《半导体材料的“粮食” “中国芯”要如何争这口“气”?》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2020-05-28
  • 2020年-2022年是中国大陆晶圆厂投产高峰期,以长江存储,长鑫存储等新星晶圆厂和以中芯国际,华虹为代表的老牌晶圆厂正处于产能扩张期,未来3年将迎来密集投产。根据电子特气的特性来推断,新建晶圆厂将是电子特气国产代替的主要发展企业。国内新建晶圆厂的密集投产为电子特气打开了最佳代替窗口。

    产业的转移倒逼着配套材料的国产化需求,为此政府给予了一系列政策支持,包括《“十三五”国家战略新兴产业发展规划》《新材料产业指南》等指导性文件,旨在推动包括特种气体在内的关键材料国产化。

    随着集成电路制造产业的发展,全球集成电路用电子气体的市场规模也逐渐扩大。电子特气全球市场超过100亿美元、中国市场超过100亿人民币。仅从集成电路用电子气体来看,据中国产业信息网的数据,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。

    近年来,随着电子工业的快速发展,电子气体在半导体行业中的地位日益凸显。在构成半导体的所有材料中,电子气体占到了13.3%的比重,仅次于硅材料,排名第二。

    广义的“电子气体”指电子工业生产中使用的气体,是最重要原材料之一。狭义的“电子气体”特指电子半导体行业用的特种气体。其分为纯气体、高纯气和半导体特殊材料气体三类,是集成电路、平板显示、发光二极管、太阳能电池等半导体行业生产制造过程中不可或缺的关键性化工材料,被广泛的应用于清洗、刻蚀、成膜、掺杂等工艺。其质量对电子元器件的性能有重要影响。

    在半导体工艺中,从芯片生长到最后器件的封装,几乎每一步、每一个环节都离不开电子特气,因此电子气体被称为半导体材料的“粮食”。

    集成电路制造需经过硅片制造、氧化、光刻、气相沉积、蚀刻、离子注入等工艺环节,仅需要使用的纯气就超过50种,混合气体种类更多,且每一种气体仅应用在特定的工艺步骤中。此外,在显示面板、LED、太阳能电池片、光纤光缆等器件的制造中的不同工艺环节均会用到多种特种气体。

    此前日本对韩国实施出口限制的高纯度氟化氢是半导体用的刻蚀气体,主要用于晶圆表面清洗、芯片加工过程的清洗和腐蚀。

    当前特种气体已成为高科技应用领域和战略新兴行业发展不可缺少的基础原材料。据不完全统计,现有特种气体的种类达260余种,随着非低温气体分离技术(吸附、膜分离)、混配技术和提纯技术的发展,更多的特种气体产品将逐步走向市场。

    电子特气从生产到分离提纯以及运输供应阶段都存在较高的技术壁垒,市场准入条件较高,在国际上被几家跨国公司垄断。目前以美国空气化工、美国普莱克斯、德国林德集团、法国液化空气和日本大阳日酸株式会社为首的五大气体公司控制着全球90%以上的电子气体市场份额。

    2018年,林德集团(与美国普莱克斯合并)收入占整体市场的36%,法国液化空气集团占30%,美国空气化工占11%,CR3达到77%。在中国的电子特气市场中,外资巨头目前也占有85%的市场份额。

    虽然我国电子气体已经摆脱完全依赖进口的状态,但面对国外化工巨头已经实现的市场垄断,国内企业依然面临巨大的竞争压力。

    国内电子特气产能相对分散,细分领域公司数量较多。相比较为成熟的大宗工业气体,国内达到电子级气体的产品仍然较少,但部分产品已实现进口替代。中船重工718所、绿菱电子、广东华特等均在12英寸晶圆用产品上取得了突破,并且实现了稳定的批量供应。

    国内本土工业气体企业有数千家,普遍规模小,且多为从事普通工业气体零售、充装的气体公司,业务单一、区域限制明显,同时又受限于设备、技术、资金、物流等方面因素,企业发展存在较大瓶颈,行业竞争激烈。

