半導(dǎo)體金屬行業(yè)市場分析

半導(dǎo)體金屬行業(yè)市場分析1、半導(dǎo)體制造工藝中涉及金屬的材料梳理半導(dǎo)體即在常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，其在集成電路（最主要應(yīng)用，即芯片）、消費電子、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電、照明應(yīng)用、大功率電源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域有著諸多應(yīng)用。材料和設(shè)備是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石，一代技術(shù)依賴于一代工藝，一代工藝依賴于一代材料和設(shè)備來實現(xiàn)。半導(dǎo)體材料處于整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的上游環(huán)節(jié)，對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展起著重要支撐作用，具有產(chǎn)業(yè)規(guī)模大、技術(shù)門檻高、研發(fā)投入大、研發(fā)周期長等特點。同時，半導(dǎo)體材料行業(yè)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中細(xì)分領(lǐng)域最多的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，根據(jù)SEMI的分類與數(shù)據(jù)，晶圓制造材料包括硅片、光掩膜、光刻膠及輔助材料、工藝化學(xué)品、電子特氣、拋光液和拋光墊、靶材及其他材料，封裝材料包括引線框架、封裝基板、陶瓷基板、鍵合絲、包封材料、芯片粘結(jié)材料及其他封裝材料，每一大類材料又包括幾十種甚至上百種具體產(chǎn)品，細(xì)分子行業(yè)多達(dá)上百個。根據(jù)SEMI的數(shù)據(jù)，2021年半導(dǎo)體前道制造材料的成本占比為62.8%，后道封裝材料成本占比為37.2%。進(jìn)一步對前道制造材料成本以及后道封裝材料成本進(jìn)行拆分，其中成本占比最大的為硅片/其他襯底成本（20.72%）；其余材料成本占比從大至小排序分別為封裝基板（14.88%）、濕電子化學(xué)品（8.79%）、光刻膠及配套材料（8.29%）、掩膜版（8.10%）、鍵合絲（5.58%）、引線框架（5.58%）、封裝樹脂（4.84%）、CMP材料（4.46%）、陶瓷封裝（4.09%）、電子特氣（2.51%）、靶材（1.82%）、芯片粘結(jié)材料（1.49%）。硅片及其他襯底材料是半導(dǎo)體芯片的關(guān)鍵底層材料。從芯片的制造流程來看，需要的步驟包括生產(chǎn)晶圓、氧化、光刻、刻蝕、薄膜沉積、互連、測試、封裝等。以硅片半導(dǎo)體為例，自然界中硅砂很多，但硅砂中包含的雜質(zhì)太多，需要進(jìn)行提煉后使用。將提煉后得到的高純硅熔化成液體，再利用提拉法得到原子排列整齊的晶錠，再將其切割成一定厚度的薄片，切割后獲得的薄片便是未經(jīng)加工的“原料晶圓”。第二步即為氧化過程，其作用是在晶圓表面形成保護(hù)膜，保護(hù)晶圓不受化學(xué)雜質(zhì)影響、避免漏電電流進(jìn)入電路、預(yù)防離子植入過程中的擴(kuò)散以及防止晶圓在刻蝕時滑脫；第三步為光刻，即使用光線將電路圖案“印刷”到晶圓上。第四步為刻蝕，在晶圓上完成電路圖的光刻后，用該工藝來去除任何多余的氧化膜且只留下半導(dǎo)體電路圖；在刻蝕的同時，也需要進(jìn)行第五步薄膜沉積/離子注入：通過不斷沉積薄膜以及刻蝕去除掉器件中多余的部分，同時添加一些材料將不同的器件分離開來，每個晶體管或存儲單元就是在這個過程中構(gòu)建起來的；在上述過程完成后，需要將器件互連并進(jìn)行測試，測試無誤后才能進(jìn)行最后的封裝，得到最后的半導(dǎo)體芯片。由于半導(dǎo)體（集成電路）制造的過程十分復(fù)雜，涉及的金屬材料品種包羅萬象，本節(jié)中我們以SEMI對半導(dǎo)體材料的分類為脈絡(luò)，逐個分析涉及金屬的半導(dǎo)體材料，主要包括襯底及外延、掩膜版、電子特氣、靶材、其他材料（高K材料及電鍍液）、鍵合絲、引線框架、焊料，下文將分別對這些半導(dǎo)體材料涉及的金屬做進(jìn)一步闡述。1.1、襯底&外延（前道制造）：三代半導(dǎo)體材料依次登場襯底環(huán)節(jié)是金屬材料在半導(dǎo)體器件中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所謂襯底即是一種用于制造半導(dǎo)體器件的材料基底，常見的襯底包括硅、鍺、碳化硅等。在生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片的工藝流程中，晶圓生產(chǎn)通常為第一道工序，而晶圓便是由襯底材料切割而來。從半導(dǎo)體的發(fā)展歷史看，半導(dǎo)體襯底材料經(jīng)歷了三代的更新迭代，并正在向著第四代材料穩(wěn)步邁進(jìn)。其中第一代半導(dǎo)體材料以鍺（Ge）和硅（Si）為主，其中鍺目前半導(dǎo)體應(yīng)用較少，而硅仍是目前最主流的半導(dǎo)體襯底材料；第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、銻化銦(InSb)和硫化鎘(CdS)等I-V族化合物材料為主，由于化合物半導(dǎo)體的寬禁帶優(yōu)勢以及下游應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，砷化鎵與磷化銦未來的使用量將提升；第三代半導(dǎo)體材料則是以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)和氮化鋁(AIN)等為代表的寬禁帶(禁帶寬度大于2.2eV)半導(dǎo)體材料，其中碳化硅與氮化鎵備受關(guān)注；而第四代半導(dǎo)體材料主要包括氮化鋁（AlN）、金剛石、氧化鎵（Ga2O3）,它們被稱為超寬禁帶半導(dǎo)體材料，目前尚處于起步階段。從四代半導(dǎo)體的性能參數(shù)對比看，第一代半導(dǎo)體表現(xiàn)出較低的禁帶寬度、介電常數(shù)以及擊穿電場，其優(yōu)勢在于低廉的成本以及成熟的工藝，因此更加適應(yīng)低壓、低頻、低溫的工況。第二代半導(dǎo)體材料具有發(fā)光效率高、電子遷移率高、適于在較高溫度和其它條件惡劣的環(huán)境中工作等特點，同時工藝較第三代半導(dǎo)體材料更為成熟，主要被用來制作發(fā)光電子、高頻、高速以及大功率器件，在制作高性能微波、毫米波器件方面是絕佳的材料。第三代半導(dǎo)體材料隨著智能時代的來臨而備受青睞，禁帶寬度明顯增加，擊穿電壓較高，抗輻射性強(qiáng)，電子飽和速率、熱導(dǎo)率都很高。基于上述特性第三代半導(dǎo)體材料不僅能夠在高壓、高頻的條件下穩(wěn)定運行，還可在較高的溫度環(huán)境下保持良好的運行狀態(tài)，并且電能消耗更少，運行效率更高。而第四代半導(dǎo)體材料顯示出最大的優(yōu)勢便是其更寬的禁帶寬度，因此其更適合應(yīng)用于小尺寸、高功率密度的半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體代際區(qū)分的關(guān)鍵指標(biāo)為“巴利加優(yōu)值”，它以IEEE榮譽(yù)勛章獲得者B.賈揚特?巴利加（B.JayantBaliga）的名字命名。本質(zhì)上，它表示的是器件的輸出在高電壓下對輸入信號細(xì)節(jié)的再現(xiàn)程度，優(yōu)值越高，再現(xiàn)程度越完整。我們假設(shè)第一代半導(dǎo)體硅基材料的優(yōu)值為1，第二代半導(dǎo)體材料優(yōu)值需要達(dá)到其10倍以上，第三代半導(dǎo)體材料優(yōu)值需要達(dá)到其100倍以上，第四代半導(dǎo)體材料優(yōu)值需要達(dá)到其1000倍以上。1.1.1、鍺襯底：步入遲暮之年的半導(dǎo)體材料鍺是世界上第一個晶體管以及第一塊集成電路芯片所用的半導(dǎo)體材料，在半導(dǎo)體發(fā)展的早期，晶體管市場的主流是鍺，硅晶體管銷量不及它的零頭。而由于成本、穩(wěn)定性以及工況溫度的問題，硅逐漸取代了鍺，成為了半導(dǎo)體行業(yè)最主要的襯底材料。目前鍺在電子/半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用僅限于少數(shù)特殊的硅鍺(SiGe)器件，盡管這種化合物的載流子遷移率能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)硅的兩到三倍，但仍然不是主流工藝。目前仍然可以從部分供應(yīng)商那里買到鍺單晶的晶體管，但它們的量極少，遠(yuǎn)不是主流產(chǎn)品。鍺現(xiàn)在的主要應(yīng)用是光學(xué)系統(tǒng)，因為它對8至14微米熱波段的紅外光是相對透明的，這使得它很適合用于鏡頭系統(tǒng)和熱成像系統(tǒng)中的光學(xué)窗口。根據(jù)ExactitudeConsultancy的數(shù)據(jù)，2022年鍺金屬下游需求中，光纖領(lǐng)域和紅外領(lǐng)域占比最大，分別達(dá)到36%與24%。1.1.2、硅襯底：半導(dǎo)體的主流材料與鍺一樣，單晶硅也是第一代半導(dǎo)體材料；不同于鍺單晶的使用量逐年下降，硅可以說是半導(dǎo)體的中流砥柱，目前絕大部分的集成電路以及其他半導(dǎo)體器件都是以硅作為襯底材料制作的，這是由于硅具有以下優(yōu)勢：1）安全無毒，對環(huán)境無害，屬于清潔材料。2）天然絕緣體，可通過加熱形成二氧化硅絕緣層，防止半導(dǎo)體漏電現(xiàn)象，因此在晶圓制造時可以不用在器件表面沉積多層絕緣體，降低晶圓制造生產(chǎn)成本。3）儲量豐富，硅元素在地殼中占到27.7%，價格低廉從而降低半導(dǎo)體的材料成本。4）制作工藝成熟。