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先進前驅體材料行業(yè)整體競爭格局及市場集中情況
思瀚產業(yè)研究院    2022-11-22

半導體前驅體材料主要應用于半導體制造中的薄膜沉積工藝，是薄膜沉積工藝的核心材料，是晶圓制造工藝的“前驅體”；MO 源即高純金屬有機化合物， 是利用先進的金屬有機化學氣相沉積（以下簡稱“MOCVD”）工藝的關鍵支撐 原材料，又被稱為 MOCVD 的“前驅體”。因此，半導體前驅體和 MO 源均屬 于電子制造中的先進前驅體材料。

（1）半導體前驅體材料行業(yè)

①行業(yè)概況

A、半導體薄膜沉積工藝介紹

薄膜沉積工藝是晶圓制造的三大核心工藝之一（另外兩大工藝是光刻和蝕 刻）。薄膜沉積工藝是指在硅片基底上沉積導體、絕緣體或者半導體等材料形成 功能薄膜，使之具有光學、電學等方面的特殊性能，是半導體制造過程中的重中之重。

上圖展現(xiàn)了一個簡化的邏輯芯片剖面圖。晶圓加工工序可大致拆解為前端制 程（“FEOL”，即基板工序，負責在基板上制造出晶體管等部件形成 MOS 結 構、介質膜、接觸孔等結構）和后端制程（“BEOL”，即布線工序，將各部件 與金屬材料連接布線形成電路）。

圖中從 FEOL 工序到 BEOL 工序中劃分為多層 級，這就是靠沉積技術所形成的一層層薄膜，如果將芯片按照組成薄膜層級拆解， 將得到成千上萬個晶體管1以及連接它們的導線?？梢?，芯片的各層薄膜是構成 整個芯片微觀結構的主要“骨架”，起到產生導電層或絕緣層、阻擋污染物和雜 質滲透、提高吸光率、臨時阻擋刻蝕等重要作用。

薄膜是芯片結構的功能材料層，在芯片完成制造、封測等工序后會留存在芯 片中，薄膜的技術參數(shù)直接影響芯片性能。一顆芯片的制造過程中，涉及十余種 不同材料的薄膜，其中每一個薄膜層均需經薄膜沉積工藝結合成形工藝（光刻、蝕刻）形成，從而在 FEOL 和 BEOL 工序中實現(xiàn)各個薄膜層的堆疊組合，進而搭建起芯片的主要結構。

薄膜沉積工藝按照工藝原理的不同可分為物理薄膜沉積（PVD）、化學氣相 反應薄膜沉積（CVD）、原子層薄膜沉積（ALD）三類。其中 PVD 是用物理過 程實現(xiàn)物質轉移的成膜技術；CVD 是利用氣態(tài)物質通過化學反應在基底表面形 成固態(tài)薄膜的一種成膜技術；ALD 是將氣相前驅體材料脈沖交替地通入反應器， 并在沉積基體上吸附、反應而形成薄膜的一種技術。CVD 和 ALD 兩項技術均是目前應用廣泛的薄膜沉積技術，兩項技術相比，CVD 的沉積速率更快，而 ALD 在復雜表面進行沉積的薄膜均勻性和界面質量更好。 薄膜沉積工藝形成的薄膜按照材料來分，可分為導電金屬薄膜、絕緣介質薄 膜以及半導體材料薄膜。以上薄膜的核心組成材料即為各類半導體前驅體。

