欲打破日美壟斷:國產光刻膠迎來歷史性機遇
2021-03-17 15:54:24  出處:半導體行業觀察  作者:暢秋 編輯:萬南     評論(0)點擊可以複製本篇文章的標題和鏈接

近期,專注於電子材料市場研究的TECHCET發佈最新統計和預測數據:2021年,半導體制造所需的光刻膠市場規模將同比增長11%,達到19億美元。

而在全球缺貨的大環境下,芯片製造,特別是晶圓代工產能供不應求,相應的產能擴充一直在全球範圍內進行當中。這就給了半導體光刻膠提供了更持久的增長動力。

在接下來的幾年,全球半導體光刻膠市場將保持穩定的增長勢頭。如下圖所示。

欲打破日美壟斷:國產光刻膠迎來歷史性機遇
圖:半導體光刻膠市場規模的趨勢和未來預測(來源:TECHCET)

對於在先進製程工藝中必不可少的EUV,應用範圍正在從邏輯芯片擴展到DRAM。ASML在2020年生產了35台大型NXE:3400系列光刻機,但由於提高了組裝效率,預計到2021年可以出貨50台。

與此同時,到2021年,EUV光刻膠市場將比上一年翻一番,超過2000萬美元,並且此後還將繼續增長,預計到2025年,市場規模將超過2億美元。

半導體光刻膠的價值

按照應用領域分類,光刻膠主要包括印製電路板(PCB)光刻膠專用化學品(光引發劑和樹脂)、液晶顯示器(LCD)光刻膠光引發劑、半導體光刻膠光引發劑和其他用途光刻膠四大類。本文主要討論半導體光刻膠。

光刻工藝約佔整個芯片製造成本的35%,耗時佔整個芯片工藝的40%~60%,是半導體制造中最核心的工藝。

在光刻工藝中,光刻膠被均勻塗布在襯底上,經過曝光(改變光刻膠溶解度)、顯影(利用顯影液溶解改性後光刻膠的可溶部分)與刻蝕等工藝,將掩膜版上的圖形轉移到襯底上,形成與掩膜版完全對應的幾何圖形。

光刻技術隨着IC集成度的提升而不斷髮展。為了滿足集成電路對密度和集成度水平的更高要求,半導體用光刻膠通過不斷縮短曝光波長以提高極限分辨率,世界芯片工藝水平目前已跨入微納米級別,光刻膠的波長由紫外寬譜逐步至g線(436nm)、i線(365nm)、KrF(248nm)、 ArF(193nm)、F2(157nm),以及最先進的EUV(<13.5nm)線水平。

目前,半導體市場上主要使用的光刻膠包括g線、i線、KrF、ArF四類光刻膠,其中,g線和i線光刻膠是市場上使用量最大的。KrF和ArF光刻膠核心技術基本被日本和美國企業所壟斷。

光刻膠不僅具有純度要求高、工藝複雜等特徵,還需要相應光刻機與之配對調試。

一般情況下,一個芯片在製造過程中需要進行10~50道光刻過程,由於基板不同、分辨率要求不同、蝕刻方式不同等,不同的光刻過程對光刻膠的具體要求也不一樣,即使類似的光刻過程,不同的廠商也會有不同的要求。

針對不同應用需求,光刻膠的品種非常多,這些差異主要通過調整光刻膠的配方來實現。因此,通過調整光刻膠的配方,滿足差異化的應用需求,是光刻膠製造商最核心的技術。

此外,由於光刻加工分辨率直接關係到芯片特徵尺寸大小,而光刻膠的性能關係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應。光刻分辨率與曝光波長、數值孔徑和工藝係數相關。

光刻膠的曝光波長由寬譜紫外向g線→i線→KrF→ArF→EUV(13.5nm)的方向移動。隨着曝光波長的縮短,光刻膠所能達到的極限分辨率不斷提高,光刻得到的線路圖案精密度更佳,而對應的光刻膠的價格也更高。

光刻光路的設計,有利於進一步提升數值孔徑,隨着技術的發展,數值孔徑由0.35發展到大於1。相關技術的發展也對光刻膠及其配套產品的性能要求變得愈發嚴格。

工藝係數從0.8變到0.4,其數值與光刻膠的產品質量有關。結合雙掩膜和雙刻蝕等技術,現有光刻技術使得我們能夠用193nm的激光完成10nm工藝的光刻。

為了實現7nm、5nm製程,傳統光刻技術遇到瓶頸,EUV(13.5nm)光刻技術呼之欲出,台積電、三星也在相關領域進行佈局。EUV光刻光路基於反射設計,不同於上一代的折射,其所需光刻膠主要以無機光刻膠為主,如金屬氧化物光刻膠。

市場格局

目前,全球半導體光刻膠市場基本被日本和美國企業所壟斷。光刻膠屬於高技術壁壘材料,生產工藝複雜,純度要求高,需要長期的技術積累。在g/i線光刻膠領域,日本和美國企業合計市佔率超過85%。

