【光大证券】半导体金属深度报告：镓、钽、锡将显著受益于半导体复苏.pdf

2024-01-21

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1、半导体制造工艺中涉及金属的材料梳理

半导体即在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，其在集成电路（最主要应用，即芯片）、消费电子、通信系统、光伏发电、照明应用、大功率电源转换等领域有着诸多应用。材料和设备是半导体产业的基石，一代技术依赖于一代工艺，一代工艺依赖于一代材料和设备来实现。半导体材料处于整个半导体产业链的上游环节，对半导体产业发展起着重要支撑作用，具有产业规模大、技术门槛高、研发投入大、研发周期长等特点。同时，半导体材料行业是半导体产业链中细分领域最多的产业链环节，根据 SEMI 的分类与数据，晶圆制造材料包括硅片、光掩膜、光刻胶及辅助材料、工艺化学品、电子特气、抛光液和抛光垫、靶材及其他材料，封装材料包括引线框架、封装基板、陶瓷基板、键合丝、包封材料、芯片粘结材料及其他封装材料，每一大类材料又包括几十种甚至上百种具体产品，细分子行业多达上百个。

根据 SEMI 的数据，2021 年半导体前道制造材料的成本占比为 62.8%，后道封装材料成本占比为 37.2%。进一步对前道制造材料成本以及后道封装材料成本进行拆分，其中成本占比最大的为硅片/其他衬底成本（ 20.72%）；其余材料成本占比从大至小排序分别为封装基板（14.88%）、湿电子化学品（8.79%）、光刻胶及配套材料（8.29%）、掩膜版（8.10%）、键合丝（5.58%）、引线框架（5.58%）、封装树脂（4.84%）、CMP 材料（4.46%）、陶瓷封装（4.09%）、电子特气（2.51%）、靶材（1.82%）、芯片粘结材料（1.49%）。

硅片及其他衬底材料是半导体芯片的关键底层材料。从芯片的制造流程来看，需要的步骤包括生产晶圆、氧化、光刻、刻蚀、薄膜沉积、互连、测试、封装等。以硅片半导体为例，自然界中硅砂很多，但硅砂中包含的杂质太多，需要进行提炼后使用。将提炼后得到的高纯硅熔化成液体，再利用提拉法得到原子排列整齐的晶锭，再将其切割成一定厚度的薄片，切割后获得的薄片便是未经加工的“原料晶圆”。第二步即为氧化过程，其作用是在晶圆表面形成保护膜，保护晶圆不受化学杂质影响、避免漏电电流进入电路、预防离子植入过程中的扩散以及防止晶圆在刻蚀时滑脱；第三步为光刻，即使用光线将电路图案“印刷”到晶圆上。第四步为刻蚀，在晶圆上完成电路图的光刻后，用该工艺来去除任何多余的氧化膜且只留下半导体电路图；在刻蚀的同时，也需要进行第五步薄膜沉积/离子注入：通过不断沉积薄膜以及刻蚀去除掉器件中多余的部分，同时添加一些材料将不同的器件分离开来，每个晶体管或存储单元就是在这个过程中构建起来的；在上述过程完成后，需要将器件互连并进行测试，测试无误后才能进行最后的封装，得到最后的半导体芯片。由于半导体（集成电路）制造的过程十分复杂，涉及的金属材料品种包罗万象，本节中我们以 SEMI 对半导体材料的分类为脉络，逐个分析涉及金属的半导体材料，主要包括衬底及外延、掩膜版、电子特气、靶材、其他材料（高 K 材料及电镀液）、键合丝、引线框架、焊料，下文将分别对这些半导体材料涉及的金属做进一步阐述。

1.1、衬底&外延（前道制造）：三代半导体材料依次登场

衬底环节是金属材料在半导体器件中的关键环节，所谓衬底即是一种用于制造半导体器件的材料基底，常见的衬底包括硅、锗、碳化硅等。在生产半导体芯片的工艺流程中，晶圆生产通常为第一道工序，而晶圆便是由衬底材料切割而来。从半导体的发展历史看，半导体衬底材料经历了三代的更新迭代，并正在向着第四代材料稳步迈进。其中第一代半导体材料以锗（Ge）和硅（Si）为主，其中锗目前半导体应用较少，而硅仍是目前最主流的半导体衬底材料；第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、锑化铟(InSb) 和硫化镉(CdS) 等 I-V 族化合物材料为主，由于化合物半导体的宽禁带优势以及下游应用领域的进一步发展，砷化镓与磷化铟未来的使用量将提升；第三代半导体材料则是以碳化硅 (SiC)、氮化镓 (GaN)、氧化锌(ZnO)和氮化铝(AIN) 等为代表的宽禁带(禁带宽度大于 2.2eV)半导体材料，其中碳化硅与氮化镓备受关注；而第四代半导体材料主要包括氮化铝（AlN）、金刚石、氧化镓（Ga2O3）,它们被称为超宽禁带半导体材料，目前尚处于起步阶段。

从四代半导体的性能参数对比看，第一代半导体表现出较低的禁带宽度、介电常数以及击穿电场，其优势在于低廉的成本以及成熟的工艺，因此更加适应低压、低频、低温的工况。第二代半导体材料具有发光效率高、电子迁移率高、适于在较高温度和其它条件恶劣的环境中工作等特点，同时工艺较第三代半导体材料更为成熟，主要被用来制作发光电子、高频、高速以及大功率器件，在制作高性能微波、毫米波器件方面是绝佳的材料。第三代半导体材料随着智能时代的来临而备受青睐，禁带宽度明显增加，击穿电压较高，抗辐射性强，电子饱和速率、热导率都很高。基于上述特性第三代半导体材料不仅能够在高压、高频的条件下稳定运行，还可在较高的温度环境下保持良好的运行状态，并且电能消耗更少，运行效率更高。而第四代半导体材料显示出最大的优势便是其更宽的禁带宽度，因此其更适合应用于小尺寸、高功率密度的半导体器件。半导体代际区分的关键指标为“巴利加优值”，它以 IEEE 荣誉勋章获得者 B.贾扬特•巴利加（B.Jayant Baliga）的名字命名。本质上，它表示的是器件的输出在高电压下对输入信号细节的再现程度，优值越高，再现程度越完整。我们假设第一代半导体硅基材料的优值为 1，第二代半导体材料优值需要达到其 10 倍以上，第三代半导体材料优值需要达到其 100 倍以上，第四代半导体材料优值需要达到其 1000 倍以上。

1.1.1、锗衬底：步入迟暮之年的半导体材料

锗是世界上第一个晶体管以及第一块集成电路芯片所用的半导体材料，在半导体发展的早期，晶体管市场的主流是锗，硅晶体管销量不及它的零头。而由于成本、稳定性以及工况温度的问题，硅逐渐取代了锗，成为了半导体行业最主要的衬底材料。目前锗在电子/半导体领域的应用仅限于少数特殊的硅锗(SiGe)器件，尽管这种化合物的载流子迁移率能达到标准硅的两到三倍，但仍然不是主流工艺。目前仍然可以从部分供应商那里买到锗单晶的晶体管，但它们的量极少，远不是主流产品。锗现在的主要应用是光学系统，因为它对 8 至 14 微米热波段的红外光是相对透明的，这使得它很适合用于镜头系统和热成像系统中的光学窗口。根据 Exactitude Consultancy 的数据，2022 年锗金属下游需求中，光纤领域和红外领域占比最大，分别达到 36%与 24%。