經(jīng)過長時間的發(fā)展，與其他半導(dǎo)體材料相比較，硅材料的應(yīng)用技術(shù)更加成熟且更具有規(guī)模效益，在這樣的條件下，硅材料顯得“物美價廉”，這樣的特質(zhì)給予了硅材料不可替代的行業(yè)地位。據(jù)Yole預(yù)測，硅基材料器件未來仍將占據(jù)半導(dǎo)體市場的主導(dǎo)地位，預(yù)計未來市場滲透率仍超過80%（此前長期超過90%）。根據(jù)國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SEMI）統(tǒng)計，2022年全球半導(dǎo)體硅晶圓出貨面積達(dá)145.65億平方英寸，較2021年增長3.9%，超過了2021年創(chuàng)下的記錄；總營收達(dá)137億美元，增長9.6%，同樣創(chuàng)下歷史新高。隨著汽車、工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)以及5G建設(shè)的驅(qū)動下，半導(dǎo)體用硅在2022年需求均有增長。SEMI于2023年10月最新預(yù)期，由于總體經(jīng)濟(jì)環(huán)境充滿挑戰(zhàn)，2023年半導(dǎo)體硅晶圓出貨面積將出現(xiàn)下滑，約125億平方英寸，較2022年下降14.10%。受通膨、升息等因素影響，個人電腦及智能手機(jī)等市場需求疲軟，產(chǎn)業(yè)鏈庫存問題嚴(yán)重，臺積電此前在2022年預(yù)期，2023年全球半導(dǎo)體業(yè)產(chǎn)值或?qū)⒚媾R衰退窘境。聯(lián)電也于同一時間預(yù)期2023年晶圓代工業(yè)產(chǎn)值將負(fù)增長。SEMI預(yù)期，在5G、汽車及工業(yè)應(yīng)用對半導(dǎo)體的強(qiáng)勁需求驅(qū)動下，隨后幾年半導(dǎo)體硅晶圓出貨面積將出現(xiàn)反彈，2024年有望較2023年增加8.52%，達(dá)135.78億平方英寸，2025年再增加12.92%，達(dá)到153.32億平方英寸。1.1.3、砷化鎵襯底：嶄露頭角的第二代半導(dǎo)體之星第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵是由金屬鎵與半金屬砷按原子比1:1化合而成的化合物。砷化鎵具有灰色的金屬光澤，其晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦型。砷化鎵早在1926年就已經(jīng)被合成出來了，1952年確認(rèn)了它的半導(dǎo)體性質(zhì)。用砷化鎵材料制作的器件頻率響應(yīng)好、速度快、工作溫度高，能滿足集成光電子的需要。砷化鎵是目前最重要的光電子材料，也是繼硅材料之后最重要的微電子材料，適合于制造高頻、高速的器件和電路。在人工智能、元宇宙產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動下，催化了以Mini/MicroLED為主的新型顯示技術(shù)的快速發(fā)展，這也讓LED用半導(dǎo)體型砷化鎵的市場需求得到進(jìn)一步拓展。新型LED顯示屏幕所需的紅黃光LED制作工藝極其復(fù)雜，難度極高，然而砷化鎵襯底在用來生產(chǎn)紅黃光LED方面具有天然的優(yōu)勢。目前，砷化鎵紅黃光LED主要用于室內(nèi)及室外顯示屏、汽車剎車燈、家用電器、交通指示燈、MiniLED顯示屏等，是照明市場上的主要襯底材料。得益于下游新興市場的壯大，砷化鎵的年需求量也逐漸增多。據(jù)Yole數(shù)據(jù)顯示，2019年全球砷化鎵襯底市場銷量（折合2英寸）約為2000萬片，全球砷化鎵襯底市場規(guī)模約為2億美元；預(yù)計到2025年全球砷化鎵襯底市場銷量（折合2英寸）將超過3500萬片，年復(fù)合增長率為9.72%。屆時全球砷化鎵襯底市場規(guī)模將達(dá)到3.48億美元。1.1.4、磷化銦襯底：不可忽視的另一顆第二代半導(dǎo)體材料新星磷化銦是磷和銦的化合物，磷化銦作為半導(dǎo)體材料具有優(yōu)良特性。使用磷化銦襯底制造的半導(dǎo)體器件，具備飽和電子漂移速度高、發(fā)光波長適宜光纖低損通信、抗輻射能力強(qiáng)、導(dǎo)熱性好、光電轉(zhuǎn)換效率高、禁帶寬度較高等特性，因此磷化銦襯底被廣泛應(yīng)用于制造光模塊器件、傳感器件、高端射頻器件等。20世紀(jì)90年代以來，磷化銦技術(shù)得以迅速發(fā)展，并逐漸成為主流半導(dǎo)體材料之一。由于下游市場需求有限以及成本較高，磷化銦襯底市場規(guī)模相對較小。未來，在數(shù)據(jù)中心、5G通信、可穿戴設(shè)備等新興市場需求的帶動下，磷化銦襯底市場規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大，成本也將隨著規(guī)模效應(yīng)而降低，進(jìn)一步促進(jìn)下游應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。根據(jù)Yole預(yù)測，2026年全球磷化銦襯底（折合2英寸）預(yù)計銷量為128.19萬片，2019-2026年復(fù)合增長率為14.40%。磷化銦襯底上游為銦金屬，其大部分產(chǎn)量由我國提供。根據(jù)我們在2023.9.12外發(fā)的研報《銻銀共振，銦待花開——光伏對金屬材料需求測算報告》中的測算，2022年銦的主要應(yīng)用中，最大下游市場為ITO靶材，需求占比達(dá)到72%；其次是焊料和合金、電子半導(dǎo)體領(lǐng)域，需求占比分別為12%和11%；光伏領(lǐng)域占比為1%。我國是全球最大的消費電子生產(chǎn)國，全球平板顯示器產(chǎn)能正在向國內(nèi)轉(zhuǎn)移，因此國內(nèi)市場對銦的需求快速上升。1.1.5、碳化硅襯底：正在崛起的第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體大功率電力電子器件是目前在電力電子領(lǐng)域發(fā)展最快的功率半導(dǎo)體器件之一。碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，也是目前晶體生產(chǎn)技術(shù)和器件制造水平最成熟，應(yīng)用最廣泛的寬禁帶半導(dǎo)體材料之一，目前已經(jīng)形成了全球的材料、器件和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈。碳化硅是高溫、高頻、抗輻射、大功率應(yīng)用場合下極為理想的半導(dǎo)體材料。由于碳化硅功率器件可顯著降低電子設(shè)備的能耗，因此碳化硅器件也被譽(yù)為帶動“新能源革命”的“綠色能源器件”。另外，現(xiàn)在的寬禁帶半導(dǎo)體器件幾乎都做在外延層上，而碳化硅也是這些外延層生長的重要襯底。半導(dǎo)體照明領(lǐng)域：采用碳化硅作為襯底的LED器件亮度更高、能耗更低、壽命更長、單位芯片面積更小，在大功率LED方面具有非常大的優(yōu)勢。各類電機(jī)系統(tǒng)：在5千伏以上的高壓應(yīng)用領(lǐng)域，半導(dǎo)體碳化硅功率器件在開關(guān)損耗與浪涌電壓上均有應(yīng)用，最大可減少92%的開關(guān)損耗，半導(dǎo)體碳化硅功率器件功耗降低效果明顯，設(shè)備的發(fā)熱量大幅減少，使得設(shè)備的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化，設(shè)備體積小型化，大大減少散熱用金屬材料的消耗。新能源汽車及不間斷電源等電力電子領(lǐng)域：新能源汽車產(chǎn)業(yè)要求逆變器的半導(dǎo)體功率模塊，在處理高強(qiáng)度電流時，具有遠(yuǎn)超出普通工業(yè)用途逆變器的可靠性；在大電流功率模塊中，具有更好的散熱性，高效、快速、耐高溫、可靠性高的半導(dǎo)體碳化硅模塊完全符合新能源汽車的要求。半導(dǎo)體碳化硅功率模塊小型化的特點可大幅降低新能源汽車的電力損失，使其在200℃高溫下仍能正常工作。更輕、更小的設(shè)備重量減輕，從而減少汽車自身重量帶來的能耗。半導(dǎo)體碳化硅材料除了在新能源汽車中占有重要地位外,在高鐵、太陽能光伏、風(fēng)能、電力輸送、UPS不間斷電源等電力電子領(lǐng)域均起到了節(jié)能環(huán)保作用。根據(jù)研究機(jī)構(gòu)TECHCET的預(yù)測，盡管全球經(jīng)濟(jì)普遍放緩，但2023年碳化硅(SiC)襯底市場將持續(xù)強(qiáng)勁增長。2022年，碳化硅N型襯底市場規(guī)模比2021年增長了約15%，出貨量達(dá)到總計88.4萬片（等效6英寸），預(yù)計該市場將在2023年進(jìn)一步增長，達(dá)到107.2萬片晶圓（等效6英寸），比2022年進(jìn)一步增長約22%，2022-2027年的整體復(fù)合年增長率估計約17%。1.1.6、碳化硅外延：碳化硅襯底功能發(fā)揮的關(guān)鍵外延（epitaxy）生長是指在經(jīng)過切、磨、拋等仔細(xì)加工的單晶襯底（基片）上生長一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶層，猶如原來的晶體向外延伸了一段。新單晶可以與襯底為同一材料，也可以是不同材料（同質(zhì)外延或者是異質(zhì)外延）。由于新生單晶層按襯底晶相延伸生長，從而被稱之為外延層（厚度通常為幾微米），而長了外延層的襯底稱為外延片（外延片=外延層+襯底）。外延片作為半導(dǎo)體原材料，位于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游，是半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的支撐性行業(yè)。外延片制造商在襯底材料上通過CVD（ChemicalVaporDeposition，化學(xué)氣相沉積）設(shè)備、MBE（MolecularBeamEpitaxy，分子束外延）設(shè)備等進(jìn)行晶體外延生長、制成外延片。外延片再通過光刻、薄膜沉積、刻蝕等制造環(huán)節(jié)制成晶圓。