要聞 中國集成電路材料專題系列報告：關鍵材料實現從無到有，產能增長加快 2019年7月15日 22:46:52 智通財經網
本文來自 微信公眾號「芯師爺」，原標題《我國集成電路材料專題系列報告》
集成電路材料對集成電路製造業安全可靠發展以及持續技術創新起到至關重要的支撐作用。本報告將全面梳理我國集成電路材料產業細分領域的發展狀況。
本報告系列文章將分以下幾個部分：
(1)我國集成電路發展態勢及我國集成電路產業總體情況
(2)襯底材料發展情況;
(3)光刻膠和掩膜版發展情況;
(4)工藝化學品和電子氣體發展情況;
(5)拋光材料和靶材發展情況;
(6)封裝材料發展情況。
一、我國集成電路發展態勢及產業總體情況
1、 我國集成電路發展態勢
集成電路產業作為信息技術產業的核心，是支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業，是培育發展戰略性新興產業、推動信息化和工業化深度融合的基礎，是保障國家信息安全的重要支撐，其產業能力決定了各應用領域的發展水平，並已成為衡量一個國家產業競爭力和綜合國力的重要標誌之一。2018年兩會的《政府工作報告》論述中，把推動集成電路產業發展放在實體經濟發展的首位強調，凸顯出在中國製造大投入、大發展、大跨越的趨勢下集成電路產業的重要性和先導性。
長期以來，我國是世界上最大的集成電路消費市場，但是由於核心技術落後，大部分產品嚴重依賴進口。海關總署公布的數據顯示，從2013年開始，我國集成電路進口額突破2000億美元，已經連續四年遠超原油這一戰略物資的進口額，位列我國進口最大宗商品(圖1)。集成電路貿易逆差持續擴大，阻礙我國國民經濟的快速發展;高端核心晶片幾乎全部依賴進口，直接威脅我國國防系統的信息安全和通訊、能源、工業、汽車、消費電子等支柱產業的產業安全。圖1 我國集成電路與原油進口金額對比
當前，我國集成電路產業「軟肋」頻現。以美國為首的歐美國家一直緊防我國自主發展核心智慧財產權，集成電路更是發達國家制衡我國屢屢得逞的戰略武器：受限於《瓦森納協議》，從晶片設計、製造等多個領域，我國都無法借鑑國外的最新科技;2017年，美國發布報告《確保美國半導體的領導地位》，不僅將發展半導體上升為國家安全的重要戰略，還將我國明確為威脅對象;
在進出口貿易中，美國多次發布針對我國的「301調查」和「337調查」報告，不斷更新加徵關稅的自中國進口產品清單，集成電路行業赫然在列;美國接連對中興、華為、晉華等戰略支柱企業進行封殺和定點打擊，彰顯其遏制中國5G及相關集成電路支撐產業崛起的決心和手段，等等。這些接踵而至且切中要害的強勢打壓，嚴重掣肘我國集成電路的發展。
圖2 我國12英寸晶片廠分布
近十年來，我國政府通過實施國家科技重大專項01/02專項，頒布國家和地方政策，成立產業基金等多種方式大力支持集成電路產業的發展，特別是從2014年《國家集成電路產業發展推進綱要》頒布實施以來，各地發展集成電路熱情高漲，紛紛興建新工廠。據統計，到2018年底，我國12英寸晶圓廠已投產14條，15條線宣布在建並預計2020年前投產(圖2)，屆時全國12寸晶圓廠產能將超過2500k/月。
目前在建12寸晶圓廠涉及投資額約5013億元;規劃中的12寸晶圓廠投資高達7812.3億元。各地晶圓廠興建不停，國內產能的集中釋放，為集成電路產業提供了巨大的發展空間，然而產業鏈各環節依然薄弱，產業整體嚴重受制於人，因此，我國集成電路製造業發展機遇和風險並存。
2、我國集成電路材料產業發展情況
產業規模大、細分行業多、技術門檻高的集成電路材料業是整個集成電路產業的先導基礎，其對集成電路製造業安全可靠發展以及持續技術創新起到至關重要的支撐作用，約400億規模的集成電路材料業支撐起4000億美元規模的集成電路產業以及上萬億規模的電子應用系統產業的良性發展。
材料作為集成電路產業的「脖子」，一旦受卡，整個製造業將受到重創，例如2011年日本「311大地震」造成集成電路關鍵原材料供貨中斷，包括臺積電、聯電等晶片製造廠，雖然靠著庫存渡過難關，但在材料恢復全產能供貨之前，營收仍受到不同程度的影響。與此同時，集成電路使用的材料種類層出不窮，材料成分也越發複雜，集成電路性能的提升越發依賴材料技術的底層創新(圖3)。
過去，應變矽、高k金屬柵、鈷互聯材料等越來越多材料領域的創新和應用，推動晶片製造沿著摩爾定律持續前行。據估算，材料對晶片性能提升的貢獻目前已超過六成。可以預見，未來超越摩爾領域的異質集成、3D IC、二維半導體等技術能否取得突破性進展，將更多依賴於材料的創新。
集成電路材料作為集成電路產業鏈中細分領域最多的一環，貫穿集成電路製造的晶圓製造、前道工藝(晶片製造)和後道工藝(封裝)整個過程，按照產業鏈主要分為襯底材料、工藝材料(包括光刻膠、掩膜版、工藝化學品、電子氣體、拋光材料、靶材)以及封裝材料三大板塊。據SEMI統計，2017年全球集成電路材料產業規模達到469億美元，其中襯底材料、工藝材料和封裝材料比例約為1：2：2。從區域來看，我國大陸自2016年以來已躍居僅次於我國臺灣的第二大材料消費地區(圖4)，且市場容量高速增長(2017年同比增長12%)，顯示出巨大的市場需求潛能。
圖3 左圖：2015年和1985年集成電路使用的材料元素種類對比;右圖：晶片性能提升的貢獻因素。