1.1.2、硅衬底：半导体的主流材料

与锗一样，单晶硅也是第一代半导体材料；不同于锗单晶的使用量逐年下降，硅可以说是半导体的中流砥柱，目前绝大部分的集成电路以及其他半导体器件都是以硅作为衬底材料制作的，这是由于硅具有以下优势：1）安全无毒，对环境无害，属于清洁材料。2）天然绝缘体，可通过加热形成二氧化硅绝缘层，防止半导体漏电现象，因此在晶圆制造时可以不用在器件表面沉积多层绝缘体，降低晶圆制造生产成本。3）储量丰富，硅元素在地壳中占到 27.7%，价格低廉从而降低半导体的材料成本。4）制作工艺成熟。经过长时间的发展，与其他半导体材料相比较，硅材料的应用技术更加成熟且更具有规模效益，在这样的条件下，硅材料显得“物美价廉”，这样的特质给予了硅材料不可替代的行业地位。据 Yole 预测，硅基材料器件未来仍将占据半导体市场的主导地位，预计未来市场渗透率仍超过 80%（此前长期超过 90%）。

根据国际半导体产业协会（SEMI）统计，2022 年全球半导体硅晶圆出货面积达 145.65 亿平方英寸，较 2021 年增长 3.9%，超过了 2021 年创下的记录；总营收达 137 亿美元，增长 9.6%，同样创下历史新高。随着汽车、工业、物联网以及 5G 建设的驱动下，半导体用硅在 2022 年需求均有增长。SEMI 于 2023 年 10 月最新预期，由于总体经济环境充满挑战，2023 年半导体硅晶圆出货面积将出现下滑，约 125 亿平方英寸，较 2022 年下降 14.10%。受通膨、升息等因素影响，个人电脑及智能手机等市场需求疲软，产业链库存问题严重，台积电此前在 2022 年预期，2023 年全球半导体业产值或将面临衰退窘境。联电也于同一时间预期 2023 年晶圆代工业产值将负增长。 SEMI 预期，在 5G、汽车及工业应用对半导体的强劲需求驱动下，随后几年半导体硅晶圆出货面积将出现反弹，2024 年有望较 2023 年增加 8.52%，达 135.78 亿平方英寸，2025 年再增加 12.92%，达到 153.32 亿平方英寸。

1.1.3、砷化镓衬底：崭露头角的第二代半导体之星

第二代半导体材料砷化镓是由金属镓与半金属砷按原子比 1:1 化合而成的化合物。砷化镓具有灰色的金属光泽，其晶体结构为闪锌矿型。砷化镓早在 1926年就已经被合成出来了，1952 年确认了它的半导体性质。用砷化镓材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度高，能满足集成光电子的需要。砷化镓是目前最重要的光电子材料，也是继硅材料之后最重要的微电子材料，适合于制造高频、高速的器件和电路。在人工智能、元宇宙产业的驱动下，催化了以 Mini/Micro LED 为主的新型显示技术的快速发展，这也让 LED 用半导体型砷化镓的市场需求得到进一步拓展。新型 LED 显示屏幕所需的红黄光 LED 制作工艺极其复杂，难度极高，然而砷化镓衬底在用来生产红黄光 LED 方面具有天然的优势。目前，砷化镓红黄光 LED 主要用于室内及室外显示屏、汽车刹车灯、家用电器、交通指示灯、MiniLED 显示屏等，是照明市场上的主要衬底材料。得益于下游新兴市场的壮大，砷化镓的年需求量也逐渐增多。据 Yole 数据显示，2019 年全球砷化镓衬底市场销量（折合 2 英寸）约为 2000 万片，全球砷化镓衬底市场规模约为 2 亿美元；预计到 2025 年全球砷化镓衬底市场销量（折合 2 英寸）将超过 3500 万片，年复合增长率为 9.72%。届时全球砷化镓衬底市场规模将达到 3.48 亿美元。

1.1.4、磷化铟衬底：不可忽视的另一颗第二代半导体材料新星

磷化铟是磷和铟的化合物，磷化铟作为半导体材料具有优良特性。使用磷化铟衬底制造的半导体器件，具备饱和电子漂移速度高、发光波长适宜光纤低损通信、抗辐射能力强、导热性好、光电转换效率高、禁带宽度较高等特性，因此磷化铟衬底被广泛应用于制造光模块器件、传感器件、高端射频器件等。 20 世纪 90 年代以来，磷化铟技术得以迅速发展，并逐渐成为主流半导体材料之一。由于下游市场需求有限以及成本较高，磷化铟衬底市场规模相对较小。未来，在数据中心、5G 通信、可穿戴设备等新兴市场需求的带动下，磷化铟衬底市场规模将持续扩大，成本也将随着规模效应而降低，进一步促进下游应用领域的发展。根据 Yole 预测，2026 年全球磷化铟衬底（折合 2 英寸）预计销量为 128.19 万片，2019-2026 年复合增长率为 14.40%。

磷化铟衬底上游为铟金属，其大部分产量由我国提供。根据我们在2023.9.12 外发的研报《锑银共振，铟待花开——光伏对金属材料需求测算报告》中的测算， 2022 年铟的主要应用中，最大下游市场为 ITO 靶材，需求占比达到 72%；其次是焊料和合金、电子半导体领域，需求占比分别为 12%和 11%；光伏领域占比为 1%。我国是全球最大的消费电子生产国，全球平板显示器产能正在向国内转移，因此国内市场对铟的需求快速上升。

1.1.5、碳化硅衬底：正在崛起的第三代半导体材料

以碳化硅为代表的第三代半导体大功率电力电子器件是目前在电力电子领域发展最快的功率半导体器件之一。碳化硅作为第三代半导体材料的典型代表，也是目前晶体生产技术和器件制造水平最成熟，应用最广泛的宽禁带半导体材料之一，目前已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。碳化硅是高温、高频、抗辐射、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。由于碳化硅功率器件可显著降低电子设备的能耗，因此碳化硅器件也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源器件”。另外，现在的宽禁带半导体器件几乎都做在外延层上，而碳化硅也是这些外延层生长的重要衬底。半导体照明领域：采用碳化硅作为衬底的 LED 器件亮度更高、能耗更低、寿命更长、单位芯片面积更小，在大功率 LED 方面具有非常大的优势。