外延生長技術(shù)發(fā)展于50年代末60年代初，當(dāng)時為了制造高頻大功率器件，需要減小集電極串聯(lián)電阻，又要求材料能耐高壓和大電流，因此需要在低阻值襯底上生長一層薄的高阻外延層。外延生長的新單晶層可在導(dǎo)電類型、電阻率等方面與襯底不同，還可以生長不同厚度和不同要求的多層單晶，從而大大提高器件設(shè)計的靈活性和器件的性能。外延技術(shù)作用主要體現(xiàn)在：1.可以在低（高）阻襯底上外延生長高（低）阻外延層。2.可以在P（N）型襯底上外延生長N（P）型外延層，直接形成PN結(jié)，不存在用擴(kuò)散法在單晶基片上制作PN結(jié)時的補(bǔ)償?shù)膯栴}。3.與掩膜技術(shù)結(jié)合，在指定的區(qū)域進(jìn)行選擇外延生長，為集成電路和結(jié)構(gòu)特殊的器件的制作創(chuàng)造了條件。4.可以在外延生長過程中根據(jù)需要改變摻雜的種類及濃度，濃度的變化可以是陡變的，也可以是緩變的。5.可以生長異質(zhì)、多層、多組分化合物且組分可變的超薄層。6.可在低于材料熔點溫度下進(jìn)行外延生長，生長速率可控，可以實現(xiàn)原子級尺寸厚度的外延生長。7.可以生長不能拉制單晶材料，如GaN，三、四元系化合物的單晶層等。由于SiC材料的質(zhì)量及其表面特性不能滿足直接制造器件的要求，制作SiC的高壓、大功率、高頻器件需要較厚的外延層及較低的摻雜濃度。而早在1959年就開發(fā)出來的薄層單晶材料生長工藝，即外延生長，可以很好地解決高壓大電流制作的需求，在電阻極低的襯底上生長一層高電阻率的外延層，器件制作在外延層上。外延層的電阻率很高，可以保證器件具有高的擊穿電壓，而低阻的襯底又可以確保器件具有低的串聯(lián)電阻?？偟恼f來，通過外延層，可以獲得比襯底材料更完美可控的晶體結(jié)構(gòu)，有利于基于材料的應(yīng)用開發(fā)。而外延的生長可以消除許多缺陷，使晶格排列整齊，表面形貌得到改觀。SiC的外延片通常以SiC的同質(zhì)外延為主，要想制成功率器件，需要在SiC襯底上生長1層或幾層SiC薄膜，在碳化硅外延材料的用量方面，SiC功率器件中，在外延的SiC漂移層中平衡外延層厚度及摻雜濃度是獲得高耐壓器件的關(guān)鍵。一般低壓在600伏，需要的外延厚度大概在6個μm左右，中壓1200~1700伏，厚度就是10~15個μm。高壓1萬伏以上，大概需要100個μm以上，所以隨著耐高壓能力的增加，外延厚度隨之增加。1.1.7、氮化鎵外延：氮化鎵材料真正發(fā)光發(fā)熱之處氮化鎵材料具有較寬的禁帶以及較好的物理化學(xué)性質(zhì)與熱穩(wěn)定，可以更好地滿足5G技術(shù)、新能源汽車以及軍事探測等領(lǐng)域?qū)Ω吖β誓透邷?、高頻耐高壓器件的需求，有著不錯的市場前景。從氮化鎵材料自身的性質(zhì)來看，其在高溫下會分解，不能使用單晶硅生產(chǎn)工藝的傳統(tǒng)直拉法拉出單晶，需要純靠氣體反應(yīng)合成，而氮氣性質(zhì)非常穩(wěn)定，鎵又是非常稀有的金屬，兩者反應(yīng)時間長，速度慢，反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物多，因此生產(chǎn)GaN對設(shè)備要求苛刻，技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)能極低。在襯底方面，生產(chǎn)氮化鎵襯底依然存在著嚴(yán)重的技術(shù)困難，一片2英寸的氮化鎵晶片，在國際市場上的售價高達(dá)5000美元，而且一片難求。由于GaN在常壓下無法熔化，且在高溫下分解為Ga和N2，在其熔點(2300℃)時的分解壓高達(dá)6GPa，當(dāng)前的生長裝備很難在GaN熔點時承受如此高的壓力，因此傳統(tǒng)熔體法無法用于GaN單晶的生長，只能選擇在其他襯底上進(jìn)行異質(zhì)外延生長。當(dāng)前的GaN基器件主要基于異質(zhì)襯底(硅、碳化硅、藍(lán)寶石等)制作而成，使得GaN單晶襯底及同質(zhì)外延器件的發(fā)展落后于基于異質(zhì)外延器件的應(yīng)用。目前常見的氮化鎵芯片基本是指硅基氮化鎵外延片/碳化硅基氮化鎵外延片。目前，GaN外延生長方法包括氫化物氣相外延（HVPE）、分子束外延（MBE）、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀（MOCVD）等。大多數(shù)商用器件都是基于GaN異質(zhì)外延得到的，主要襯底包括碳化硅（SiC）、硅（Si）和藍(lán)寶石（Sapphire）。1.GaNonSiCHEMT外延：該外延材料結(jié)合了SiC優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和GaN高頻和低損耗性能，所以GaNonSic熱導(dǎo)率高，使得器件可以在高電壓和高漏電流下工作，是射頻器件的理想材料。目前，GaN-on-SiC外延片主要應(yīng)用于5G基站、國防領(lǐng)域射頻前端的功率放大器(PA)。2.GaN-on-SiHEMT外延：由于使用Si襯底材料,可在大直徑硅晶圓上外延GaN且具有與傳統(tǒng)Si工藝兼容等優(yōu)勢,成為功率半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的理想選擇。GaNonSiHEMT外延有常開型(即耗盡型、D型)和常關(guān)型(即增強(qiáng)型、E型)兩種。3.GaN-on-SapphireHEMT外延：該外延結(jié)構(gòu)具有良好的均勻性、高擊穿電壓、極低的緩沖區(qū)泄露電流、高電子濃度、高電子遷移率和低方塊電阻，用于射頻和功率半導(dǎo)體器件。在藍(lán)寶石襯底上生長的GaNHEMT可以通過將器件倒裝芯片鍵合到導(dǎo)熱和電絕緣的襯底（例如氮化鋁陶瓷）上來實現(xiàn)熱管理。根據(jù)GrandViewResearch的數(shù)據(jù)，2021年全球氮化鎵半導(dǎo)體器件市場規(guī)模為18.8億美元，2022年為21.7億美元，預(yù)計從2022年到2030年氮化鎵半導(dǎo)體器件的市場規(guī)模將以25.4%的年復(fù)合增速增長。市場增長的原因主要是GaN半導(dǎo)體器件的卓越性能優(yōu)于硅器件。與硅器件相比，GaN的優(yōu)勢包括更高的能效、更低的成本和更快的器件速度等。根據(jù)TrendForce的數(shù)據(jù)，2022年氮化鎵市場中英諾賽科的市占率排名第三，為16%。而根據(jù)英諾賽科官網(wǎng)披露的數(shù)據(jù)，2022年英諾賽科的8英寸硅基氮化鎵產(chǎn)量超過了10000片/月，年產(chǎn)量超過120000片；結(jié)合市占率數(shù)據(jù)，我們可以推算得出2022年全球氮化鎵晶圓片的產(chǎn)量大約為75萬片左右，結(jié)合前文中氮化鎵半導(dǎo)體器件市場規(guī)模的增速，我們可以大致預(yù)測出氮化鎵晶圓2025年全球產(chǎn)量將達(dá)到148萬片左右。1.1.8、襯底&外延總量以及結(jié)構(gòu)的變化在前文的敘述中，我們分別介紹了主要使用的襯底材料（第一代硅單晶，第二代砷化鎵，第三代碳化硅）以及主要的外延材料（第三代氮化鎵），并給出了各種材料的市場規(guī)模。不同材料的市場規(guī)模差距較大，主要是由于氮化鎵器件目前主要的商業(yè)化運用方式為在外延層上進(jìn)行制作，而砷化鎵器件則可以在襯底上進(jìn)行制造，襯底與外延層的厚度差距導(dǎo)致了材料平均用量的差距。因此，考察各種半導(dǎo)體襯底&外延材料在半導(dǎo)體市場中的結(jié)構(gòu)有著重要的價值。首先我們基于2022年各種材料襯底的出貨量數(shù)據(jù)，計算2022年的半導(dǎo)體市場結(jié)構(gòu)情況。由于前文的統(tǒng)計中晶圓尺寸各不相同，我們需要先進(jìn)行尺寸的統(tǒng)一。以12英寸晶圓為基準(zhǔn)，折算時2英寸晶圓數(shù)量需要除以36，6英寸晶圓需要除以4，8英寸晶圓需要除以2.25。晶圓出貨總量方面，2022年晶圓總出貨1.30億片晶圓（折合12英寸），預(yù)計2025年晶圓總出貨量增長到1.38億片晶圓（折合12英寸）。以目前全球晶圓出貨量的口徑對半導(dǎo)體市場結(jié)構(gòu)進(jìn)行測算，硅占絕對的主流，2022年占比為98.96%，2025年略微下降為98.52%；砷化鎵排名第二，2022年占比為0.60%，2025年上升至0.72%；氮化鎵外延晶圓排名第三，2022年占比為0.26%，2025年上升至0.48%；碳化硅排名第四，2022年占比0.17%，2025年上升至0.26%。從目前的市場結(jié)構(gòu)情況看，砷化鎵與氮化鎵的占比到2025年都有一定提升。1.2、掩膜版（前道制造）：鉻金屬助力光刻技術(shù)掩膜版（Photomask），又稱光罩、光掩膜、光刻掩膜版、掩膜版等，是下游行業(yè)產(chǎn)品制造過程中的圖形“底片”轉(zhuǎn)移用的高精密工具，是承載圖形設(shè)計和工藝技術(shù)等知識產(chǎn)權(quán)信息的載體。掩膜版用于下游電子元器件制造業(yè)批量生產(chǎn)，是下游行業(yè)生產(chǎn)流程銜接的關(guān)鍵部分，是下游產(chǎn)品精度和質(zhì)量的決定因素之一。在掩膜版的生產(chǎn)中，鉻為主要使用的金屬材料。掩膜版的原材料是掩膜版基板，即涂有光刻膠和鍍鉻的玻璃基板。鍍鉻的作用是形成遮光膜材料，除了鉻金屬以外，也可以使用硅、氧化鐵、乳膠遮光膜等；其中，鉻相較于其他遮光膜材質(zhì)能夠形成更細(xì)微精確的圖形，目前用于高精產(chǎn)品較多。利用鉻元素作為遮光材料的理由是，首先，鉻不但可以鍍出均一的厚度，并且在蝕刻制程中還能加工出精細(xì)的線路以實現(xiàn)更高分辨率的目標(biāo)；其次，光掩膜版上的鉻是一種無毒害無污染的元素，符合安全管控標(biāo)準(zhǔn)。目前還沒有比金屬鉻更合適的掩膜版遮光材料。除了金屬鉻之外，鉻上還會有一層氧化鉻作為抗反射層，用于吸收光刻過程中在晶片表面產(chǎn)生的額外光刻能量的增益。1.3、電子特氣（前道制造）：鎢金屬化身六氟化鎢電子特氣全名電子特種氣體，是指應(yīng)用于電子行業(yè)的氣體，其質(zhì)量直接影響電子器件的成品率和性能。