圖4 左圖：2017年全球集成電路材料細分市場產品結構;右圖：2017年全球集成電路材料市場區域結構。
在供給側，儘管我國集成電路材料產業持續壯大，但相對我國市場的需求和發展，材料自給能力還遠遠不夠。近幾年，受國家政策支持以及國內市場需求的雙重驅動，我國集成電路材料發展到了一個新的高度，關鍵材料實現從無到有，產業增長進一步加快，培育了一批富有創新活力，具備一定國際競爭力的骨幹企業。
根據集成電路材料和零部件產業技術創新戰略聯盟(ICMTIA)統計，我國集成電路材料營收十年翻兩番，江豐電子、安集微電子等公司的濺射靶材和拋光液等上百種關鍵材料通過大生產線認證進入批量銷售，打入國內外先進晶片廠供應鏈。但是，我國集成電路材料還很弱小，自主可控和參與國際競爭能力遠遠不足(圖5)，主要產品還集中在中低端，高端產品嚴重依賴進口，「卡脖子」問題嚴峻。
根據工信部對30多家大型企業130多種關鍵基礎材料調研結果顯示，32%的關鍵材料在我國仍為空白，52%依賴進口。集成電路材料遭「卡脖子」，嚴重製約我國集成電路產業健康發展。
圖5 近10年我國集成電路材料市場需求及國產半導體年銷售收入對比
二、襯底材料發展情況
襯底材料按照演進過程可分為三代：以矽、鍺等元素半導體材料為代表的第一代，奠定微電子產業基礎;以砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)等化合物材料為代表的第二代，奠定信息產業基礎;以及以氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)等寬禁帶半導體材料為代表的第三代，支撐戰略性新興產業的發展(圖6)。
圖6 襯底材料分類
目前矽已經成為應用最廣的一種半導體材料。從半導體器件產值來看，2017年全球95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路採用矽作為襯底材料，而化合物半導體市場佔比在5%以內。從襯底市場規模看，2017年矽襯底年銷售額87億美元，GaAs襯底年銷售額約8億美元，GaN襯底年銷售額約1億美元，SiC襯底年銷售額約3億美元。矽襯底銷售額佔比達85%+，其主導和核心地位仍不會動搖。以下重點分析我國矽片、GaAs、InP、GaN以及SiC這幾種重要襯底材料的技術水平和產業化能力。
1、矽襯底
目前主流的矽片尺寸為300mm(12英寸)、200mm(8英寸)以及150mm(6英寸)。其中，12英寸矽片自2009年開始市場份額超過50%，到2015年的份額已經達到78%，預計2020年將佔矽片市場需求超過84%的份額，是矽片市場的首要產品。
全球矽片市場高度集中。目前矽片的供應商主要有日本的信越化學和盛高、臺灣的環球晶、德國的Siltronic以及韓國的SK Siltron，這五大供應商通過產業整合和併購已經佔據了全球94%的市場份額(圖7)。
圖7 全球主要矽片供應商市場份額
相比之下，我國矽片生產商分布零散，主要矽片產品集中在6-8英寸，12英寸矽片的研發和生產處於起步階段。當前，有研半導體、金瑞泓、天津中環、洛陽麥克斯、合晶/晶盟、中環環歐等公司能夠批量供應6英寸矽片，滿足國內小尺寸矽片市場的需求。隨著我國集成電路正積極邁向8英寸與12英寸製造，各地多項大矽片項目正在啟動中。2017年以來，我國陸續已有近20個矽片項目公布規劃，部分項目已開工建設，少數項目實現量產。
在8英寸矽片方面，未來我國新增矽片設計產能將超過350萬片/月(表1)，並且產能正在加速釋放中。其中浙江金瑞泓建成了8英寸矽片的生產線，具備月產12萬片能力;有研半導體8英寸矽片產能提升至每月10萬片，達到0.13μm技術要求，並獲得海外知名廠商的正片訂單;中環股份建成了從區熔設備製造、單晶製備、矽片加工的完整產業鏈，具備月產5萬片8英寸IGBT器件用拋光片生產能力;上海新傲、河北普興、南京國盛等具備8英寸外延片批量生產能力。
絕緣體上矽(SOI)作為矽襯底的一個重要分支，在高溫、強輻射等特殊應用以及高頻、低功耗等差等異化應用中優勢明顯。在商用8英寸SOI襯底方面，上海新傲擁有一系列自主智慧財產權的8英寸SOI產品，供貨給全球一流晶片製造廠，應用於航空航天、射頻通信等領域，相關產品持續上量中;瀋陽矽基也有一定的SOI襯底製造能力，產品主要應用於射頻及MEMS傳感器等。
表1 國內8英寸矽片主要供應商及投產計劃
在12英寸矽片方面，未來我國新增矽片設計產能將接近500萬片/月(表2)，但目前僅有上海新昇和有研半導體兩家公司能夠少量生產12英寸矽片，其中上海新昇已研發出適用於45~28nm工藝節點的12英寸矽片，實現產能10萬片/月，完成產品認證數十個;有研半導體建有一條適用於90nm節點的12英寸矽片生產中試線，月產能1萬片;除此之外，其他大矽片項目仍處於規劃建廠或產品研發的早期階段。
分析可知，我國8英寸矽片已經開始進入放量階段，預計2年內將對全球8英寸矽片供應端產能影響。相較於8英寸國產矽片的量產進度，12英寸國產矽片遠未進入產能釋放階段，與龐大的需求相比供應量遠遠不足。初步估計，到2020年我國大陸晶片製造能力有望達到全球的30%，屆時我國大陸12英寸矽片產能與晶片代工產能嚴重失配。
