半导体行业概述

半导体行业概述 一、 半导体行业概述 半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，被广泛应用于各种电子产品中。半导体产品可细分为四大类：集成电路、分立器件、光电子器件和传感器。集成电路作为半导体产业的核心，占据半导体行业规模的八成以上，其细分领域包括逻辑芯片、存储器、微处理器和模拟芯片等，被广泛应用于5G通信、计算机、消费电子、网络通信、汽车电子、物联网等产业，是绝大多数电子设备的核心组成部分，具有十分广阔的市场空间。 作为资金与技术高度密集行业，集成电路行业形成了专业分工深度细化，产业链各环节企业相互依存的格局。在问题突出、国际贸易局势不确定性长期存在的背景下，半导体及相关支持性产业的国产化重要性日益提升。 1、半导体行业发展历程 从发展历程来看，自诞生以来，由于产业链的细化与应用市场需求的变化，半导体与集成电路产业已经经历了多次产业转移。目前，中国大陆凭借着在智能终端方面的生产能力与庞大的消费市场，正逐步承接半导体与集成电路产业的第三次转移。 2、半导体行业发展现状及未来发展趋势 全球半导体行业方面，伴随全球信息化、网络化和知识经济的迅速发展，特别是在以物联网、人工智能、汽车电子、智能手机、智能穿戴、云计算、大数据和安防电子等为主的新兴应用领域强劲需求的带动下，全球半导体产业收入将保持持续增长。2018年全球半导体行业收入为4，761．51亿美元，2019年受全球宏观经济低迷影响，半导体行业景气度有所下降，收入同比下降11．97%，为4，191．48亿美元，预计2021年半导体行业开始复苏，2024年预计全球半导体行业收入将达到5，727．88亿美元。 国内半导体行业方面，在半导体和集成电路行业快速发展的同时，我国集成电路产品依然大量依赖进口，集成电路产品的自给率仍然偏低。2015年，《中国制造2025》计划中提出了到2025年，70%的核心基础零部件、关键基础材料实现自主保障的战略目标，在该目标的指引下，我国集成电路产业逐步开始了国产化的进程，这也为国内的集成电路及集成电路产业链相关企业提供了实现跨越式发展的机遇。根据国际半导体协会（SEMI）的统计数据，2017年到2020年期间，全球将有62座新晶圆厂投产，其中将有26座新晶圆厂座落中国大陆，占比达42%。新晶圆厂从建立到生产的周期大概为2年，未来几年将是中国大陆半导体和集成电路产业的快速发展期。随着半导体产业的快速发展，将进一步推动国内高性能溅射靶材行业的高速增长。 二、 平板显示靶材应用场景 平板显示主要包括液晶显示（LCD）、等离子显示（PDP）、有机发光二极管显示（OLED）等，多由金属电极、透明导电极、绝缘层、发光层组成，为了保证大面积膜层的均匀性，提高生产率和降低成本，溅射技术越来越多地被用来制备这些膜层。平板显示镀膜用溅射靶材主要品种有：钼靶、铝靶、铝合金靶、铬靶、铜靶、铜合金靶、硅靶、钛靶、铌靶和氧化铟锡（ITO）靶材等。 若根据工艺的不同，FPD行业用靶材也可大致分为溅射用靶材和蒸镀用靶材。其中溅射用靶材主要为Cu、Al、Mo和IGZO等材料。蒸镀用靶材一般为Ag和Mg两种金属。Ag和Mg合金一般用于小尺寸OLED面板产线中的阴极制作。除此以外，Ag也可以作为顶发射OLED器件中的阳极反射层使用。 