目前半導(dǎo)體行業(yè)各個環(huán)節(jié)使用的特種氣體有114種，常用的有44種，主要包含三氟化氮、六氟化鎢、六氟丁二烯、氨氣等，一般采用液態(tài)與瓶裝氣體生產(chǎn)模式。其中重要電子特氣材料六氟化鎢的制備，需要氟氣和鎢粉在350至400°C下反應(yīng)得到。在半導(dǎo)體器件的制造過程中，通常用六氟化鎢的化學(xué)氣相沉積來形成鎢膜。這一層膜用于低電阻率的金屬互聯(lián)。六氟化鎢為成膜氣體，通過還原反應(yīng)：WF6+3H2→W+6HF使六氟化鎢在高溫下被氫氣或者其他還原性氣體（如GeH4、SiH2F2和二乙基硅烷等）還原為金屬鎢和HF，因此六氟化鎢作為原材料廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)中金屬鎢化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝技術(shù)的基礎(chǔ)。比如用WF6制成的WSi2可用作大規(guī)模集成電路中的配線材料。純度是電子特種氣體重要指標(biāo)之一，直接影響芯片的良品率和可靠性。通常情況下，氣體純度用百分?jǐn)?shù)表示，如99.99%（4N）、99.999%（5N）、99.9995%（5N5）等。隨著集成電路制造工藝的迭代升級，線寬越來越窄，晶體管密度越來越大，對電子特氣的純度、穩(wěn)定性等指標(biāo)的要求也越來越高，部分氣體純度需要達(dá)到6N或以上，中船特氣所生產(chǎn)的六氟化鎢純度均達(dá)到6N以上。六氟化鎢工藝流程：將三氟化氮與鎢粉在反應(yīng)器裂解生成六氟化鎢粗品，粗品氣通過冷阱進(jìn)行收集，經(jīng)過吸附塔進(jìn)行純化，純化后的產(chǎn)品由精品罐收集，經(jīng)檢測合格后進(jìn)行充裝。1.4、靶材（前道制造）：先進(jìn)用銅鉭，成熟用鋁鈦超高純?yōu)R射靶材主要用于晶圓制造環(huán)節(jié)，其為通過磁控濺射、多弧離子鍍或其他類型的鍍膜系，在適當(dāng)工藝條件下濺射在基板上形成各種功能薄膜的濺射源。半導(dǎo)體領(lǐng)域靶材具有多品種、高門檻、定制化的特點，其對于濺射靶材的技術(shù)要求高，對金屬材料純度、內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)等均有嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。近年來半導(dǎo)體芯片的集成度越來越高，半導(dǎo)體芯片尺寸不斷縮小，對超高純?yōu)R射靶材提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體芯片行業(yè)用的金屬濺射靶材，主要種類包括：銅、鉭、鋁、鈦、鈷和鎢等高純?yōu)R射靶材，以及鎳鉑、鎢鈦等合金類的濺射靶材。金屬靶材一般要求超高純度，雜質(zhì)占比不能超過0.01%。根據(jù)江豐電子公告，大規(guī)模集成電路芯片的制造對濺射靶材金屬純度的要求最高，通常要求達(dá)到99.9995%（5N5）以上，平板顯示器、太陽能電池用鋁靶的金屬純度略低，分別要求達(dá)到99.999%（5N）、99.995%（4N5）以上。鋁靶早已被用來作為集成電路互連和觸點。鋁的問題是電遷移和電阻高。由于半導(dǎo)體領(lǐng)域的進(jìn)步，大規(guī)模集成電路向超大規(guī)模集成電路轉(zhuǎn)移，信號處理速度加快，要求傳遞信號的配線更細(xì)，這就要求更低電阻電容的靶材，因此用導(dǎo)電性好的金屬銅代替鋁為普遍做法。一般認(rèn)為“絲”徑（寬度）小于0.25μm就必須使用銅靶。但是銅與硅有很高的化學(xué)活性和很快的擴(kuò)散速度，在低溫下就可以形成銅硅合金（Cu-Si）通過氧化硅的電遷移，使得銅在硅中形成深的空穴，影響設(shè)備性能，針對這一問題，一般使用銅靶與鉭靶配套的方法進(jìn)行處理。金屬鉭和鉭的化合物有高導(dǎo)電性、高熱穩(wěn)定性和對外來原子的阻擋作用。鉭和氮化鉭對銅的惰性，Cu和Ta、以及Cu和N之間也不形成化合物，因此鉭和鉭基膜常用來作為防止銅擴(kuò)散的阻擋層。隨著制程工藝的慢慢提高，銅作為導(dǎo)電層、鉭作為阻擋層的搭配將越來越普遍。導(dǎo)電用銅、阻擋用鉭基本上以物理濺射沉積的方式在晶圓片上制膜，因此銅靶與鉭靶的使用量將會慢慢提升。目前市場上成熟制程（28nm及以上）的晶圓片所使用的靶材以鋁靶和鈦靶的配套為主，而在先進(jìn)制程（28nm以下）的晶圓片中，金屬靶材的選擇則以銅靶與鉭靶的配套為主。據(jù)ICInsights數(shù)據(jù)，2022年先進(jìn)制程晶圓占比約為39%，成熟制程晶圓占比為61%；而根據(jù)IHSMarkit的預(yù)測,2025年成熟制程晶圓市場占比為48%，先進(jìn)制程晶圓占比為52%。1.5、其他前道制造材料：電鍍液與高K材料除了上述襯底、外延、掩膜版、電子特氣與靶材以外，在晶圓的前道制造材料中還有其他涉及金屬的重要環(huán)節(jié)，在這里我們重點介紹電鍍液與高K材料中所涉及的金屬材料。1.5.1、電鍍銅：大馬士革工藝各元件之間的互連是集成電路工藝中的關(guān)鍵技術(shù)。早期使用鋁作為互連線材料，它容易刻蝕，且與SiO2的結(jié)合性好。但隨著集成電路特征尺寸的減小，由微米到亞微米再到深亞微米級，以及互連層數(shù)的增加，互連線的RC延遲成為制約超大規(guī)模集成電路發(fā)展的關(guān)鍵。因此，低電阻率的銅成為新一代的互連線材料。但銅不宜刻蝕，因而在集成電路的互連技術(shù)中引入了新的互連工藝，即銅的大馬士革工藝。電鍍的費用低、速度快、溫度要求不高。電鍍是大馬士革工藝中的重要環(huán)節(jié)，通過電鍍可以將銅填充在溝槽和孔洞中，獲得具有良好形貌和性能的銅鍍層，從而得到可靠的銅互連線。大馬士革一詞源自中世紀(jì)中東地區(qū)的金屬鑲嵌技術(shù)，大馬士革工藝的本質(zhì)是用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）工藝代替刻蝕工藝，解決Cu難以產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)因而難以刻蝕的問題，我們將在后文進(jìn)一步介紹該工藝。1.5.2、高K材料新貴：鉿金屬所謂高k材料，即介電常數(shù)K值很高的材料，真空K值為1，在所有材料中最低；空氣K值為1.0006；橡膠K值為2.5~3.5；純凈水K值為81。工程上根據(jù)K值的不同，將電介質(zhì)分為高K和低K介質(zhì)兩類：K>3.9（二氧化硅的介電常數(shù)）的為高K材料，K≤3.9的為低K材料。上個世紀(jì)末集成電路特征尺寸縮小到130nm時，摩爾定律遇到一個很重要的挑戰(zhàn)就是柵極的漏電流問題。當(dāng)特征尺寸為130nm時，為了正常地驅(qū)動MOSFET，對應(yīng)的SiO2柵極層物理厚度必須降低到3nm以下，這會導(dǎo)致電子的直接遂穿效應(yīng)變得非常明顯，從柵極過來的遂穿電流將急劇增加，柵極漏電流可能與溝道電流相比更大，導(dǎo)致器件不穩(wěn)定，同時產(chǎn)生大量焦耳熱等一系列的問題，最終導(dǎo)致器件失效。2007年，Intel公司宣布在其45nm技術(shù)工藝中成功采用了一種基于HfO2的高K材料，即二氧化鉿。HfO2由于具有合適的K值、帶隙、勢壘與較優(yōu)的材料熱穩(wěn)定性、界面特性及工藝簡單等眾多優(yōu)勢，在高級晶體管集成電路量產(chǎn)工藝中廣泛和長期使用。生長高K材料的方法有物理氣相沉積(physicalvapordeposition，PVD)、化學(xué)氣相沉積(chemicalvapordeposition,CVD)與原子層積(atomiclaverdeposition,ALD)等，其中ALD是主要方法。目前，在DRAM儲存芯片的使用上廣泛使用鉿，三星電子、SK海力士等存儲芯片大廠在生產(chǎn)最先進(jìn)DRAM時增加鉿的用量。2022年前三季度，三星每月的DRAM晶圓總產(chǎn)量為66.5萬片（折合12英寸）。結(jié)合國家發(fā)改委披露的數(shù)據(jù)，2022年第三季度全球DRAM產(chǎn)業(yè)中三星市占率大約為40.7%，我們可以測算2022年全球共生產(chǎn)DRAM晶圓約1961萬片。根據(jù)MordorIntelligence的預(yù)測，DRAM市場規(guī)模預(yù)計從2022年到2027年將以約3.18%的年復(fù)合增長率持續(xù)增長，我們以此年復(fù)合增長率作為DRAM出貨量的增長速度，可以測算得到2025年全球DRAM晶圓出貨量將達(dá)到2154萬片。1.6、鍵合絲（后道封裝）：金、銀、銅皆有應(yīng)用在成功完成前道制造工藝流程后，晶圓已經(jīng)升級成了“IC”，還需要進(jìn)行后道的“測試”和“封裝”。在測試流程中需要將晶圓上的IC切割變成晶粒再進(jìn)行測試，通過測試后以金屬材料和樹脂材料制作器件的外殼將晶粒進(jìn)行封裝，成為最終的成品“芯片”。在IC封裝中，需要用到金屬材料的兩個環(huán)節(jié)主要包括引線框架以及鍵合絲。芯片和引線框架（基板）的連接為電源和信號的分配提供了電路連接。就目前的封裝工藝看，有兩種主流方式實現(xiàn)內(nèi)部連接∶引線鍵合/打線封裝（WireBonding）、覆晶封裝（FlipChip）。所謂引線鍵合即是透過“鍵合絲”把IC上的連接點跟IC載版或引線框架連接起來。如果是以引線框架封裝，芯片內(nèi)部的IC便是藉由引線框架，從內(nèi)部直接連接到外部的PCB上。而覆晶封裝是在IC的連接點上接合“金屬凸塊”（SolderBump），再把IC翻覆，讓IC上的凸塊與IC導(dǎo)線載板連接起來。雖然目前90%以上的連接方式仍是引線鍵合，但是隨著人們對于半導(dǎo)體芯片的要求越來越高，腳線數(shù)量越來越多，傳統(tǒng)引線鍵合的方式將不能滿足芯片的需求。鍵合絲涉及到的金屬材料主要包括金、銀、銅、鋁、錫。鍵合用的引線對焊接的質(zhì)量有很大的影響，尤其對器件的可靠性和穩(wěn)定性影響更大。理想鍵合絲材料具有以下特點：能與半導(dǎo)體材料形成低電阻歐姆接觸；化學(xué)性能穩(wěn)定，不會形成有害的金屬間化合物；與半導(dǎo)體材料接合力強(qiáng)；可塑性好，容易實現(xiàn)鍵合；彈性小，在鍵合過程中能保持一定的幾何形狀。