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    中國電子級工藝化學品市場現狀分析

    中國電子級工藝化學品市場現狀分析

    來源:
    ICMtia
    2023/01/17
    瀏覽量

     

    1    中國半導體材料產業發展態勢

    1.1全球半導體制造業發展趨勢

    半導體產品是現代社會信息化、智能化的基礎,廣泛應用于計算機、家用電器、數碼電子等產品中,在人工智能、移動通信、大數據、物聯網等為代表的新一代信息技術和高效能計算、大容量存儲、極低功耗通信和新型量子技術等創新發展中發揮著關鍵支撐作用。根據WSTS統計,2021年全球半導體銷售額達到5560億美元,同比增長26.3%,預計2022年仍將保持兩位數增長趨勢,見圖 1。其中亞太地區預計增長約13.9%。

    圖 1 全球半導體產業發展態勢

     

    1.2 中國半導體產業發展現狀

    根據中國半導體行業協會統計,2021年中國半導體產業繼續保持快速增長態勢,集成電路產業銷售額為10458億元,首次突破萬億元,同比增長18.2%。分立器件產業銷售額達到4105億元,同比增長高達38.4%。中國半導體產業發展預測見圖 2。

    圖 2 2010-2021中國半導體產業銷售額發展狀況

    2021年,在國內宏觀經濟運行良好的驅動下,中國半導體產業繼續保持快速平穩增長。在全球“缺芯”的大背景下,國內半導體產品需求旺盛,大部分國內半導體生產線都處于滿負荷運行狀態。預計2022年受疫情與國際形勢影響,增長態勢將有所減緩。

     

    1.3 中國半導體制造材料市場增長態勢

    半導體制造材料是集成電路和分立器件等的重要支撐,主要包括硅片、光掩模、光刻材料、特種電子氣體、工藝化學品、CMP拋光材料、濺射靶材、封裝材料等。受益于國內集成電路和分立器件產能快速擴張,2021年中國半導體材料市場繼續快速增長,整體市場規模超過千億元,達到1025億元,其中晶圓制造材料市場規模達到605億元,封裝材料市場規模達到420億元,詳見圖 3。

    圖 3  2015-2022年中國半導體材料增長態勢

     

    1.4 中國半導體制造材料產業發展狀況

    近年來,中國半導體材料企業技術水平持續提升,產品品質不斷提高,涌現出眾多具有一定市場競爭力的優質產品,產業規模不斷壯大,自給能力逐漸增強。根據集成電路材料產業技術創新聯盟(ICMtia)的調研數據,2021年我國半導體材料企業銷售收入為496億元,同比增長40.4%。預計2022年將達到622億元,相關數據見圖 4。

    圖 4  2010-2022年半導體材料企業銷售收入發展趨勢

     

    2 中國電子級工藝化學品市場及產業現狀

    2.1工藝化學品概述

    工藝化學品又稱為濕電子化學品、化學試劑,是半導體芯片濕法工藝過程中使用的不可缺少的關鍵化工材料,主要用于清洗、刻蝕、電鍍和表面處理等。通常應用于不同領域的化學品對純度的要求也不同。如圖 5所示,用于半導體制造的電子級工藝化學品是化學試劑中對純度要求最高的領域,要求超高純度和超高潔凈度,對生產、包裝、運輸及使用環境的潔凈度都有極高要求。

    圖 5 不同應用領域對化學試劑的純度要求

    工藝化學品按照其成分和應用工藝不同可以分為通用化學品和功能化學品。半導體制造常用通用化學品包括各類酸、堿、氧化劑和有機溶劑等,一般控制顆粒粒徑在0.2μm以下,雜質含量控制在ppb級以下,是工藝化學品中對顆??刂?、雜質含量要求最高的材料。功能化學品是通過復配手段達到特殊功能,滿足半導體制造中特殊工藝需求的配方類化學品,主要包括刻蝕液、清洗液、電鍍液及添加劑等,相關產品分類見表 1。

    表 1工藝化學品相關產品及其分類

    類 別

    名 稱

     