除了供需缺口之外，我國12英寸矽片產品的質量也有待提升。國內現有矽片產品僅能支持28nm節點及以上工藝，無法滿足14nm以下更先進位造工藝的需求，較世界先進水平尚存在至少2代差距。另外，由於研發技術難度大以及國外的技術封鎖，我國尚不具備12英寸SOI襯底的生產能力。因此，短期內我國12英寸矽襯底嚴重依賴進口的狀況不會改變。此外，我國尚無一家公司能夠批量供應射頻微波用大尺寸高阻矽(HR-Si)襯底。
表2 國內12英寸矽片主要供應商及投產計劃
表3 國內電子級多晶矽主要供應商及投產計劃
2、GaAs襯底
半絕緣高阻GaAs(ρ>107Ω-cm)拋光片和外延片襯底具備高功率和高線性度的特性，在射頻應用領域佔有一定的市場份額。目前4-6英寸GaAs襯底市場主要掌握在美日歐廠商手中。在GaAs拋光片供應方面，日本住友電工、德國弗萊貝格化合物材料、AXT三家公司佔據約95%市場份額。
GaAs外延片市場經歷了多次整合，如今產生了英國IQE、臺灣全新光電(VPEC)、日本住友化學、美國英特磊四大領導廠商，銷售的6英寸半絕緣GaAs產品的電阻率從107Ω-cm覆蓋到108Ω-cm，具有較高的晶體軸向和徑向電阻率均勻性，拋光片的加工幾何參數如翹曲等很小，拋光片表面質量狀態優良。
目前國內的GaAs襯底產品以LED用低阻GaAs拋光片為主，射頻用半絕緣襯底由於研究基礎較薄弱還未形成產業規模，高質量4-6英寸半絕緣體GaAs基本依賴進口。我國從事GaAs單晶研發與小規模生產的公司主要有：大慶佳昌、中科晶電、雲南鑫耀、廊坊國瑞、天津晶明、新鄉神州、揚州中顯、中科嫁英、海威華芯、有研新材等公司，其中中科晶電和天津晶明具備4英寸GaAs襯底的生產能力，正在研發6英寸半絕緣拋光片;新鄉神舟近期開始進行VGF法生長半絕緣GaAs單晶工藝研究，目前市場定位還不是很明確，主要以承擔軍工科研任務為主。
整體上，我國GaAs材料產業發展迅速，但由於加工經驗和設備的限制，生產的產品性能指標與國外領先水平還有一定的差距(表4)，表現在：單晶位錯密度高，電阻率均一性差，批次間重複性低等。我國射頻晶片廠用低位錯密度的高質量大尺寸GaAs襯底需要進口。
表4 國內某公司半絕緣GaAs與國際先進水平的對比
3、InP襯底
InP襯底是數據通信收發器不可或缺的材料。Yole預測，5G技術的深入發展將帶動InP拋光片和外延片市場由2018年的7700萬美元，增長到2024年的1.72億美元，複合年增長率達14%。目前InP襯底的主流尺寸是2-6英寸，且市場集中度較高，超過80%的襯底市場份額由日本住友電工和美國AXT兩家公司佔有。
由於InP晶體生長設備和技術門檻極高，國內只有少數廠家和科研單位可以製造InP單晶生長設備和生長InP襯底。中國電科13所最早設計了國產InP高壓單晶爐並製備了我國第一根InP單晶，其餘的生產企業還包括鼎泰芯源、北京世紀金光、雲南鍺業、廣東天鼎思科新材料、廣東先導半導體材料、深圳泛美、南京金美鎵業等。其中珠海鼎泰芯源通過與中科院半導體所的團隊進行聯合攻關，已掌握了2-6英寸襯底的生產技術，產品產能為10萬片/年(折合2英寸)。
比較來看，我國InP材料行業雖然在材料合成、晶體生長、材料熱處理和材料特性等方面取得進步，也掌握了2-6英寸襯底片的技術，但國內企業產能規模仍然較小，大尺寸InP生產能力不足，市場主要掌握在外資企業中。
4、GaN襯底
由於GaN體單晶的生長需要高溫、高壓等極端的物理條件，因此不能用傳統晶體生長方法直接合成，很長時間裡，GaN單晶薄膜都是在異質基底上外延得到的。起先，藍寶石是最常用的GaN異質外延基底，但是由於其晶格常數和熱膨脹係數與GaN 有顯著的差別，得到的外延襯底片僅適用於製備低端LED器件。SiC具有晶格失配小、導熱性能好等特點(表5)，非常適合高質量GaN外延材料的生長，是製作高頻、大功率GaN HEMT器件的主要基底材料。
相較於SiC基GaN材料，Si基GaN襯底材料在低成本和大尺寸製備方面頗具優勢，同時可與Si工藝兼容從而實現大規模量產。因此，在低成本、高產能需求的通信領域和消費類電子領域，Si基GaN材料是近年來商業化最快的GaN外延片。隨著市場對高功率、高頻器件需求的增大以及HVPE生長技術的不斷成熟，越來越多的GaN基器件也開始採用先進的GaN同質外延材料，但GaN體單晶的成本一直居高不下。
此外，晶圓鍵合是用於製備GaN異質襯底的另一種新興技術。目前GaN-on-Si和GaN-on-SiC材料能夠滿足集成電路應用需求，而其他襯底預計在2020年涉足射頻和功率應用領域(圖8)。
表5 不同基底上GaN單晶材料的特性
目前GaN體單晶市場重度集中。住友電工、日立電線、古河機械金屬和三菱化學等日本公司已可以批量出售2-3英寸GaN體單晶材料，佔據了超過85%的全球市場，並具備4英寸體單晶的小批量供應能力。其它廠商仍處於小規模量產或研發階段，代表性公司有Aixtron、Kyma、牛津儀器等。
在外延片方面，美國科銳、雷聲、道康寧，英國IQE，日本羅姆以及比利時的EpiGan(近期被Soitec收購)等多家公司可以供應3-4英寸GaN-on-SiC外延片，部分公司開始量產6英寸外延片。4-8英寸GaN-on-Si襯底也已經實現商用化，知名供應商包括日本的NTT-AT、比利時的EpiGan等，美國IR、英國IQE、日本Dowa、德國Azzurro、法國ST等公司也正在開發8英寸GaN-on-Si外延技術。