金絲和鋁絲在2010年以前是使用最普遍的焊線材料，目前銅線異軍突起，有望成為最主流的鍵合線。金性能穩(wěn)定，做出來的產(chǎn)品良率高，但是價格昂貴。鋁雖然便宜，但不穩(wěn)定，良率低。幾種主要的焊線對比如下：（1）金絲：使用最廣泛，傳導(dǎo)效率最好，但是價格也最貴，近年來已有被銅線取代的趨勢。（2）鋁絲：多用在功率型組件的封裝。（3）銅絲：由于金價飛漲，近年來大多數(shù)封裝廠積極開發(fā)銅線制程以降低成本。銅線對目前國內(nèi)的部分封裝廠來說，在中低端產(chǎn)品上還是比較經(jīng)濟(jì)的，但是需加保護(hù)氣體，剛性強(qiáng)。（4）銀絲：特殊組件所使用，在封裝工藝中不使用純銀線，常采用銀的合金線，其性能較銅線好，價格比金線要低，也需要用保護(hù)氣體，對于中高端封裝來說不失為一個好選擇。根據(jù)《銅鍵合線的發(fā)展與面臨的挑戰(zhàn)》，2005年的集成電路封裝中，金線鍵合占絕大部分，鋁線鍵合封裝只占總封裝的5%，而銅線鍵合大概也只有1%；而2019年，鍵合絲市場結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了巨大變化，金線鍵合仍然占比最高，但是已經(jīng)大幅下降至32%，純銅絲鍵合與鍍靶銅絲鍵合占比分別為25%以及29%，預(yù)計未來銅將成為主流鍵合絲原材料。1.7、引線框架（后道封裝）：銅基框架占主導(dǎo)地位引線框架提供封裝組件電、熱傳導(dǎo)的途徑，也是所有封裝材料中的重要一環(huán)。引線框架材料主要為銅合金，其大致分為銅—鐵系、銅—鎳—硅系、銅—鉻系、銅—鎳—錫系（JK--2合金）等，三元、四元等多元系銅合金能夠取得比傳統(tǒng)二元合金更優(yōu)的性能和更低的成本。由于引線框架制作及封裝應(yīng)用的需要，除高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性能外，對材料還要求有良好的釬焊性能、工藝性能、蝕刻性能、氧化膜粘接性能等。目前引線框架材料在向高強(qiáng)、高導(dǎo)電、低成本方向發(fā)展，在銅中加入少量的多種元素，在不明顯降低導(dǎo)電率的原則下，提高合金強(qiáng)度（使引線框架不易發(fā)生變形）和綜合性能。另外，銅帶材持續(xù)向高表面一致性、精確板型、性能均勻、帶材厚度不斷變薄的方向發(fā)展，從0.25mm向0.15mm、0.1mm逐步減薄。1.8、焊料（后道封裝）：錫金屬大展身手除引線框架及鍵合絲所涉及金屬金、銅之外，錫同樣也是重要的半導(dǎo)體封裝材料。在半導(dǎo)體封裝流程中，為了便于芯片與封裝基板的鍵合，會在芯片上留出凸塊接點，然后在表面上錫處理。由于錫具有較低的熔點和良好的機(jī)械性能，因此被廣泛用于制作焊點。焊點是半導(dǎo)體器件與電路板之間的連接點。焊點需要具有良好的連接強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性和電學(xué)性能。錫的熔點低，使得它可以快速固化，從而穩(wěn)定焊點的位置。此外，錫還可以在高溫下形成一層氧化層，起到保護(hù)電路的作用。焊錫凸塊（SolderBump）在覆晶封裝以及未來可能的封裝工藝中頻繁使用。覆晶封裝及前沿封裝工藝都是采用焊錫球凸塊(solderbump)或微凸塊（Microbump）來實現(xiàn)芯片與基板、芯片與中介層(interposer)、芯片與芯片間的電連接。Solderbump/microbump在制備工藝中都有植球的步驟，所植的球就是焊錫凸塊（Solderbump），也就是說芯片間的連接都是靠焊錫凸塊進(jìn)行連接。1.9、其他后道封裝材料：Low-α材料隨著芯片制程工藝的發(fā)展，“摩爾定律”迭代速度放緩、芯片成本攀升問題逐步顯露?！昂竽枙r代”以系統(tǒng)應(yīng)用為出發(fā)點，不執(zhí)著于晶體管的制程縮小，而將各種技術(shù)進(jìn)行異質(zhì)整合的先進(jìn)封裝技術(shù)作為“超越摩爾定律”的重要路徑。先進(jìn)封裝正成為助力系統(tǒng)性能持續(xù)提升的重要保障，并滿足“輕、薄、短、小”和系統(tǒng)集成化的需求。HBM采用先進(jìn)封裝技術(shù)，相比傳統(tǒng)封裝芯片最高帶寬提升接近11倍。HBM（HighBandwidthMemory）是一款新型的CPU/GPU內(nèi)存芯片，HBM利用先進(jìn)封裝工藝將DDR芯片垂直堆疊在一起并和GPU封裝在一起（傳統(tǒng)封裝是采用平面分布DDR芯片），縮短信息傳輸距離的同時實現(xiàn)大容量、高帶寬。根據(jù)海力士官網(wǎng)披露數(shù)據(jù)，最新代際HBM最高帶寬可達(dá)665GB/s，相比于傳統(tǒng)封裝工藝的GDDR6的最高帶寬56GB/s，提升約10.9倍。Low-α球形硅微粉及球形氧化鋁為HBM封裝關(guān)鍵材料。對于垂直堆疊的DDR芯片需要使用GMC（顆粒狀環(huán)氧塑封料）對其整體進(jìn)行封裝。由于導(dǎo)體器件中存在天然放射性元素鈾所攜帶的α粒子，當(dāng)它們被射入微電子器件的靈敏區(qū)時，會引起半導(dǎo)體器件發(fā)生單粒子效應(yīng)，導(dǎo)致CPU運行錯誤，因此控制α粒子的含量高低在封裝環(huán)節(jié)使用的GMC中顯得至關(guān)重要。Low-α球形硅微粉及球形氧化鋁兼具強(qiáng)度高、散熱性能好、α粒子含量低等特點，為HBM封裝材料中必不可少的關(guān)鍵材料。Low-α球鋁/球硅占GMC重量的80%-90%左右。目前球形氧化鋁的需求與芯片的性能要求成正比，芯片性能要求越高，摻混的球形氧化鋁越多，球鋁與球硅的總重量占GMC重量的80%-90%左右。Low-α球鋁技術(shù)門檻高，生產(chǎn)難度大，2022年全球需求量約為1000噸，單價約為300萬元/噸。由于球形氧化鋁粉末中的天然放射性元素鈾的含量取決于原料中的鈾含量，因此重要的是使用鈾/釷含量盡可能低以制備具有低鈾含量的球形氧化鋁粉末，這導(dǎo)致了Low-α球鋁的高技術(shù)門檻與生產(chǎn)難度。目前Lowα球形氧化鋁全球范圍內(nèi)的主要供應(yīng)商為日本雅都瑪，國內(nèi)企業(yè)方面，聯(lián)瑞新材與壹石通有望實現(xiàn)國產(chǎn)化替代。球硅競爭情況：目前，球形二氧化硅的主要生產(chǎn)商集中在Tatsumori（日本龍森公司）、Admatechs（日本雅都瑪公司）、Denka（日本電化學(xué)株式會社）、Micron（美光）等，Denka處于世界領(lǐng)先地位，2022年產(chǎn)量市場份額為24.05%。隨著近年來國內(nèi)產(chǎn)能不斷擴(kuò)大，中國產(chǎn)品的市場份額有望擴(kuò)大。2021年聯(lián)瑞新材、華飛電子的銷量市占率分別為12%和6%，已在一定程度上對日本等發(fā)達(dá)國家高端硅微粉形成進(jìn)口替代，且進(jìn)口替代率有望隨著國內(nèi)廠商產(chǎn)能擴(kuò)建進(jìn)一步提升。然而，對于以Admatechs為主的高端材料——0.01μm-10μm，競爭格局短期內(nèi)不會改變。球鋁競爭情況：全球范圍內(nèi)，球形氧化鋁填料主要生產(chǎn)商包括日本電化學(xué)株式會社、百圖高新、日本雅都瑪、昭和電工、新日鐵住金、矽比科、天津澤希礦產(chǎn)、聯(lián)瑞新材、DaehanCeramics、壹石通、凱盛科技、DongkukR&S、益新礦業(yè)科技和蘇州錦藝新材料等。目前，全球核心廠商主要分布在日本、韓國和中國。2、半導(dǎo)體金屬品種匯總與用量測算集成電路的制作流程遠(yuǎn)比上文介紹的要更加復(fù)雜，涉及的金屬材料也更多。在本節(jié)中，我們將對半導(dǎo)體制造流程中所涉及的主要金屬種類匯總并進(jìn)行用量的測算?；诎雽?dǎo)體在制造流程中的重要形態(tài)是晶圓片，而其最終的產(chǎn)品形態(tài)為芯片，我們將以這兩種形態(tài)作為基本單位進(jìn)行測算，即測算一片晶圓片所消耗金屬材料/一片芯片所消耗金屬材料。目前市場上的硅晶圓片根據(jù)尺寸分類可以分成12英寸、8英寸、6英寸及以下等種類，而其中12英寸晶圓片占據(jù)了最大量的晶圓片出貨量。根據(jù)SEMI的數(shù)據(jù)，2020年12英寸晶圓片占比達(dá)到68.40%；8英寸晶圓片占比為25.40%；6英寸及以下占比僅為6.20%。預(yù)計未來一段時間內(nèi)，晶圓片市場仍將以12英寸為主要尺寸，因此后文的測算中也將晶圓折算為12英寸尺寸。2.1、硅：最主流的半金屬襯底材料2.1.1、上游工業(yè)硅情況介紹從工業(yè)硅的整體需求量角度看，半導(dǎo)體用硅量較少。工業(yè)硅主要用于生產(chǎn)有機(jī)硅、制取高純度的晶體硅材料、以及配置有特殊用途的硅鋁合金，三者呈鼎足之勢。硅鋁合金、有機(jī)硅、多晶硅三大領(lǐng)域2022年消費量占比分別為23%、36%、39%，多晶硅是工業(yè)硅最大的消費領(lǐng)域，同時多晶硅也是半導(dǎo)體用硅的來源。按純度要求及用途不同，可以將多晶硅分為太陽能級多晶硅和電子級多晶硅。半導(dǎo)體和光伏是晶硅原材料生產(chǎn)制造的下游應(yīng)用領(lǐng)域。目前，光伏行業(yè)是多晶硅使用量最大的行業(yè)，太陽能級多晶硅對雜質(zhì)有嚴(yán)格的要求，通常要求多晶硅的純度需達(dá)到99.9999%以上；電子級多晶硅對于產(chǎn)品純度要求更高，一般要求9N以上（99.9999999%）。半導(dǎo)體芯片所用硅晶圓一般由硅單晶制成，而硅單晶則需以多晶硅直拉或是區(qū)熔得到。2022年，全球多晶硅產(chǎn)量為100.1萬噸，同比增加55.9%，中國占據(jù)全球多晶硅產(chǎn)量85%以上。其中，電子級多晶硅產(chǎn)量約為3.92萬噸、太陽能級塊狀硅約為90萬噸、顆粒硅為6.16萬噸，在全球多晶硅總產(chǎn)量中的占比分別為3.9%、89.9%和6.2%。從整體需求角度看，半導(dǎo)體用硅，即電子級多晶硅在2022年僅占硅整體需求量的1.52%。在多晶硅市場上，中國企業(yè)處于絕對的領(lǐng)先地位，根據(jù)BernreuterResearch的調(diào)研數(shù)據(jù)，2021年全球前四的多晶硅企業(yè)都來自中國，且產(chǎn)能均超過10萬噸/年。