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报告发布方:中金企信国际咨询《2024-2030年全球与中国溅射靶材行业调查与企业投资规划建议研究报告-中金企信发布》
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1、溅射靶材行业基本情况
(1)薄膜制备技术发展历程:薄膜材料由原子或分子在基板(例如光学玻璃等)表面凝结、形成及生长而成。利用镀膜工艺镀制薄膜后,可使材料表面获得新的复合性能并实现新的工程应用,赋予材料表面新的机械功能、装饰功能和声、电、光、磁、热及其转换等特殊功能,从而改善产品原有性能、提高产品质量、延长产品寿命。
薄膜材料产业发展早期,受制于制备技术及材料性能,薄膜材料仅应用于抗腐蚀、制造镜面等用途。随着制备薄膜材料的真空系统、检测系统等技术的进步与发展,薄膜材料的性能大幅提升,应用领域亦迅速拓展。尤其是20世纪50年代以来,随着电子工业和信息产业的兴起,薄膜制备技术和薄膜材料在印刷线路板的大规模制备和集成电路的微型化等方面彰显优势。目前,薄膜合成与制备已经成为新材料研制不可或缺的重要手段之一,薄膜制备技术和薄膜材料在现代科技和国民经济的各个重要领域得到广泛应用,如航空航天、电子信息、医疗、能源、通信等。
真空镀膜技术是薄膜制备的基础,几乎所有薄膜材料的制备都需在真空或较低的气压条件下进行。按照工艺原理的不同,真空镀膜技术可分为CVD(化学气相沉积)和PVD(物理气相沉积)。CVD是一种通过气体混合的化学反应在基体表面沉积薄膜的工艺,对反应物和生成物的选择具有一定局限性。此外,由于化学反应需要在较高的温度下进行,基片所处环境温度一般较高,对基片材料的选取也具有一定限制。PVD是一种通过物理方式在基体表面沉积具有某种特殊功能薄膜的技术,沉积材料和基板材料的可供选择范围广泛、膜层厚度更易控制、附着力更强、适用范围更广,镀膜过程更加节能、安全、环保,目前已成为薄膜制备技术中的主流技术。
按照具体工艺及技术路线划分,PVD真空镀膜技术主要包括真空蒸镀技术和真空溅射技术两大类。真空蒸镀镀膜工艺简单便利、操作方便、成膜速度快,在发展初期占据主流,但由于该技术无法蒸发难熔金属和氧化物材料、大尺寸基板材料镀膜适用性较差等因素,逐步被真空溅射技术取代。真空溅射镀膜工艺可重复性好、膜厚可控制,可在大面积基板材料上获得厚度均匀的薄膜,制备的薄膜具有纯度高、致密性好、与基板材料的结合力强等优点,已成为各类薄膜工业化制备的主要技术之一。随着薄膜性能要求的不断提升,真空溅射技术持续升级迭代,目前应用最广泛的是磁控溅射技术。
磁控溅射技术中使用的镀膜材料主要为溅射靶材,根据采用的溅射靶材形状的不同可分为平面磁控溅射技术和旋转磁控溅射技术。磁控溅射技术是在真空环境中通过电场加速离子后形成具有高动能的离子束流碰撞固体表面,固体表面的原子被溅射出并离开固体沉积在被镀膜体表面,被离子高速碰撞的固体(即:溅射靶材)就是产生薄膜的来源,在沉积过程中就像被射击的靶子一样。
(2)溅射靶材的结构及分类:溅射靶材是指通过磁控溅射等镀膜系统在适当工艺条件下溅射沉积在基板上形成各种功能薄膜的溅射源。
溅射靶材主要由靶坯和背板(或背管,下同)构成。靶坯系溅射靶材中的核心部分,是溅射镀膜过程中高动能离子束流轰击的目标材料,靶坯被离子撞击后,表面的原子被溅射出来并沉积于基板表面形成薄膜。背板主要用于固定支撑靶坯材料、导热、导电,一般由金属材料制成,因溅射靶材需安装在专用的溅射镀膜设备内完成溅射过程,设备内部为高电压、高真空的工作环境,多数靶坯的材质较软、脆性高、导电导热性较差等,不适合直接安装在设备内使用,因此需与背板绑定。
