科普小贴士(3)_浅谈半导体材料

2019-08-06 14:17

狭义上来讲,半导体材料主要包括元素半导体(如锗、硅)和化合物半导体(如砷化镓),其中应用最为广泛、商业化利用最为成功的是硅。



早在1880年左右,一些材料的半导体特性就被发现了,1911年半导体这个名词被首次使用。而真正在实验室里系统验证半导体的主要特性则是在1947年年底才得以实现。半导体从被发现到被充分认知,经历了将近70年,主要是因为半导体单晶材料的制作非常不易,在当时的科技水平和工艺条件下难以验证。


二战后的70年里,科技发展突飞猛进,晶体制造技术日臻完美。1960年前后半导体集成电路的发明大幅度提升了半导体材料的应用价值。如今,4平方厘米左右的小小硅片上已经能够制作近70亿个晶体管。也就是说在一小片硅片上就可以制成一台微信息处理器,且信息处理速度极快。半导体已经成为各类电子产品的核心部件。



我们知道,电路之所以具有某种功能,是因为其内部有电流的各种变化。而之所以形成电流,主要是因为有电子在金属线路和电子元件之间流动。为了满足量产上的需求,半导体的电性必须是可预测并且稳定的,因此包括掺杂物的纯度以及半导体晶格结构的品质都必须遵照十分严格的要求。对于一个半导体元件而言,材料晶格的缺陷通常是影响元件性能的主要因素。可见,半导体材料在整个半导体产业中的重要性举足轻重。


广义上来讲,半导体产业的材料行业所包含的范围比较广泛,通常有如下分类方式。



按材料性质可分为硅材料和其他材料两大类。硅材料即硅单晶材料,是半导体产业中应用最为广泛的基础材料,主要包括芯片用硅晶体和设备用硅晶体两类。前者被用于制造硅片或者芯片,后者主要用于制造刻蚀机电极等设备的零部件。


按生产流程可分为芯片制造材料和封装材料两大类。前者包括硅片、光刻胶、掩膜板、光刻辅助试剂、化学品、电子气体、靶材、抛光液及抛光垫等。后者包括框架、基板、陶瓷封装体、包封树脂、键合丝、装片材料等等。


上述只是半导体材料业的几个主要分类。事实上,半导体材料业是半导体产业链中细分领域最多的环节,细分子行业多达上百个。


值得一提的是,设备用硅晶体材料因离普通消费大众距离遥远,往往不被认知甚至被忽略和质疑。然而事实上,它在半导体材料行业中的地位十分重要。没有它,半导体产业的许多重要设备就无法工作,芯片制造就无法实现。


半导体材料行业处于半导体产业链的上游,在整个产业链中占比不是很大,但近年来有逐步上升的趋势。另外,长期以来,国际半导体材料业主要掌控在排名前五的大玩家手里,行业集中度很高,并由日本、美国、韩国、德国等半导体产业发达的国家占据着绝对的主导权。2018年,在材料中成本占比最高的硅片领域(超过30%),全球前五大硅片供货商的全球市场占有率达到了94%。其中日本信越化学28%,日本三菱住友25%,台湾环球晶圆(主要工厂在日本和美国)17%,德国Silitronic15%,韩国SK 海力士9%。中国大陆的企业,榜上无名。



根据中国电子专用设备工业协会数据,2018年国内半导体材料市场规模为85亿美元,国产化率仅22%。可见我国在这一领域仍然很薄弱,具备巨大的发展空间。


然而,处于半导体产业链的上游,半导体材料行业的发展难度很大,主要体现出三高的特点:


(1)   技术门槛高。半导体材料具备纯度要求高、工艺复杂等特点,发达国家高筑技术壁垒,其技术门槛要远高于其他电子及制造领域相关材料。


(2)   资金门槛高。在很多半导体材料细分领域里,如硅片制造业,由于工序复杂、细致,生产设备种类繁多且价格昂贵,对生产车间的建设要求又极其严格,投资额巨大。


(3)   市场门槛高。一方面,由于下游厂商使用需求不同而导致对材料会有不同的参数要求,因此,半导体材料行业都是按订单进行研发和生产。另一方面,在材料界,良品率至关重要,因而在产品研发过程中需要下游对应产线对其进行批量测试。这样一来,一个产品要得到客户认证和最终订单,往往用时长达两年之久,需要具备足够的耐心和一定的资金支持。


虽然近年来中国在半导体材料业的个别细分领域有所突破(例如:江丰电子的靶材、安徽微电子的研磨液、锦州神工半导体的刻蚀机零部件用单晶硅材料等,都已达到国际一流水平并在全球同类产品中拥有较高的市场占有率),但整体发展水平和规模仍然很落后,要想实现半导体材料行业国产化替代,可谓任重而道远。