    通用

    化學品

    酸類

    氫氟酸(HF)、硫酸(H2SO4)、磷酸(H3PO4)、鹽酸(HCl)、硝酸(HNO3)等。

    堿類

    氨水(NH4OH)、四甲基氫氧化銨((CH3)4NOH)等。

    氧化劑

    雙氧水(H2O2)

    有機溶劑類

    異丙醇((CH3)2CHOH)、乙二醇((CH2OH)2)、N-甲基吡咯烷酮(C5H9NO)等。

     

    功能

    化學品

    刻蝕液

    氧化硅緩沖刻蝕液(BOE)、硅刻蝕液、高選擇比磷酸、鋁刻蝕液、銅刻蝕液等。

    電鍍液及添加劑

    銅電鍍液及添加劑、其他金屬電鍍液及添加劑

    清洗液

    CMP拋光后清洗液、鋁工藝刻蝕后清洗液、銅工藝刻蝕后清洗液、HKMG 假柵去除后清洗液、去溢料清洗液等。

    氫氟酸、硫酸、磷酸、鹽酸、硝酸等屬于通用化學品類別,在半導體制造濕法清洗和濕法刻蝕工藝中被用于清洗去除顆粒、有機殘留物、金屬離子、自然氧化層等污染物及在每個工藝步驟中的半成品上可能存在的雜質,避免雜質影響成品質量和下游產品性能。

    各種通用化學品的SEMI國際標準等級如表2所示。在實際供貨時,供求雙方通常在此標準基礎上協商確定產品的技術指標。工藝線寬越細,所需化學品的純度和潔凈度要求也越高,線寬0.8-1.2μm工藝多用于分立器件生產,所用化學品的金屬雜質和顆??刂品秶^寬,工藝線寬小于90nm的超大規模集成電路用化學品金屬雜質和顆??刂茦藴首顬閲栏?,且有愈來愈嚴之勢。在實際應用中,由于工藝化學品采用中央供應系統供給各個工藝設備,因此多種線寬并存的制造廠通常以最小線寬標準選配工藝化學品,所以當前半導體制造用通用化學品一般對金屬離子和顆粒雜質要求都超過SEMI Grade4。

    表 2 通用化學品SEMI國際標準等級

    SEMI等級

    C1(Grade1)

    C7(Grade2)

    C8(Grade3)

    C12(Grade4)

    Grade5

    金屬雜質(X10-9)

    ≤1000

    ≤10

    ≤1

    ≤0.1

    ≤0.01

    控制粒徑

    /μm

    ≤1.0

    ≤0.5

    ≤0.5

    ≤0.2

    需雙方協定

    顆粒個數

    (個/ml)

    ≤25

    ≤25

    ≤5

    需雙方協定

    需雙方協定

    IC線寬

    /μm

    >1.2

    0.8-1.2

    0.2-0.6

    0.09-0.2

    <0.09

    功能化學品的主要特點是配方工藝精細、技術含量高、質量要求高、工藝配套性強、對生產及使用環境潔凈度要求高、產品更新換代快等。同時,由于集成電路制造工藝或技術節點的不同,對功能性化學品的質量和性能要求也不盡相同,因此,至今沒有十分明確的定義來描述功能化學品。功能化學品的理化指標很難通過普通儀器定量檢測,往往只能通過應用工藝來評價其有效性和產品優劣。

     

    2.2 中國電子級工藝化學品市場預測

    得益于半導體產品市場的快速增長,不少晶圓廠紛紛加入產能擴張的大軍,根據集成電路材料產業技術創新聯盟(ICMtia)的調研,2021年中國晶圓產能(折合8吋)為407萬片/月,其中12吋晶圓實際產能約104萬片/月,8吋實際產能102萬片/月,6吋及以下小直徑實際產能127萬片/月。預計到2022年,中國12吋晶圓產能將達137萬片/月,8吋晶圓產能將達113萬片/月,6吋及以下小直徑晶圓產能將維持在127萬片/月,詳見圖 6。

