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国产光刻胶迎来历史性机遇

半导体行业观察

作者|畅秋  来源|半导体行业观察(ID:icbank)

近期,专注于电子材料市场研究的TECHCET发布最新统计和预测数据:2021年,半导体制造所需的光刻胶市场规模将同比增长11%,达到19亿美元。

而在全球缺货的大环境下,芯片制造,特别是晶圆代工产能供不应求,相应的产能扩充一直在全球范围内进行当中。这就给了半导体光刻胶提供了更持久的增长动力。在接下来的几年,全球半导体光刻胶市场将保持稳定的增长势头。如下图所示。

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图:半导体光刻胶市场规模的趋势和未来预测(来源:TECHCET)

对于在先进制程工艺中必不可少的EUV,应用范围正在从逻辑芯片扩展到DRAM。ASML在2020年生产了35台大型NXE:3400系列光刻机,但由于提高了组装效率,预计到2021年可以出货50台。与此同时,到2021年,EUV光刻胶市场将比上一年翻一番,超过2000万美元,并且此后还将继续增长,预计到2025年,市场规模将超过2亿美元。

半导体光刻胶的价值

按照应用领域分类,光刻胶主要包括印制电路板(PCB)光刻胶专用化学品(光引发剂和树脂)、液晶显示器(LCD)光刻胶光引发剂、半导体光刻胶光引发剂和其他用途光刻胶四大类。本文主要讨论半导体光刻胶。

光刻工艺约占整个芯片制造成本的35%,耗时占整个芯片工艺的40%~60%,是半导体制造中最核心的工艺。在光刻工艺中,光刻胶被均匀涂布在衬底上,经过曝光(改变光刻胶溶解度)、显影(利用显影液溶解改性后光刻胶的可溶部分)与刻蚀等工艺,将掩膜版上的图形转移到衬底上,形成与掩膜版完全对应的几何图形。

光刻技术随着IC集成度的提升而不断发展。为了满足集成电路对密度和集成度水平的更高要求,半导体用光刻胶通过不断缩短曝光波长以提高极限分辨率,世界芯片工艺水平目前已跨入微纳米级别,光刻胶的波长由紫外宽谱逐步至g线(436nm)、i线(365nm)、KrF(248nm)、 ArF(193nm)、F2(157nm),以及最先进的EUV(<13.5nm)线水平。

目前,半导体市场上主要使用的光刻胶包括g线、i线、KrF、ArF四类光刻胶,其中,g线和i线光刻胶是市场上使用量最大的。KrF和ArF光刻胶核心技术基本被日本和美国企业所垄断。

光刻胶不仅具有纯度要求高、工艺复杂等特征,还需要相应光刻机与之配对调试。一般情况下,一个芯片在制造过程中需要进行10~50道光刻过程,由于基板不同、分辨率要求不同、蚀刻方式不同等,不同的光刻过程对光刻胶的具体要求也不一样,即使类似的光刻过程,不同的厂商也会有不同的要求。

针对不同应用需求,光刻胶的品种非常多,这些差异主要通过调整光刻胶的配方来实现。因此,通过调整光刻胶的配方,满足差异化的应用需求,是光刻胶制造商最核心的技术。

此外,由于光刻加工分辨率直接关系到芯片特征尺寸大小,而光刻胶的性能关系到光刻分辨率的大小。限制光刻分辨率的是光的干涉和衍射效应。光刻分辨率与曝光波长、数值孔径和工艺系数相关。

光刻胶的曝光波长由宽谱紫外向g线→i线→KrF→ArF→EUV(13.5nm)的方向移动。随着曝光波长的缩短,光刻胶所能达到的极限分辨率不断提高,光刻得到的线路图案精密度更佳,而对应的光刻胶的价格也更高。

光刻光路的设计,有利于进一步提升数值孔径,随着技术的发展,数值孔径由0.35发展到大于1。相关技术的发展也对光刻胶及其配套产品的性能要求变得愈发严格。

工艺系数从0.8变到0.4,其数值与光刻胶的产品质量有关。结合双掩膜和双刻蚀等技术,现有光刻技术使得我们能够用193nm的激光完成10nm工艺的光刻。

为了实现7nm、5nm制程,传统光刻技术遇到瓶颈,EUV(13.5nm)光刻技术呼之欲出,台积电、三星也在相关领域进行布局。EUV光刻光路基于反射设计,不同于上一代的折射,其所需光刻胶主要以无机光刻胶为主,如金属氧化物光刻胶。

市场格局

目前,全球半导体光刻胶市场基本被日本和美国企业所垄断。光刻胶属于高技术壁垒材料,生产工艺复杂,纯度要求高,需要长期的技术积累。在g/i线光刻胶领域,日本和美国企业合计市占率超过85%。