薄膜晶体管液晶显示面板TFT-LCD由大量的液晶显示单元阵列组成（如4K分辨率的屏幕含有800多万个显示单元阵列），而每一个液晶显示单元，都由一个单独的薄膜晶体管（TFT）所控制和驱动。薄膜晶体管阵列的制作原理，是在真空条件下，利用离子束流去轰击靶材，使固体表面的原子电离后沉积在玻璃基板上，经过反复多次的沉积+刻蚀，一层层（一般为7－12层）地堆积制作出薄膜晶体管阵列。 OLED典型结构是在氧化铟锡（ITO）玻璃上制作一层几十纳米厚的发光材料，ITO透明电极作为器件的阳极，钼或者合金材料作为器件的阴极。从阴阳2极分别注入电子和空穴，在一定电压驱动下，被注入的电子和空穴分别经过电子传输层和空穴传输层迁移到发光层并复合，形成激子并使发光分子产生单态激子，单态激子衰减发光。 三、 溅射靶材产业链 中国溅射靶材上游为各种原材料，包括金属、合金、陶瓷化合物；中游主要为靶材制造、溅射镀膜；下游广泛应用于半导体芯片、平面显示、信息存储、太阳能电池、智能玻璃等。 中国溅射靶材产业链上游金属上市企业包括新疆众和、天山铝业、铜陵有色、安宁股份、中环股份等，合金企业包括江赣锋锂业、兴业矿业、浙富控股、厦门钩业、寒锐钻业等。 中游的溅射靶材企业主要为日矿金属、霍尼韦尔、东曹、普莱克斯、有研新材、金钼股份、新疆众和、隆华科技、江丰电子、康达新材、阿石创、超卓航科等。 下游集成电路企业包括中芯国际、长电科技、韦尔股份、通富微电、华天科技等，太阳能电池企业包括通威股份、隆基绿能、天合光能、晶科能源、TCL中环等。 四、 溅射靶材上游分析 2021年国内共生产高纯铝14．6万吨，同比增长9．77%，根据数据统计，2016年中国的高纯铝产量为11．8万吨，2020年增至13．3万吨，年均复合增长率为3．0%。2021年全球经济复苏叠加新能源汽车需求爆发，下游需求旺盛，高纯铝产量再创新高。预计2022年高纯铝产量将继续保持增长，将达15．4万吨。 以纯铜或铜合金制成各种形状包括棒、线、板、带、条、管、箔等统称铜材。近年来中国铜材产量整体保持增长趋势，2022年9月中国铜材产量222．1万吨，同比增长9．5%；1-9月累计产量1636．6万吨，同比下降0．5%。 五、 溅射靶材应用场景 半导体芯片是对溅射靶材的成分、组织和性能要求的最高的领域。具体来讲，半导体芯片的制作过程可分为硅片制造、晶圆制造和芯片封装等三大环节，其中，在晶圆制造和芯片封装这两个环节中都需要用到金属溅射靶材。靶材在晶圆制造环节主要被用作金属溅镀，常采用PVD工艺进行镀膜，通常使用纯度在99．9995%（5N5）及以上的铜靶、铝靶、钽靶、钛靶以及部分合金靶等；靶材在芯片封装环节常用作贴片焊线的镀膜，常采用高纯及超高纯金属铜靶、铝靶、钽靶等。 具体来看，半导体领域用量较多的溅射靶材主要有钽靶、铜靶、铝靶、钛靶等，其中铜靶和钽靶多配合起来使用，分别用于生成铜导电层和钽阻挡层，在110nm以下技术节点中大量使用；铝靶和钛靶则主要用于8英寸晶圆110nm以上技术节点中导电层和阻挡层的制备。随着芯片制程持续微缩，铜靶和钽靶需求有望持续增长，而汽车芯片等仍广泛使用成熟制程，铝靶和钛靶仍有大量应用。 半导体芯片用金属溅射靶材的作用，就是给芯片上制作传递信息的金属导线。具体工艺过程为，在完成溅射工艺后，使各种靶材表面的原子一层一层地沉积在半导体芯片的表面上，然后再通过的特殊加工工艺，将沉积在芯片表面的金属薄膜刻蚀成纳米级别的金属线，将芯片内部数以亿计的微型晶体管相互连接起来，从而起到传递信号的作用。 