各类电机系统：在 5 千伏以上的高压应用领域，半导体碳化硅功率器件在开关损耗与浪涌电压上均有应用，最大可减少 92%的开关损耗，半导体碳化硅功率器件功耗降低效果明显，设备的发热量大幅减少，使得设备的冷却结构进一步简化，设备体积小型化，大大减少散热用金属材料的消耗。新能源汽车及不间断电源等电力电子领域：新能源汽车产业要求逆变器的半导体功率模块，在处理高强度电流时，具有远超出普通工业用途逆变器的可靠性；在大电流功率模块中，具有更好的散热性，高效、快速、耐高温、可靠性高的半导体碳化硅模块完全符合新能源汽车的要求。半导体碳化硅功率模块小型化的特点可大幅降低新能源汽车的电力损失，使其在 200℃高温下仍能正常工作。更轻、更小的设备重量减轻，从而减少汽车自身重量带来的能耗。半导体碳化硅材料除了在新能源汽车中占有重要地位外,在高铁、太阳能光伏、风能、电力输送、UPS 不间断电源等电力电子领域均起到了节能环保作用。根据研究机构 TECHCET 的预测，尽管全球经济普遍放缓，但 2023 年碳化硅(SiC)衬底市场将持续强劲增长。2022 年，碳化硅 N 型衬底市场规模比 2021 年增长了约 15%，出货量达到总计 88.4 万片（等效 6 英寸），预计该市场将在 2023 年进一步增长，达到 107.2 万片晶圆（等效 6 英寸），比 2022 年进一步增长约 22%，2022-2027 年的整体复合年增长率估计约 17%。

1.1.6、碳化硅外延：碳化硅衬底功能发挥的关键

外延（epitaxy）生长是指在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段。新单晶可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料（同质外延或者是异质外延）。由于新生单晶层按衬底晶相延伸生长，从而被称之为外延层（厚度通常为几微米），而长了外延层的衬底称为外延片（外延片=外延层+衬底）。

外延片作为半导体原材料，位于半导体产业链上游，是半导体制造产业的支撑性行业。外延片制造商在衬底材料上通过 CVD（Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积）设备、MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）设备等进行晶体外延生长、制成外延片。外延片再通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等制造环节制成晶圆。

外延生长技术发展于 50 年代末 60 年代初，当时为了制造高频大功率器件，需要减小集电极串联电阻，又要求材料能耐高压和大电流，因此需要在低阻值衬底上生长一层薄的高阻外延层。外延生长的新单晶层可在导电类型、电阻率等方面与衬底不同，还可以生长不同厚度和不同要求的多层单晶，从而大大提高器件设计的灵活性和器件的性能。外延技术作用主要体现在： 1.可以在低（高）阻衬底上外延生长高（低）阻外延层。 2.可以在 P（N）型衬底上外延生长 N（P）型外延层，直接形成 PN 结，不存在用扩散法在单晶基片上制作 PN 结时的补偿的问题。3.与掩膜技术结合，在指定的区域进行选择外延生长，为集成电路和结构特殊的器件的制作创造了条件。 4.可以在外延生长过程中根据需要改变掺杂的种类及浓度，浓度的变化可以是陡变的，也可以是缓变的。 5.可以生长异质、多层、多组分化合物且组分可变的超薄层。 6.可在低于材料熔点温度下进行外延生长，生长速率可控，可以实现原子级尺寸厚度的外延生长。 7.可以生长不能拉制单晶材料，如 GaN，三、四元系化合物的单晶层等。

由于 SiC 材料的质量及其表面特性不能满足直接制造器件的要求，制作 SiC 的高压、大功率、高频器件需要较厚的外延层及较低的掺杂浓度。而早在 1959 年就开发出来的薄层单晶材料生长工艺，即外延生长，可以很好地解决高压大电流制作的需求，在电阻极低的衬底上生长一层高电阻率的外延层，器件制作在外延层上。外延层的电阻率很高，可以保证器件具有高的击穿电压，而低阻的衬底又可以确保器件具有低的串联电阻。总的说来，通过外延层，可以获得比衬底材料更完美可控的晶体结构，有利于基于材料的应用开发。而外延的生长可以消除许多缺陷，使晶格排列整齐，表面形貌得到改观。 SiC 的外延片通常以 SiC 的同质外延为主，要想制成功率器件，需要在 SiC 衬底上生长 1 层或几层 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 漂移层中平衡外延层厚度及掺杂浓度是获得高耐压器件的关键。一般低压在 600 伏，需要的外延厚度大概在 6 个μm 左右，中压 1200~1700 伏，厚度就是 10~15 个μm。高压 1 万伏以上，大概需要 100 个μm 以上，所以随着耐高压能力的增加，外延厚度随之增加。

1.1.7、氮化镓外延：氮化镓材料真正发光发热之处

氮化镓材料具有较宽的禁带以及较好的物理化学性质与热稳定，可以更好地满足 5G 技术、新能源汽车以及军事探测等领域对高功率耐高温、高频耐高压器件的需求，有着不错的市场前景。从氮化镓材料自身的性质来看，其在高温下会分解，不能使用单晶硅生产工艺的传统直拉法拉出单晶，需要纯靠气体反应合成，而氮气性质非常稳定，镓又是非常稀有的金属，两者反应时间长，速度慢，反应产生的副产物多，因此生产 GaN 对设备要求苛刻，技术复杂，产能极低。在衬底方面，生产氮化镓衬底依然存在着严重的技术困难，一片 2 英寸的氮化镓晶片，在国际市场上的售价高达 5000 美元，而且一片难求。由于GaN在常压下无法熔化，且在高温下分解为Ga和N2，在其熔点(2300℃) 时的分解压高达 6GPa，当前的生长装备很难在 GaN 熔点时承受如此高的压力，因此传统熔体法无法用于 GaN 单晶的生长，只能选择在其他衬底上进行异质外延生长。当前的 GaN 基器件主要基于异质衬底(硅、碳化硅、蓝宝石等)制作而成，使得 GaN 单晶衬底及同质外延器件的发展落后于基于异质外延器件的应用。目前常见的氮化镓芯片基本是指硅基氮化镓外延片/碳化硅基氮化镓外延片。

目前，GaN 外延生长方法包括氢化物气相外延（HVPE）、分子束外延（MBE）、金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）等。大多数商用器件都是基于 GaN 异质外延得到的，主要衬底包括碳化硅（SiC）、硅（Si）和蓝宝石（Sapphire）。 1.GaN on SiC HEMT 外延：该外延材料结合了 SiC 优异的导热性能和 GaN 高频和低损耗性能，所以 GaN on Sic 热导率高，使得器件可以在高电压和高漏电流下工作，是射频器件的理想材料。目前，GaN-on-SiC 外延片主要应用于 5G 基站、国防领域射频前端的功率放大器 (PA)。 2.GaN-on-Si HEMT 外延：由于使用 Si 衬底材料,可在大直径硅晶圆上外延 GaN 且具有与传统 Si 工艺兼容等优势,成为功率半导体技术发展的理想选择。 GaN on Si HEMT 外延有常开型(即耗尽型、D 型)和常关型(即增强型、E 型)两种。