按照2019年的数据,前五大厂商就占据了全球光刻胶市场 87%的份额,这5家企业中,日本占有四家,分别是JSR、东京应化(TOK)、日本信越与富士电子材料,这四家的市场份额就达到了72%,全部日本企业份额总和超过75%。在细分领域,日本厂商在ArF、KrF、g线/i线光刻胶市场的市占率分别为93%、80%、61%,在高端市场中展现出极强的控制力。

JSR与比利时微电子研究中心(IMEC)的合资企业以及东京应化已经有能力供应面向10nm以下半导体制程的EUV极紫外光刻胶。而主要面向45nm以下制程工艺的浸没法ArF光刻胶在国际上已经成主流。

中国本土光刻胶整体技术水平与国际先进水平存在较大差距,自给率仅约10%,且主要集中在技术含量较低的PCB光刻胶领域,半导体光刻胶和LCD光刻胶自给率较低。目前国内光刻胶主要上市企业有晶瑞股份、南大光电和上海新阳、北京科华微等。

中国发力

随着中国企业在半导体光刻胶关键技术领域取得突破,以及中国半导体产能快速扩展和供应链自主可控需求带来的发展机遇,给了国内半导体光刻胶企业发展提供了足够的动力。

另外,政府在政策扶持方面也给国内相关企业发展提供了保障,例如,在2020年9月,国家发改委等四部门联合印发《关于扩大战略性新兴产业投资 壮大新增长点增长极的指导意见》提出,加快在光刻胶、高纯靶材、高温合金、高性能纤维材料、高强高导耐热材料、耐腐蚀材料、大尺寸硅片、电子封装材料等领域实现突破,以保障大飞机、微电子制造、深海采矿等重点领域产业链供应链稳定.

在政府和企业的共同努力下,近两年,中国主要的半导体光刻胶企业不断发力,并取得了历史性的成绩。

例如,晶瑞股份2020年度净利润约为0.69亿~0.83亿元,同比增长120.02%~164.08%,增幅居首。

晶瑞股份的子公司瑞红化学是国内半导体光刻胶龙头,主要产品包括G 线、 I线光刻胶、LCD触摸屏用光刻胶等。

其产品包含紫外负型光刻胶和宽谱正胶及部分g线,i线正胶等高端产品。瑞红拥有达到国际先进水平的光刻胶生产线,实行符合现代微电子化学品要求的净化管理,配备了一流的光刻胶检测评价装置,并承担了国家重大科技项目02专项“i线光刻胶产品开发及产业化”项目,在国内率先实现了IC制造商大量使用的核心光刻胶,即i线光刻胶的量产,产品采用步进重复投影曝光技术,可实现高分辨率。

南大光电方面,就在2020年底,该公司自主研发的ArF光刻胶产品成功通过客户认证。认证评估报告显示,本次认证选择客户50nm闪存产品中的控制栅进行验证,南大光电的ArF 光刻胶产品测试各项性能满足工艺规格要求,良率结果达标。该产品通过认证,成为通过产品验证的第一家国产ArF光刻胶企业。

南大光电强调,ArF光刻胶产品的配方包括成膜树脂、光敏剂、添加剂和溶剂等组分材料。是否能够将各个组分的功能有效地结合在一起,关系到光刻胶配方的成败,这是调制光刻胶配方的最大挑战和难点,也是一个光刻胶公司技术能力的基本体现。国际上只有少数几家光刻胶公司可以做到产品级ArF光刻胶配方的调制。

上海新阳则主攻KrF和干法ArF光刻胶,已经进入产能建设阶段。根据2020年11月3日定增预案,该公司拟定增募资不超过14.50亿元,其中8.15亿元拟投资于集成电路制造用高端光刻胶研发、产业化项目,主要目标为实现ArF干法工艺使用的光刻胶和面向3D NAND台阶刻蚀的KrF厚膜光刻胶的产业化,力争于2023年前实现上述产品的产业化,填补国内空白。

北京科华微的半导体光刻胶产品覆盖KrF(248nm)、G/I 线(含宽谱),其中,KrF光刻胶已经通过包括中芯国际在内的部分客户认证,并实现批量供货,G线、i线光刻胶已实现量产供货。

结语

当下,全球芯片制造业都在扩产,无论是先进制程,还是成熟制程,都进入了一段高速发展时期。这些给以光刻胶为代表的半导体材料产业发展提供了难得的机遇。特别是对于中国相关企业来说,具有了更广阔的提升空间。根据2020年10月宣布的中国第14个五年计划,要实现半导体制造供应链的本土化,其中就包括正在花费大量资金的光刻胶研发(不包括EUV),且一些中国本土电子材料制造商已经开始送样光刻胶和辅助材料。这些使得这一市场更加值得关注。

编者按:本文转载自微信公众号:半导体行业观察(ID:icbank),作者:畅秋


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