    当前,我国通过国家集成电路产业投资基金(大基金)撬动全社会资源对半导体产业进行投资和扶持,在电子特气领域也积极布局,入股电子气体企业,力争实现电子气体自主可控。国内其他电子气体公司抓住晶圆制造扩产的百年机遇,积极发展电子气体业务,争取打进国内新建晶圆厂的供应链。

    基于未来几年中国大陆地区半导体、显示面板等主要电子元器件的新增产能较多,以及电子化工材料的进口替代需求强烈,国内电子气体行业也将迎来高速增长。

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    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2019-03-11
    • 分享嘉宾 江苏奥首光电材料有限公司CEO 侯军 文字记录 各位朋友大家下午好,很荣幸大家坐在这里分享一下。半导体材料目前在国内的一些情况,今天上午我们听了很多关于半导体产业发展,包括各个制造企业目前一些情况。其实,就像我们一个家庭现在有了很好的房子、建了很好的厨房,但没有食材很难享受烂漫晚餐,材料要成芯片,相当于材料是芯片的原材料。今天想从几个方面,一个是目前半导体材料的一个发展情况,同时分享一下我们公司在国产化的工作。 这部分上午讲的比较多及电子信息产业发展,芯片是整个核心,未来我们5G也好,还是智能制造,还是无人驾驶、物联网都离不开芯片。中国目前已经成为世界上最大的一个电子信息市场,数据都很详尽,整个2017年增长连续增长20%多,整个在今年增长也是在接近20%,所以说从这样一个趋势来看及中国未来还是世界上最大的单一半导体市场。 " 但是,中国的市场很大,但芯片自给率不到10%,我们芯片的进口率超过了石油。我们看看半导体材料的情况,从硅晶圆等等,这是芯片最大众的材料,而目前来看主要还是在国外,包括比如说硅晶圆主要是日本,占了世界上70%这样一个市场份额。所以实际上我们国内建了很多超硅、核晶都在开展这方面的工作。靶材也是,所有这些材料我们目前来看,日本、美国和德国这是为主的国家企业都占材料领域90%,我们中国在这些材料领域不到10%。当然这就给我们应该来讲创造了很大的空间,未来我们可以在中国的土地上要做的工作是有很多的。 " 对于整个在半导体晶圆制造过程,相应的咱们看一看一个份额,就是每个环节。我们看大硅片是最主要,再就是掩膜板、电子气体、CMP材料等等,可以看到在台湾需求最大,我们中国接下来所有这些晶圆厂投厂、封装厂的扩大,相继在未来中国材料需求应该是会很大。这是这几年一个统计,这个数据来自于半导体协会的数据,可以看到每一年中国在材料的需求增长都非常快,今年前三季度生产基本上达到20%,有的甚至到30%、40%。在封装材料也是一样,尤其像这些材料。 " 在国产化情况是什么样子,我们现在整个大类的材料,这是一个联盟统计的一个数据,关于我们的材料无潺潺化率,光刻胶也就4.8%,研磨材料目前是8.3%,对于电子气体国内做的最好,国产化率达到25%;工业化学品高度化学试剂目前在国内有突破;还有一类在半导体领域里面可能会被大家极力忽视叫:特种功能精细化学品,目前国内这个国产化率0.5%,所以从这些材料咱们可以看的到,我们国家和世界上像日本、德国、美国这些企业差距是巨大的。差距很大,同样说明机会也会很大,这就给我们国内想要从事这个领域的企业也好,包括各个政府都要去发展这个产业是很好的时机。这么多产业建设,五年以后、三年以后投产,这些材料不能国产化供应,那这些利润还是被国外拿走,目前这块应该还是很大的机遇,但这块确实难度很大,跟我们产业结构,早期中国这些材料都在做,主要做粗放式的材料,对于这一类型都是精细化类型的这些材料,这确实是我们国家最大的盈利。我们有统计吗?中国目前在精细化学品材料,整个大的国家,整个40%左右占有率。