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材料行业研究之 | 高纯溅射靶材行业

点击:84  添加时间:2018-04-18
一、溅射靶材简介


超大规模集成电路制造过程中要反复用到的溅射(Sputtering)工艺属于物理气相沉积(PVD)技术的一种,是制备电子薄膜材料的主要技术之一,它利用离子源产生的离子,在高真空中经过加速聚集,而形成高速度能的离子束流,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,被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的原材料,称为溅射靶材。


溅射靶材工作原理示意图如下:



一般来说,溅射靶材主要由靶坯、背板等部分构成,其中,靶坯是高速离子束流轰击的目标材料,属于溅射靶材的核心部分,在溅射镀膜过程中,靶坯被离子撞击后,其表面原子被溅射飞散出来并沉积于基板上制成电子薄膜;由于高纯度金属强度较低,而溅射靶材需要安装在专用的机台内完成溅射过程,机台内部为高电压、高真空环境,因此,超高纯金属的溅射靶坯需要与背板通过不同的焊接工艺进行接合,背板起到主要起到固定溅射靶材的作用,且需要具备良好的导电、导热性能。 


溅射靶材的种类较多,即使相同材质的溅射靶材也有不同的规格。按照不同的分类方法,能够将溅射靶材分为不同的类别,主要分类情况如下:


按形状分类:长靶、方靶、圆靶


按化学成份分类: 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)


按应用领域分类: 半导体芯片靶材、平面显示器靶材、太阳能电池靶材、信息存储靶材、工具改性靶材、电子器件靶材、其他靶材





在溅射靶材应用领域中,半导体芯片对溅射靶材的金属材料纯度、内部微观结构等方面都设定了极其苛刻的标准,需要掌握生产过程中的关键技术并经过长期实践才能制成符合工艺要求的产品,因此,半导体芯片对溅射靶材的要求是最高的,价格也最为昂贵;相较于半导体芯片,平面显示器、太阳能电池对于溅射靶材的纯度和技术要求略低一筹,但随着靶材尺寸的增大,对溅射靶材的焊接结合率、平整度等指标提出了更高的要求。此外,溅射靶材需要安装在溅射机台内完成溅射过程,溅射机台专用性强,对溅射靶材的形状、尺寸和精度也设定了诸多限制。

二、 行业产业链


高纯溅射靶材行业属于电子材料领域,其产业链上下游关系如下:



超高纯金属及溅射靶材是电子材料的重要组成部分,溅射靶材产业链主要包括金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用等环节,其中,靶材制造和溅射镀膜环节是整个溅射靶材产业链中的关键环节。


高纯溅射靶材产业链







高纯度乃至超高纯度的金属材料是生产高纯溅射靶材的基础,以半导体芯片用溅射靶材为例,若溅射靶材杂质含量过高,则形成的薄膜无法达到使用所要求的电性能,并且在溅射过程中易在晶圆上形成微粒,导致电路短路或损坏,严重影响薄膜的性能。通常情况下,高纯金属提纯分为化学提纯和物理提纯,为了获得更高纯度的金属材料,最大限度地去除杂质,需要将化学提纯和物理提纯结合使用。在将金属提纯到相当高的纯度后,往往还需配比其他金属元素才能投入使用,在这个过程中,需要经过熔炼、合金化和铸造等步骤:通过精炼高纯金属,去除氧气、氮气等多余气体;再加入少量合金元素,使其与高纯金属充分结合并均匀分布;最后将其铸造成没有缺陷的锭材,满足生产加工过程中对金属成份、尺寸大小的要求。


溅射靶材制造环节首先需要根据下游应用领域的性能需求进行工艺设计,然后进行反复的塑性变形、热处理,需要精确地控制晶粒、晶向等关键指标,再经过焊接、机械加工、清洗干燥、真空包装等工序。溅射靶材制造所涉及的工序精细且繁多,工序流程管理及制造工艺水平将直接影响到溅射靶材的质量和良品率。


溅射镀膜是指物体被离子撞击时,被溅射飞散出,因被溅射飞散的物体附着于目标基板上而制成薄膜的过程,溅射靶材就是高速荷能粒子轰击的目标材料。此环节是在溅射靶材产业链条中对生产设备及技术工艺要求最高的环节,溅射薄膜的品质对下游产品的质量具有重要影响。在溅射镀膜过程中,溅射靶材需要安装在机台中完成溅射反应,溅射机台专用性强、精密度高,市场长期被美国、日本跨国集团垄断,主要设备提供商包括AMAT(美国)、ULVAC(日本)、ANELVA(日本)、Varian(美国)、ULVAC(日本)等行业内知名企业。