3. GaN-on-Sapphire HEMT 外延：该外延结构具有良好的均匀性、高击穿电压、极低的缓冲区泄露电流、高电子浓度、高电子迁移率和低方块电阻，用于射频和功率半导体器件。在蓝宝石衬底上生长的 GaN HEMT 可以通过将器件倒装芯片键合到导热和电绝缘的衬底（例如氮化铝陶瓷）上来实现热管理。根据 Grand View Research 的数据，2021 年全球氮化镓半导体器件市场规模为 18.8 亿美元，2022 年为 21.7 亿美元，预计从 2022 年到 2030 年氮化镓半导体器件的市场规模将以 25.4%的年复合增速增长。市场增长的原因主要是 GaN 半导体器件的卓越性能优于硅器件。与硅器件相比，GaN 的优势包括更高的能效、更低的成本和更快的器件速度等。根据 TrendForce 的数据，2022 年氮化镓市场中英诺赛科的市占率排名第三，为 16%。而根据英诺赛科官网披露的数据，2022 年英诺赛科的 8 英寸硅基氮化镓产量超过了 10000 片/月，年产量超过 120000 片；结合市占率数据，我们可以推算得出 2022 年全球氮化镓晶圆片的产量大约为 75 万片左右，结合前文中氮化镓半导体器件市场规模的增速，我们可以大致预测出氮化镓晶圆 2025 年全球产量将达到 148 万片左右。

1.1.8、衬底&外延总量以及结构的变化

在前文的叙述中，我们分别介绍了主要使用的衬底材料（第一代硅单晶，第二代砷化镓，第三代碳化硅）以及主要的外延材料（第三代氮化镓），并给出了各种材料的市场规模。不同材料的市场规模差距较大，主要是由于氮化镓器件目前主要的商业化运用方式为在外延层上进行制作，而砷化镓器件则可以在衬底上进行制造，衬底与外延层的厚度差距导致了材料平均用量的差距。因此，考察各种半导体衬底&外延材料在半导体市场中的结构有着重要的价值。首先我们基于 2022 年各种材料衬底的出货量数据，计算 2022 年的半导体市场结构情况。由于前文的统计中晶圆尺寸各不相同，我们需要先进行尺寸的统一。以 12 英寸晶圆为基准，折算时 2 英寸晶圆数量需要除以 36，6 英寸晶圆需要除以 4，8 英寸晶圆需要除以 2.25。

晶圆出货总量方面，2022 年晶圆总出货 1.30 亿片晶圆（折合 12 英寸），预计 2025 年晶圆总出货量增长到 1.38 亿片晶圆（折合 12 英寸）。以目前全球晶圆出货量的口径对半导体市场结构进行测算，硅占绝对的主流，2022 年占比为 98.96%，2025 年略微下降为 98.52%；砷化镓排名第二， 2022 年占比为 0.60%，2025 年上升至 0.72%；氮化镓外延晶圆排名第三，2022 年占比为 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%。从目前的市场结构情况看，砷化镓与氮化镓的占比到 2025 年都有一定提升。

1.2、掩膜版（前道制造）：铬金属助力光刻技术

掩膜版（Photomask），又称光罩、光掩膜、光刻掩膜版、掩膜版等，是下游行业产品制造过程中的图形“底片”转移用的高精密工具，是承载图形设计和工艺技术等知识产权信息的载体。掩膜版用于下游电子元器件制造业批量生产，是下游行业生产流程衔接的关键部分，是下游产品精度和质量的决定因素之一。

在掩膜版的生产中，铬为主要使用的金属材料。掩膜版的原材料是掩膜版基板，即涂有光刻胶和镀铬的玻璃基板。镀铬的作用是形成遮光膜材料，除了铬金属以外，也可以使用硅、氧化铁、乳胶遮光膜等；其中，铬相较于其他遮光膜材质能够形成更细微精确的图形，目前用于高精产品较多。利用铬元素作为遮光材料的理由是，首先，铬不但可以镀出均一的厚度，并且在蚀刻制程中还能加工出精细的线路以实现更高分辨率的目标；其次，光掩膜版上的铬是一种无毒害无污染的元素，符合安全管控标准。目前还没有比金属铬更合适的掩膜版遮光材料。除了金属铬之外，铬上还会有一层氧化铬作为抗反射层，用于吸收光刻过程中在晶片表面产生的额外光刻能量的增益。

1.3、电子特气（前道制造）：钨金属化身六氟化钨

电子特气全名电子特种气体，是指应用于电子行业的气体，其质量直接影响电子器件的成品率和性能。目前半导体行业各个环节使用的特种气体有 114 种，常用的有 44 种，主要包含三氟化氮、六氟化钨、六氟丁二烯、氨气等，一般采用液态与瓶装气体生产模式。

其中重要电子特气材料六氟化钨的制备，需要氟气和钨粉在 350 至 400 °C 下反应得到。在半导体器件的制造过程中，通常用六氟化钨的化学气相沉积来形成钨膜。这一层膜用于低电阻率的金属互联。

六氟化钨为成膜气体，通过还原反应：WF6+3H2→W+6HF 使六氟化钨在高温下被氢气或者其他还原性气体（如 GeH4、SiH2F2和二乙基硅烷等）还原为金属钨和 HF，因此六氟化钨作为原材料广泛应用于电子工业中金属钨化学气相沉积（CVD）工艺技术的基础。比如用 WF6制成的 WSi2可用作大规模集成电路中的配线材料。纯度是电子特种气体重要指标之一，直接影响芯片的良品率和可靠性。通常情况下，气体纯度用百分数表示，如 99.99%（4N）、99.999%（5N）、99.9995% （5N5）等。随着集成电路制造工艺的迭代升级，线宽越来越窄，晶体管密度越来越大，对电子特气的纯度、稳定性等指标的要求也越来越高，部分气体纯度需要达到 6N 或以上，中船特气所生产的六氟化钨纯度均达到 6N 以上。六氟化钨工艺流程：将三氟化氮与钨粉在反应器裂解生成六氟化钨粗品，粗品气通过冷阱进行收集，经过吸附塔进行纯化，纯化后的产品由精品罐收集，经检测合格后进行充装。

1.4、靶材（前道制造）：先进用铜钽，成熟用铝钛

超高纯溅射靶材主要用于晶圆制造环节，其为通过磁控溅射、多弧离子镀或其他类型的镀膜系，在适当工艺条件下溅射在基板上形成各种功能薄膜的溅射源。半导体领域靶材具有多品种、高门槛、定制化的特点，其对于溅射靶材的技术要求高，对金属材料纯度、内部微观结构等均有严苛的标准。近年来半导体芯片的集成度越来越高，半导体芯片尺寸不断缩小，对超高纯溅射靶材提出了新的技术挑战。半导体芯片行业用的金属溅射靶材，主要种类包括：铜、钽、铝、钛、钴和钨等高纯溅射靶材，以及镍铂、钨钛等合金类的溅射靶材。金属靶材一般要求超高纯度，杂质占比不能超过 0.01%。根据江丰电子公告，大规模集成电路芯片的制造对溅射靶材金属纯度的要求最高，通常要求达到 99.9995%（5N5）以上，平板显示器、太阳能电池用铝靶的金属纯度略低，分别要求达到 99.999%（5N）、 99.995%（4N5）以上。

