差持續(xù)擴(kuò)大，阻礙我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展；高端核心芯片幾乎全部依賴進(jìn)口，直接威脅我國國防系統(tǒng)的信息安全和通訊、能源、工業(yè)、汽車、消費電子等支柱產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)安全。

 

圖1 我國集成電路與原油進(jìn)口金額對比

 

當(dāng)前，中美貿(mào)易摩擦不斷升級，我國集成電路產(chǎn)業(yè)“軟肋”頻現(xiàn)。從《瓦森納協(xié)定》到如今持續(xù)發(fā)酵的中美貿(mào)易摩擦，以美國為首的歐美國家一直緊防我國自主發(fā)展核心知識產(chǎn)權(quán)，集成電路更是發(fā)達(dá)國家制衡我國屢屢得逞的戰(zhàn)略武器：受限于《瓦森納協(xié)議》，從芯片設(shè)計、制造等多個領(lǐng)域，我國都無法借鑒國外的最新科技；2017年，美國發(fā)布報告《確保美國半導(dǎo)體的領(lǐng)導(dǎo)地位》，不僅將發(fā)展半導(dǎo)體上升為國家安全的重要戰(zhàn)略，還將我國明確為威脅對象；在進(jìn)出口貿(mào)易中，美國多次發(fā)布針對我國的“301調(diào)查”和“337調(diào)查”報告，不斷更新加征關(guān)稅的自中國進(jìn)口產(chǎn)品清單，集成電路行業(yè)赫然在列；美國接連對中興、華為、晉華等戰(zhàn)略支柱企業(yè)進(jìn)行封殺和定點打擊，彰顯其遏制中國5G及相關(guān)集成電路支撐產(chǎn)業(yè)崛起的決心和手段，等等。這些接踵而至且切中要害的強(qiáng)勢打壓，嚴(yán)重掣肘我國集成電路的發(fā)展。

 

圖2 我國12英寸芯片廠分布

 

近十年來，我國政府通過實施國家科技重大專項01/02專項，頒布國家和地方政策，成立產(chǎn)業(yè)基金等多種方式大力支持集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是從2014年《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》頒布實施以來，各地發(fā)展集成電路熱情高漲，紛紛興建新工廠。據(jù)統(tǒng)計，到2018年底，我國12英寸晶圓廠已投產(chǎn)14條，15條線宣布在建并預(yù)計2020年前投產(chǎn)（圖2），屆時全國12寸晶圓廠產(chǎn)能將超過2500k/月。目前在建12寸晶圓廠涉及投資額約5013億元；規(guī)劃中的12寸晶圓廠投資高達(dá)7812.3億元。各地晶圓廠興建不停，國內(nèi)產(chǎn)能的集中釋放，為集成電路產(chǎn)業(yè)提供了巨大的發(fā)展空間，然而產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)依然薄弱，產(chǎn)業(yè)整體嚴(yán)重受制于人，因此，我國集成電路制造業(yè)發(fā)展機(jī)遇和風(fēng)險并存。

 

二. 我國集成電路材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

產(chǎn)業(yè)規(guī)模大、細(xì)分行業(yè)多、技術(shù)門檻高的集成電路材料業(yè)是整個集成電路產(chǎn)業(yè)的先導(dǎo)基礎(chǔ)，其對集成電路制造業(yè)安全可靠發(fā)展以及持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新起到至關(guān)重要的支撐作用，約400億規(guī)模的集成電路材料業(yè)支撐起4000億美元規(guī)模的集成電路產(chǎn)業(yè)以及上萬億規(guī)模的電子應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。材料作為集成電路產(chǎn)業(yè)的“脖子”，一旦受卡，整個制造業(yè)將受到重創(chuàng)，例如2011年日本“311大地震”造成集成電路關(guān)鍵原材料供貨中斷，包括臺積電、聯(lián)電等芯片制造廠，雖然靠著庫存渡過難關(guān)，但在材料恢復(fù)全產(chǎn)能供貨之前，營收仍受到不同程度的影響。與此同時，集成電路使用的材料種類層出不窮，材料成分也越發(fā)復(fù)雜，集成電路性能的提升越發(fā)依賴材料技術(shù)的底層創(chuàng)新（圖3）。過去，應(yīng)變硅、高k金屬柵、鈷互聯(lián)材料等越來越多材料領(lǐng)域的創(chuàng)新和應(yīng)用，推動芯片制造沿著摩爾定律持續(xù)前行。據(jù)估算，材料對芯片性能提升的貢獻(xiàn)目前已超過六成。可以預(yù)見，未來超越摩爾領(lǐng)域的異質(zhì)集成、3D IC、二維半導(dǎo)體等技術(shù)能否取得突破性進(jìn)展，將更多依賴于材料的創(chuàng)新。