终端应用是针对各类市场需求利用封装好的元器件制成面向最终用户的产品,包括汽车电子、智能手机、平板电脑、家用电器等终端消费电子产品。通常情况下,在半导体靶材溅射镀膜后,需要将镀膜硅片切割并进行芯片封装。封装是指将电路用导线连接到外部接头处,以便与其他器件连接的工序,不仅能够起到保护芯片的作用,还将芯片与外界隔离,防止空气中的杂质对芯片电路造成腐蚀而损害导电性能。此外,终端应用也包括制备太阳能电池、光学镀膜、工具改性、高档装饰用品等,此环节技术面较宽,呈现多样化特征。


全球范围内,溅射靶材产业链各环节参与企业数量基本呈金字塔型分布,高纯溅射靶材制造环节技术门槛高、设备投资大,具有规模化生产能力的企业数量相对较少,主要分布在美国、日本等国家和地区,其中,部分企业同时开展金属提纯业务,将产业链延伸到上游领域;部分企业只拥有溅射靶材生产能力,高纯度金属需要上游企业供应。溅射靶材最高端的应用是在超大规模集成电路芯片制造领域,这个领域只有美国和日本的少数公司(日矿金属、霍尼韦尔、东曹、普莱克斯等)从事相关业务,是一个被跨国公司垄断的行业。


作为溅射靶材客户端的溅射镀膜环节具有规模化生产能力的企业数量相对较多,但质量参差不齐,美国、欧洲、日本、韩国等知名企业居于技术领先地位,品牌知名度高、市场影响力大,通常会将产业链扩展至下游应用领域,利用技术先导优势和高端品牌迅速占领终端消费市场,如IBM、飞利浦、东芝、三星等。


终端应用环节是整个产业链中规模最大的领域,其产品的开发与生产分散在各个行业领域,同时,此环节具有突出的劳动密集性特点,参与企业数量最多,机器设备投资一般,主要分布在日本、中国台湾和中国大陆等,并逐渐将生产工厂向人力成本低的国家和地区转移。


溅射靶材产业分布具有一定的区域性特征,美国、日本跨国集团产业链完整,囊括金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用各个环节,具备规模化生产能力,在掌握先进技术以后实施垄断和封锁,主导着技术革新和产业发展;韩国、新加坡及中国台湾地区在磁记录及光学薄膜领域有所特长。另外由于上述地区芯片及液晶面板产业发展较早,促使服务分工明确,可以为产业链下游的品牌企业提供如焊接、清洗、包装等专业代工服务,将上游基础材料和下游终端应用对接,起到承上启下的作用,并在一定程度上推动上游溅射靶材的产品开发和市场扩展。但是上述地区的靶材服务厂商缺少核心技术及装备,不能够在金属的提纯、组织的控制等核心技术领域形成竞争力溅射靶材的材料即靶坯依然依赖美国和日本的进口。超高纯金属材料及溅射靶材在我国还属于较新的行业,以芯片制造厂商、液晶面板制造企业为代表的下游溅射镀膜和终端用户正在加大力度扩展产能。从全球来看,芯片及液晶面板行业制造向中国大陆转移趋势愈演愈烈,中国正在迎来这一领域的投资高峰。为此高端溅射靶材的应用市场需求正在快速增长。

三、全球溅射靶材行业发展概况


由于溅射镀膜工艺起源于国外,所需要的溅射靶材产品性能要求高、专业应用性强,因此,长期以来全球溅射靶材研制和生产主要集中在美国、日本少数几家公司,产业集中度相当高。以霍尼韦尔(美国)、日矿金属(日本)、东曹(日本)等跨国集团为代表的溅射靶材生产商较早涉足该领域,经过几十年的技术积淀,凭借其雄厚的技术力量、精细的生产控制和过硬的产品质量居于全球溅射靶材市场的主导地位,占据绝大部分市场份额。这些企业在掌握溅射靶材生产的核心技术以后,实施极其严格的保密措施,限制技术扩散,同时不断进行横向扩张和垂直整合,将业务触角积极扩展到溅射镀膜的各个应用领域,牢牢把握着全球溅射靶材市场的主动权,并引领着全球溅射靶材行业的技术进步。