按照2019年的數據,前五大廠商就佔據了全球光刻膠市場 87%的份額,這5家企業中,日本佔有四家,分別是JSR、東京應化(TOK)、日本信越與富士電子材料,這四家的市場份額就達到了72%,全部日本企業份額總和超過75%。

在細分領域,日本廠商在ArF、KrF、g線/i線光刻膠市場的市佔率分別為93%、80%、61%,在高端市場中展現出極強的控制力。

JSR與比利時微電子研究中心(IMEC)的合資企業以及東京應化已經有能力供應面向10nm以下半導體制程的EUV極紫外光刻膠。而主要面向45nm以下製程工藝的浸沒法ArF光刻膠在國際上已經成主流。

中國本土光刻膠整體技術水平與國際先進水平存在較大差距,自給率僅約10%,且主要集中在技術含量較低的PCB光刻膠領域,半導體光刻膠和LCD光刻膠自給率較低。目前國內光刻膠主要上市企業有晶瑞股份、南大光電和上海新陽、北京科華微等。

中國發力

隨着中國企業在半導體光刻膠關鍵技術領域取得突破,以及中國半導體產能快速擴展和供應鏈自主可控需求帶來的發展機遇,給了國內半導體光刻膠企業發展提供了足夠的動力。

另外,政府在政策扶持方面也給國內相關企業發展提供了保障,例如,在2020年9月,國家發改委等四部門聯合印發《關於擴大戰略性新興產業投資 壯大新增長點增長極的指導意見》提出,加快在光刻膠、高純靶材、高温合金、高性能纖維材料、高強高導耐熱材料、耐腐蝕材料、大尺寸硅片、電子封裝材料等領域實現突破,以保障大飛機、微電子製造、深海採礦等重點領域產業鏈供應鏈穩定.

在政府和企業的共同努力下,近兩年,中國主要的半導體光刻膠企業不斷髮力,並取得了歷史性的成績。

例如,晶瑞股份2020年度淨利潤約為0.69億~0.83億元,同比增長120.02%~164.08%,增幅居首。

晶瑞股份的子公司瑞紅化學是國內半導體光刻膠龍頭,主要產品包括G 線、 I線光刻膠、LCD觸摸屏用光刻膠等。

其產品包含紫外負型光刻膠和寬譜正膠及部分g線,i線正膠等高端產品。瑞紅擁有達到國際先進水平的光刻膠生產線,實行符合現代微電子化學品要求的淨化管理,配備了一流的光刻膠檢測評價裝置,並承擔了國家重大科技項目02專項“i線光刻膠產品開發及產業化”項目,在國內率先實現了IC製造商大量使用的核心光刻膠,即i線光刻膠的量產,產品採用步進重複投影曝光技術,可實現高分辨率。

南大光電方面,就在2020年底,該公司自主研發的ArF光刻膠產品成功通過客户認證。

認證評估報告顯示,本次認證選擇客户50nm閃存產品中的控制柵進行驗證,南大光電的ArF 光刻膠產品測試各項性能滿足工藝規格要求,良率結果達標。該產品通過認證,成為通過產品驗證的第一家國產ArF光刻膠企業。

南大光電強調,ArF光刻膠產品的配方包括成膜樹脂、光敏劑、添加劑和溶劑等組分材料。是否能夠將各個組分的功能有效地結合在一起,關係到光刻膠配方的成敗,這是調製光刻膠配方的最大挑戰和難點,也是一個光刻膠公司技術能力的基本體現。國際上只有少數幾家光刻膠公司可以做到產品級ArF光刻膠配方的調製。

上海新陽則主攻KrF和幹法ArF光刻膠,已經進入產能建設階段。根據2020年11月3日定增預案,該公司擬定增募資不超過14.50億元,其中8.15億元擬投資於集成電路製造用高端光刻膠研發、產業化項目,主要目標為實現ArF幹法工藝使用的光刻膠和麪向3D NAND台階刻蝕的KrF厚膜光刻膠的產業化,力爭於2023年前實現上述產品的產業化,填補國內空白。

北京科華微的半導體光刻膠產品覆蓋KrF(248nm)、G/I 線(含寬譜),其中,KrF光刻膠已經通過包括中芯國際在內的部分客户認證,並實現批量供貨,G線、i線光刻膠已實現量產供貨。

結語

當下,全球芯片製造業都在擴產,無論是先進製程,還是成熟製程,都進入了一段高速發展時期。這些給以光刻膠為代表的半導體材料產業發展提供了難得的機遇。特別是對於中國相關企業來説,具有了更廣闊的提升空間。

根據2020年10月宣佈的中國第14個五年計劃,要實現半導體制造供應鏈的本土化,其中就包括正在花費大量資金的光刻膠研發(不包括EUV),且一些中國本土電子材料製造商已經開始送樣光刻膠和輔助材料。這些使得這一市場更加值得關注。

欲打破日美壟斷:國產光刻膠迎來歷史性機遇

- THE END -

#光刻機#光刻膠

原文鏈接:半導體行業觀察 責任編輯:萬南

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