其中前兩大生產(chǎn)商通威股份和協(xié)鑫科技，產(chǎn)能分別為20.5萬噸/年、14萬噸/年。根據(jù)通威股份2023年半年報，通威股份的硅產(chǎn)能已經(jīng)擴(kuò)大至42萬噸。2.1.2、半導(dǎo)體用硅用量測算根據(jù)前文所述，半導(dǎo)體襯底可以劃分為四代，但是目前硅仍然是半導(dǎo)體器件最重要的材料，占比超過90%，測算第一代硅襯底材料的用量同樣是我們測算的起點。我們先看看硅晶圓的價格情況。自從2016年硅晶圓價格探底之后，由于通訊、計算機(jī)、汽車、消費電子、醫(yī)療電子等傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域需求的穩(wěn)定帶動，疊加光伏、智能電網(wǎng)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的崛起，近些年半導(dǎo)體硅晶圓價格回到高位水平。根據(jù)SEMI公布的數(shù)據(jù)，半導(dǎo)體硅晶圓價格從2016年0.67美元/平方英寸上漲至2022年價格0.94美元/平方英寸。硅片作為硅晶圓的重要上游原材料，其價格與硅晶圓的銷售價格有著較強(qiáng)的相關(guān)性。為了得到較新的硅片原材料價格，我們假設(shè)硅片價格與硅晶圓價格同比例變化。在各公司招股說明書中，只對歷年的8英寸半導(dǎo)體硅片價格進(jìn)行披露，表格中的12英寸硅片價格為根據(jù)晶圓面積進(jìn)行同比例調(diào)整后得到的結(jié)果。據(jù)此測算后的結(jié)果顯示2017/2018/2019年12英寸硅片價格分別為525.67/632.75/715.21元/片。2022年，硅晶圓銷售單價為0.94元/平方英寸，而在2019年這一數(shù)字為0.95元/平方英寸，再根據(jù)這兩個數(shù)據(jù)進(jìn)行測算，2022年半導(dǎo)體硅片原材料的價格為715.21*0.94/0.95=707.68元/片。硅片的上游為電子級多晶硅，冶煉得到高純度多晶硅后，經(jīng)過拉伸、長晶、切割等步驟得到硅片。根據(jù)立昂微招股說明書中所披露的數(shù)據(jù)，其6英寸硅片的硅用量為58.34g~68.90g。12英寸的硅晶圓片面積為6英寸硅晶圓片面積的四倍，因此將6英寸硅片硅用量*4，測算得到一個12英寸的硅片約需要233.37~275.59g的多晶硅材料，平均用量為250g左右。2.2、鎵金屬：第二代半導(dǎo)體用量大，第三代半導(dǎo)體用量小2.2.1、上游鎵金屬市場情況鎵金屬是在半導(dǎo)體中應(yīng)用量最大的金屬，其主要表現(xiàn)形式為第二代砷化鎵襯底以及第三代氮化鎵外延。鎵屬于稀散金屬，目前主要以化合物的形式被用于生產(chǎn)半導(dǎo)體、磁材、MO源、光伏材料及熒光粉等，并最終廣泛應(yīng)用于無線通信、化學(xué)工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、太陽能電池和航空航天等眾多領(lǐng)域。從下游應(yīng)用情況來看，鎵在半導(dǎo)體、磁材、MO源、光伏材料及熒光粉等領(lǐng)域的應(yīng)用占比分別為42%、29%、9%、8%、7%。從金屬鎵的產(chǎn)量分布來看，中國處于絕對的領(lǐng)先地位。根據(jù)USGS的調(diào)研數(shù)據(jù)，2022年全球共生產(chǎn)金屬鎵550噸，其中中國生產(chǎn)540噸，占比超過98%，其余生產(chǎn)鎵金屬的國家包含日本、韓國、俄羅斯，合計生產(chǎn)鎵金屬僅10噸左右。從鎵金屬生產(chǎn)公司的情況來看，2021年三門峽鋁業(yè)、中國鋁業(yè)、東方希望的全球市占率排名前三，分別為35.25%、30.41%以及14.98%，CR3超過80%，鎵金屬的生產(chǎn)集中度較高。2.2.2、鎵金屬用量測算砷化鎵襯底用量測算：由于鎵金屬在半導(dǎo)體中的出現(xiàn)形式主要為砷化鎵襯底以及氮化鎵外延，我們先對砷化鎵的襯底用量計算。襯底材料中主要包括：第一代硅單晶襯底、第一代鍺單晶襯底、第二代砷化鎵襯底、第二代磷化銦襯底、第三代碳化硅襯底。我們?nèi)砸?2英寸晶圓片作為測算單位，并假設(shè)其厚度不變，將各種材料密度代入計算，可以測算得到不同襯底所消耗的金屬量。氮化鎵外延金屬用量測算外延金屬材料通常存在的形式為襯底材料的延伸薄膜層，如前文所述，外延涉及同質(zhì)外延與異質(zhì)外延。目前來看，主要涉及金屬材料的外延片為第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵，對于氮化鎵而言這也是其在市場上的主要存在形式，大部分寬禁帶半導(dǎo)體器件都是在氮化鎵外延層上制作的，因此在本節(jié)中我們僅對氮化鎵外延的用量進(jìn)行測算。氮化鎵作為外延層，由于厚度較薄，用量較少。根據(jù)IGaN網(wǎng)站的產(chǎn)品介紹，GaN外延層在硅襯底上的層數(shù)在4層左右，這4層的厚度最小為僅有1nm的GaN帽層，最厚可達(dá)500~4000nm的GaN緩沖層。用量測算上，涉及氮化鎵的層數(shù)厚度求和，大約是4400nm。而硅襯底的厚度為975000nm，氮化鎵外延厚度僅為襯底的0.45%。結(jié)合氮化鎵的密度6.1g/cm3，一片12英寸晶圓所涉及的氮化鎵用量大約為250*0.45%/2.32*6.1≈2.97g。若氮化鎵在襯底的應(yīng)用上出現(xiàn)進(jìn)一步的突破，使得高純氮化鎵襯底的商業(yè)制備困難大大降低，屆時氮化鎵的用量或?qū)⒊霈F(xiàn)大幅度的提升。與砷化鎵襯底的計算一樣，我們同樣需要根據(jù)氮元素與鎵元素的相對分子質(zhì)量比例計算在外延部分鎵的使用量。鎵的相對分子質(zhì)量為70，氮的相對分子質(zhì)量為14，因此一片12英寸晶圓（氮化鎵外延）需要的用鎵量為：2.97*70/84≈2.48g。結(jié)合前文計算的12英寸晶圓砷化鎵平均用量，276.23g/12英寸晶圓，我們可以很明顯地發(fā)現(xiàn)同樣是12英寸晶圓，第二代半導(dǎo)體耗鎵量（砷化鎵襯底）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第三代半導(dǎo)體耗鎵量（氮化鎵外延），其中的巨大差別是襯底與外延的巨大厚度差距所導(dǎo)致的。2.3、銅金屬：半導(dǎo)體中用途最廣泛的金屬2.3.1、上游銅市場情況介紹銅是使用量十分龐大的有色金屬，根據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國電解銅產(chǎn)量自2015年快速增長，2020年超千萬噸，2022年產(chǎn)量達(dá)到近年高點1106.30萬噸。在銅的下游需求方面，半導(dǎo)體（電子）需求并不是最大的，根據(jù)安泰科的數(shù)據(jù)，2020年電子用銅需求占銅整體需求的10%。在全球銅市場的主要企業(yè)中，以今年上半年權(quán)益銅產(chǎn)量為衡量標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)媒體Kitco對全球主要銅礦公司進(jìn)行了排名。其中，智利國家銅業(yè)公司、自由港麥克莫蘭和必和必拓繼續(xù)穩(wěn)居前三。值得一提的是，紫金礦業(yè)銅產(chǎn)量同比增加7.9萬噸，增幅達(dá)19.1%，超越嘉能可和南方銅業(yè)，成為世界第四大銅礦公司。2.3.2、大馬士革工藝介紹一塊性能優(yōu)秀的半導(dǎo)體芯片，不僅僅只需要性質(zhì)優(yōu)異的襯底材料，還需要更加精細(xì)的工藝在襯底上“繪制”電路并連接，以達(dá)到芯片所設(shè)計的性能。銅金屬為芯片中目前使用較廣泛、也是使用量較大的一種金屬材料，其在芯片結(jié)構(gòu)中的主要表現(xiàn)形式為金屬布線。所謂金屬布線，即根據(jù)半導(dǎo)體電路圖連接電路的過程。晶圓上的晶體管若沒有相互連接起來，起不了任何作用。只有把晶體管與外部電源連接起來，它們才能各司其職，正常執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N工作?？梢姡A上的元器件與電源以及其他元器件之間的連接是必要的。傳統(tǒng)的鋁線互連工藝中，一般采用先沉積鋁薄膜，再對其進(jìn)行光刻、刻蝕，留下需要連接的金屬鋁部分，再積淀二氧化硅和拋光，完成鋁線互連。由于銅無法像鋁一樣進(jìn)行干法刻蝕，等離子體難以與銅發(fā)生反應(yīng)并形成易揮發(fā)的副產(chǎn)物，因此在銅線互連工藝中必須對步驟進(jìn)行調(diào)整，大馬士革工藝應(yīng)運而生。首先沉積二氧化硅，直接對其進(jìn)行光刻、刻蝕，給銅金屬留出其需要填充的槽，隨后使用物理氣相的方法沉積薄的TaN阻擋層用以防止銅的擴(kuò)散以及薄的Cu種子層，為后續(xù)步驟的電鍍做準(zhǔn)備；隨后電鍍銅填充銅布線，拋光拋去多余的部分，完成銅互連。銅靶市場情況：芯片中的銅材主要以靶材（物理氣相沉積PVD）的方式進(jìn)行薄膜制造。靶材方面，我國起步較晚，相較于國外的成熟企業(yè)有著一定差距。目前具有規(guī)模化生產(chǎn)能力的企業(yè)數(shù)量相對較少，產(chǎn)業(yè)集中度較高。美國、日本跨國集團(tuán)產(chǎn)業(yè)鏈完整，JX日礦金屬、霍尼韋爾、東曹和普萊克斯四家企業(yè)競爭力較強(qiáng)，2021年四家企業(yè)的市場份額分別為30%、20%、20%和10%，合計壟斷了全球80%的市場份額。目前，國內(nèi)外企業(yè)技術(shù)差距正逐步縮小。國內(nèi)高純金屬靶材生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)逐漸突破關(guān)鍵技術(shù)門檻，打破了金屬靶材核心技術(shù)由國外壟斷、產(chǎn)品供應(yīng)完全需要進(jìn)口的不利局面。我國靶材行業(yè)主要公司有江豐電子、有研新材、阿石創(chuàng)、隆華科技等。