随着磁控溅射镀膜技术的不断进步和下游应用需求的持续发展,溅射靶材采用的材料愈发多样化,目前用于制备溅射靶材的材料包括单质金属/非金属、合金、陶瓷化合物等。金属/非金属单质靶材是由同种金属/非金属元素组成的具有较高纯度及特定微观结构的靶材,例如:铜靶、铝靶、钼靶、钛靶、硅靶,石墨靶、硼靶等,是制备电极布线膜、阻挡膜、粘合膜及反射膜等的重要原材料;合金靶材是由两种或两种以上金属或非金属合成的具有一定金属特性的靶材,例如:钛铝靶、镍铬靶、钼铌靶等,合金靶材具有优于单质靶材的某些特异性质,能够满足新型功能膜系的设计开发需求;陶瓷化合物靶材是由一种或几种氧化物经高温烧结而成的具有陶瓷结构和特性的靶材,例如:ITO靶、IZO靶、AZO靶等,陶瓷化合物靶材具有高强度、高熔点、化学稳定性好、耐腐蚀等优点,但塑性变形能力差,易发生脆性破坏,大尺寸靶材制备难度较大。
溅射靶材必须配套专用的溅射镀膜设备方可进行溅射镀膜。溅射靶材按形状可分为平面靶和旋转靶,平面靶指具有一定厚度的长靶、方靶、圆靶等,由靶坯和背板绑定而成,在溅射过程中,靶坯与基板平行相对,背板下方放置磁铁,在靶坯与基板之间形成电磁场。旋转靶即管状溅射靶材,管靶内放置磁铁,向基板方向形成电磁场。根据是否需要绑定背板或背管,溅射靶材可分为一体靶和绑定靶,一体靶通常为金属单质靶材,制备过程中由金属直接成型,无背板或背管、无需绑定、可直接安装使用;绑定靶通常为非金属单质和陶瓷化合物靶材,需与背板或背管绑定后才可溅射。
(3)溅射靶材行业在产业链中的地位和作用:与上、下游行业之间的关联性溅射靶材产业链主要包括金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用等环节。其中,靶材制造是溅射靶材产业链中的关键环节,溅射靶材的产品质量、性能指标直接决定了终端产品的品质和稳定性。
溅射靶材产业链中,上游金属提纯环节主要是将自然界含有杂质的金属进行提纯处理,从而满足靶材制造环节的生产需求;靶材制造环节所需工序精细繁多,同时需要根据下游应用领域的性能、需求进行特有的工艺设计;溅射镀膜环节主要是将溅射靶材安装在专用的溅射镀膜设备中完成溅射反应,制备出具有导电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导、耐磨、装饰等特性的膜层,并进行元器件封装;终端应用是利用完成封装的元器件生产面向最终用户的产品。
作为各类薄膜工业化制备的关键材料,溅射靶材广泛应用于半导体集成电路、平面显示、太阳能电池、信息存储、低辐射玻璃等领域,各应用领域对溅射靶材的制备技术、产品性能等要求各异。
溅射靶材是制备半导体集成电路的核心材料之一,集成电路中每个单元器件内部由衬底、绝缘层、介质层、导体层及保护层等组成,其中介质层、导体层甚至保护层均需用到溅射镀膜工艺。自集成电路出现以来,集成电路产业一直遵循“一代装备、一代工艺、一代产品”的模式快速发展,芯片集成度不断提高,对制备集成电路的溅射靶材性能要求亦越来越高,半导体集成电路用溅射靶材是目前行业内技术难度最高的领域。
平面显示是溅射靶材需求规模最大的市场应用领域,镀膜是现代平面显示产业的基础环节,为保证大面积膜层的均匀性,提高生产效率和降低成本,几乎所有类型的平面显示器件都会使用大量溅射靶材来制备各类功能薄膜,电视、电脑、手机、车载显示屏等终端产品的很多性能如分辨率、透光率等均与溅射薄膜的性能密切相关。相较于半导体集成电路,平面显示领域对溅射靶材的纯度和技术要求略低,但随着靶材尺寸的增大,对溅射靶材的均匀性、平整度、绑定焊合率等指标提出了更高的要求。