四、我国溅射靶材行业发展概况


受到发展历史和技术限制的影响,溅射靶材行业在我国起步较晚,目前仍然属于一个较新的行业。与国际知名企业生产的溅射靶材相比,我国溅射靶材研发生产技术还存在一定差距,市场影响力相对有限,尤其在半导体芯片、平板显示器、太阳能电池等领域,全球高纯溅射靶材市场依然被美国、日本的溅射靶材生产厂商所控制或垄断。随着溅射靶材朝着更高纯度、更大尺寸的方向发展,我国溅射靶材生产企业只有不断进行研发创新,具备较强的产品开发能力,研制出适用不同应用领域的溅射靶材产品,才能在全球溅射靶材市场中占得一席之地。


半导体芯片、平板显示器、太阳能电池等下游工业对产品的品质和稳定性等方面有较高的要求,为了严格控制产品质量,下游客户尤其是全球知名厂商在选择供应商时,供应商资格认证壁垒较高,且认证周期较长。我国高纯溅射靶材企业要进入国际市场,首先要通过部分国际组织和行业协会为高纯溅射靶材设置的行业性质量管理体系标准,例如,应用于汽车电子的半导体厂商普遍要求上游溅射靶材供应商能够通过ISO/TS16949质量管理体系认证,应用于电器设备的溅射靶材生产商需要满足欧盟制定的RoHS强制性标准;其次,半导体芯片、平板显示器、太阳能电池等下游知名客户均建立了十分完善的客户认证体系,在高纯溅射靶材供应商满足行业性质量管理体系认证的基础上,下游客户往往还会根据自身的质量管理要求再对供应商进行合格供应商认证。认证过程主要包括技术评审、产品报价、样品检测、小批量试用、批量生产等几个阶段,认证过程相当苛刻,从新产品开发到实现大批量供货,整个过程一般需要2-3年时间。为了降低供应商开发与维护成本,保证产品质量的持续性,溅射靶材供应商在通过下游客户的资格认证后,下游客户会与溅射靶材供应商保持长期稳定的合作关系,不会轻易更换供应商,并在技术合作、供货份额等方面向优质供应商倾斜。


近年来,受益于国家从战略高度持续地支持电子材料行业的发展及应用推广,我国国内开始出现少量专业从事高纯溅射靶材研发和生产的企业,并成功开发出一批能适应高端应用领域的溅射靶材,为高纯溅射靶材大规模产业化提供了良好的研发基础和市场化条件。通过将溅射靶材研发成果产业化,积极参与溅射靶材的国际化市场竞争,我国溅射靶材生产企业在技术和市场方面都取得了长足的进步,改变了高纯溅射靶材长期依赖进口的不利局面。目前,江丰股份等国内企业已经掌握了高纯溅射靶材生产的关键技术,积累了较为丰富的产业经验,拥有了一定的市场知名度,获得了全球知名客户的认可。


五、溅射靶材市场容量和发展趋势


溅射技术作为薄膜材料制备的主流工艺,其应用领域广泛,如集成电路、平板显示器、太阳能电池、信息存储、工具改性、光学镀膜、电子器件、高档装饰用品等行业。高纯溅射靶材则主要用于对材料纯度、稳定性要求更高的领域,如集成电路、平板显示器、太阳能电池、记录媒体、智能玻璃等行业。


20 世纪90 年代以来,随着消费电子等终端应用市场的飞速发展,高纯溅射靶材的市场规模日益扩大,呈现高速增长的势头。据统计,2015年世界高纯溅射靶材市场的年销售额约94.8 亿美元。据预测,未来5 年,世界溅射靶材的市场规模将超过160 亿美元,高纯溅射靶材市场规模年复合增长率可达到13%。

目前高纯溅射靶材产品主要应用于半导体产业、平板显示器产业以及太阳能电池产业,这些领域的市场容量及发展趋势如下:


(1)半导体产业


高纯溅射靶材是伴随着半导体工业的发展而兴起的,集成电路产业成为目前高纯溅射靶材的主要应用领域之一。随着信息技术的飞速发展,要求集成电路的集成度越来越高,电路中单元器件尺寸不断缩小。每个单元器件内部由衬底、绝缘层、介质层、导体层及保护层等组成,其中,介质层、导体层甚至保护层都要用到溅射镀膜工艺,因此溅射靶材是制备集成电路的核心材料之一。集成电路领域的镀膜用靶材主要包括铝靶、钛靶、铜靶、钽靶、钨钛靶等,要求靶材纯度很高,一般在5N(99.999%)以上。