硫酸銅市場情況：硫酸銅為半導(dǎo)體大馬士革電鍍工藝的重要上游原材料，也是重要的無機(jī)原料，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、飼料、水處理、電鍍、催化劑、油漆、選礦等行業(yè)。目前生產(chǎn)硫酸銅的原料主要有金屬銅、銅精礦、氧化礦以及銅鎳廢渣等。硫酸銅的市場壁壘較低，生產(chǎn)硫酸銅的企業(yè)眾多，根據(jù)ExpertMarketResearch的排名，目前全球生產(chǎn)硫酸銅的企業(yè)排名前五的分別是WegoChemicalGroup、艾倫化學(xué)公司、安美特、NoahTechnologiesCorporation及OldBridgeChemicalsInc。2.3.3、前道制造銅金屬用量測算銅靶用銅測算靶材作為芯片生產(chǎn)的核心耗材之一，需要高純度的金屬。如前文所述，目前半導(dǎo)體金屬靶材的使用種類以銅靶配套鉭靶、鈦靶配套鋁靶為主。而一塊金屬靶材可以濺射八千到一萬片晶圓，我們對此求平均值，即每一塊晶圓需要消耗1/9000塊金屬靶材。由于靶材金屬純度一般高達(dá)99%以上，且形狀為圓形，我們只需要計算靶材的體積，搭配該金屬材料的密度即可得出每一塊靶材的質(zhì)量。根據(jù)有研新材公司公告，有研億金的銅系列高端靶材產(chǎn)品全面實現(xiàn)技術(shù)突破,12英寸高純銅及銅合金靶材、高純鎳鉑靶材和高純鈷靶材的多款產(chǎn)品已經(jīng)通過多家集成電路高端客戶認(rèn)證；另外，根據(jù)RonaldA.PowellDirector等人所編著的《PVDforMicroelectronicsSputterDepositionAppliedtoSemiconductorManufacturing》，通常12英寸靶材厚度為0.5英寸，則12英寸靶材的體積約為3.14*15.24*15.24*1.27≈926.20立方厘米，同時其密度為8.92g/立方厘米，因此一塊銅靶材的質(zhì)量大約為8261.70g。由于每一塊晶圓需要消耗1/9000塊金屬靶材，一片12英寸晶圓的靶材用銅量約為0.918g。鉭密度為16.68g/立方厘米，因此一塊鉭靶材的質(zhì)量大約為15449.01g，一片12英寸晶圓的靶材用鉭量約為1.717g。我們用同樣的方法對鋁靶和鈦靶進(jìn)行測算，若一片12英寸晶圓使用鋁/鈦靶材，則需要0.278g鋁以及0.463g鈦。電鍍用銅測算在大馬士革工藝中，除了電鍍銅之外，還需要使用物理氣相沉積的方法沉積阻擋層（鉭金屬）以及種子層（銅金屬），即對應(yīng)前文中鉭靶以及銅靶的使用量。種子層與電鍍層的形狀基本保持一致，因此我們只需要知曉兩者的厚度差距，就可以折算出電鍍銅的用銅量。一般銅種子層厚度為1.0～2.0微米，我們?nèi)∑渖舷?微米；而采用電鍍銅工藝的再布線層厚度可以達(dá)到10微米。電鍍層的厚度是種子層厚度的5倍左右，電鍍用銅量也應(yīng)該是銅靶用銅量的5倍左右，因此一片12英寸晶圓的電鍍用銅量為0.918*5≈4.59g。2.3.4、后道封裝用銅量測算鍵合絲平均金屬用量測算由于后道封裝主要是對晶圓切割之后得到的芯片進(jìn)行的，因此繼續(xù)以晶圓作為考察金屬的平均用量是不合理的，應(yīng)該以芯片作為考察金屬平均用量的基本單位。在后道封裝中涉及到金屬材料的環(huán)節(jié)主要為鍵合絲、引線框架以及錫焊料。我們先看鍵合絲的金屬平均用量情況：根據(jù)前文所述，鍵合絲市場中有銅逐漸取代金的趨勢，且現(xiàn)在銅鍵合絲的市場占比越來越大。根據(jù)煙臺一諾電子材料有限公司在《中國半導(dǎo)體封裝測試產(chǎn)業(yè)調(diào)研報告（2020年版）》中所披露的數(shù)據(jù)，2019年中國集成電路封裝規(guī)模數(shù)量達(dá)1600億塊，鍵合絲需求總量約為85億米。因此我們可以計算出每一塊集成電路，也就是芯片，所消耗的鍵合絲長度大約為85/1600≈0.053m=53mm。近年來，隨著半導(dǎo)體零件的小型化，鍵合絲的線徑也逐漸變細(xì)，現(xiàn)在的主流是15～25微米，我們?nèi)∑淦骄€徑20微米，那么可以計算得到每一塊芯片需要鍵合絲體積大約為1.66*10-5立方厘米，結(jié)合銅的密度8.96g/cm3，我們可以計算出一塊芯片所需銅鍵合絲質(zhì)量約為0.0001g。引線框架平均金屬用量測算引線框架方面，根據(jù)立鼎產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2019年版中國銅板帶材行業(yè)供需現(xiàn)狀及市場前景研究報告》，2018年我國集成電路產(chǎn)量1740億塊，同年我國引線框架用銅材需求量為28萬噸，全球集成電路產(chǎn)量約為6400億塊，全球引線框架用銅量約為104萬噸，可以測算得到我國每一塊集成電路的引線框架用銅量約為1.61g，而全球每一塊集成電路的引線框架用銅量約為1.625g，我們對其求平均值，那么每一塊芯片的引線框架用銅量大約為1.62g。2.4、鉭金屬：高純?yōu)R射鉭靶，用于阻擋層沉積2.4.1、鉭金屬市場情況金屬鉭在電子、冶金、化工、原子能、超導(dǎo)技術(shù)、汽車、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生等許多領(lǐng)域均有重要應(yīng)用，2021年鉭金屬需求量達(dá)到112.4噸，較2020年增長4.7噸。鉭電容是鉭金屬下游應(yīng)用占比最高的產(chǎn)品，2022年鉭電容的市場占比為34%，鉭以電容器級鉭粉和鉭絲的形式用于制作鉭電容器；鉭在濺射靶材領(lǐng)域的用量占比為17%，僅次于鉭電容器以及超級合金。我國從事鉭相關(guān)制品的上市公司為東方鉭業(yè)。2023年9月26日東方鉭業(yè)披露，近年來公司不斷加大關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)力度，重點推進(jìn)半導(dǎo)體用鉭靶坯等產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，目前半導(dǎo)體用大尺寸鉭靶坯已實現(xiàn)批量銷售。2.4.2、鉭金屬使用量測算鉭金屬主要以阻擋層的形式出現(xiàn)在芯片之中，其沉積方式與前文描述的種子層銅類似，以PVD的方法，使用濺射靶材沉積在芯片之中。因此，鉭靶材的使用量即為芯片中鉭金屬的使用量。值得一提的是，目前先進(jìn)制程芯片大多使用銅靶與鉭靶的配套，而成熟制程的芯片仍使用鋁靶與鈦靶的配套。2.5、鉻金屬：掩膜版使用核心金屬材料2.5.1、鉻金屬市場介紹用于半導(dǎo)體行業(yè)的鉻金屬較少，目前90%的鉻礦被加工成鉻鐵合金，5%的鉻礦被加工成化工鉻鹽，5%的鉻礦被用作耐火材料。半導(dǎo)體用的鉻屬于化工級鉻礦。具體來看，冶金級鉻鐵礦被冶煉成鉻鐵合金添加到不銹鋼、特鋼等鋼材中，化工級鉻礦則加工成重鉻酸鹽、鉻的氧化物及鉻的硫酸鹽等鉻鹽，用于顏料、涂料、皮革、新能源等眾多行業(yè)。約5%的鉻礦被加工成化工鉻鹽，用量較小，整體市場規(guī)模也較小，中國市場整體需求約40-50萬噸，加之鉻鹽屬于高污染化學(xué)制品，政府管控較嚴(yán)，市場集中度極高。5%的鉻礦被用作生產(chǎn)耐火材料，主要用于制造鉻磚、鉻鎂磚和其他特殊耐火材料。鉻礦生產(chǎn)企業(yè)目前以國外企業(yè)為主，歐亞資源（ENRC）、嘉能可、薩曼可（Samancor）是全球最大的三家鉻礦生產(chǎn)企業(yè)，2021年三家企業(yè)合計產(chǎn)能近1500萬噸，占全球的比重為35%。目前中資企業(yè)中鋼、五礦在非洲投資布局鉻礦資源，但整體產(chǎn)能較小。中鋼集團(tuán)是國內(nèi)最早投資鉻礦的企業(yè)，在非洲擁2.5.2、鉻金屬用量測算鉻金屬在半導(dǎo)體芯片的制造過程中主要作為掩膜版的遮光層使用，掩膜版為耗材，用于遮擋光刻激光，因此鉻金屬并沒有直接出現(xiàn)在芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)中。如要計算出一片12英寸晶圓的鉻金屬消耗量，則需了解以下參數(shù)：1.掩膜版中的遮光鉻層厚度；2.12英寸晶圓常用的掩膜版尺寸；3.12英寸晶圓對于掩膜版的平均消耗量。根據(jù)周文等《掩膜版缺陷分析與消除》一文，掩膜版遮光層一般為鉻層，厚度為100nm左右；而掩膜版尺寸眾多，常見尺寸為6*6英寸。根據(jù)清溢光電的公司公告，一顆普通芯片需要10-30層掩膜版，但這并不意味著一顆芯片就會消耗這么多數(shù)量的掩膜版，因為同批次芯片使用相同的線路，掩膜版可以重復(fù)使用。根據(jù)Semi統(tǒng)計，2019年全球硅晶圓出貨面積118.1億平方英寸，以及2019年全球光掩膜版出貨量55.9萬片，據(jù)此測算，每一片12英寸硅晶圓約消耗0.005片掩膜版。鉻金屬的密度為7.19g/cm3，因此每一片12英寸硅晶圓約消耗鉻金屬0.00008g。2.6、鎢金屬：六氟化鎢電子特氣2.6.1、鎢市場情況介紹我國鎢下游領(lǐng)域包括硬質(zhì)合金、鎢材、鎢特鋼以及鎢化工，根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，2021年鎢下游領(lǐng)域中消費占比最大的是硬質(zhì)合金行業(yè)，占比為59%，其次是鎢材、鎢特鋼以及鎢化工，占比分別是19%、18%、4%。半導(dǎo)體用鎢為六氟化鎢，屬于鎢化工部分，占比較小，僅為4%。目前我國鎢精礦的主要生產(chǎn)廠商包括中鎢高新、江鎢集團(tuán)、章源鎢業(yè)等，根據(jù)百川盈孚2023年12月披露的數(shù)據(jù)，中鎢高新年有效鎢精礦產(chǎn)能達(dá)到26500噸，排名第一，占我國鎢精礦整體產(chǎn)能的16.64%。江鎢集團(tuán)、洛陽豫鷺礦業(yè)分列二三位，產(chǎn)能占比分別為10.67%、8.47%。鎢金屬需要制備成電子特氣六氟化鎢后才能在半導(dǎo)體中使用。本質(zhì)上來說，鎢金屬與銅、鉭等金屬作用一致，皆為半導(dǎo)體襯底材料上面的薄膜材料，區(qū)別在于沉積方式的不同。如前文所述，銅金屬多以物理氣相沉積（濺射銅靶）、大馬士革電鍍的方式進(jìn)行薄膜沉積，鉭金屬也以物理氣相沉積（濺射鉭靶）的方式為主；而鎢金屬則使用化學(xué)氣相沉積（CVD），即通過產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)以沉積金屬的方式進(jìn)行沉積，六氟化鎢便是CVD的重要原材料。