六、 溅射靶材种类和规格 按材质可分为金属靶材（纯金属铝、钛、铜、钽等）、合金靶材（镍铬合金、镍钴合金等）、陶瓷化合物靶材（氧化物、硅化物、碳化物、硫化物等）。按下游终端应用可分为半导体靶材、平板显示靶材、太阳能电池靶材、记录存储靶材等，四大板块约合占比97%。 按形状分类可分为长靶、方靶、圆靶和管靶。其中常见的靶材多为方靶、圆靶，均为实心靶材。近年来，空心圆管型溅射靶材由于具有较高的回收利用率，也在国内外得到了一定推广。在镀膜作业中，圆环形的永磁体在靶材的表面产生的磁场为环形，会发生不均匀冲蚀现象，溅射的薄膜厚度均匀性不佳，靶材的使用效率大约只有20%～30%。目前，为了提高靶材的利用率，国内外都在推广可围绕固定的条状磁铁组件旋转的空心圆管型溅射靶材，此种靶材由于靶面360°都可被均匀刻蚀，因而利用率可由通常的20%～30%提高到75%～80%。 不同应用领域对于溅射靶材的材料和性能要求存在一定差异。如半导体芯片对于靶材的纯度和精度要求最高，技术难度也最高，通常为圆靶；而面板则要求材料面积大、均匀性好，技术难度不如芯片但要求也很高，形状常为长靶。 七、 溅射靶材行业概述 溅射工艺是物理气相沉积（PVD）技术的一种，是制备电子薄膜材料的主要技术之一，而溅射靶材正是该工艺的关键原材料。以晶圆制造为例，需要反复重复薄膜沉积工艺，用于导电层、阻挡层、接触层、介电层等的制备，薄膜沉积工艺通常分为物理气相沉积（PVD）技术和化学气相沉积（CVD）技术，其中PVD常用来生长铝、铜、钛、钽等金属薄膜，CVD常用来制备氧化硅等绝缘薄膜。 除钨接触层和铜互连层外的绝大多数金属薄膜都是用PVD技术生成，而溅射则是目前最主流的PVD技术。溅射是利用离子源产生的离子，在真空中经过加速聚集，而形成高速度能得离子束流，轰击固体表面，离子和固体表面原子发生动能交换，使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面，被轰击的固体是制备溅射法沉积薄膜的原材料，称为溅射靶材。类似地，除晶圆制造外，显示面板、薄膜太阳能电池等的制造过程中也都会用到溅射工艺以制备薄膜材料。高性能靶材主要指应用于半导体、平板显示、太阳能电池等领域的金属纯度为99．95%以上的溅射靶材。 靶材制备位于产业链的中游，从产业链来看，靶材上游原材料材质主要包括纯金属、合金以及陶瓷化合物三类。下游应用市场则较为广泛，但整体来看主要集中在平板显示、信息存储、太阳能电池、半导体四个领域。 八、 光伏靶材应用场景 光伏领域对靶材的使用主要是薄膜电池和HIT光伏电池（本征薄膜异质结电池），目前市场主流的晶体硅太阳能电池较少用到溅射靶材。其中自2015年三洋的HIT专利保护结束后，技术壁垒消除，HIT电池电池开始推广，近年来发展迅速。 光伏电池用靶材形成背电极，靶材溅射镀膜形成的太阳能薄膜电池的背电级主要有三个用途：第一，它是各单体电池的负极；第二，它是各自电池串联的导电通道；第三，它可以增加太阳能电池对光的反射。目前太阳能薄膜电池用溅射靶材主要为方形板状，纯度要求一般在99．99%（4N）以上。其中薄膜电池较为常用的溅射靶材包括铝靶、铜靶、钼靶、铬靶以及ITO靶、AZO靶（氧化铝锌）等，HIT电池则主要使用ITO靶材作为其透明导电薄膜。铝靶、铜靶主要用于导电层薄膜，钼靶、铬靶用于阻挡层薄膜，ITO靶、AZO靶用于透明导电层薄膜。