电子特气属于半导体八大核心材料之一,全球半导体行业协会(SEMI)数据显示,电子特气在半导体晶圆制造材料价值占比13.50%,电子特气是继硅片之后的第二大半导体材料。本文主要就电子特气及其产业情况进行具体介绍。
1、电子特气定义及分类
电子特种气体(简称“电子特气”)是指用于半导体、平板显示及其它电子产品生产的特种气体。晶圆制造主要包括清洗、沉积/CVD、光刻、刻蚀、离子注入、成膜等工艺,从单个芯片生成到最后器件的封装,几乎每一个环节都离不开电子气体,因此电子特气被称为半导体材料的“粮食”和“源”。
电子特气占据晶圆制造成本的13.50%,为晶圆制造中仅次于硅片的第二大材料。电子特气主要品种多达上百种,被广泛应用于芯片制造过程的各个工艺流程中。
集成电路芯片制造需要使用多种电子特气,包括硅烷等硅族气体、PH3等掺杂气体、CF4 等蚀刻气体、WF6 等金属气相沉积气体及其他反应气体和清洗气体等。在电子级硅的制备工艺中,涉及到的电子特气包括 SiHCl3、SiCl4等。在硅片表面通过化学气相沉积成膜(CVD)工艺中,主要涉及 SiH4、SiCl4、WF6等。在晶圆制程中部分工艺涉及气体刻蚀工艺的应用,也称干法刻蚀,涉及到的电子特气包括 CF4、NF3、HBr 等,此类刻蚀气体用量相对较少,刻蚀过程中需与相关惰性气体Ar、N2等共同作用实现刻蚀程度的均匀。掺杂工艺是将需要的杂质掺入特定的半导体区域中,以改变半导体电学性质,涉及到的电子特气包括B2H6、BF3等三价气体和PH3、AsH3等五价气体。
2、电子特气行业壁垒
(1)技术壁垒
在半导体芯片制造领域,由于芯片制造技术已发展到纳米级别,所以气体纯度也必须在ppt 级别以上。气体中的杂质含量过多,就会严重影响芯片良率和可靠性。电子气体的纯度要求也越来越高,经常需要 6N 级(99.9999%)甚至更高纯度,并且对电子气体质量的稳定性要求也越来越苛刻。
10nm以下的先进制程对于杂质过滤的要求越来越高,晶圆厂生产环境纯净度须再度提升,确保半导体晶圆不受污染,以便提升生产良率。从28nm到7nm,产品的金属杂质须下降100倍,污染粒子的体积须缩小4倍。随着工艺制程发展到10nm以下,生产过程对于洁净度要求会愈来愈严格。
采用先进制程的晶圆,其薄膜层非常薄,对氧气十分敏感,很容易被氧化,对晶圆制作的特种气体需求更大,未来3/5 nm已经进入原子等级的尺度。因此,特种气体供应商提供更高纯度的气体是打入国际主流晶圆厂的关键条件。
(2)资质壁垒
资质认证较难且时间很长。客户对气体供应商的选择均需经过审查、产品认证2轮严格的审核认证过程,其中集成电路领域的审核认证周期长达2-3年。此外,电子特气在下游制造过程中的成本占比相对较低,但对电子产品性能影响较大,一旦质量出现问题,下游客户将会产生较大损失。为保持气体供应稳定,客户在与气体供应商建立合作关系后不会轻易更换气体供应商。
3、电子特气市场规模
根据前瞻产业研究院数据,2018年我国电子特气市场规模约122亿元,预计到2024年行业规模将达到230亿元。随着全球半导体产业链向国内转移,近年来国内半导体市场发展迅速,在建和未来规划建设的产能为电子特气行业提供广阔的市场空间。
4、主要电子特气行业情况
(1)清洗、蚀刻工艺特气—三氟化氮(NF3)
三氟化氮(NF3)在低厚度电路蚀刻中有优异的刻蚀效率和选择性,其是在微电子制造中的一种优良的等离子蚀刻气体和CVD清洗气体。在厚度小于1.5μm的集成电路材料蚀刻中,三氟化氮具有非常优异的蚀刻速率和选择性,在被蚀刻物表面不留任何残留物,同时也是非常良好的清洗剂。
三氟化氮(NF3)是市场容量最大的电子特气产品。华经产业研究院数据显示,预计2021年全球三氟化氮需求量4万吨左右。随着半导体行业生产及消费重心逐渐向中国大陆转移,加上主要原料均由国内供给,预计2021年我国三氟化氮需求将达到1.6万吨,占全球约40%,2018-2021年复合增长率29.28%。
国内三氟化氮(NF3)产能集中于中船重工718所(派瑞特气)、昊华科技(黎明院)和南大光电(飞源气体)。其中,中船重工718所(派瑞特气)是国内最大的三氟化氮生产企业,现有产能6,000吨,二期9,000吨产能2020年投产;昊华科技(黎明院)现有2,000吨产能,在建3,000吨产能预计2021年投产;南大光电(飞源气体)现有产能1,800吨,在建2,000吨产能预计2023年投产。随着国内市场需求的增加和国产化率的提升,头部企业的市占率有望得到进一步提升。
(2)清洗、蚀刻工艺特气—六氟化硫(SF6)
六氟化硫(SF6)作为重要的含氟气体材料,被广泛应用于电力设备行业、半导体制造业、冷冻工业、有色金属冶烁、航空航天、医疗、气象、化工等多个领域。电子级六氟化硫则主要应用于半导体及面板显示器件生产工艺中的蚀刻与清洗,具有用量少、纯度高、对生产及使用环境洁净度要求高和产品更新换代快等特点,国内仅有少数厂家具备生产能力。
六氟化硫(SF6)产能主要集中在中国,雅克科技旗下的全资子公司成都科美特为行业龙头。雅克科技(成都科美特)年产能为8,500吨,并拟新增12,000吨电子级SF6,主要应用于电力市场;昊华科技(黎明院)现有年产能为3,000吨;南大光电(飞源气体)现有年产能2,000吨,产品已导入IC行业客户。此外,中核红华、盈德气体也有纯度相对较低的千吨级产能。
(3)氧化/沉积、离子注入、外延工艺特气—磷烷(PH3)、砷烷(AsH3)
磷烷和砷烷为高纯特气家族中技术门槛和开发难度最高的两个品种,作为半导体、 LED、光伏、航天和国防事业的关键原材料,长期被海外技术封锁。其中砷烷因其易燃、易爆、剧毒的特性,从合成到提纯各种环节难度较大,为电子特气中“皇冠上的明珠”。
磷烷是半导体器件制造中的重要N型掺杂源,其可用于多晶硅化学气相沉淀、外延GaP材料、离子注入工艺、MOCVD工艺、磷硅玻璃钝化膜制备等工艺中。砷烷主要用于外延硅的N型掺杂、硅中的N型扩散、离子注入、生长砷化镓和磷砷化镓。由于二者分子结构相似,工艺技术同源、应用场景相似,迄今尚无替代材料。多年来国外一直对我国磷烷/砷烷进口实行管制和禁运,对我国经济发展及国家安全构成威胁,因此磷烷/砷烷的进口替代需求十分迫切。