受困于2008年爆发的金融危机,全球半导体市场2009年陷入全面衰退中,2009年,全球半导体销售额仅为2,263.1亿美元,同比下降8.90%。此后,全球半导体市场迅速反弹,2010年全球半导体市场总销售额约为2,983.2亿美元,较上年同期上涨31.82%。2011-2014年,全球半导体市场保持平稳增长,年均复合增长率为3.88%,2014年销售额达到3,358.0亿美元。2015年全球半导体行业市场规模与2014年基本持平。根据世界半导体贸易统计组织(WSTS)预测,2016年和2017年全球半导体行业市场规模将继续保持增长,增长率分别为0.3%和3.1%。总体来看,近年来全球半导体市场仍然处于整体平稳上升阶段。


随着智能手机、平板电脑、汽车电子等终端消费领域对半导体需求的持续增长,尤其是消费电子产品与互联网、移动互联网的紧密结合,导致手机、平板电脑、智能电视等网络接入终端产品的应用面持续扩大,从而进一步提升半导体市场容量,预计全球半导体市场在未来将保持持续增长的态势。芯片产业是大数据、云计算、互联网的基础产业。这些产业的迅猛发展为芯片带来了强劲的市场需求。由于半导体行业所需溅射靶材品种繁多,且每一种需求量都较大,稳定的下游市场增速将有力地促进溅射靶材销售规模的扩大。


根据国际半导体设备与材料协会(SEMI)统计:2015年全球半导体材料销售额为435亿美元,其中晶圆制造材料销售额为242亿美元,封装材料为193亿美元。在晶圆制造材料中,溅射靶材约占芯片制造材料市场的2.6%。在封装测试材料中,溅射靶材约占封装测试材料市场的2.7%。2015年全球半导体用溅射靶材销售额为11.4亿美元。


随着国内电子产品制造业的飞速发展,我国半导体产业市场潜力巨大。经过多年的引进和大规模投资,我国现已初步形成了从设计、前工序到后封装的产业轮廓。在全球半导体市场整体增长的带动下,我国半导体市场步入高速增长轨道。我国半导体市场规模从2006年1,727亿元增加到2013年的3,873亿元,增幅达124.26%,在此期间内年均复合增长率约为12.23%。


中国半导体产业的持续发展也为半导体制造材料市场的发展奠定了良好的基础。2015年,我国半导体制造材料市场规模达到61.2亿美元。集成电路用溅射靶材为半导体制造材料中的一类,2015年,我国集成电路用溅射靶材市场规模为11.6亿元,预计2016年国内半导体用溅射靶材市场规模将突破14亿元。


随着国产溅射靶材的技术成熟,尤其是国产溅射靶材具备较高的性价比优势,并且符合溅射靶材国产化的政策导向,我国溅射靶材的市场规模将进一步扩大,在全球市场中有望获得更多客户的认可,市场份额进一步提高。


(2)平板显示产业(含触摸屏产业)


平板显示器主要包括液晶显示器(LCD)、等离子显示器(PDP)、场致发光显示器(EL)、场发射显示器(FED)等。其中,市场应用以液晶显示器为主。近年来,液晶显示器逐渐取代阴极射线管显示器成为全球主流的显示技术,在平面显示市场中得到了广泛的应用,主要应用领域包括高清晰电视、笔记本电脑、台式电脑显示器等电子产品。平板显示器多由金属电极、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。平面显示镀膜用靶材主要品种有:铬靶、钼靶、铝靶、铝合金靶、铜靶、铜合金靶和掺锡氧化铟(ITO)靶材等。


从全球液晶显示市场发展趋势来看,平板电脑成长的主要动力来自于在发达市场的应用增长(包括北美、日本和西欧),根据DisplaySearch预测,平板电脑在发达市场的出货量将从2012年的0.8亿台增长到2017年的2.54亿台。由于液晶显示用溅射靶材尺寸普遍较大,液晶面板出货量平稳较快的增长速度将为溅射靶材生产厂商提供更加广阔的发展空间。


在全球液晶显示领域,随着日本品牌影响力的下降,韩国、中国台湾厂商的市场地位越来越突出,其中,韩国以LG、三星为代表,LG通过不断推陈出新,一段时期以来居于全球液晶面板出货量榜首;中国台湾则属于液晶显示技术较强和产业化程度较高的地区。我国大陆作为液晶面板最大的需求地之一,主要从韩国、中国台湾等国家和地区进口,解决好液晶面板的来源已经涉及到我国的产业安全。