太阳能电池是溅射靶材未来发展潜力较大的应用领域之一,溅射靶材主要用于制备薄膜电池背电极以及HJT太阳能电池导体层。近年来,世界各国均加大力度扶持光伏产业,太阳能电池技术在全球范围内快速发展,从早期的单晶硅、多晶硅太阳能电池技术已发展到第三代太阳能技术—薄膜太阳能电池技术,溅射镀膜工艺是薄膜电池首选的制备方法。同时,为进一步提高光电转换效率和降低制造成本,HJT太阳能电池技术等新兴太阳能电池技术不断涌现,太阳能电池的大幅应用及推广将推动溅射靶材市场需求快速增长。
此外,溅射靶材亦可广泛应用于信息存储、玻璃镀膜、装饰镀膜、工模具镀膜等领域。相对于半导体集成电路和平面显示领域而言,信息存储、玻璃镀膜、装饰镀膜等领域对溅射靶材纯度、晶粒晶向控制等方面的技术要求均较低,在满足产品品质及技术要求的前提下更关注成本、产能规模、供货稳定性及交期等。
2、全球溅射靶材行业发展情况:高性能溅射靶材伴随着半导体、平面显示、信息存储、微电子等产业的发展而兴起,涉及到电性、磁性、热性、反射率及颜色外观等多个技术特性,属于典型的技术密集型产业,生产技术、机器设备、工艺流程和工作环境要求非常严格,长期以来一直为国外垄断。20世纪70年代以来,随着电子工业和信息产业技术创新的不断深化,美国、日本、欧洲等发达国家或地区相继出现了一批高性能溅射靶材生产厂商,相关厂商掌握核心技术以后,执行了非常严格的保密和专利授权措施,长期占据了全球溅射靶材市场的主导地位。根据统计,1990-1998年,世界各国在美国申请的溅射靶材专利数量中,日本占比为58%,美国为27%,德国为11%。此外,全球高端制造业的区域集聚特征使得上游高性能溅射靶材等关键材料市场份额进一步向发达国家或地区集中。
自20世纪80年代以来,以半导体集成电路、平面显示、信息存储、激光存储器、等为主的电子信息产业快速发展,技术工艺快速迭代更新,对制备相关产品的关键材料薄膜及溅射靶材的需求不断提升,例如:在半导体集成电路制造工艺中,以电阻率较低的铜导体薄膜代替铝膜布线;在平面显示产业中,各种显示技术的同步发展,对溅射靶材的需求亦不断提升;在信息存储产业中,磁性存储器的存储容量不断增加,新的磁光记录材料不断推陈出新。下游应用领域的快速发展极大地促进了磁控溅射技术及溅射靶材行业的发展,新型溅射靶材的出现亦满足了各种新型电子元器件的技术及性能需求。
随着各类溅射薄膜材料在半导体集成电路、平面显示、信息存储等领域的广泛应用,下游领域对溅射靶材这一高附加值功能材料的需求不断增加,高性能溅射靶材市场规模日益扩大,呈快速增长态势。根据数据,2016-2023年,全球溅射靶材市场规模从113亿美元上升至258亿美元,年复合增长率为12.52%。未来,随着物联网、大数据、新型显示、太阳能电池、节能玻璃等新型基础设施和新型应用领域的发展,溅射靶材的终端应用领域将进一步扩大,全球溅射靶材市场规模仍将持续稳定增长。
数据整理:中金企信国际咨询
凭借专利技术上的先发优势,以及雄厚的技术力量、精细的生产控制和过硬的产品质量,美国、日本、欧洲等发达国家或地区的大型溅射靶材厂商占据了全球溅射靶材市场较高的市场份额。以JX金属、霍尼韦尔、东曹和普莱克斯等为代表的大型跨国企业成立较早,历史悠久,发展成熟,囊括了金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用等全产业链环节。相关企业凭借先发优势和技术研发优势主导着产业的发展方向和技术革新,在溅射靶材领域优势明显,目前合计占据了全球80%左右的市场份额。另外,三井金属、住友化学、爱发科、世泰科、攀时等资金实力雄厚、技术水平领先、产业经验丰富的跨国公司在各自的优势靶材领域处于市场领先地位。