B、半導體前驅體材料概況

半導體前驅體材料是攜帶有目標元素，呈氣態(tài)、易揮發(fā)液態(tài)或固態(tài)，具備化 學熱穩(wěn)定性，同時具備相應的反應活性或物理性能的一類物質。半導體前驅體是 ALD 和 CVD 薄膜沉積工藝的核心材料，是用于形成符合半導體制造要求的各類 薄膜層的核心原材料。作為集成電路材料的細分產品，具有研發(fā)投入大、制備工藝難度及純度要求高、客戶認證周期長等特點，具備極高的準入門檻，是衡量集 成電路材料制備水平的標志性產品之一。 半導體前驅體材料根據(jù)形成薄膜的材料屬性劃分，可以分為硅前驅體和金屬 前驅體；根據(jù)集成電路晶圓制造工序劃分，可分為高 K 前驅體和低 K 前驅體兩類。K 即介電常數(shù)，用于衡量一種材料存儲電荷（正電荷或者負電子）的能力， 高 K 前驅體用于高 K 金屬柵極（HKMG）薄膜沉積工藝的高 K 介質層；低 K 前 驅體用于集成電路后端布線工序 BEOL中金屬連線之間的絕緣介質。具體劃分如 下：

隨著集成電路制造不斷向更先進工藝發(fā)展，單位面積集成的電路規(guī)模不斷擴 大，芯片內部立體結構日趨復雜，所需要的薄膜層數(shù)越來越多，對絕緣介質薄膜、 導電金屬薄膜的材料種類和性能參數(shù)不斷提出新的要求。因此，半導體前驅體材 料的發(fā)展為集成電路制造工藝向更小制程發(fā)展提供了核心保障。

高 K 前驅體是集成電路制程進入 28nm 后所必備的前驅體材料。集成電路基 板工序 FEOL 所制造的晶體管器件，由低電阻層、柵極、柵極介質、襯底組成。 在半導體晶圓制程進入 65nm 及之前，集成電路主要通過沉積二氧化硅薄膜形成 柵極介電質；隨著集成電路尺寸不斷縮小，需要不斷縮短柵極介電層來換取更低 的開啟的電壓和更高的柵極電容來耦合。進入 28nm 制程之后，傳統(tǒng)的二氧化硅 柵介質層物理厚度縮小至 1 nm 以下，達到了其物理極限，產生明顯的量子隧穿 效應和多晶硅耗盡效應，漏電現(xiàn)象大幅增加，影響了晶體管器件的良率和性能。

資料來源：微導納米招股說明書

而通過使用高介電常數(shù)金屬柵極（HKMG）工藝來制造晶體管器件可以避免 以上問題。即采用高 K 前驅體材料替代傳統(tǒng)的二氧化硅柵極氧化層作為柵極介 質層，TMA（三甲基鋁）、TiCl4（四氯化鈦）等替代傳統(tǒng)的多晶硅柵極作為金 屬柵極，高 K 柵極介質層與金屬柵極的組合使用，不僅能夠大幅減小柵極漏電 流，同時因高 K 柵極介質層的等效氧化物厚度較薄，還能有效減低柵極電容。

因此高 K 前驅體伴隨 HKMG 薄膜沉積工藝在 28nm 以下制程中得到了廣泛的應 用，英特爾（Intel）更是率先在 45nm 制程就開始應用高 K 前驅體材料。 低 K 前驅體用于集成電路后端制程 BEOL 中，作為金屬連線（metal interconnect）之間的絕緣介質。對金屬連線之間的絕緣介質而言，介電常數(shù)越低， 意味芯片速度越快，能耗越低。

隨著集成電路技術的發(fā)展，芯片特征尺寸不斷減 小和金屬連線高寬比增加導致互聯(lián)電容快速上升引發(fā)串擾問題；另一方面薄膜層 數(shù)增加引起的層間寄生電容加大并產生額外的互聯(lián)延時和功耗。以上問題需要 K 值足夠低的低 K 材料作為絕緣介質來解決。

如上圖所示，隨著集成電路制程（橫軸）縮短，低 K 前驅體材料品類逐漸 變化，新前驅體材料的 K 值（縱軸）逐步降低。隨著集成電路制程從微米級進 入到納米級，金屬絕緣介質材料從二氧化硅，到引入氟元素（SiOF）、引入碳氧 元素（SiCOH，即 4MS），又在 45nm 以下升級為多孔 SiCOH（porous SiCOH， 即 DEMS/ARTP），K 值降到了 2.45 左右。28nm 以下集成電路制程中，二乙氧 基甲基硅烷（DEMS）/ a-松油烯（ARTP）等前驅體材料得到廣泛應用。

