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PVD技术在半导体工艺中的应用与发展趋势
来源: | 作者:admin | 发布时间: 2024-05-29 | 36 次浏览 | 分享到:

薄膜沉积是晶圆加工中的关键流程之一,主要分为物理气相沉积PVD和化学气相沉积CVD两类。根据半导体产业协会(SIA)公布数据显示,2022年全球半导体市场规模 5735亿美元,同比增长3.2%。

物理气相沉积的过程中不发生化学反应,只发生物质的相变等物理变化,如蒸镀过程是将固态蒸镀源转换为气态,再在目标表面形成固态膜的过程。


而化学气相沉积CVD则通过化学反应进行,将反应源以气体形式通入反应腔中,经过与其他外部反应物或与基板进行化学反应形成目标生成物沉积于基板上。以上工艺均使用特定的CVD设备以及PVD设备来实现。


根据 SEMI 公布的数据,2022年全球半导体材料市场规模达到727亿美元,较2021年的 668 亿美元增长了 8.8%,创历史新高。其中晶圆制造材料市场规模为447 亿美元,同比增长 10.5%,硅、电子气体和光掩模领域在晶圆制造材料市场表现出最强劲的增长。


PVD工艺一般可以分为三种,分别是真空蒸镀、溅射镀膜和离子镀。


真空蒸镀是在真空环境中对蒸镀材料进行加热获得蒸汽,再将蒸发的物质沉积在目标基片上的过程。


溅射镀膜的原理是以成膜材料为靶,并作为阴极,同时以目标基板为阳极,在氩气中加以高电压使电离后的氩气与阴极相撞击,被撞击出的靶材分子或原子在基板上堆积形成薄膜。


离子镀是通过将成膜材料高度电离化形成膜材料离子,从而增加膜材料离子的沉积动能,并使之在高化学活性状态下沉积薄膜的技术。


市场需求预测

按地区来看,中国大陆保持全球第二大半导体材料市场地位,2022年半导体材料销售额 130 亿美元,同比增长 7.3%,全球占比 19.4%。中国台湾仍是全球最大的半导体材料市场,2022年市场规模为201亿美元,同比增长13.6%,全球市场份额达到30.1%。


韩国、日本、北美、欧洲销售规模分别排在第三到第六位,2022年除了日本地区半导体材料销售额增速为-1%外,其他地区的销售额均保持较高增速。半导体材料特别是前端品圆制造材料在集成电路芯片制造中至关重要,部分关键材料会决定芯片的性能和工艺发展方向,下游客户对产品质量要求非常苛刻,因此材料市场前期研发投入大,进入测试论证的时间长,客户更换供应商成本较高。


半导体材料是易耗品,一旦进入了下游晶圆厂的供应链,会随晶圆厂的产能扩张而逐步上量。目前全球半导体材料市场的主要供应商还是美国、日本、韩国等国外企业,中国大陆的高端半导体材料对外依存度仍然较高,国产替代空间较大。


PVD工艺核心耗材,半导体用要求最高。薄膜制备工艺分为 PVD(物理气相沉积)和 CVD(化学气相沉积),PVD 工艺又分蒸发法和溅射法。超大规模集成电路制造过程中要反复用到的溅射工艺。且需要具备良好的导电、导热性能。


溅射靶材的种类较多,按照化学成分可以分为金属靶材(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);

按照应用领域可分为半导体芯片靶材、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;

按照形状可以分为长靶、方靶、圆靶。PVD在半导体、平板显示、光伏中均有应用。


半导体领域以金属材料溅射为主,主要用于制造集成电路的金属互连层、金属接触层、扩散阻挡层,技术标准最高,纯度达到 6N。平板显示和光伏领域常用到金属靶材和陶瓷靶材,技术标准相对低,纯度达4N。靶材行业工艺流程难度较高,包括高纯金属提纯、晶粒品向控制、材料焊接、精密加工和清洗包装等。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。


PVD镀膜材料行业主要壁垒

1.技术壁垒

PVD镀膜材料具有典型的技术密集型行业特点,要求行业内的厂商具有较强的技术研发实力和先进的生产工艺,具有完善的品质控制能力。

PVD镀膜材料作为平板显示、半导体、太阳能电池、光学元器件等行业上游关键的原材料之一,其与整个下游行业的技术发展和升级密不可分,所以PVD镀膜材料厂商往往需要投入较大的人力、物力、资金进行技术研发,以推动整个产业的技术革新,同时满足日益个性化的客户需求和不断变化升级的市场。


此外,PVD镀膜材料涉及多种有色金属及稀土材料的深加工,其技术与生产工艺难度较高,下游应用对PVD镀膜材料的配比、纯度、微观织构等有着极严格的要求,对于新进入者来说具有较高的技术门槛。


2.资金壁垒

PVD镀膜材料行业亦属于资金密集型行业,本行业在生产方面需要投入大量资金建设大型厂房、购置大型精密加工设备及配套辅助设备等,同时为保障产品质量的可靠性往往还需配套高端的检测设备。这些均需要大量的资金投入,使得行业的资金进入门槛较高。


3.人才壁垒

PVD镀膜材料涉及到材料学、物理、化学、工程学等多个学科领域的知识,其产品的研发与生产需要高素质、具有复合专业知识、勇于创新的高级技术人员。一名合格的技术人才还需要经过企业内部长时间的培养,要经历具体生产实践的磨练,而一个涉及多领域的成熟专业人才团队更是需要经过长时间的实践磨合。对于潜在的新进入者,人才瓶颈将在很大程度上制约其生存发展。


4.品牌壁垒

PVD镀膜材料行业存在着品牌准入壁垒。由于PVD镀膜材料对下游客户产品的性能、稳定性等方面都具有重要的影响,因而客户对PVD镀膜材料的质量要求较高,一般需要经过非常严格的产品认证,并且只信任产品质量过硬、成功量产多年和资历较深的品牌厂商,而这一特点也使其具有较强的客户粘性。对于新进入者而言,很难在短期内建立起良好的市场品牌,并快速打开市场。


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