另外，法國Soitec在GaN鍵合片研發方面獨樹一幟，基於智能剝離技術開發的6英寸GaN-on-Si鍵合片已進入試生產階段。
圖8 GaN材料發展趨勢
與此同時，我國GaN材料製備技術也不斷取得突破。GaN體單晶材料方面，蘇州納維、東莞中鎵以及廈門中芯晶研具備2-4英寸產品批量化生產能力，並積極向6英寸拓展。在GaN外延片方面，我國遍地開花，競相重點布局GaN-on-Si外延片製造，其中長三角地區聚集了眾多技術領先的GaN外延片生產商，研發能力全國最強，產業鏈最完備(表6)。整體上，我國已經具備了一定的GaN材料研發和產業化能力，但產品的質量和產能仍需不斷加強。
表6 國內GaN外延片生產廠商、產品規格及產能
5、SiC襯底
SiC襯底在電力電子和微波射頻領域具有廣闊的應用前景，因此成為半導體技術研究前沿和產業競爭焦點，目前已基本形成了美國、歐洲、日本三足鼎立的局面。國際上實現SiC單晶和外延片商業化的公司主要有美國的科銳、Bandgap、Dow Dcorning、II-VI、Instrinsic，日本的Rohm、NSC、Nippon、Sixon、Bridegestone、昭和電工、Denso，芬蘭Okmetic，德國Sicrystal、英飛凌，比利時EpiGaN等。其中，科銳是全球最大的SiC單晶供應商，佔全球市場的85%以上，Sicrystal公司是歐洲地區的主要供應商。從產品來看，國際主流SiC襯底材料產品已經向6英寸過渡，8英寸襯底樣品已經面市。
我國SiC生產企業的技術研發能力處於與世界先進水平並行的地位，國內開始批量生產4英寸導電和半絕緣襯底，並開發出6英寸樣品(表7)，但產品批量生產能力較弱，產品的微管缺陷密度與位錯缺陷密度等關鍵技術指標與國際水平存在一定差距，主要以國內市場為主。
表7 國內SiC襯底生產廠商、產品規格及產能
6、其他襯底材料
以5G晶片及其集成技術為代表的新興差異化應用的發展需要多種核心襯底材料的支撐。除了矽片、化合物半導體以外，SiGe、矽基壓電材料(POI、AlN及其化合物等)也是5G所需的核心關鍵材料。我國在這些高質量特殊襯底材料製備方面基礎薄弱，相關產品尚處於實驗室或中試階段。
三、光刻膠和掩膜版發展情況
1、光刻膠
光刻膠是微細圖形加工關鍵材料之一，由成膜樹脂、感光組分、微量添加劑(染料、增粘劑等)和溶劑等成分組成的對光敏感的混合液體，具有純度高、生產工藝複雜、生產及檢測等設備投資大、技術積累期長等特徵，屬於資本技術雙密集型產業。
目前，全球晶片工藝水平已跨入微納米級別，光刻膠的波長由紫外寬譜(300-450nm)逐步至G線(436nm)、I線(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)，以及最先進的EUV(<13.5nm)水平(表8)。從全球光刻膠分類市場份額佔比來看，高端光刻膠佔據最大的市場份額，其中G/I線光刻膠佔比為24%，KrF光刻膠佔比為22%，ArF光刻膠佔比為41%。
表8 光刻膠種類、應用領域及特性
全球光刻膠市場基本被日本JSR、東京應化、住友化學、信越化學,美國羅門哈斯等幾家大型企業所壟斷，市場集中度非常高。國內晶片製造廠向28nm以下更小節點不斷發展，先進工藝對高端光刻膠的需求不斷增大。但高端光刻膠因技術受卡，始終依賴進口，國產化率低(表9)。根據中國產業信息網的數據，適用於6英寸矽片的G/I線光刻膠的自給率分別約為60%和20%，適用於8英寸矽片的KrF光刻膠的自給率僅有1%，而適用於12寸矽片的ArF光刻膠完全依靠進口。
表9 光刻膠企業材料量產和研發情況
目前我國有北京科華、蘇州瑞紅、濰坊星泰克、上海飛凱光電材料、容大感光、廣信材料、東方材料、永太科技等超過10家光刻膠企業，但產品能夠批量進入集成電路的只有三家，分別是北京科華(南大光電持股31.39%)、蘇州瑞紅(晶瑞股份100%控股)和濰坊星泰克。
北京科華主要產品為紫外負性光刻膠及配套試劑，lift-off負膠，紫外正性光刻膠(G線、I線)及配套試劑，248nm光刻膠。北京科華的I線光刻膠已全面進入國內主要的6英寸及以下晶片廠，並在部分8英寸晶片廠實現小批量應用。同時，北京科華進一步研發ArF光刻膠，2017年研發生產的ArF幹法光刻膠中試產品已完成在國內一流晶片製造廠的測試;蘇州瑞紅主要產品為紫外負性光刻膠及配套試劑、G線光刻膠及配套試劑等。蘇州瑞紅承擔的國家02專項項目I線光刻膠產業化技術開發項目正在進展當中;濰坊星泰克主要產品包括G線光刻膠、Lift-off負膠。
從國內市場來看，目前主流的四種中高端光刻膠中，G/I線光刻膠已經實現量產;KrF光刻膠正逐步通過晶片廠認證並開始小批量生產;ArF光刻膠樂觀預計在2020年能有效突破並完成認證;最新的EUV和電子束光刻膠方面，現在國內還不具備條件也沒有這方面研發能力，量產更是遙遙無期。
另外，我國光刻膠的發展面臨高純光刻膠原材料的國產化問題。除了強力新材、河南翰亞微電子江蘇天音化工等少數企業能夠少量供應部分光刻膠原材料以外，高端光刻膠所需的樹脂主體材料、光敏劑、抗反射塗層(ARC)等基本依賴進口。
2、掩膜版
掩膜版(表10)在集成電路行業中的作用就像照相行業中的膠捲底片，行業地位特殊，其質量很大程度上決定了集成電路最終產品的質量。對於晶片製造，掩膜版的設計和製造需要與集成電路工藝緊密銜接，因此，晶片製造廠一般都有配套的專業掩膜版工廠，先進的掩膜版技術也因此掌握在先進晶片製造廠商手中。