铝靶早已被用来作为集成电路互连和触点。铝的问题是电迁移和电阻高。由于半导体领域的进步，大规模集成电路向超大规模集成电路转移，信号处理速度加快，要求传递信号的配线更细，这就要求更低电阻电容的靶材，因此用导电性好的金属铜代替铝为普遍做法。一般认为“丝”径（宽度）小于 0.25μm 就必须使用铜靶。但是铜与硅有很高的化学活性和很快的扩散速度，在低温下就可以形成铜硅合金（Cu-Si）通过氧化硅的电迁移，使得铜在硅中形成深的空穴，影响设备性能，针对这一问题，一般使用铜靶与钽靶配套的方法进行处理。金属钽和钽的化合物有高导电性、高热稳定性和对外来原子的阻挡作用。钽和氮化钽对铜的惰性，Cu 和 Ta、以及 Cu 和 N 之间也不形成化合物，因此钽和钽基膜常用来作为防止铜扩散的阻挡层。随着制程工艺的慢慢提高，铜作为导电层、钽作为阻挡层的搭配将越来越普遍。导电用铜、阻挡用钽基本上以物理溅射沉积的方式在晶圆片上制膜，因此铜靶与钽靶的使用量将会慢慢提升。目前市场上成熟制程（28nm 及以上）的晶圆片所使用的靶材以铝靶和钛靶的配套为主，而在先进制程（28nm 以下）的晶圆片中，金属靶材的选择则以铜靶与钽靶的配套为主。据 IC Insights 数据，2022 年先进制程晶圆占比约为 39%，成熟制程晶圆占比为 61%；而根据 IHS Markit 的预测,2025 年成熟制程晶圆市场占比为 48%，先进制程晶圆占比为 52%。

1.5、其他前道制造材料：电镀液与高 K 材料

除了上述衬底、外延、掩膜版、电子特气与靶材以外，在晶圆的前道制造材料中还有其他涉及金属的重要环节，在这里我们重点介绍电镀液与高 K 材料中所涉及的金属材料。

1.5.1、电镀铜：大马士革工艺

各元件之间的互连是集成电路工艺中的关键技术。早期使用铝作为互连线材料，它容易刻蚀，且与 SiO2 的结合性好。但随着集成电路特征尺寸的减小，由微米到亚微米再到深亚微米级，以及互连层数的增加，互连线的 RC 延迟成为制约超大规模集成电路发展的关键。因此，低电阻率的铜成为新一代的互连线材料。但铜不宜刻蚀，因而在集成电路的互连技术中引入了新的互连工艺，即铜的大马士革工艺。

电镀的费用低、速度快、温度要求不高。电镀是大马士革工艺中的重要环节，通过电镀可以将铜填充在沟槽和孔洞中，获得具有良好形貌和性能的铜镀层，从而得到可靠的铜互连线。大马士革一词源自中世纪中东地区的金属镶嵌技术，大马士革工艺的本质是用化学机械抛光（CMP）工艺代替刻蚀工艺，解决 Cu 难以产生挥发性物质因而难以刻蚀的问题，我们将在后文进一步介绍该工艺。

1.5.2、高 K 材料新贵：铪金属

所谓高 k 材料，即介电常数 K 值很高的材料，真空 K 值为 1，在所有材料中最低；空气 K 值为 1.0006；橡胶 K 值为 2.5~3.5；纯净水 K 值为 81。工程上根据 K 值的不同，将电介质分为高 K 和低 K 介质两类：K>3.9（二氧化硅的介电常数）的为高 K 材料，K≤3.9 的为低 K 材料。上个世纪末集成电路特征尺寸缩小到 130nm 时，摩尔定律遇到一个很重要的挑战就是栅极的漏电流问题。当特征尺寸为 130nm 时，为了正常地驱动 MOSFET，对应的 SiO2栅极层物理厚度必须降低到 3 nm 以下，这会导致电子的直接遂穿效应变得非常明显，从栅极过来的遂穿电流将急剧增加，栅极漏电流可能与沟道电流相比更大，导致器件不稳定，同时产生大量焦耳热等一系列的问题，最终导致器件失效。

2007 年，Intel 公司宣布在其 45nm 技术工艺中成功采用了一种基于 HfO2 的高 K 材料，即二氧化铪。HfO2由于具有合适的 K 值、带隙、势垒与较优的材料热稳定性、界面特性及工艺简单等众多优势，在高级晶体管集成电路量产工艺中广泛和长期使用。生长高 K 材料的方法有物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)、化学气相沉积 (chemical vapor deposition, CVD) 与原子层积 (atomic laver deposition,ALD) 等，其中 ALD 是主要方法。目前，在 DRAM 储存芯片的使用上广泛使用铪，三星电子、SK 海力士等存储芯片大厂在生产最先进 DRAM 时增加铪的用量。2022 年前三季度，三星每月的 DRAM 晶圆总产量为 66.5 万片（折合 12 英寸）。结合国家发改委披露的数据，2022 年第三季度全球 DRAM 产业中三星市占率大约为 40.7%，我们可以测算 2022 年全球共生产 DRAM 晶圆约 1961 万片。根据 Mordor Intelligence 的预测，DRAM 市场规模预计从 2022 年到 2027 年将以约 3.18% 的年复合增长率持续增长，我们以此年复合增长率作为 DRAM 出货量的增长速度，可以测算得到 2025 年全球 DRAM 晶圆出货量将达到 2154 万片。

1.6、键合丝（后道封装）：金、银、铜皆有应用

在成功完成前道制造工艺流程后，晶圆已经升级成了“IC”，还需要进行后道的“测试”和“封装”。在测试流程中需要将晶圆上的 IC 切割变成晶粒再进行测试，通过测试后以金属材料和树脂材料制作器件的外壳将晶粒进行封装，成为最终的成品“芯片”。在 IC 封装中，需要用到金属材料的两个环节主要包括引线框架以及键合丝。芯片和引线框架（基板）的连接为电源和信号的分配提供了电路连接。就目前的封装工艺看，有两种主流方式实现内部连接∶引线键合/打线封装（Wire Bonding）、覆晶封装（Flip Chip）。所谓引线键合即是透过“键合丝”把 IC 上的连接点跟 IC 载版或引线框架连接起来。如果是以引线框架封装，芯片内部的 IC 便是藉由引线框架，从内部直接连接到外部的 PCB 上。而覆晶封装是在 IC 的连接点上接合“金属凸块”（Solder Bump），再把 IC 翻覆，让 IC 上的凸块与 IC 导线载板连接起来。

虽然目前 90%以上的连接方式仍是引线键合，但是随着人们对于半导体芯片的要求越来越高，脚线数量越来越多，传统引线键合的方式将不能满足芯片的需求。

键合丝涉及到的金属材料主要包括金、银、铜、铝、锡。键合用的引线对焊接的质量有很大的影响，尤其对器件的可靠性和稳定性影响更大。理想键合丝材料具有以下特点：能与半导体材料形成低电阻欧姆接触；化学性能稳定，不会形成有害的金属间化合物；与半导体材料接合力强；可塑性好，容易实现键合；弹性小，在键合过程中能保持一定的几何形状。金丝和铝丝在 2010 年以前是使用最普遍的焊线材料，目前铜线异军突起，有望成为最主流的键合线。金性能稳定，做出来的产品良率高，但是价格昂贵。铝虽然便宜，但不稳定，良率低。几种主要的焊线对比如下：（1）金丝：使用最广泛，传导效率最好，但是价格也最贵，近年来已有被铜线取代的趋势。（2）铝丝：多用在功率型组件的封装。（3）铜丝：由于金价飞涨，近年来大多数封装厂积极开发铜线制程以降低成本。铜线对目前国内的部分封装厂来说，在中低端产品上还是比较经济的，但是需加保护气体，刚性强。（4）银丝：特殊组件所使用，在封装工艺中不使用纯银线，常采用银的合金线，其性能较铜线好，价格比金线要低，也需要用保护气体，对于中高端封装来说不失为一个好选择。根据《铜键合线的发展与面临的挑战》，2005 年的集成电路封装中，金线键合占绝大部分，铝线键合封装只占总封装的 5%，而铜线键合大概也只有 1%；而 2019 年，键合丝市场结构已经发生了巨大变化，金线键合仍然占比最高，但是已经大幅下降至 32%，纯铜丝键合与镀靶铜丝键合占比分别为 25%以及 29%，预计未来铜将成为主流键合丝原材料。