中国大陆从上世纪80年代开始进入液晶显示领域,并紧密跟随液晶显示技术的发展。在政府政策导向和产业扶植下,我国大陆液晶显示产业快速发展,目前已经成为全球主要液晶面板生产大国,并相继形成了以京东方、深天马、华星光电等为代表的市场影响力较大的液晶面板本土品牌。而传统的液晶面板生产强国韩国、日本出于降低制造成本等因素的考虑,近年来加大在我国大陆投资设厂的力度,通过产业转移的方式提升全球市场竞争力。因此,近年来国内的平板显示产业规模迅速增长,继日本、韩国以及台湾地区后,成为平板显示行业发展速度最快的地区。


赛迪顾问数据显示,2015年中国平板显示器件产业整体规模达到1,190.6亿元,同比增长23.7%。纵观2015年中国平板显示器件产业,虽然产业增长率相比2014年有所下降,但是随着京东方重庆8.5代线、华星光电深圳8.5代线二期和中电熊猫南京8.5代线的相继建成投产,以及2014年投产的诸多产线陆续度过爬坡期进入量产期,整体产业规模与2014年同期相比依旧保持了较快的增长。


2016年,中国平板显示产业在一系列投资的助推下发展迅速,TFT-LCD产业投资进入新高潮,京东方、华星光电、和辉光电等面板企业在OLED上的投资也是非常抢眼。


基于产品价格、采购国产化等因素的考虑,我国液晶面板厂商开始有选择地与本土优秀溅射靶材厂商合作,并期望建立长期合作伙伴关系,这为带动我国溅射靶材行业的快速发展提供了有利的市场条件。中国电子材料行业协会数据显示,2013年-2015年,全球平板显示用溅射靶材市场规模分别为29.5亿美元、31.4亿美元和33.8亿美元。其中,我国平板显示用溅射靶材2013年度、2014年度、2015年度市场规模分别为39.4亿元、55亿元和69.3亿元。


六、行业竞争格局


1)跨国公司竞争优势明显,处于行业领导地位


高纯溅射靶材是伴随着半导体工业的发展而兴起的,属于典型的技术密集型产业,产品术含量高,研发生产设备专用性强。随着半导体工业技术创新的不断深化,以美国、日本为代表的半导体厂商需要加强对上游原材料的创新力度,从而最大限度地保证半导体产品的技术先进性,因此,美国、日本的半导体工业相继催生了一批高纯溅射靶材生产厂商,并于当前居于全球市场的主导地位,在一定程度上,全球半导体工业的区域集聚性造就了高纯溅射靶材生产企业的高度聚集。自诞生之日起,以美国、日本为代表的高纯溅射靶材生产企业便对核心技术执行严格的保密措施,导致溅射靶材行业在全球范围内呈现明显的区域集聚特征,生产企业主要集中在美国和日本。


全球范围内,日矿金属、霍尼韦尔、东曹、普莱克斯、住友化学、爱发科等资金实力雄厚、技术水平领先、产业经验丰富的跨国公司居于全球高纯溅射靶材行业的领导地位,属于溅射靶材的传统强势企业,凭借其强大的技术研发实力和市场影响力牢牢占据全球溅射靶材市场的绝大部分市场份额,主导着全球溅射靶材产业的发展,推动行业技术的进步。


2)国内专业厂商兴起,与跨国公司的差距逐步缩小


国内市场中,高纯溅射靶材产业起步较晚,主要高纯溅射靶材生产企业均由国有资本和少数民营资本所投资。受到技术、资金和人才的限制,国内专业从事高纯溅射靶材的生产厂商数量仍然偏少,企业规模和技术水平参差不齐,多数国内厂商还处于企业规模较小、技术水平偏低、产业布局分散的状态,市场尚处于开拓初期,主要集中在低端产品领域进行竞争,在半导体芯片、液晶显示器和太阳能电池等市场还无法与国际巨头全面抗衡,但是依靠产业政策导向、产品价格优势已经在国内市场占有一定的市场份额,并逐步在个别产品或领域挤占国际厂商的市场空间。


经过数年的科技攻关和产业化应用,目前,国内高纯溅射靶材生产企业已经逐渐突破关键技术门槛,拥有了部分产品的规模化生产能力,整体实力不断增强,形成了以本公司、有研新材等为代表的专业从事高纯溅射靶材的生产商,正在经历高速发展时期,上升势头较快,打破了溅射靶材核心技术由国外垄断、产品供应完全需要进口的不利局面,不断弥补国内同类产品的技术缺陷,进一步完善溅射靶材产业发展链条,并积极参与国际技术交流和市场竞争。
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