目前，英特爾、三星、臺積電、Globalfoundries等全球最先進的晶片製造廠所用的掩膜版大部分由自己的專業工廠生產，外購量較少。據統計，晶片大廠附屬掩膜版廠的掩膜版收入佔整體掩膜版市場收入的六成。對於非先進位程，特別是一些60nm及90nm以上製程產品，掩膜版外包的趨勢非常明顯，獨立掩膜版製造廠的市場比較高。目前全球獨立的掩膜版廠商包括美國Photronic、日本DNP 、日本Toppan、臺灣光罩以及SK-Electronics等，前三家公司佔據80%以上的市場份額。
我國掩膜版生產公司以外資為主，美國Photronics和日本Toppan都在上海建有大規模生產基地，佔據了我國高檔光掩膜版市場。我國本土的掩膜版廠主營生產低端產品，按經營模式可分為3類：第一類是科研院所，包括中科院微電子中心，中國電科13所、24所、47所、55所等;第二類是獨立的掩膜版製造廠商，主要有無錫迪思微電子和無錫中微，技術水平分別為0.8μm-0.13μm和0.25μm;第三類是晶片廠配套的掩膜廠，以中芯國際掩膜廠為代表，技術水平為0.25μm-0.18μm。整體而言，國內企業掩膜版加工能力有限，高端掩膜版技術與國外先進水平差距較大。
表10 常用掩膜版類型及特性
掩膜版的主要原材料為掩膜基板、掩膜保護膜(Pellicle透明保護膜等)等。基板通常是高純度、低反射率、低熱膨脹係數的石英玻璃，其成本佔到掩膜版原材料採購成本的90%左右，是製造掩膜版的核心材料。我國尚不具備生產高檔高純石英掩膜基板的生產能力。掩膜保護膜可以增加晶片生產的良率並且減少掩膜版清潔次數和磨損，是降低光刻工藝成本的關鍵材料，該種保護膜生產技術被美國、日本壟斷。我國迄今僅有芯恩報導了在掩膜基板和掩膜保護膜相關領域的探索性布局。
四、工藝化學品和電子氣體發展情況
1、工藝化學品
高純工藝化學品主要包括無機酸類、無機鹼類、有機溶劑類等通用化學品以及配方型化學品(表11)，通常用於晶片生產中的清洗、光刻、刻蝕、顯影、互聯等工藝，是集成電路製造用關鍵材料。
表11 通用和配方型工藝化學品類別
集成電路行業對高純化學試劑的微量金屬雜誌含量、顆粒粒徑和數量、陰離子雜誌含量等方面有嚴格要求。根據SEMI標準，應用於集成電路領域的高純化學品集中在SEMI G3、G4水平，且集成電路線寬越窄，所需的高純化學試劑的標準越高，純度和潔淨度的要求也就越高(表12)。常用的高純化學試劑已經超過30種，多用於清洗、刻蝕等工藝。
表12 高純化學試劑SEMI國際標準等級
配方型化學品是指通過復配手段達到特殊功能、滿足製造中特殊工藝需求的配方類或復配類化學品，主要包括清洗腐蝕試劑和光刻膠配套試劑等。清洗腐蝕試劑主要用於集成電路製造過程中的溼法清洗和刻蝕工藝。清洗腐蝕試劑的主要特點是技術含量高、工藝配套性強。
同時，由於集成電路製造工藝的不同或技術節點的不同，對其質量和性能的要求也不盡相同，表13列出了集成電路製造工藝中常用的清洗腐蝕試劑。光刻膠配套試劑是指在集成電路製造中與光刻膠配套使用的試劑，主要包括有機溶劑、稀釋劑、顯影液、漂洗液、剝離液、去邊液等(表14)。大部分光刻膠配套試劑的組分是有機溶劑和微量添加劑，溶劑和添加劑都是具有低金屬離子及顆粒含量的高純試劑。
由於多數配方型化學品是混合物，它的理化指標很難通過普通儀器定量檢測，只能通過應用手段來評價其有效性，因此產品應用測試周期較長。
表13 常用的清洗刻蝕試劑
表14 光刻膠配套試劑及用途
全球工藝化學品主要生產企業有德國巴斯夫，美國亞什蘭化學、Arch化學，日本關東化學、三菱化學、京都化工、住友化學，臺灣鑫林科技，韓國東友精細化工等，上述公司佔全球市場份額的85%以上。
國內生產超淨高純試劑的企業中產品達到國際標準且具有一定生產量的企業有30多家，技術水平主要集中在G2級(國產化率80%)以下，8英寸(G3)及12英寸(G4)需求的高純化學品基本靠進品，國產化率約為10%，僅有少數部分技術領先企業的部分產品達到了國際SEMI G4標準。
國內生產工藝化學品的企業主要有晶瑞股份、江陰江化微、江陰潤瑪電子、江陰化學試劑、蘇州晶瑞化學、浙江凱聖(巨化股份)、上海新陽、湖北興發、達諾爾等(表15)。
其中晶瑞股份的超純氫氟酸、鹽酸、硝酸和氨水純度等級已達到SEMI G3、G4等級，雙氧水產品品質達到10ppt(相當於SEMI G5等級)，目前已在華虹宏力進行上線評估;江化微硝酸、氫氟酸、氨水等細分產品都達到了G4、G5的行業水平，G3等級的硫酸、過氧化氫、異丙醇、低張力二氧化矽蝕刻液、鈦蝕刻液進入國內6英寸晶圓、8英寸先進封裝凸塊晶片生產線，部分光刻膠配套試劑產品進入中芯國際、士蘭微等供應鏈;浙江凱盛生產的電子級硝酸進入國內12英寸晶片工藝製程供應鏈;上海新陽已成為先進封裝和傳統封裝行業所需電鍍與清洗化學品的主流供應商，其超純電鍍硫酸銅電鍍液已成功進入中芯國際、海力士的28nm大馬士革工藝製程，成為Baseline產品，進入工業化量產階段。
表15 國內工藝化學品企業及代表產品
2、電子氣體
在集成電路製造業中，氣體的使用非常廣泛，約佔全部生產材料的三分之一。氣體的純度和潔淨度直接影響到電子元器件的質量、集成度、特定技術指標和成品率，並從根本上制約著電路和器件的精確性和準確性。