綜上所述，隨著集成電路制造工藝發(fā)展到 28nm 以下，高 K 前驅體和低 K 前驅體由于在不同制程模塊中起到不可或缺的作用，將隨著先進制程需求的提升 得到大量應用。 此外，14nm 及以下集成電路制程工藝中，鰭式場效應晶體管（FinFET）是 重要的晶體管器件，其為 3D 結構，需要薄膜沉積工藝填充更小、更高縱深比的 溝槽，因此 FinFET 工藝的應用對前驅體材料提出了新的要求。

根據(jù)薄膜沉積設 備廠商江蘇微導納米科技股份有限公司、拓荊科技股份有限公司的估算，在 5nm 以下 FinFET 工藝產線中，需使用超過 100 道薄膜沉積工序，涉及的半導體前驅 體材料將由 6 種增加到近 20 種。

②市場空間和市場競爭格局

半導體前驅體材料是集成電路產業(yè)中的核心材料之一。一方面，近年來隨著 集成電路產業(yè)的高速發(fā)展，下游廠商對于晶圓的需求十分旺盛，芯片產能供不應求，同樣推動配套的半導體材料市場高速發(fā)展；另一方面，集成電路進入 40nm以下后前驅體材料的重要性日益增加，先進制程發(fā)展對先進薄膜沉積技術提出了更高的要求。

根據(jù)日本富士經濟的研究數(shù)據(jù)，全球半導體前驅體市場規(guī)模從 2014 年約7.50億美元增至2019年的約12.00億美元，2014-2019年復合增長率達9.86%， 并預計 2024 年可達 20.21 億美元，2020-2024 年復合增長率達 5.3%。隨著集成 電路先進制程比例上升以及先進制程對于先進薄膜沉積工藝需求的提升，在芯片 薄膜沉積工藝中起關鍵作用的半導體前驅體材料需求具備廣闊的前景。

資料來源：日本富士經濟

中國市場是全球半導體前驅體的主要市場之一。根據(jù)QY Research數(shù)據(jù)，2021 年中國半導體前驅體市場規(guī)模達到 5.94 億美元，預計 2028 年將達到 11.57 億美 元，年復合增長率預計為 10%。

資料來源：QY Research

半導體前驅體材料行業(yè)準入門檻高，國外企業(yè)深耕該領域已久。從全球市場 范圍來看，國際半導體前驅體主要廠商主要有兩類，一類為國際化大企業(yè)，旗下 相關業(yè)務部門從事前驅體材料的研發(fā)和生產，如德國 Merck、法國 Air Liquide、 美國 Entegris 等；一類為韓國專注半導體材料的公司，主要有 SoulBrain、UP Chemical 和 DNF 等，主要受益于韓國半導體行業(yè)的大發(fā)展。國外企業(yè)深耕半導體前驅體材料領域多年，基本壟斷該市場。

國內企業(yè)中雅克科技于 2016 年通過 收購韓國 UP Chemical 進入該領域，南大光電、安徽博泰電子材料有限公司、合 肥安德科銘半導體科技有限公司等也已實現(xiàn)半導體前驅體產品的銷售，但整體而言國內企業(yè)在半導體前驅體行業(yè)與國外龍頭仍有較大差距。