 

集成電路材料作為集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中細(xì)分領(lǐng)域最多的一環(huán)，貫穿集成電路制造的晶圓制造、前道工藝（芯片制造）和后道工藝（封裝）整個過程，按照產(chǎn)業(yè)鏈主要分為襯底材料、工藝材料（包括光刻膠、掩膜版、工藝化學(xué)品、電子氣體、拋光材料、靶材）以及封裝材料三大板塊。據(jù)SEMI統(tǒng)計，2017年全球集成電路材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到469億美元，其中襯底材料、工藝材料和封裝材料比例約為1：2：2。從區(qū)域來看，我國大陸自2016年以來已躍居僅次于我國臺灣的第二大材料消費地區(qū)（圖4），且市場容量高速增長（2017年同比增長12%），顯示出巨大的市場需求潛能。

 

圖3 左圖：2015年和1985年集成電路使用的材料元素種類對比；右圖：芯片性能提升的貢獻(xiàn)因素。

 

圖4 左圖：2017年全球集成電路材料細(xì)分市場產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；右圖：2017年全球集成電路材料市場區(qū)域結(jié)構(gòu)。

 

在供給側(cè)，盡管我國集成電路材料產(chǎn)業(yè)持續(xù)壯大，但相對我國市場的需求和發(fā)展，材料自給能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。近幾年，受國家政策支持以及國內(nèi)市場需求的雙重驅(qū)動，我國集成電路材料發(fā)展到了一個新的高度，關(guān)鍵材料實現(xiàn)從無到有，產(chǎn)業(yè)增長進(jìn)一步加快，培育了一批富有創(chuàng)新活力，具備一定國際競爭力的骨干企業(yè)。根據(jù)集成電路材料和零部件產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（ICMTIA）統(tǒng)計，我國集成電路材料營收十年翻兩番，江豐電子、安集微電子等公司的濺射靶材和拋光液等上百種關(guān)鍵材料通過大生產(chǎn)線認(rèn)證進(jìn)入批量銷售，打入國內(nèi)外先進(jìn)芯片廠供應(yīng)鏈。但是，我國集成電路材料還很弱小，自主可控和參與國際競爭能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足（圖5），主要產(chǎn)品還集中在中低端，高端產(chǎn)品嚴(yán)重依賴進(jìn)口，“卡脖子”問題嚴(yán)峻。根據(jù)工信部對30多家大型企業(yè)130多種關(guān)鍵基礎(chǔ)材料調(diào)研結(jié)果顯示，32%的關(guān)鍵材料在我國仍為空白，52%依賴進(jìn)口。集成電路材料遭“卡脖子”，嚴(yán)重制約我國集成電路產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

 

圖5 近10年我國集成電路材料市場需求及國產(chǎn)半導(dǎo)體年銷售收入對比

 

襯底材料發(fā)展情況

襯底材料按照演進(jìn)過程可分為三代：以硅、鍺等元素半導(dǎo)體材料為代表的第一代，奠定微電子產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)；以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）等化合物材料為代表的第二代，奠定信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)；以及以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等寬禁帶半導(dǎo)體材料為代表的第三代，支撐戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展（圖6）。

 

圖6  襯底材料分類

 

目前硅已經(jīng)成為應(yīng)用最廣的一種半導(dǎo)體材料。從半導(dǎo)體器件產(chǎn)值來看，2017年全球95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路采用硅作為襯底材料，而化合物半導(dǎo)體市場占比在5%以內(nèi)。從襯底市場規(guī)模看，2017年硅襯底年銷售額87億美元，GaAs襯底年銷售額約8億美元，GaN襯底年銷售額約1億美元，SiC襯底年銷售額約3億美元。硅襯底銷售額占比達(dá)85%+，其主導(dǎo)和核心地位仍不會動搖。以下重點分析我國硅片、GaAs、InP、GaN以及SiC這幾種重要襯底材料的技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化能力。

 

一、硅襯底

目前主流的硅片尺寸為300mm（12英寸）、200mm（8英寸）以及150mm（6英寸）。其中，12英寸硅片自2009年開始市場份額超過50%，到2015年的份額已經(jīng)達(dá)到78%，預(yù)計2020年將占硅片市場需求超過84%的份額，是硅片市場的首要產(chǎn)品。

 

全球硅片市場高度集中。目前硅片的供應(yīng)商主要有日本的信越化學(xué)和盛高、臺灣的環(huán)球晶、德國的Siltronic以及韓國的SK Siltron，這五大供應(yīng)商通過產(chǎn)業(yè)整合和并購已經(jīng)占據(jù)了全球94%的市場份額（圖7）。

 

圖7 全球主要硅片供應(yīng)商市場份額

 