像美国、日本、韩国、德国这些国家,这些精细化学品率达到70%、80%,这个是我们国家未来大的发展方向巨大的空间,这个空间很大,但是不局限于半导体,还有其他行业领域。 " " 这是简单点跟大家分享材料现状,我们公司成立的时候一直做国产化这方面工作,这几年也做了一些尝试,下面向大家做一个简单的汇报。我们主要是立足于做特种功能精细化学品,面对一个是半导体材料,还有一块是航空航天的材料,另外就是液晶面板、显示面板材料,实际上这块应该来讲90%都是在从国外进口,我们现在做的就是整个有相应的从原料、配方、核心的工艺制备做一块整体工作,我们定位叫芯航工,芯片就是芯片、航就是航空,工就是高端装备特种化学品,我们分析国外杜邦、三菱等等,基本上现在咱们可以看到在中国所有这些企业用到的材料,应该都是他们提供的。所以这里面确实是有巨大的空间和机会值得去挖掘。 我们主要是和咱们国内有唯一一个精细化重点实验室,我们有产学研研发平台,所以这也是始的我们能够快速发展的方面,要做这个领域里面可能给我们带来启示还是要借助外力,这个借好力确实很重要,对于国内目前在好的一些科研机构,他们在理论方面,在基础研发方面,确实有很强的基础,但是怎么样把这样一些基础性成果和市场应用端去联合起来,而真正形成商品,这个可能是需要我们能够掌握切入点,主要通过前期的工作,目前还是做的不错的,所以我想可能未来想要在这个领域做,还是要和国内结合。做材料这个里面的设备是非常关键的,而这个设备投入确实是很大,有的设备一台几百万、上千万设备,一个企业刚刚开始做的真的很难买,除非很大,投个300亿做材料,这个感觉目前做特种化学品材料不现实,所以还是要借助外力、搭好平台,国内一些具有领先研发平台去做,这个会缩短研发周期。 下面分享几个案例,我们在国产化材料几个案例。在半导体材料主要是从硅片制造、到晶圆、到封装整个产业链里面提供相应的材料,比如硅片切割液、研磨液、清洗液,晶圆制造里面刻蚀业,清洗形成了40多种。简单说一下,我们在研磨这一段,这是在硅片切完以后做研磨,这个市场也很大,但是难度也很高,我们当初研发项目有三个博士,带着五个研究生,五个硕士研发三年,我们通过扎实去做还是把这块攻破了,主要要解决里面很多关键的核心技术问题确实非常难。 另外,大家在晶圆制造完了以后做切割这块,就是在这块环节,一个是大家知道钻石切,这里面保护晶膜用到特殊的保护液,现在有的地方要加,不加一点点对芯片影响特别大,所以在目前基本会用到。目前基本上这些产品如果熟悉这个环节,国外基本上这个行业被国外垄断,我们现在在替代国外产品。我们当时在做的时候,通过自己设计和制备高功能的活性剂,在切的时候可以快速渗透切片刀和芯片里面,这块几个关键,一个就是对液的悬浮,还有润湿能力有影响。这是切完以后用它和不用它的区别。现在12寸芯片基本在机关切,机关切要涂保护液,这块现在卖的很贵,基本上只有日本企业提供,有的卖到400美金,对我们国内做芯片,做这块成本很大的一个方面,我们现在完全可以去替代的。 这里简单说一下我们在国产化做的工作,我们也不仅仅局限于这方面。最后跟大家一起探讨的就是,怎么样做好特种功能精细化学品,因为首先要知道特种功能精细化学品和我们大家以前经常听到湿化学品或者电子化学品不太一样的,我们经常可能以前说的湿化学品还是一些酸,溶剂等等这样一些,而真正在很多的半导体制成各个环节,还有特种化学品,这个大部分都是匮乏性产品,应用品种比较多,各个环节比较多,但是量不多但又非常关键。我们人有三高,这类产品四高,技术含量非常高,确实很难做,尤其是核心材料,基本上很多核心材料都是在国外在生产,所以实际上要攻克这一刻除了能够做,把这些材料买回来能够做成自己的产品以外,还应该具备做核心材料的能力,如何制备核心原材料也是考验做这个关键的环节,否则的话还是会被他们卡脖子,这是我们要在做的时候针对性考虑。 第二个当然性能要求非常高,因为每一点可能影响,有的时候就是一个颗粒影响导致芯片的报废。