    圖 6我國主要晶圓制造產能現狀及預測

    與制造產能不斷擴張相適應,工藝化學品市場規模也將快速增長,根據集成電路材料產業技術創新聯盟(ICMtia)的數據,2021年我國用于集成電路領域的電子級工藝化學品整體市場需求量達到51萬噸,預計2022年、2023年將分別增至60萬噸、80萬噸以上,主要電子級工藝化學品如硫酸、磷酸、硅刻蝕液、緩釋氧化物刻蝕液、金屬刻蝕液等產品2021年、2022年市場規模及2023-2025年需求預測見表 3。

    表 3 我國電子級工藝化學品市場需求預測

    單位:噸

    2021

    2022

    2023年(F)

    2024年(F)

    2025年(F)

    工藝化學品需求總量

    510000

    670000

    890000

    1000000

    1050000

    其中:

     

     

     

     

     

    硫酸

    210000

    275000

    360000

    380000

    399000

    磷酸1

    20000

    31000

    39000

    40000

    42000

    緩釋氧化物刻蝕液(BOE)

    12000

    12500

    15000

    17000

    17850

    硅刻蝕液

    5700

    8200

    10000

    11000

    11550

    金屬刻蝕液2

    1252

    2069

    3088

    3349

    3686

    注1:數據包括電子級磷酸與高選擇比磷酸的用量。

    注2:金屬刻蝕液包括鋁刻蝕液、高選擇比鎢刻蝕液、銅刻蝕液、金刻蝕液、鈷刻蝕液、氮化鈦TiN刻蝕液等。

    未來晶圓市場對ppt級別工藝化學品的需求將成為主流,而且12吋生產線,特別是28nm以下技術節點用的功能化學品用量將明顯增多。隨著集成電路制造工藝變得越來越復雜,對濕法工藝的技術要求不斷提高,硫酸、磷酸、氫氟酸、硝酸、鹽酸等通用工藝化學品的金屬雜質控制一般需要達到ppt級以上,顆??刂菩枰獜?.1ppb級別的0.2μm提升到0.05μm甚至更小,而且朝著更高純度方向不斷提升的步伐從未停止。

     

    2.3 電子級工藝化學品主要國際企業

    當前,全球工藝化學品的市場格局呈現三大板塊:一是歐美傳統老牌企業,主要公司包括德國巴斯夫(BASF)、美國杜邦(Dupont)、美國英特格( Entegris )等公司。這些老牌化工企業歷史悠久、品種齊全、生產基地遍及世界各地,擁有極強的技術優勢,產品等級可達到SEMI G4及以上級別,與半導體制造業發展幾乎保持同一步調。二是日本企業,代表性的公司包括關東化學(Kanto)、三菱化學(MCC)、斯特拉化學(StellaChemifa)等,其技術水平與歐美企業相同。三是中國臺灣地區、韓國、中國大陸地區的企業。韓國和臺灣地區企業在生產技術上具有一定優勢,在高端市場與歐美、日本企業相比具有一定的競爭力,代表企業有臺灣鑫林科技,韓國東友精細化工等。國外主要工藝化學品企業簡況見表 4。

    表 4 國外主要工藝化學品生產企業情況

    地區

    企業名稱

    發展工藝化學品事業情況

    歐美

    德國巴斯夫(Basf)

    主要業務包括半導體和平面顯示用電子化學產品的生產,主要產品包括硫酸、鹽酸、硝酸、BOE、氫氟酸等各類高性能產品。2021年公司銷售額為786億歐元。

    美國亞什蘭集團(Ashland)

    主要業務包括優質專業化學品、金屬鑄件消耗品等多領域產品生產,主要產品包括N-甲基吡咯烷酮、聚合物溶劑等各類電子產品,公司在高雄與UPC(聯合石化公司)建有超純化學品生產基地合資企業。 2021年公司營業收入為21.11億美元。

    霍尼韋爾公司(Honeywell)

    主要業務包括半導體用各類高純度工藝化學品的生產,主要產品有氫氟酸、氫氧化銨、BOE和鹽酸等,2021年銷售額為343.92億美元,預計2022年銷售額達到354億-364億美元。

    英特格公司  (Entegris)

    公司旗下的ATMI公司主要業務包括半導體制造用各類化學品和關鍵材料的研發生產,主要產品包括各類電鍍液、研磨后清洗液等。2021年營業收入為22.99億美元,同比上漲23.64%。