相比之下，我國硅片生產(chǎn)商分布零散，主要硅片產(chǎn)品集中在6-8英寸，12英寸硅片的研發(fā)和生產(chǎn)處于起步階段。當(dāng)前，有研半導(dǎo)體、金瑞泓、天津中環(huán)、洛陽麥克斯、合晶/晶盟、中環(huán)環(huán)歐等公司能夠批量供應(yīng)6英寸硅片，滿足國內(nèi)小尺寸硅片市場的需求。隨著我國集成電路正積極邁向8英寸與12英寸制造，各地多項大硅片項目正在啟動中。2017年以來，我國陸續(xù)已有近20個硅片項目公布規(guī)劃，部分項目已開工建設(shè)，少數(shù)項目實現(xiàn)量產(chǎn)。

 

在8英寸硅片方面，未來我國新增硅片設(shè)計產(chǎn)能將超過350萬片/月（表1），并且產(chǎn)能正在加速釋放中。其中浙江金瑞泓建成了8英寸硅片的生產(chǎn)線，具備月產(chǎn)12萬片能力；有研半導(dǎo)體8英寸硅片產(chǎn)能提升至每月10萬片，達(dá)到0.13μm技術(shù)要求，并獲得海外知名廠商的正片訂單；中環(huán)股份建成了從區(qū)熔設(shè)備制造、單晶制備、硅片加工的完整產(chǎn)業(yè)鏈，具備月產(chǎn)5萬片8英寸IGBT器件用拋光片生產(chǎn)能力；上海新傲、河北普興、南京國盛等具備8英寸外延片批量生產(chǎn)能力。絕緣體上硅（SOI）作為硅襯底的一個重要分支，在高溫、強(qiáng)輻射等特殊應(yīng)用以及高頻、低功耗等差等異化應(yīng)用中優(yōu)勢明顯。在商用8英寸SOI襯底方面，上海新傲擁有一系列自主知識產(chǎn)權(quán)的8英寸SOI產(chǎn)品，供貨給全球一流芯片制造廠，應(yīng)用于航空航天、射頻通信等領(lǐng)域，相關(guān)產(chǎn)品持續(xù)上量中；沈陽硅基也有一定的SOI襯底制造能力，產(chǎn)品主要應(yīng)用于射頻及MEMS傳感器等。

 

表1 國內(nèi)8英寸硅片主要供應(yīng)商及投產(chǎn)計劃

 

在12英寸硅片方面，未來我國新增硅片設(shè)計產(chǎn)能將接近500萬片/月（表2），但目前僅有上海新昇和有研半導(dǎo)體兩家公司能夠少量生產(chǎn)12英寸硅片，其中上海新昇已研發(fā)出適用于45~28nm工藝節(jié)點的12英寸硅片，實現(xiàn)產(chǎn)能10萬片/月，完成產(chǎn)品認(rèn)證數(shù)十個；有研半導(dǎo)體建有一條適用于90nm節(jié)點的12英寸硅片生產(chǎn)中試線，月產(chǎn)能1萬片；除此之外，其他大硅片項目仍處于規(guī)劃建廠或產(chǎn)品研發(fā)的早期階段。

 

分析可知，我國8英寸硅片已經(jīng)開始進(jìn)入放量階段，預(yù)計2年內(nèi)將對全球8英寸硅片供應(yīng)端產(chǎn)能影響。相較于8英寸國產(chǎn)硅片的量產(chǎn)進(jìn)度，12英寸國產(chǎn)硅片遠(yuǎn)未進(jìn)入產(chǎn)能釋放階段，與龐大的需求相比供應(yīng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。初步估計，到2020年我國大陸芯片制造能力有望達(dá)到全球的30%，屆時我國大陸12英寸硅片產(chǎn)能與芯片代工產(chǎn)能嚴(yán)重失配。除了供需缺口之外，我國12英寸硅片產(chǎn)品的質(zhì)量也有待提升。國內(nèi)現(xiàn)有硅片產(chǎn)品僅能支持28nm節(jié)點及以上工藝，無法滿足14nm以下更先進(jìn)制造工藝的需求，較世界先進(jìn)水平尚存在至少2代差距。另外，由于研發(fā)技術(shù)難度大以及國外的技術(shù)封鎖，我國尚不具備12英寸SOI襯底的生產(chǎn)能力。因此，短期內(nèi)我國12英寸硅襯底嚴(yán)重依賴進(jìn)口的狀況不會改變。此外，我國尚無一家公司能夠批量供應(yīng)射頻微波用大尺寸高阻硅（HR-Si）襯底。

 

表2 國內(nèi)12英寸硅片主要供應(yīng)商及投產(chǎn)計劃

 

表3 國內(nèi)電子級多晶硅主要供應(yīng)商及投產(chǎn)計劃

 

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