目前，大部分高純氣體的純度達到99.99%(4N)以上，部分氣體純度應達到5N以上。在集成電路工業中應用的有110餘種氣體，其中常用的有超過30種，按其本身化學成分可分為矽系、砷系、磷系、硼系、金屬氫化物、滷化物和金屬烴化物七類，按在集成電路中不同應用途徑可分為摻雜氣體、外延氣體、摻雜氣體、刻蝕用氣體、化學氣相沉積氣和載氣等(表16)。
表16 集成電路中常用的氣體(綠色字體代表已實現國產化)
電子氣體從生產到分離提純以及運輸供應階段都存在較高的技術壁壘，市場準入條件高，全球市場主要被幾家跨國巨頭壟斷。包括美國空氣化工、普萊克斯、德國林德集團、法國液化空氣、日本大陽日酸株式會社等公司佔據了全球電子氣體90%以上的市場份額。國內電子氣體企業的生產技術與國外存在較大差距，電子氣體市場仍被外企主導。截止2016年年底，美國化工、普萊克斯、日本昭和電工、英國BOC公司、法國液化公司、日本酸素等六家公司合計佔據了我國電子氣體85%的市場份額，國內企業主要集中在中低端市場。
國內從事高純電子氣體生產的主要企業有中船重工七18所、中昊光明化工研究設計院、蘇州金宏氣體、大連保稅區科利德化工科技、佛山市華特氣體、江蘇南大光電、黎明化工研究設計院、綠菱電子材料(天津)、廣東華特氣體、北京華宇同方化工科技、杭州同益氣體研究所、湖北晶星科技、江蘇雅克科技、南京亞格泰新能源材料、上海正帆科技等十幾家企業。其中中船重工的NF3、WF6進入國內主流12英寸晶片製造廠商生產線，雅克科技產品中CF4進入臺積電12英寸28nm晶圓加工生產線，南大光電所售高純磷烷、砷烷產品以及三甲基鎵、三甲基銦、三乙基鎵、三甲基鋁等MO源產品純度達到6N級別。
雖然我國電子氣體已經擺脫完全依賴進口的狀態，國內企業已經基本具備了生產部分高純電子氣體的能力，但是由於本土電子氣體的生產和供應商規模較小，產品質量穩定性差，國內電子產品的包裝、儲運未能和現代電子工業的要求接軌等原因，導致目前大部分電子氣體還不能全面進入集成電路領域(表16)。
五、拋光材料和靶材發展情況
1、拋光材料
CMP拋光材料是集成電路製造中的關鍵耗材，主要包括拋光液、拋光墊和修整盤等，其中拋光墊與拋光液佔80%以上。隨著集成電路工藝技術節點尺寸的不斷縮小，互聯層數的不斷增加和新材料新工藝的應用，CMP在晶片工藝製程中的使用次數和重要性不斷增加(圖9)，所拋光的材料有多種金屬(包括Co、Al、W、Cu、Ta等)和非金屬(包括SiO2、Si3N4、襯底材料等)，技術節點降低同時對CMP提出了更高的要求，在拋光缺陷、表面汙染物的尺寸和數量、拋光性能的穩定性、拋光工藝可控性、拋光均一性、電性能和可靠性等方面提出了更為苛刻的要求。
拋光液是決定CMP工藝性能最終良率最為關鍵的材料，約佔整個CMP材料市場的49%。拋光液主要由納米級的研磨顆粒、不同化學劑和去離子水組成。針對具體工藝和被拋光材料的要求，不同種類的研磨顆粒(如二氧化矽、三氧化二鋁、二氧化鈰等)和多種化學試劑(如金屬絡合劑、表面抑制劑、氧化還原劑、分散劑以及其他助劑等)被使用在CMP拋光液的配方中。
根據其應用，拋光液可以使用在集成電路晶片製造前/後道的各個工序中，如FinFET柵極、淺溝道隔離、鎢栓塞、銅互聯等。另外，拋光液還應用在先進封裝中的矽通孔工藝中，所需要的拋光液也因工藝和材料要求的不同而不同。集成電路用拋光液市場主要被美日歐企業壟斷，主要企業有美國的 Cabot、Nalco、Rodel、DuPont、Grace，荷蘭的Akzol Nobel，德國的Bayer和Wacker，日本的 Fujimi、Fujifilm、Nissan Chemical、Fuso等，佔據全球90%以上的市場份額。
圖9 不同技術節點CMP工藝處理的材料
國內從事CMP拋光液研發與生產的企業有安集微電子、上海新安納電子、北京國瑞升科技等。其中安集微生產的銅/銅阻擋層拋光液、二氧化矽拋光液、TSV拋光液、矽拋光液、銅拋光後清洗液等產品已成功進入國內外8英寸和12英寸客戶晶片生產線使用，銅/銅阻擋層拋光液產品已經進入國內外領先技術節點，產品涵蓋130nm~28nm技術節點;上海新安納電子級二氧化矽納米磨料成功應用於集成電路拋光液，是目前國內唯一的供應商，研發出的矽片粗拋拋光液獲得中國新材料首批次應用的支持，成功應用在8英寸和12英寸矽片拋光上。另外，上海新安納在存儲器拋光液等產品開發方面取得較好進展。
雖然我國在拋光液領域取得了點的突破，但是整體上我國拋光液的國產化率約為5%，主要為銅及其阻擋層拋光液、TSV拋光液和矽的粗拋液，其它的CMP工藝拋光液(矽片精拋液、化合物半導體拋光液，14nm以下FinFET工藝拋光液，鈷、銣等新金屬互聯材料的拋光，STI拋光液等)及其拋光磨料還是依賴進口。
CPM工藝中的另一個重要工藝耗材為拋光墊，約佔整個CMP材料市場的33%。拋光墊的主要功能是提供機械摩擦和承載拋光液，是影響CMP拋光工藝參數(如拋光速率、均勻度、平整度、缺陷率)的關鍵因素之一。拋光墊主要以聚亞氨脂為原材料，通過特殊的發泡和成型工藝製作而成。根據不同CMP工藝的需求，需要對拋光墊的材料配方和工藝進行調整，從而獲得不同的拋光墊硬度、發泡尺寸、可伸縮性以及表面溝槽的圖形和深度。