因为要求高,所以另外一点给大家带来的利润会很高。假如说有的产品能卖到400美金一升,这个里面有很的空间。但是如果没有人替代,所以他卖多少钱你都得买,这就是国内芯片制造大家面临非常大的问题。我们也希望行业内能够有更多的企业、更多的同仁能够共同去发展这样一个行业。整个目前是戳在40多个亿,这是细分的市场,95%都是在被日本等国家垄断,所以应该来讲还是有很大的空间和机会。 再加上现在大家都知道中美贸易,所以这个时候也是很好的时候,我们感受很深。早期的时候跟客户到芯片去说我们国产化替代材料,基本上芯片厂不会理我们,我们现在很好没有必要去换,而且换一下对他们影响又会很大,所以不太信任你,很多芯片厂实际上对国内材料厂商不太信任的。所以,现在随着中兴事件、中美贸易以后,明显感觉要好了很多,给我们创造比较好的空间,很多企业主动找到我们,说我们能不能合作把这个材料国产化。所以,我想随着我们国家整个产业的发展,还有包括外来的环境应该给我们提供更多的机会。 怎么做?未来这些产品的趋势会怎么样?我们的看法是第一段5纳米,如果到14纳米对材料的要求又完全不一样,这可能第一方面更高的纯度,第二个就是对工艺定制化,而不是一个产品就能够满足所有芯片制成的工艺,所以需要在定制化、特制化或者说给客户共同去开发,大家合作性去开发适合他的产品,这就要求对企业自主研发领域提出更高;第三个一些原有的材料可能会被替代,所以就要不断的去开发第二代、第三代新的材料去应用到可能在接下来的5纳米、7纳米这些工艺段的产品。这个是对于我们来讲应该也是非常大的挑战。 最后跟大家分享就是怎么样去做好材料,大家都看到这个市场都很大也很好,利润也很高,很多人都想去做,但实际上芯片也是一样、材料也是一样,真的很难。一个产品导入两年、三年,甚至五年的时间才能导入,这个对企业是不是要有足够的耐心,要有足够的战略定力。你把定位定了要做这个材料,是不是真的有足够能够一直坚持下去。可能做了三年还看不到希望,你的营收怎么保障,所以可能对做这一类型企业来讲我们要去考虑,首先要考虑怎么能养活自己,我在半导体有没有相应的支撑去养活这个企业,有没有足够的现金流支撑做研发,然后去投入,往这个半导体材料去做。这个可能是我们要去更多的做好储备,我们也见到很多,刚开始想要做这个,然后就开始投,投到最后发现不对,做了几年还是不行这个时候开始动摇,所以这个需要足够的战略定力。 第二个要有耐力,因为这个过程就像爬山一点,一开始爬爬怕到山顶,走到中间的时候很有可能大家都知道大汗淋漓,所以耐力非常重要,而且这是长跑性的,要坚持。如果我们有足够时间的坚持,那么是有可能做成的。当然还有可能政府的支持,因为一个产业链的建成,不仅仅是靠企业,其实像我们做这种功能化学品大家都知道,今年环保抓的非常严,其实这一类型的功能化学品,大家都知道他是没有污染的。但是对于政府而言,现在一听说你是化学品,这个一下子就大了,你这个化学品肯定不能支持,所以这个里面实际上就有很大问题,如果这几年大家都在发展半导体产业,芯片厂在建设,再过几年材料产业由于政策性的限制而不去发展的,这会对我们未来中国十年的发展都会造成伤害,因为材料错过这个时机的话,实际上后面再去补上来很难的,这个里面也有时机的把握,比如说我们现在大家都在半导体产业,这个产业也是大家正在建设,伴随着建设材料都应该建设,而不是材料都建好都稳定再去建材料厂,这个时候驱动力已经不强了。这个里面确实需要政府的支持,当然像我们做企业也很难影响各个地方政府,我们有时候到政府去经常大家提到一块我真的感头疼,政府也知道,知道你的东西是没有环保要求的也可以,但就是国家政策不允许,国家的一刀切导致现在很多,我们身边有很多要去做材料都面临这个问题,所以这个真的需要政府大家共同努力。 最后更多需要客户支持,因为所有产品能不能用只有客户才有发言权,客户不去实验、不去验证,永远没有机会。所以可能要做好中国整个半导体产业,做好中国芯需要我们材料、装备、行业、客户、芯片制造企业所有整个产业链大家共同的努力才能发展好。所以希望我们以后大家能够共同的合作,共同的去发展我们中国的半导体产业,谢谢大家!