    陶氏杜邦

    (Dow  Dupont)

    主要業務包括特種化學品、高新材料等,主要產品包括研磨后清洗液、鋁/銅制程去除劑等多類產品及服務。2021年公司營業收入為166.53億美元。

    日本

    關東化學

    (Kanto)

    主要從事半導體用酸、堿等超純高凈化學試劑的生產和研發,主要產品包括氫氟酸、硫酸、鹽酸、氨水、氟化銨等各類超純化學品。

    三菱化學(Mitsubishi)

    公司的功能材料和塑料產品業務部門主要從事信息及電子產品、專業化學制品的生產,主要產品包括硫酸、硝酸、鹽酸、雙氧水、氨水等各類高純試劑。2021年公司銷售額約310億美元。

    斯特拉化學(StellaChemifa)

    主要從事高純氫氟酸的研發生產,主要產品為半導體及平板顯示等領域用高純氫氟酸產品。2021年銷售額達到373億日元。

    中國

    臺灣

    臺灣東應化股份有限公司

    主要從事半導體用各類工藝化學品的研發生產,主要產品包括半導體用剝離液、顯像液、稀釋液等。

    臺硝投資股份

    有限公司

    主要從事半導體等領域用各類工藝化學品的專業生產,主要產品有高純硝酸、鹽酸、氫氟酸等。

    關東鑫林科技股份有限公司

    是日本關東化學的子公司,主要從事半導體用各類工藝化學品的生產,主要產品包括電子級雙氧水、氨水、氫氟酸等高純溶劑,以及混酸、刻蝕液、清洗液等產品。

    韓國

    秀博瑞殷

    (Soul brain)

    主要從事電子化學原料、化學品等產品的生產銷售,主要產品為半導體和平板顯示用各類特種電子材料,在韓國市場占有很大份額。

    東友精細化工

    東友、東進兩家公司主要從事半導體、顯示面板用各類工藝化學品的研發生產,在我國有一定規模的市場份額。

    東進世美肯科技

    近年來,外資企業紛紛在我國建設化學品工廠。如德國巴斯夫是全球領先的電子化學品企業,主要產品包括硫酸、雙氧水、氨水、磷酸、鹽酸、異丙醇、硅刻蝕液、鋁刻蝕液等產品,占據我國工藝化學品市場較大份額。2021年,巴斯夫在中國大陸的銷售額約為120億歐元,占公司總銷售收入的16%,同比增長40%。截止到目前,巴斯夫在中國共有主要生產基地6個,分別為上海浦東科技創新園、南京一體化基地、上海漕涇基地、南京基地、重慶基地和湛江一體化基地,其中湛江一體化基地一期項目在2022年進入全面建設階段,項目建成后廣東湛江將成為巴斯夫在全球第三大一體化生產基地;2021年7月巴斯夫攜手浙江嘉化能源化工有限公司及其下屬全資子公司浙江嘉福新材料科技有限公司在嘉興市簽署了進一步擴大電子級硫酸產能協議,生產基地擴建計劃將于2023年完成。

    2022年5月,默克正式簽約落戶張家港,擬在張家港投資建設包括半導體薄膜材料和電子特種氣體的先進半導體一體化基地、化學品倉庫及運營中心。目前默克的電子科技業務在中國大陸共有上海金橋、上海外高橋和蘇州三家高科技制造工廠,并將聚焦芯片制造領域,預計2025年前新增在華投資至少10億元人民幣(約1.3億歐元)。

    韓國東友在西安建有大型電子工藝化學品生產工廠,主要為三星西安工廠提供配套,在常州建有同等規模的化學品生產線,為無錫海力士提供配套。韓國秀博瑞殷是三星、海力士高選擇比磷酸的最大供應商,其也在西安建設生產線就近為三星西安工廠提供高選擇比磷酸、氫氟酸、BOE等產品。

     

    2.4 電子級工藝化學品國內產業現狀

    近年來,我國工藝化學品企業技術不斷提升,在生產技術、檢測手段、技術服務等方面都開始攀升到一個新臺階,生產裝備及技術實力得到大幅度的提升,部分產品具備了0.1ppb級別的生產技術,行業整體進入快速發展階段。在8英寸及以下集成電路生產線,工藝化學品基本實現國產化,在12英寸集成電路生產線,在28nm以上技術節點,20%以上的工藝化學品已經可以國產化。