目前，國際上拋光墊市場由陶氏化學一家獨大，佔整個市場份額的80%，嘉柏微電子次之，約佔10%的市場份額。CMP修整盤也是CMP工藝材料中的關鍵組成部分，其作用是將金剛石顆粒鑲嵌在金屬胎體上，在拋光過程中對拋光墊進行修正，以保證拋光工藝的穩定性和重複性。美國的3M、韓國的Saesol、我國臺灣的中砂等公司都佔有一定的CMP修整盤市場份額。
國內方面，近年來成長起來的成都時代立夫在CMP拋光墊產品開發方面取得較好進展，部分產品在8英寸和12英寸CMP工藝中正在進行應用評估;湖北鼎龍控股開發的銅拋光墊、氧化物拋光墊和鎢拋光墊也開始認證;此外，寧波江豐電子和蘇州觀勝半導體也開始上馬新型局拋光墊項目。深圳嵩洋微電子正在開發金剛石修整盤;寧波江豐電子的金剛石修整盤和保持環已進入評價驗證階段。就拋光墊修整盤整體而言，我國本土企業仍處於嘗試突破階段，高端產品依然空白。
2、靶材
高純濺射靶材(包括蒸發材料)作為集成電路晶片製造過程中重要的配套材料之一，主要用於金屬化工藝中互連線、阻擋層、通孔、背面金屬化層等薄膜的製備。使用的靶材原材料主要有超高純鋁及其合金、銅、鈦、鉭、鎢、鎢鈦合金以及鎳及合金、鈷、金、銀、鉑及合金等(表17)。
全球靶材製造行業呈現寡頭壟斷格局，少數日美化工與製造集團主導了全球靶材製造行業，其中霍尼韋爾、日礦金屬、東曹、普萊克斯、住友化學、愛發科等跨國集團佔據主導地位。
在國內，靶材是集成電路材料領域最先打破國外壟斷的產品。目前我國靶材行業已經初具規模，隨著國內靶材企業的不斷技術創新，出現了具備和日美跨國集團競爭的本土靶材企業。
國內靶材行業龍頭包括寧波江豐電子、有研新材子公司有研億金新材等。在邏輯晶片用靶材方面，國內最大的靶材生產商江豐電子生產的8-12英寸鋁、鈦、銅、鉭靶材已批量進入國際主流晶片廠，公司產品70%以上銷往以臺積電等為代表的280多家海外晶片製造工廠，並在國際領先的7nm技術得到量產應用;在封裝用靶材方面，有研億金新材8英寸靶材也開始進入市場，公司正在建設12英寸系列靶材生線，在稀貴金屬靶材研究與生產方面具備優勢。
表17 常用靶材類別及其純度和用途
整體上，我國高純靶材生產技術已躋身國際第一梯隊，以江豐電子為代表的國內靶材廠商目前掌握了鈦靶、鋁靶、銅靶等靶材從提純到最終靶材成型的整套工藝，但7nm先進工藝用高端鈷靶以及存儲晶片用鎢靶始終被韓國、美國等跨國公司壟斷，國內供應商還在需求突破。
六、封裝材料發展情況
封裝材料主要包括封裝基板、引線框架、鍵合絲、塑封料、黏結材料、底部填充料、液體密封劑、貼片材料、焊球、晶圓級封裝電介質等。根據SEMI數據，2017年全球封裝材料市場為191億美金，其中封裝基板、引線框架、鍵合絲、塑封料四大主要材料的佔比分別為32.46%、16.75%、16.23%和6.81%(圖10)。以下對這四類材料作重點分析。
圖10 2017年全球封裝材料市場
1、封裝基板
封裝基板作為晶片與外界電路連接的接口，主要起承載保護晶片與連接上層晶片和下層電路板作用(表18)，已經成為封裝材料細分領域銷售佔比最大的原材料，佔封裝材料比重超過50%。從材料上分類，封裝基板可以分為有機基板、陶瓷基板、金屬基板以及應用於三維集成的矽/玻璃基板等。其中有機基板由於具有節點常熟低、質量密度低、加工工藝簡單、生產效率高和成本低等優點，是目前封裝基板的主流產品。根據統計，有機封裝基板的產值約佔整個集成電路封裝基板總產值的80%以上，其中又以剛性基板為主。
全球封裝基板的主要生產廠商集中在我國臺灣、韓國和日本三地，其市場佔有率在90%以上。國內封裝基板生產企業雖然仍與先進水平存在差距，但已經具備了基板加工工藝能力，並正在向領先技術靠近。目前國內主流基板廠有深南電路、珠海越亞、興森科技和丹邦科技等。
從產品結構上看，深南電路和興森科技均是在擁有較大規模的PCB業務的基礎上開始發展封裝基板業務，而珠海越亞和丹邦科技則是專注於發展的剛性有機無芯封裝基板和COF柔性封裝基板等高端基板業務。經過不斷研發和技術積累，我國封裝基板企業成功實現部分封裝基板自產。其中深南電路在 FC、BGA、CSP 等高端基板領域已比較成熟，MEMS統封裝基板全球佔市率超過30%;珠海越亞的射頻晶片封裝基板全球市場容量達25%，細分領域處於世界領先水平。
同時，珠海越亞生產的無芯封裝基板已經成功通安華高科等行業巨頭的認證並已向其供貨多年;此外，丹邦科技目前已成為全球極少數掌握COF基板關鍵原材料FCCL自產技術的基板廠商，並且正積極研發原材料PI膜。
表18 主要封裝基板材料及用途
現階段，國內基板企業不斷積極開發新工藝、新技術，努力縮小於國外廠商的差距，但國內基板企業從技術、成本等等方面均缺乏競爭優勢，部分高端封裝基板先進工藝技術完全被日韓等企業壟斷的局面仍然存在，而且原材料也受制於海外企業。
2、引線框架
引線框架作為集成電路的晶片載體，是一種藉助於鍵合材料(金絲、鋁絲、銅絲)實現晶片內部電路引出端與外引線的電氣連接，形成電氣迴路的關鍵結構件，它起到了和外部導線連接的橋梁作用。理想的引線框架材料必須滿足以下特性：導熱、導電性能好;有足夠的強度、剛度和成型性;較低的熱膨脹係數、良好的匹配性、釺焊性、耐腐蝕性、耐熱性和耐氧化性;平整度好，殘餘應力小，加工後不成形;易衝裁加工。常用的引線框架材料有兩類，即銅基引線框架材料和鐵基引線框架材料(表19)。
表19 常用引線框架材料類別及其特性和用途