数据整理:中金企信国际咨询
3、中国溅射靶材行业发展情况:相比于国外,我国溅射靶材行业起步较晚。20世纪90年代,为发展薄膜技术及薄膜材料,国家计委、国家科委、国家自然科学基金委及地方政府相关部门发布了一系列政策支持镀膜及相关材料的发展,在真空镀膜、低温、压力容器等方面积累了一定的技术基础,为本土溅射靶材企业的发展创造了良好的研发基础和产业化条件。受限于技术、下游应用市场尚处起步阶段等因素,早期我国溅射靶材行业发展较为缓慢,具备规模化生产能力和较强研发实力的企业较少,溅射靶材主要应用于中低端产品。
进入21世纪,我国宏观经济进入高速发展期,电视、电脑、手机等消费电子产品市场迅速发展,相关终端应用领域市场规模不断扩大,从而推动了我国本土溅射靶材企业和国内溅射靶材市场的快速发展。经过多年的发展,国内溅射靶材企业已经取得了长足的发展和进步,国产高纯、高性能溅射靶材企业通过持续的自主研究开发逐渐突破关键技术,并不断扩大生产制造规模,在技术开发、产品性能、生产规模、产品质量、市场品牌等方面的市场竞争力正在不断稳步提升,打破了溅射靶材行业长期被境外大型厂商垄断的不利局面。
近年来,随着国内平面显示和半导体集成电路产业迅速发展,下游产业逐步向国内转移,带动了国内溅射靶材行业的快速发展,我国溅射靶材产业逐渐从单一的规模增长转变为进口替代的结构化增长。以江丰电子、阿石创、有研新材、隆华科技、先导薄膜、映日科技以及本公司等为代表的一批具有较强市场竞争力的本土靶材企业成功进入了国内外知名平面显示、半导体集成电路等下游企业的供应链环节,对境外厂商在国内的市场份额形成了进口替代,并实现了部分出口,保障了国内重点行业上游关键原材料的自主可控及供应安全。
根据中金企信统计,2017-2020年中国高性能溅射靶材行业市场规模由185亿元增长至283亿元,年复合增长率为15.2%。未来,伴随着显示面板产能转移、半导体国产化进程加速以及太阳能电池市场景气度不断上升,下游市场对高性能溅射靶材需求量将不断增加。2021-2026年我国高性能溅射靶材市场前景广阔,预计2026年市场规模将增长至653亿元,年复合增长率将达到15.0%。
数据整理:中金企信国际咨询
4、溅射靶材行业未来发展趋势
(1)国产化进程加速,国内溅射靶材厂商迎来良好发展机遇:溅射靶材是各类薄膜材料工业化制备的关键材料,其纯度、致密度、品质等均会影响镀膜效率和成本,并对膜层性能、最终产品的质量和性能起着至关重要的作用。受国际大型溅射靶材厂商的技术封锁和国内溅射靶材行业起步发展较晚等因素的共同影响,我国平面显示、半导体集成电路、太阳能电池等应用领域制造厂商对上游关键材料溅射靶材的采购长期依赖境外供应商,不利于重点行业上游关键材料的供应安全,不利于实现我国重点领域的自主可控和健康发展。
自中美贸易战以来,国际政治经济紧张局势日益加剧,美国对中国高新科技产业的限制仍在继续,已严重影响到国内众多厂家的供应链安全,在半导体、新材料、高端装备等关键产业实现国产配套已成共识。高性能溅射靶材作为半导体显示、半导体集成电路、太阳能电池等高新技术产业的关键原材料,产业链国产化趋势将加速溅射靶材行业的国产化进程,为国内溅射靶材厂商进入下游知名制造厂商的供应体系提供良好的发展机遇,有助于国内溅射靶材厂商快速缩小与国际大型厂商之间的差距。