國際貿易環(huán)境惡化、以美國為代表的發(fā)達國家對中國芯片行業(yè)實施技術封鎖的背景下，我國部分邏輯芯片用高端前驅體材料面臨斷供風險。

2020 年美國商 務部針對華為公司發(fā)出公告，要求采用美國技術和設備生產出的芯片，必須先經 過美國商務部批準才能出售給華為，同年 12 月中芯國際被列入實體清單，采購 10nm 以上用含美國技術的設備/材料需獲美國商務部許可，并推定拒絕 10nm 以 下技術節(jié)點的產品或技術的采購，半導體前驅體成為美國“卡脖子”的關鍵“手 段”之一，技術研發(fā)主要來源于美國的部分邏輯芯片用高端前驅體材料具備斷供風險。因此，為擺脫半導體制造的“卡脖子”現(xiàn)狀，作為關鍵原材料的半導體前 驅體材料亟需實現(xiàn)國產自主可控。

（2）MO 源行業(yè)

①行業(yè)概況

MO 源是光電產業(yè)的支撐材料之一，其純度、品質對最終的光電器件或高頻 器件的質量和性能起著決定性作用。MO 源的質量直接決定了最終器件的性能， 因此 MOCVD 工藝對 MO 源的質量要求很高，其中純度是衡量 MO 源質量的關 鍵指標。 MO源合成的化合物半導體是由兩種或兩種以上的元素化合而成的半導體 材料，因其具有電子遷移率高、禁帶寬度大、光電特性好等優(yōu)異的特性，成為制 備 LED 的核心原材料之一。

目前 90%以上的 MO 源都被用來生產 LED 外延片， 外延片生長為 LED 產業(yè)鏈中技術難度最大、附加值最高的環(huán)節(jié)。此外，MO 源 逐漸進入新一代太陽能電池領域如非晶硅薄膜太陽能電池、砷化鎵太陽能電池等； 在相變存儲器、半導體激光器、射頻集成電路芯片等其他高科技領域也逐步開展 應用。

②市場空間和市場競爭格局

得益于下游 LED 行業(yè)的發(fā)展和制造 LED 所需制造外延片需要的 MOCVD 設 備市場的增長，MO 源市場規(guī)模保持穩(wěn)健增長。根據(jù) Markets and research.的數(shù)據(jù)， 2019 年全球 MO 源市場規(guī)模在 1.1 億美元左右，預計到 2025 年，全球 MO 源市 場規(guī)模將達到 1.8 億美元，2021-2026 年復合增長率為 8.3%。

作為 LED 外延片生產的重要設備，MOCVD 設備仍處于高速增長態(tài)勢，是 MO 源需求增長的重要協(xié)同因素。Market.us 預測，隨著 LED 產業(yè)開始向 UV LED、 MiniLED 以及 Micro LED 尋求新的增長動力，2019 年到 2028 年 MOCVD 市場 規(guī)模將從 7.81 億美元增長到 16.38 億美元，復合增長率為 8.5%。

此外，第三代半導體和新一代太陽能電池為 MO 源帶來了新的應用場景。氮 化鎵、砷化鎵等化合物半導體（即“第三代半導體”）近年來開始在通信器件、 電力電子器件、新型光電器件等領域顯現(xiàn)出重要作用，MO 源是制備新一代半導 體的重要材料。而隨著新一代太陽能電池制造的 PERC 技術（鈍化發(fā)射極和背面 電池技術）迎來突飛猛進的發(fā)展，MO 源在光伏領域的應用進一步提升，砷化鎵 太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池的普及應用將給 MO 源行業(yè)的發(fā)展帶來新 的動力。

目前全球范圍內 MO 源的生產廠商較少，只有中國、美國、歐洲、日本四個 區(qū)域的少數(shù)幾個公司擁有產業(yè)化生產的能力。MO 源行業(yè)具有寡頭壟斷市場特征， 根據(jù)QY Resaerch的數(shù)據(jù)，2019年全球最主要的MO源生產企業(yè)有SAFC Hitech、 南大光電、Nouryon 等，三家公司合計市占率約為 75%。國內企業(yè)已經成為全球 MO 源主要生產廠商。

編制：諸葛御

責任編輯：趙皋

來源： 思瀚產業(yè)研究院 南大光電