1.7、引线框架（后道封装）：铜基框架占主导地位

引线框架提供封装组件电、热传导的途径，也是所有封装材料中的重要一环。引线框架材料主要为铜合金，其大致分为铜—铁系、铜—镍—硅系、铜—铬系、铜—镍—锡系（JK--2 合金）等，三元、四元等多元系铜合金能够取得比传统二元合金更优的性能和更低的成本。由于引线框架制作及封装应用的需要，除高强度、高导热性能外，对材料还要求有良好的钎焊性能、工艺性能、蚀刻性能、氧化膜粘接性能等。目前引线框架材料在向高强、高导电、低成本方向发展，在铜中加入少量的多种元素，在不明显降低导电率的原则下，提高合金强度（使引线框架不易发生变形）和综合性能。另外，铜带材持续向高表面一致性、精确板型、性能均匀、带材厚度不断变薄的方向发展，从 0.25mm 向 0.15mm、0.1mm 逐步减薄。

1.8、焊料（后道封装）：锡金属大展身手

除引线框架及键合丝所涉及金属金、铜之外，锡同样也是重要的半导体封装材料。在半导体封装流程中，为了便于芯片与封装基板的键合，会在芯片上留出凸块接点，然后在表面上锡处理。由于锡具有较低的熔点和良好的机械性能，因此被广泛用于制作焊点。焊点是半导体器件与电路板之间的连接点。焊点需要具有良好的连接强度、高温稳定性和电学性能。锡的熔点低，使得它可以快速固化，从而稳定焊点的位置。此外，锡还可以在高温下形成一层氧化层，起到保护电路的作用。焊锡凸块（Solder Bump）在覆晶封装以及未来可能的封装工艺中频繁使用。覆晶封装及前沿封装工艺都是采用焊锡球凸块(solder bump)或微凸块（Micro bump）来实现芯片与基板、芯片与中介层(interposer)、芯片与芯片间的电连接。Solder bump/micro bump 在制备工艺中都有植球的步骤，所植的球就是焊锡凸块（Solder bump），也就是说芯片间的连接都是靠焊锡凸块进行连接。

1.9、其他后道封装材料：Low-α材料

随着芯片制程工艺的发展，“摩尔定律”迭代速度放缓、芯片成本攀升问题逐步显露。“后摩尔时代”以系统应用为出发点，不执着于晶体管的制程缩小，而将各种技术进行异质整合的先进封装技术作为 “超越摩尔定律”的重要路径。先进封装正成为助力系统性能持续提升的重要保障，并满足“轻、薄、短、小” 和系统集成化的需求。 HBM 采用先进封装技术，相比传统封装芯片最高带宽提升接近 11 倍。HBM （High Bandwidth Memory）是一款新型的 CPU/GPU 内存芯片，HBM 利用先进封装工艺将 DDR 芯片垂直堆叠在一起并和 GPU 封装在一起（传统封装是采用平面分布 DDR 芯片），缩短信息传输距离的同时实现大容量、高带宽。根据海力士官网披露数据，最新代际 HBM 最高带宽可达 665GB/s，相比于传统封装工艺的 GDDR6 的最高带宽 56GB/s，提升约 10.9 倍。

Low-α球形硅微粉及球形氧化铝为 HBM 封装关键材料。对于垂直堆叠的 DDR 芯片需要使用 GMC（颗粒状环氧塑封料）对其整体进行封装。由于导体器件中存在天然放射性元素铀所携带的α粒子，当它们被射入微电子器件的灵敏区时，会引起半导体器件发生单粒子效应，导致 CPU 运行错误，因此控制α粒子的含量高低在封装环节使用的 GMC 中显得至关重要。Low-α球形硅微粉及球形氧化铝兼具强度高、散热性能好、α粒子含量低等特点，为 HBM 封装材料中必不可少的关键材料。 Low-α球铝/球硅占 GMC 重量的 80%-90%左右。目前球形氧化铝的需求与芯片的性能要求成正比，芯片性能要求越高，掺混的球形氧化铝越多，球铝与球硅的总重量占 GMC 重量的 80%-90%左右。

Low-α球铝技术门槛高，生产难度大，2022 年全球需求量约为 1000 吨，单价约为 300 万元/吨。由于球形氧化铝粉末中的天然放射性元素铀的含量取决于原料中的铀含量，因此重要的是使用铀/钍含量尽可能低以制备具有低铀含量的球形氧化铝粉末，这导致了 Low-α球铝的高技术门槛与生产难度。目前 Lowα球形氧化铝全球范围内的主要供应商为日本雅都玛，国内企业方面，联瑞新材与壹石通有望实现国产化替代。球硅竞争情况：目前，球形二氧化硅的主要生产商集中在 Tatsumori（日本龙森公司）、Admatechs（日本雅都玛公司）、Denka（日本电化学株式会社）、 Micron（美光）等，Denka 处于世界领先地位，2022 年产量市场份额为 24.05%。随着近年来国内产能不断扩大，中国产品的市场份额有望扩大。2021 年联瑞新材、华飞电子的销量市占率分别为 12%和 6%，已在一定程度上对日本等发达国家高端硅微粉形成进口替代，且进口替代率有望随着国内厂商产能扩建进一步提升。然而，对于以 Admatechs 为主的高端材料——0.01μm-10μm，竞争格局短期内不会改变。球铝竞争情况：全球范围内，球形氧化铝填料主要生产商包括日本电化学株式会社、百图高新、日本雅都玛、昭和电工、新日铁住金、矽比科、天津泽希矿产、联瑞新材、Daehan Ceramics、壹石通、凯盛科技、Dongkuk R&S、益新矿业科技和苏州锦艺新材料等。目前，全球核心厂商主要分布在日本、韩国和中国。

2、半导体金属品种汇总与用量测算

集成电路的制作流程远比上文介绍的要更加复杂，涉及的金属材料也更多。在本节中，我们将对半导体制造流程中所涉及的主要金属种类汇总并进行用量的测算。基于半导体在制造流程中的重要形态是晶圆片，而其最终的产品形态为芯片，我们将以这两种形态作为基本单位进行测算，即测算一片晶圆片所消耗金属材料/一片芯片所消耗金属材料。目前市场上的硅晶圆片根据尺寸分类可以分成 12 英寸、8 英寸、6 英寸及以下等种类，而其中 12 英寸晶圆片占据了最大量的晶圆片出货量。根据 SEMI 的数据，2020 年 12 英寸晶圆片占比达到 68.40%；8 英寸晶圆片占比为 25.40%； 6 英寸及以下占比仅为 6.20%。预计未来一段时间内，晶圆片市场仍将以 12 英寸为主要尺寸，因此后文的测算中也将晶圆折算为 12 英寸尺寸。