(2)上游溅射靶材和下游应用市场协同发展,实现产业联动:伴随着显示面板产能转移、半导体国产化进程加速以及太阳能电池市场景气度不断上升,下游应用市场持续发展,国内厂商市场份额不断提升。根据中金企信数据,2022年第四季度,中国大陆液晶面板产能占比将进一步提升至70%。在国内市场需求拉动、国家政策支持、资本引导扶持推动等因素的共同驱动下,境内外半导体企业持续加大力度在中国投资建设晶圆制造、封装测试产线。根据中金企信数据,2026年,全球可再生能源发电装机容量将比2020年的水平增加60%以上,达到4,800GW以上,其中中国可再生能源新增装机容量将占全球市场份额的43%。
国内下游产业的不断发展和进步,为本土溅射靶材厂商带来了巨大的发展机遇。通过上下游产业的协同发展,推动关键领域技术突破,在溅射靶材工艺设计、薄膜性能分析、终端产品制造环节实现产业联动发展,增强国内溅射靶材和下游显示面板、半导体集成电路和太阳能电池厂商的全球竞争力。
(3)下游应用领域发展升级,提高溅射靶材技术和性能要求:随着新技术、新产品的不断迭代,平面显示、半导体集成电路、太阳能电池等下游应用领域持续发展升级。作为视觉信号的直接载体,消费者对显示屏分辨率、色彩饱和度、动态对比度、刷新率等性能指标的要求逐步提高,目前市场上的LCD和OLED产品都在向着更清晰、更灵敏、更便携的方向发展。半导体集成电路沿着摩尔定律持续升级,芯片制程已向7纳米及更先进制程演进。新能源电池在新能源汽车、新型储能等应用领域降低成本、提升性能等需求的促进下持续向高能量密度、高安全性、低成本等方向升级。太阳能电池在光伏行业降本增效等因素的推动下不断发展,目前正面临新的技术拐点,技术迭代需求强烈。
高性能溅射靶材行业的发展与下游平面显示、半导体集成电路、新能源电池、光伏等新兴产业的市场需求及技术革新密切相关,下游行业的持续发展升级对溅射靶材性能、技术均提出了更高要求。随着终端用户需求的不断扩展以及高性能薄膜材料与磁控溅射技术的蓬勃发展,溅射靶材正朝着高纯度、大尺寸、高致密度、高溅射速率和高利用率等方向快速发展,综合性能将持续提升,从而更好地满足终端产品智能化、精密化、大尺寸化、高分辨率、高清晰度、高色彩饱和度、高品质、高稳定性等要求。
(4)显示面板世代线持续升级,溅射靶材尺寸逐步趋向大型化:平面显示用溅射靶材系高性能溅射靶材市场规模最大的细分市场,经过多年的发展,显示面板世代线从最初的1代线发展到目前最高的11代线,玻璃基板尺寸也从320mmⅹ400mm增大至3000mmⅹ3320mm,增大了近百倍。近20年来,我国平面显示行业经历了从无到有,从小规模到大规模,从低精度、小尺寸到高精度、大尺寸的发展历程。2011-2018年,京东方、华星光电等显示面板厂商先后建设投产G8.5以上高世代产线,结束了中国大陆的“无大尺寸液晶显示屏时代”。
随着显示面板世代线不断升级,玻璃基板尺寸增大,需要配套尺寸更大的高性能溅射靶材,对溅射靶材的综合性能指标和生产加工工艺流程均提出了更高的要求。大尺寸溅射靶材的综合性能取决于原材料配方工艺设计,微观组织结构控制的均匀性和一致性等因素,在复杂的生产加工过程中,如何在大尺寸的前提下,平衡协调不同因素间的相互影响,综合提升纯度、致密度、晶粒度、绑定焊合率、直线度、氧含量、电阻率等核心技术性能指标,是实现溅射靶材尺寸大型化的关键。
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