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    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2023-05-31
    • 没有任何一家公司、任何一个国家能够在半导体行业实现自给自足。我们不应该与全球市场脱钩。美国半导体协会(SIA)副会长白石(Jimmy Goodrich)如是说。 日本宣布7月23日起将对中国实施新的出口限制。再次引起了半导体产业以及科技行业对于全球化的讨论。半导体产业反复强调半导体是一个全球性的产业,这是一个无法因为某个国家的某个政策会改变的事实。 从美国的《芯片法案》发布以来,全球各个国家、各个地区为了本国半导体产业“不落于人”都开始引入激励措施。但事实是,如同海洋已经将整块大陆分割成了大洲,半导体产业的全球化已经无法因为某一个或者某几个国家的政策而逆转。 近期,SIA提交了一些对于美国《芯片法案》设置的“护栏”条款的意见。虽然言语婉转,但依然透露出美国半导体公司已经感受到《芯片法案》对自身产业的反作用。 01 SIA:希望重新评估一部分条款 《芯片法案》对获得制造奖励的公司施加了许多限制。例如,资金的接受者被限制在“外国关注的国家”进行某些制造能力扩张(“扩张回拨”)也被限制与“外国关注的实体”联合研究和技术许可(“技术回拨”) 。该法案要求在违反这些限制的情况下返还CHIPS资金(“追回”)。 根据《芯片法案》建立的单独先进制造业投资信贷还包括一项“重新获得”条款,该条款要求在与商务部采用的护栏大致一致(尽管包括某些例外)的情况下,申请信贷的公司退还税收优惠。 除了《芯片法案》,美国国会还多次推出草案,名为《国家关键能力防御法案》(NCCDA),要求在芯片制造、AI等量子科学等领域,限制对中国高科技的投资。近日也有传闻,白宫甚至可能先美国国会一步,推出对华投资审查的行政令。 对于投资审查,白石说,目前尚不清楚美国政府具体想要解决什么顾虑,他猜测美国政府可能担心一些投资有金钱以外的价值,特别是包含了技术转让或管理知识或know-how的转让。白石表示,从产业看来,产业希望政府的重点能缩小到一小部分投资上,只关注和国家安全有明确关联的投资,而且要保证公平——要在国际上保证别的国家不会填补美国带来的空缺。 SIA认为商务部提议的实施该框架的法规的某些方面比国会预期的更具限制性。例如,虽然国会明确免除了用于制造遗留半导体的现有设施的“扩张回拨”,但商务提案的某些方面削弱了资金接受者维持其现有遗留设施商业可行性的能力。同样,虽然国会限制资金接受者与外国相关实体进行联合研究或技术许可,但商务部提案以过于广泛的方式扩大了这一限制,限制还包括专利许可和参与标准制定组织等普通商业活动。 虽然SIA将中国视为主要竞争对手,因为中国在半导体研究,设计、制造、封装、设备和材料的所有领域都在不断增长。但SIA也承认中国在全球半导体生态系统、全球供应链和整个经济都扮演着重要的角色。对于全球半导体产业而言,中国同时既是一个巨大的市场,约占全球所有芯片销售额的三分之一;也是半导体供应链的主要部分,前端产能约20%,后端产能近40%。 SIA 希望在有针对性的方面修改拟议的法规以避免不必要的供应链中断并使适当的普通商业活动能够继续进行。 02 跨国半导体公司积极维护与中国关系 在美国政府带着自己的小团体频频做出针对其他国家产业健康发展的动作的同时,全球公司都在选择维持与中国市场的关系。