    國內從事電子級工藝化學品業務的企業主要有湖北興福電子材料股份有限公司、中巨芯科技股份有限公司、蘇州晶瑞化學股份有限公司、聯仕(昆山)化學材料有限公司、多氟多化工股份有限公司、濱化集團股份有限公司、江蘇達諾爾科技股份有限公司、江陰江化微電子材料股份公司、江陰潤瑪電子材料股份有限公司、上海新陽半導體材料股份有限公司等,相關情況見表 5。

    表 5 國內主要工藝化學品生產企業情況

    企業名稱

    主要產品

    中巨芯科技股份有限公司

    擁有電子工藝化學品、電子氣體和前驅體三大業務板塊,工藝化學品主要產品有:氫氟酸、硫酸、硝酸、鹽酸、氨水、緩沖氧化刻蝕液(BOE)等。

    湖北興福電子材料股份有限公司

    主要從事集成電路用工藝電子化學品的研發、生產、銷售,主要產品有磷酸、硫酸、高選擇比磷酸、硅減薄液、各類金屬刻蝕液、BOE等。

    蘇州晶瑞化學股份有限公司

    主要從事超凈高純工藝電子化學品的研發、生產和銷售,主要產品有雙氧水、氫氟酸、氨水、鹽酸、硫酸、NMP等。

    聯仕(昆山)化學材料有限公司

    主要提供大規模集成電路和平面顯示制造用的超高純微電子化學品,主要產品為電子級硫酸、氨水、硝酸、鹽酸、醋酸、雙氧水、BOE等。

    多氟多化工股份有限公司

    主要從事電子級化學品的研發、生產和銷售,主要產品有氫氟酸。

    濱化集團股份有限公司

    從事電子化工產品的生產銷售,主要產品有氫氟酸。

    江蘇達諾爾科技股份有限公司

    主要從事半導體濕法工藝超高純微電子化學品的研發、生產、銷售,主要產品有氨水、硫酸、雙氧水、鹽酸、氫氟酸等。

    上海新陽半導體材料股份有限公司

    主要從事半導體行業所需電子化學品及配套設備的研發設計、生產制造和銷售服務,主要產品有銅電鍍液和電鍍添加劑、錫及錫合金電鍍液和電鍍添加劑、去溢料清洗液、鋁連線刻蝕后清洗液、銅連線刻蝕后清洗液等。

    江陰江化微電子材料股份公司

    主要從事濕電子化學品的研發、生產和銷售,產品主要有過氧化氫、氫氟酸、鹽酸、氫氧化銨、氟化銨、乙醇、異丙醇、丙酮、正膠剝離液、負膠剝離液、CMP后清洗液、硅刻蝕液、鋁刻蝕液等。

    江陰潤瑪電子材料股份有限公司

    主要從事電子化學品的研發、生產和銷售,主要產品有硝酸、硫酸、氫氟酸、ITO刻蝕液、鋁刻蝕液、鉬鋁刻蝕液、過氧化氫、異丙醇、丙酮等。

     

    2.4.1電子級磷酸產業現狀

    電子級磷酸主要用于集成電路制造過程中的清洗與蝕刻,高選擇比磷酸是針對3D NAND先進存儲器開發的化學品,主要用于高選擇性的去除O/N(氧化硅/氮化硅)堆疊結構中的氮化硅,對刻蝕選擇比、通道材料損傷、重復性和穩定性等有很高要求。去除3D NAND的氮化硅Si3N4層需要極高的對氧化硅的刻蝕選擇比,通過在高純磷酸中添加有機硅化合物、有機硅穩定劑、表面活性劑等添加劑增加氮化硅對氧化硅的刻蝕選擇比,同時也能減少含硅反應產物在晶片上的沉淀。根據集成電路材料產業技術創新聯盟(ICMtia)不完全統計,2021年國內電子級磷酸總產能約3萬噸。