目前國際引線框架的供貨大格局沒有大的變化，仍是日韓及臺灣企業為主(表20)。外資企業一直佔據著國內引線框架的中高端市場，其份額約佔3/5左右，全球排名前10位的引線框架企業基本都在國內設有工廠。近年來以寧波康強電子(全球排名第七)為代表的國內本土引線框架企業成長較快，表21是目前主要的內資引線框架企業情況。內資引線框架企業中目前寧波康強一家獨大，與其他引線框架企業差距拉大，這從另一方面說明了中國大陸本土引線框架企業較分散，與外資企業的差距還相當大，發展後勁也略顯不足。
另外，目前國內引線框架企業的發展跟不上國內封裝行業的發展，沒有形成像封裝企業那樣的產業集群格局。因此，國內引線框架企業對我國集成電路行業的支撐作用還需要進一步加強。
表20 2017年全球引線框架供應商市場份額(按銷售額計)
表21 主要內資引線框架企業
3、鍵合絲
鍵合絲是半導體器件和集成電路組裝四大必須基礎材料之一，作為晶片與引線框架之間內引線，實現穩定、可靠的電連接，廣泛應用於集成電路、分立器件、光電器件和功率器件的封裝。雖然現在有不用鍵合絲的鍵合方法(比如倒裝焊)，但目前90%的集成電路產品是以鍵合絲來封裝。
從基礎材料劃分，目前市場上使用比較普及的鍵合絲產品主要有4大類型：鍵合金絲、鍵合銅絲、鍵合銀絲、鍵合鋁絲。目前，鍵合絲中鋁絲、銅絲主要應用於中低端產品，貴金屬絲主要用於高端集成電路產品，尤其金絲以其優異的性質一直佔據著鍵合絲市場的絕大部分份額。從合金成分及複合結構細分見表22。
表22 鍵合絲分類及用途
目前日本、德國、韓國等是全球鍵合絲主要生產國，主要生產企業包括日本田中貴金屬、日本新日鐵、德國賀利氏、韓國MKE、韓國Heesung及臺灣樂金、臺灣鈺成金屬等。其中，日本田中貴金屬株式會社、德國賀利氏控股集團屬於國際上較早從事鍵合絲生產的大型企業，在全球鍵合絲行業中仍具有較強影響力。
國內鍵合絲生產企業有20幾家，主要有賀利氏(招遠)貴金屬材料、賀利氏招遠(常熟)電子材料、田中電子(杭州)、煙臺一諾電子材料、招金勵福貴金屬、北京達博有色金屬焊料、銘凱益電子(崑山)、佳博電子科技、寧波康強電子、山東科大鼎新電子科技、四川維納爾等。
國內具有一定影響力的鍵合絲生產企業主要為國際知名鍵合絲製造商賀利氏、田中等在國內的獨資或合資企業，佔據高端金絲和銅絲產品市場;本土企業達博、只能在低端領域進行激烈競爭，儘管近幾年部分內資企業發展很快，已具有與國際鍵合絲巨頭競爭的能力，部分鍵合絲生產企業已經達到國際同等領先水平，但國內製造企業對新技術的掌握以及產品設計和製造質量的控制手段以及新產品導入的流程控制等方面與國外存在一定的差距。
4、塑封材料、金屬封裝材料、陶瓷封裝材料
按照封裝材料種類的不同，電子器件封裝可以分為金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝三種(表23)。(環氧)塑封具有成本低、尺寸小、質量小、可批量生產等優點，目前95%以上的集成電路都採用塑料封裝，而在塑料封裝中，97%以上都是利用環氧塑封料(EMC)進行的。
表23 封裝材料種類及特性
國外塑封料生產廠家主要集中在日本、韓國、臺灣等，主要有日本住友電木、日本日立化成、日本京瓷化學、日本信越化學、日本松下電工、韓國三星Cheil、臺灣長春等廠家，其中日本企業技術領先，產量最大。國內塑封料生產商有20幾家，主要包括長春塑封(常熟)、衡所華威、江蘇中鵬、江蘇華海誠科、崑山長興、北京科化等。
日本企業的塑封料產品，依靠其產品在操作性和可靠性上的技術優勢在SOP、QFPBGA等中高端市場佔有較大份額。韓國和中國的企業以其成本優勢佔據分立器件DO、TO、SOD、SOT、DIP、SOP、QFP等中低端市場。國內塑封產品多在中低端市場領域，高端市場被日本廠商壟斷，國內塑封產品僅佔30%國內市場份額，部分中端產品進口依存度高達80%以上，高端產品基本上全部依賴進口(表24)。
表24 國內環氧塑封料應用情況
國內從事金屬外殼研發和生產的單位主要有合肥聖達電子、中國電科44所、中國電科55所、青島凱瑞電子、宜興吉泰電子、浙江長興電子、諸城電子封裝廠、無錫惠波電子器材二廠、蚌埠興創電子科技、武漢鈞菱電子等，主要產品是分立器件、集成電路、光電器件、各類傳感器等使用的金屬陶瓷外殼及微波外殼。
國外陶瓷封裝日本居首位，日本佔據了美國陶瓷封裝市場的90%~95%，佔美國國防陶瓷封裝市場的95%~98%。日本的NTK陶瓷、SMI和KyoceraInternational等三家陶瓷封裝公司幾乎壟斷了美國電子武器裝備用陶瓷封裝集成電路和分立器件市場。
我國集成電路用陶瓷外殼生產廠目前主要有中國電科13所、江蘇宜興電子器件總廠、福建閩航電子器件、中國電科55所、浙江長興電子、潮州三環、南平三金電子等，其中前三家均有從國外引進的生產線，採用流延技術可生產方形扁平陶瓷封裝(CQFP)、無引線陶瓷晶片封裝(CLCC)、插腳陣列式陶瓷封裝(CPGA)等產品。
在國內金屬陶瓷管殼及封裝工藝技術快速發展的同時，也應該看到與國際先進技術水平存在的差距。特別是內陶瓷管殼的一致性和成品率需要進一步提高，大引腳高密度陶瓷和Ka波段以上頻率器件外殼的研製還是空白，多信號系統的外殼距離產業化還存在較大的差距，國產外殼還無法實現千瓦級微波大功率器件的封裝。尤其在高可靠圓片級工藝、矽通孔3D封裝工藝平臺等方面，3D/SiP封裝的設計、工藝、可靠性以及產品研發還需要進一步提升。