由于鎢金屬的導(dǎo)電性能較好，在半導(dǎo)體中多以電極、導(dǎo)電漿糊的形式發(fā)揮作用，六氟化鎢結(jié)合CVD的方法，將使鎢金屬完成沉積。全球六氟化鎢市場中，2022年SKMaterials、日本關(guān)東電化、韓國厚成化工市場份額較高，分別為20%、17%、17%。派瑞特氣、德國默克、大陽日酸市場份額分別為16%、12%、2%。在國內(nèi)產(chǎn)能方面，2021年除了派瑞特氣（中船特氣）的2230噸六氟化鎢產(chǎn)能外，博瑞電子與中央硝子在國內(nèi)的合資企業(yè)博瑞中硝建成200噸六氟化鎢生產(chǎn)線，此外昊華科技子公司昊華氣體也已建成年產(chǎn)100噸六氟化鎢生產(chǎn)線。2.6.2、鎢金屬用量測算半導(dǎo)體用鎢主要以六氟化鎢（WF6）電子特氣的形式，沉積在芯片襯底上，六氟化鎢的主要應(yīng)用也是集成電路制造領(lǐng)域。而根據(jù)TECHCET數(shù)據(jù)，2021年六氟化鎢全球總需求5675噸，其中半導(dǎo)體市場對六氟化鎢的需求量占比為76%；另外，據(jù)Semi披露，2021年全球硅晶圓出貨面積為141.7億平方英寸，折合12英寸硅晶圓12535.3857萬片，因此我們可以計算得出每一片12英寸晶圓需要消耗六氟化鎢34.41g。接下來我們再根據(jù)氟與鎢的相對原子質(zhì)量計算每一片12英寸硅晶圓消耗的鎢金屬量，氟相對原子質(zhì)量為19，而鎢的相對原子質(zhì)量為184，因此折合計算一片12英寸晶圓平均消耗鎢金屬21.24g鎢金屬。2.7、鉿金屬：柵極用高K材料2.7.1、鉿金屬市場情況根據(jù)MMR的統(tǒng)計，2022年全球鉿市場需求量為111.48公噸，預(yù)計到2029年全球鉿需求量為179.01公噸，22-29年的復(fù)合年增長率為7%。由于其良好的性能，鉿作為超級合金被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)，這也是鉿的主要應(yīng)用。航空航天業(yè)的增長以及技術(shù)進(jìn)步預(yù)計將推動航空航天領(lǐng)域的鉿市場需求。此外，鉿在核、照相、半導(dǎo)體應(yīng)用光學(xué)鍍膜、等離子切割等也有應(yīng)用。2.7.2、鉿金屬用量測算高K材料在半導(dǎo)體中常被用作二氧化硅的替代品，在半導(dǎo)體器件中作為金屬柵極頻繁使用。二氧化鉿作為開始商業(yè)化使用的高K材料也自然躍入人們的視野。從本質(zhì)來看，二氧化鉿是一層鍍在襯底材料上的薄膜。半導(dǎo)體對鉿的用量整體較小，IBM的首席技術(shù)專家BernardMeyerson就半導(dǎo)體用鉿曾經(jīng)說過：一立方厘米的鉿足夠用在相當(dāng)于10個美式足球場面積大小的硅片上，并且這是假設(shè)二氧化鉿薄膜的厚度在50個原子層厚度的水平下得出的結(jié)論，這是一個相對大膽的假設(shè)。依據(jù)上面的假設(shè)，我們可以對12英寸晶圓片對鉿金屬的使用量做一個大致測算。一個美式足球場的面積大約為5400平方米，一塊12英寸晶圓面積大約為67887平方毫米，因此十個美式足球場面積大約可以容納795440塊12英寸晶圓。鉿金屬密度為13.31g/cm3，計算得出一片12英寸晶圓耗鉿金屬約0.000017g，消耗量較小。2.8、貴金屬：鍵合金絲、鍵合銀絲2.8.1、金、銀市場情況介紹除了銅金屬是鍵合絲的主要原材料之外，金線與銀線同樣也是重要的鍵合絲（后道封裝）金屬原材料。目前黃金的消費結(jié)構(gòu)以投資需求以及首飾物品為主，工業(yè)用金的需求占比較?。?021年，我國黃金消費量1121噸，其中黃金首飾占比63.46%，金條金幣占比27.91%，工業(yè)及其他用金占比僅為8.63%；而白銀則以工業(yè)用銀為主，2020年全球白銀消費量達(dá)到948百萬盎司，其中工業(yè)用銀占比56%，投資需求占比25%，銀飾銀器占比19%。2.8.2、金、銀用量測算金和銀在半導(dǎo)體芯片中的用量測算可以參考前文的鍵合銅絲用量測算部分，同樣計算鍵合絲的體積，結(jié)合金屬的密度算出金屬用量。2.9、錫金屬：主要的后道封裝焊料2.9.1、錫金屬市場情況縱觀錫的下游需求，占比一半為錫焊料。根據(jù)ITA的數(shù)據(jù)，2020年全球錫的下游需求構(gòu)成中，占比最大的是錫焊料，比例為49%，其次是錫化工和馬口鐵，占比分別為18%、12%，鉛酸電池和合金的需求量占比分別為7%、5%。錫焊料的應(yīng)用主要集中在電子領(lǐng)域。根據(jù)SIA的數(shù)據(jù)，2022年全球錫焊料的應(yīng)用領(lǐng)域中，有31.5%用于計算機(jī)，30.7%用于通信，12.4%用于汽車電子，12.3%用于消費電子，12.0%用于工業(yè)。其中，前四個屬于電子領(lǐng)域。集成電路半導(dǎo)體構(gòu)成錫焊料消費基本盤。幾乎所有電子元器件的連接均需要焊料，錫焊料具有熔點低、性價比高等特點，主要用于PCB板及半導(dǎo)體封裝等，是最重要的焊料品類。半導(dǎo)體可以分為四類：集成電路、分立器件、傳感器和光電子器件。其中，集成電路長期占據(jù)半導(dǎo)體總銷售額的80%以上。根據(jù)中國礦業(yè)報《錫資源定價是如何形成的》，集成電路半導(dǎo)體占錫焊料消費的比重超過80%。2.9.2、錫金屬用量測算焊接工藝中的錫也是不可忽視的金屬材料。錫金屬通常以焊錫球、焊錫凸塊的形式出現(xiàn)在芯片封裝的過程中，起到固定并連接電路的作用，因此用晶圓作為基準(zhǔn)單位去考察錫金屬的平均用量是不夠準(zhǔn)確的，應(yīng)該使用芯片作為基準(zhǔn)單位以計算錫金屬的平均用量。對于半導(dǎo)體材料中的錫用量，我們先從宏觀的角度進(jìn)行測算。根據(jù)前文的描述，目前全球的錫需求中有49%為錫焊料需求，而錫焊料需求中有80%左右來源于集成電路半導(dǎo)體焊料，根據(jù)國際錫業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2021年錫需求達(dá)到39.1萬噸，那么用于集成電路半導(dǎo)體焊料的錫為39.1*49%*80%=15.3272萬噸。而美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2021年全球芯片銷售量達(dá)到了1.15萬億顆，那么每一顆芯片所消耗的錫金屬量大約為15.3272萬噸/1.15萬億≈0.13g。我們再從微觀角度進(jìn)行測算，根據(jù)南華點金的數(shù)據(jù)，目前一臺手機(jī)大致的錫用量為5g左右；根據(jù)ifixit對iphone13pro完全拆解后的計算結(jié)果，有49顆芯片，那么我們可以大致測算得到一塊芯片用錫量在5/49≈0.10g，與宏觀方法計算的結(jié)果相近。2.10、關(guān)注先進(jìn)封裝技術(shù)，Low-α材料用量有望增長根據(jù)我們的測算，Low-α球硅/球鋁2025年在GMC領(lǐng)域的潛在市場空間分別為2022年的1.66倍/2.91倍。2.11、其他金屬：百花齊放除了上述幾種金屬之外，還有其他金屬在芯片制程中發(fā)揮著作用。進(jìn)入21世紀(jì)后，芯片材料共增加了約40余種元素，其中約90%都是貴金屬和過渡金屬材料。貴金屬是芯片先進(jìn)工藝的推手之一，英特爾引入了金屬銻和釕做金屬接觸，讓電容更小，突破了硅的限制。此前，英特爾在10nm工藝節(jié)點的部分互連層上率先導(dǎo)入鈷材料，達(dá)到了5~10倍的電子遷移率改善，將通路電阻降低了兩倍。英特爾在互聯(lián)材料的探索之路上并不孤單。應(yīng)用材料公司是最早投入以鈷作為導(dǎo)線材料取代傳統(tǒng)銅和鎢的半導(dǎo)體技術(shù)大廠之一；格羅方德在7nm制程工藝中同樣用鈷代替了鎢。目前，三星和臺積電等也在積極研發(fā)新型互聯(lián)材料。預(yù)計在不遠(yuǎn)的將來，鈷合金、釕和銠等新一代互聯(lián)材料有望閃亮登場，為先進(jìn)工藝芯片搭建橋梁。此外，有研億金新材料有限公司副總經(jīng)理何金江對《中國電子報》記者表示，鈀及銀鈀合金等是制備MLCC電容器、諧振器的重要材料；在半導(dǎo)體后道的封裝環(huán)節(jié)，鈀合金及鍍鈀絲主要用作電子封裝的引線鍵合，用來替代金絲；此外，鈀可以用于元器件精密連接的鈀合金焊料?；阝Z的特性，新的材料和應(yīng)用也在開發(fā)中。3、金屬用量匯總與彈性測算3.1、金屬用量匯總在前兩節(jié)中，我們對半導(dǎo)體制作流程與工藝進(jìn)行了梳理，挖掘其中需要使用金屬材料的環(huán)節(jié)，并對金屬材料的整體用量進(jìn)行了測算。在前文中，我們對各種金屬材料所涉及的半導(dǎo)體市場規(guī)模做了測算，現(xiàn)在我們進(jìn)一步測算半導(dǎo)體行業(yè)對所涉及的各種金屬的全球總需求的可能拉動。在此，我們先將前文中提到過的除表26以外的重要假設(shè)進(jìn)行梳理。2022年，12英寸硅襯底出貨量約為145.65億平方英寸，折合12884.82萬片；全球砷化鎵襯底銷量約為2814.3萬片（折合2英寸），折合12英寸晶圓78.18萬片；全球8英寸氮化鎵出貨量大約為75萬片，折合12英寸氮化鎵晶圓33.33萬片；全球磷化銦晶圓銷量為74.84萬片（2英寸），折合12英寸磷化銦晶圓銷量2.08萬片；2022年碳化硅N型襯底出貨量為88.4萬片（等效6英寸），折合12英寸碳化硅晶圓出貨量22.1萬片。鉿金屬常使用在DRAM芯片中。2022年全球共生產(chǎn)DRAM晶圓約1961萬片。由于銅靶與鉭靶通常使用于先進(jìn)制程的芯片之中，且據(jù)ICInsights數(shù)據(jù)，2022年先進(jìn)制程晶圓占比約為39%，成熟制程晶圓占比達(dá)到61%，因此我們假設(shè)使用銅靶與鉭靶的晶圓數(shù)量為（12884.82+78.18+33.33+2.08+22.1）*39%≈5078萬片12英寸晶圓；導(dǎo)電層中的銅以電鍍的方式進(jìn)行填充，因此使用電鍍銅工藝的晶圓數(shù)量與使用銅靶與鉭靶的晶圓數(shù)量相同，皆為5078萬片12英寸晶圓。掩膜版（鉻）、六氟化鎢電子