2.1、硅：最主流的半金属衬底材料

2.1.1、上游工业硅情况介绍

从工业硅的整体需求量角度看，半导体用硅量较少。工业硅主要用于生产有机硅、制取高纯度的晶体硅材料、以及配置有特殊用途的硅铝合金，三者呈鼎足之势。硅铝合金、有机硅、多晶硅三大领域 2022 年消费量占比分别为 23%、36%、 39%，多晶硅是工业硅最大的消费领域，同时多晶硅也是半导体用硅的来源。按纯度要求及用途不同，可以将多晶硅分为太阳能级多晶硅和电子级多晶硅。半导体和光伏是晶硅原材料生产制造的下游应用领域。目前，光伏行业是多晶硅使用量最大的行业，太阳能级多晶硅对杂质有严格的要求，通常要求多晶硅的纯度需达到 99.9999%以上；电子级多晶硅对于产品纯度要求更高，一般要求 9N 以上（99.9999999%）。半导体芯片所用硅晶圆一般由硅单晶制成，而硅单晶则需以多晶硅直拉或是区熔得到。 2022 年，全球多晶硅产量为 100.1 万吨，同比增加 55.9%，中国占据全球多晶硅产量 85%以上。其中，电子级多晶硅产量约为 3.92 万吨、太阳能级块状硅约为90万吨、颗粒硅为6.16万吨，在全球多晶硅总产量中的占比分别为3.9%、89.9%和 6.2%。从整体需求角度看，半导体用硅，即电子级多晶硅在 2022 年仅占硅整体需求量的 1.52%。

在多晶硅市场上，中国企业处于绝对的领先地位，根据 Bernreuter Research 的调研数据，2021 年全球前四的多晶硅企业都来自中国，且产能均超过 10 万吨/年。其中前两大生产商通威股份和协鑫科技，产能分别为 20.5 万吨/ 年、14 万吨/年。根据通威股份 2023 年半年报，通威股份的硅产能已经扩大至 42 万吨。

2.1.2、半导体用硅用量测算

根据前文所述，半导体衬底可以划分为四代，但是目前硅仍然是半导体器件最重要的材料，占比超过 90%，测算第一代硅衬底材料的用量同样是我们测算的起点。我们先看看硅晶圆的价格情况。自从 2016 年硅晶圆价格探底之后，由于通讯、计算机、汽车、消费电子、医疗电子等传统应用领域需求的稳定带动，叠加光伏、智能电网、人工智能、物联网等新兴产业的崛起，近些年半导体硅晶圆价格回到高位水平。根据 SEMI 公布的数据，半导体硅晶圆价格从 2016 年 0.67 美元/平方英寸上涨至 2022 年价格 0.94 美元/平方英寸。

硅片作为硅晶圆的重要上游原材料，其价格与硅晶圆的销售价格有着较强的相关性。为了得到较新的硅片原材料价格，我们假设硅片价格与硅晶圆价格同比例变化。

在各公司招股说明书中，只对历年的 8 英寸半导体硅片价格进行披露，表格中的 12 英寸硅片价格为根据晶圆面积进行同比例调整后得到的结果。据此测算后的结果显示 2017/2018/2019 年 12 英寸硅片价格分别为 525.67/632.75 /715.21 元/片。2022 年，硅晶圆销售单价为 0.94 元/平方英寸，而在 2019 年这一数字为 0.95 元/平方英寸，再根据这两个数据进行测算，2022 年半导体硅片原材料的价格为 715.21*0.94/0.95=707.68 元/片。硅片的上游为电子级多晶硅，冶炼得到高纯度多晶硅后，经过拉伸、长晶、切割等步骤得到硅片。根据立昂微招股说明书中所披露的数据，其 6 英寸硅片的硅用量为 58.34g~68.90g。 12 英寸的硅晶圆片面积为 6 英寸硅晶圆片面积的四倍，因此将 6 英寸硅片硅用量*4，测算得到一个 12 英寸的硅片约需要 233.37~275.59g 的多晶硅材料，平均用量为 250g 左右。

2.2、镓金属：第二代半导体用量大，第三代半导体用量小

2.2.1、上游镓金属市场情况

镓金属是在半导体中应用量最大的金属，其主要表现形式为第二代砷化镓衬底以及第三代氮化镓外延。镓属于稀散金属，目前主要以化合物的形式被用于生产半导体、磁材、MO 源、光伏材料及荧光粉等，并最终广泛应用于无线通信、化学工业、医疗设备、太阳能电池和航空航天等众多领域。从下游应用情况来看，镓在半导体、磁材、 MO 源、光伏材料及荧光粉等领域的应用占比分别为 42%、29%、9%、8%、 7%。

从金属镓的产量分布来看，中国处于绝对的领先地位。根据 USGS 的调研数据，2022 年全球共生产金属镓 550 吨，其中中国生产 540 吨，占比超过 98%，其余生产镓金属的国家包含日本、韩国、俄罗斯，合计生产镓金属仅 10 吨左右。从镓金属生产公司的情况来看，2021 年三门峡铝业、中国铝业、东方希望的全球市占率排名前三，分别为 35.25%、30.41%以及 14.98%，CR3 超过 80%，镓金属的生产集中度较高。

2.2.2、镓金属用量测算

砷化镓衬底用量测算：由于镓金属在半导体中的出现形式主要为砷化镓衬底以及氮化镓外延，我们先对砷化镓的衬底用量计算。衬底材料中主要包括：第一代硅单晶衬底、第一代锗单晶衬底、第二代砷化镓衬底、第二代磷化铟衬底、第三代碳化硅衬底。我们仍以 12 英寸晶圆片作为测算单位，并假设其厚度不变，将各种材料密度代入计算，可以测算得到不同衬底所消耗的金属量。

氮化镓外延金属用量测算

外延金属材料通常存在的形式为衬底材料的延伸薄膜层，如前文所述，外延涉及同质外延与异质外延。目前来看，主要涉及金属材料的外延片为第三代半导体材料氮化镓，对于氮化镓而言这也是其在市场上的主要存在形式，大部分宽禁带半导体器件都是在氮化镓外延层上制作的，因此在本节中我们仅对氮化镓外延的用量进行测算。氮化镓作为外延层，由于厚度较薄，用量较少。根据 IGaN 网站的产品介绍， GaN 外延层在硅衬底上的层数在 4 层左右，这 4 层的厚度最小为仅有 1nm 的 GaN 帽层，最厚可达 500~4000nm 的 GaN 缓冲层。