空中客车公司近期宣布将在天津建设第二条生产线,特斯拉宣布将在上海新建储能超级工厂,大众计划在华投资10亿欧元开发纯电汽车……路透社文章说,对华投资正在淹没“脱钩”言论。奥纬咨询董事合伙人贝哲民说:“中国在未来很长一段时间仍将是全球制造重心。” 半导体公司也不例外,荷兰ASML CEO温彼得(Peter Wennink)和美国高通CEO克里斯蒂亚诺·安蒙(Cristiano Amon)在3月访问中国,美国英特尔CEO帕特·基辛格(Pat Gelsinger)在4月来到中国,三位CEO都受到了中国商务部部长的会见。 美国高通CEO在专访中表示,对于与中国市场及中国客户建立起的合作伙伴关系深感自豪,还表示,随着高通业务持续拓展,高通的合作伙伴关系也从移动通信行业不断向汽车、计算、VR、工业等领域扩展。英特尔CEO在北京表示,中国作为全球最大的市场之一,一直以来都是英特尔最佳的合作伙伴之一,同时英特尔也在不断加深与中国合作伙伴的关系。 英伟达CEO黄仁勋5月接受采访时称,拜登政府为抑制中国半导体制造业发展而实施的出口管制“捆住了(英伟达的)手脚”,让公司无法在其最大的市场销售先进芯片。黄仁勋还补充说:“如果我们被剥夺了中国市场,我们是没有应急措施的,(世界上)没有另一个中国,只有一个中国。”黄仁勋说,中国市场不可代替;若无法与后者进行贸易,将对美国企业造成“巨大的损害”。 03 《芯片法案》的“彻底失败” 黄仁勋在专访中还表示,如果持续保持当下对中国的限制,《芯片法案》最终会彻底失败。因为失去中国市场的美国科技行业也会失去发展的源动力,到时候即使美国拥有芯片产能也没有人再需要它。黄仁勋认为,“如果(中国)不能从美国购买,他们就会自己制造。美国必须小心,中国是非常重要的技术产业市场。”中国企业有潜力厚积薄发,实现自我成长,而这本是某些人不想见到的。遏制打压阻挡不了一个有决心的国家的产业发展,只会增强这个民族科技自立自强的决心和能力。 中国是世界最大的半导体市场,强推对华“脱钩断链”、人为干扰市场行为不符合任何一方的利益。 SIA总裁兼首席执行官约翰·纽菲尔曾在接受采访时表示“美国半导体公司不能缺席中国市场”,对此,商务部长王文涛指出,中国坚定不移推进高水平对外开放,加快构建新发展格局,把吸引外资放在更加重要的位置,稳步扩大规则、规制、管理、标准等制度型开放。当前,中国经济运行保持恢复向好态势,市场潜力持续释放,这些都将为包括美资企业在内的各国企业来华发展提供更多机遇。 04 全球化的“覆灭” 如何逆转半导体的全球化? 在全球合作已经如此成熟的背景之下,停止或者逆转半导体的全球化是一件时间成本、人力成本、经济成本都很高的过程。逆转半导体的全球化,需要大量的资金支持去填补本地化所带来的成本升高。同时全球化的停止必然带来技术的流通放缓,这意味着在研发出新技术之前,一个本地企业只能用落后的生产方式,而这会带来时间成本。同时半导体的生产会需要一些自然资源,为了限制其他国家的半导体产业,这些资源也会成为“重点保护对象”。如此发酵,半导体市场的逆全球化会带来全球贸易的混乱。 混乱的贸易格局,无法为任何人带来幸福。 人类用漫长的时间探索出互惠互利的全球市场格局,但却要因为人性打破全球经济系统的和谐发展。数十年来,经济全球化促使产业链、价值链、供应链不断延伸拓展,生产要素全球流动,为世界经济提供强劲动力。但身处其中的一些人,却没有意识到自身的快速增长与全球化息息相关。 商业化的大规模先进半导体生产是人类所做的最复杂举措之一。到目前为止,还没有一个国家成功靠国内资源成功发展了供应链如此众多的部分。这是一项艰巨的任务。但就支持这一行业的资源和国内市场规模而言,中国可能是独一无二的。这也是为什么虽然多个国家地区政府表现出了对中国的不友好态度,当地企业去依然“叛逆”地选择了中国。 如果说有一个确定的因素可以影响半导体产业的未来格局,那一定是行业的创新。与其成为彼此的敌人,或许共同寻找新的机遇才是最好的选择。