    目前,國產電子級磷酸在28nm、14-10nm技術節點的集成電路生產線均已實現批量應用。高選擇比磷酸產品在存儲3D NAND 64層、128層工藝均已實現批量應用。

     

    2.4.2 電子級硫酸產業現狀

    電子級硫酸主要用于晶片的清洗和刻蝕,在半導體元件的生產過程中,幾乎每兩道工序之間都要進行晶片清洗。硫酸濃度規格為96%,使用溫度范圍在90~125℃之間,可以從晶片上除去幾乎所有無機殘留物和顆粒,在硫酸中加入氧化劑可除去碳殘余物。半導體用硫酸的金屬雜質含量要求達到SEMI G4標準,對于12吋先進工藝要求需達到SEMI G5標準。目前,國產硫酸在28nm技術節點的集成電路生產線均已實現量產應用,在14nm技術節點的應用也已小批量供貨。
    根據集成電路材料產業技術創新聯盟(ICMtia)不完全統計,2021年國內硫酸總產能約12萬噸,其中半導體級別的硫酸產能約為10萬噸。

     

    2.4.3 緩釋氧化物刻蝕液(BOE)產業現狀

    緩釋氧化物刻蝕液(BOE)多用于帶光刻膠的氧化硅刻蝕和柵氧化層刻蝕,加入表面活性劑可以改善基片表面的浸潤性及刻蝕后硅片表面微觀粗糙度,一般由氟化銨與氫氟酸進行配比制作而成,根據具體應用情況,有多種不同的配方比例,工藝技術要求高,開發難度大。隨著集成電路工藝技術的快速進步,對刻蝕后薄膜均勻性和表面粗糙度的要求越來越高,由于BOE的刻蝕速率較快,難以克服該類問題,因此在28nm以下先進工藝技術中有逐漸被稀釋氫氟酸取代的趨勢。目前國內的緩釋氧化物刻蝕液在8吋及存儲DRAM工藝均已實現量產應用。

     

    2.4.4 硅刻蝕液產業現狀

    硅刻蝕液主要包括單晶硅刻蝕液與多晶硅刻蝕液,其中單晶硅刻蝕液主要用于硅晶圓背面減薄,多晶硅刻蝕液(Poly刻蝕液)通常應用于多晶硅的刻蝕,在3D NAND先進存儲器生產中應用于硅片鍵合(Wafer bonding)前的刻蝕,要求刻蝕速率隨化學品壽命(Lifetime)波動小,片內刻蝕速率均勻性好,對刻蝕的均勻性、一致性、穩定性要求極高。Poly刻蝕液可以控制刻蝕速率,例如添加硫酸可以改善刻蝕后的硅表面形貌,加入磷酸可以使得刻蝕速率更穩定。目前,國內企業的硅刻蝕液在8吋及12吋90-65nm節點已實現量產應用,在45-28nm節點已完成產品認證。

     

    2.4.5 金屬刻蝕液產業現狀

    金屬刻蝕液主要包括鋁刻蝕液、高選擇比鎢刻蝕液、銅刻蝕液、金刻蝕液、鈷刻蝕液、氮化鈦刻蝕液等。鋁刻蝕液由磷酸、硝酸、醋酸通過一定比例進行配比而成,其刻蝕速率可由濃度溫度控制,添加醋酸可以改善鋁表面的浸潤性并起到穩定刻蝕速率的作用,也可用于刻蝕Ti、W等金屬。目前鋁刻蝕液已可順利應用于常規器件中,但在先進的3D NAND存儲器制造工藝中,因其用于阻擋層金屬氮化鈦和控制柵極金屬W在溝道內的選擇性刻蝕,需要無損傷地停止在柵極高k材料(如三氧化二鋁)表面,因此對刻蝕選擇比、穩定性和均勻性等要求極高,特別是當垂直溝道上的鎢未完全刻蝕時,3D NAND器件將會發生短路現象。目前,國內已取得較大進展,在8吋集成電路制造工藝中已實現量產應用;國內高選擇比鎢刻蝕液產品在3D NAND 64層、128層制造工藝已完成產品認證;氮化鈦刻蝕液、金刻蝕液在8吋集成電路制造工藝中已實現量產應用。

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