用量测算上，涉及氮化镓的层数厚度求和，大约是 4400nm。而硅衬底的厚度为 975000nm，氮化镓外延厚度仅为衬底的 0.45%。结合氮化镓的密度 6.1g/cm3 ，一片 12 英寸晶圆所涉及的氮化镓用量大约为 250*0.45%/2.32*6.1≈2.97g。若氮化镓在衬底的应用上出现进一步的突破，使得高纯氮化镓衬底的商业制备困难大大降低，届时氮化镓的用量或将出现大幅度的提升。与砷化镓衬底的计算一样，我们同样需要根据氮元素与镓元素的相对分子质量比例计算在外延部分镓的使用量。镓的相对分子质量为 70，氮的相对分子质量为 14，因此一片 12 英寸晶圆（氮化镓外延）需要的用镓量为：2.97*70/84 ≈2.48g。结合前文计算的 12 英寸晶圆砷化镓平均用量，276.23g/12 英寸晶圆，我们可以很明显地发现同样是 12 英寸晶圆，第二代半导体耗镓量（砷化镓衬底）远远大于第三代半导体耗镓量（氮化镓外延），其中的巨大差别是衬底与外延的巨大厚度差距所导致的。

2.3、铜金属：半导体中用途最广泛的金属

2.3.1、上游铜市场情况介绍

铜是使用量十分庞大的有色金属，根据国家统计局数据显示，我国电解铜产量自 2015 年快速增长，2020 年超千万吨，2022 年产量达到近年高点 1106.30 万吨。在铜的下游需求方面，半导体（电子）需求并不是最大的，根据安泰科的数据，2020 年电子用铜需求占铜整体需求的 10%。

在全球铜市场的主要企业中，以今年上半年权益铜产量为衡量标准，行业媒体 Kitco 对全球主要铜矿公司进行了排名。其中，智利国家铜业公司、自由港麦克莫兰和必和必拓继续稳居前三。值得一提的是，紫金矿业铜产量同比增加 7.9 万吨，增幅达 19.1%，超越嘉能可和南方铜业，成为世界第四大铜矿公司。

2.3.2、大马士革工艺介绍

一块性能优秀的半导体芯片，不仅仅只需要性质优异的衬底材料，还需要更加精细的工艺在衬底上“绘制”电路并连接，以达到芯片所设计的性能。铜金属为芯片中目前使用较广泛、也是使用量较大的一种金属材料，其在芯片结构中的主要表现形式为金属布线。所谓金属布线，即根据半导体电路图连接电路的过程。晶圆上的晶体管若没有相互连接起来，起不了任何作用。只有把晶体管与外部电源连接起来，它们才能各司其职，正常执行数据传输等各种工作。可见，晶圆上的元器件与电源以及其他元器件之间的连接是必要的。

传统的铝线互连工艺中，一般采用先沉积铝薄膜，再对其进行光刻、刻蚀，留下需要连接的金属铝部分，再积淀二氧化硅和抛光，完成铝线互连。由于铜无法像铝一样进行干法刻蚀，等离子体难以与铜发生反应并形成易挥发的副产物，因此在铜线互连工艺中必须对步骤进行调整，大马士革工艺应运而生。首先沉积二氧化硅，直接对其进行光刻、刻蚀，给铜金属留出其需要填充的槽，随后使用物理气相的方法沉积薄的 TaN 阻挡层用以防止铜的扩散以及薄的 Cu 种子层，为后续步骤的电镀做准备；随后电镀铜填充铜布线，抛光抛去多余的部分，完成铜互连。

铜靶市场情况：芯片中的铜材主要以靶材（物理气相沉积 PVD）的方式进行薄膜制造。靶材方面，我国起步较晚，相较于国外的成熟企业有着一定差距。目前具有规模化生产能力的企业数量相对较少，产业集中度较高。美国、日本跨国集团产业链完整，JX 日矿金属、霍尼韦尔、东曹和普莱克斯四家企业竞争力较强，2021 年四家企业的市场份额分别为 30%、20%、20%和 10%，合计垄断了全球 80%的市场份额。

目前，国内外企业技术差距正逐步缩小。国内高纯金属靶材生产企业已经逐渐突破关键技术门槛，打破了金属靶材核心技术由国外垄断、产品供应完全需要进口的不利局面。我国靶材行业主要公司有江丰电子、有研新材、阿石创、隆华科技等。

硫酸铜市场情况：硫酸铜为半导体大马士革电镀工艺的重要上游原材料，也是重要的无机原料，广泛应用于农业、饲料、水处理、电镀、催化剂、油漆、选矿等行业。目前生产硫酸铜的原料主要有金属铜、铜精矿、氧化矿以及铜镍废渣等。硫酸铜的市场壁垒较低，生产硫酸铜的企业众多，根据 Expert Market Research 的排名，目前全球生产硫酸铜的企业排名前五的分别是 Wego Chemical Group、艾伦化学公司、安美特、Noah Technologies Corporation 及 Old Bridge Chemicals Inc。

2.3.3、前道制造铜金属用量测算

铜靶用铜测算靶材作为芯片生产的核心耗材之一，需要高纯度的金属。如前文所述，目前半导体金属靶材的使用种类以铜靶配套钽靶、钛靶配套铝靶为主。而一块金属靶材可以溅射八千到一万片晶圆，我们对此求平均值，即每一块晶圆需要消耗 1/9000 块金属靶材。由于靶材金属纯度一般高达 99%以上，且形状为圆形，我们只需要计算靶材的体积，搭配该金属材料的密度即可得出每一块靶材的质量。根据有研新材公司公告，有研亿金的铜系列高端靶材产品全面实现技术突破,12 英寸高纯铜及铜合金靶材、高纯镍铂靶材和高纯钴靶材的多款产品已经通过多家集成电路高端客户认证；另外，根据 Ronald A. Powell Director 等人所编著的《PVD for Microelectronics Sputter Deposition Applied to Semiconductor Manufacturing》，通常 12 英寸靶材厚度为 0.5 英寸，则 12 英寸靶材的体积约为 3.14*15.24*15.24*1.27≈926.20 立方厘米，同时其密度为 8.92g/立方厘米，因此一块铜靶材的质量大约为 8261.70g。由于每一块晶圆需要消耗 1/9000 块金属靶材，一片 12 英寸晶圆的靶材用铜量约为 0.918g。钽密度为 16.68g/立方厘米，因此一块钽靶材的质量大约为 15449.01g，一片 12 英寸晶圆的靶材用钽量约为 1.717g。我们用同样的方法对铝靶和钛靶进行测算，若一片 12 英寸晶圆使用铝/钛靶材，则需要 0.278g 铝以及 0.463g 钛。

2.8.2、金、银用量测算

金和银在半导体芯片中的用量测算可以参考前文的键合铜丝用量测算部分，同样计算键合丝的体积，结合金属的密度算出金属用量。

2.9、锡金属：主要的后道封装焊料

2.9.1、锡金属市场情况

纵观锡的下游需求，占比一半为锡焊料。根据 ITA 的数据，2020 年全球锡的下游需求构成中，占比最大的是锡焊料，比例为 49%，其次是锡化工和马口铁，占比分别为 18%、12%，铅酸电池和合金的需求量占比分别为 7%、5%。锡焊料的应用主要集中在电子领域。根据 SIA 的数据，2022 年全球锡焊料的应用领域中，有 31.5%用于计算机，30.7%用于通信，12.4%用于汽车电子， 12.3%用于消费电子，12.0%用于工业。其中，前四个属于电子领域。

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