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如何攻克光刻胶?

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
2021-09-29 07:36 · 苏宁金融研究院  顾慧君   
   

2019年6月30日,日本的产经新闻报道,日本政府决定加强对出口韩国的三种半导体生产材料的管制,包括高纯度氟化氢、Photo Resist(光刻胶、感光液)、聚酰亚胺。这张限制令,在两国科技攻防和华为芯片受限的背景下,在国内引起了很大的回响,光刻胶这个非常小众的行业受到极大的关注。

光刻胶是什么

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,而光刻胶是光刻工艺环节需要使用的一种非常关键的材料(见图1)。

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。

光刻胶是由感光树脂、增感剂和溶剂三种主要成份组成的、对光敏感的混合液体。利用光化学反应,经曝光、显影、刻蚀等工艺将所需要的微细图形从掩模版转移到待加工基片上的图形转移介质,其中曝光是通过紫外光、电子束、准分子激光束、X射线、离子束等曝光源的照射或辐射,从而使光刻胶的溶解度发生变化。

以半导体光刻胶为例,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。

光刻技术随着集成电路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。

攻克光刻胶道阻且长

光刻胶的壁垒主要是由技术和市场两大壁垒共同造就的。

首先,光刻胶作为半导体产业的基础材料,扮演着极其重要的角色,甚至可以和光刻机相媲美,但市场规模却很小。在整个晶圆材料市场中(见表1),光刻胶及配套试剂占比为13%,2021年预计全球市场规模仅有48.23亿美元,国内预计为8.92亿美元,不及一家大型IC设计企业的年营收,行业成长空间有限,自然进入的企业就少。

同时,光刻胶又是一个具有极高技术壁垒的产业。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。由于不同的客户会有不同的应用需求,同一个客户也有不同的光刻应用需求。导致光刻胶的种类极其繁杂,必须通过调整光刻胶的配方,满足差异化应用需求,这也是光刻胶制造商最核心的技术。从这一点可以看出,光刻胶技术的进步离不开密切的产业协同,离不开光刻胶厂商和下游芯片制造商之间的研发协同。此外,光刻胶要有极好的稳定性和一致性,如果质量稍微出点问题,损失将会是巨大的。历史上曾发生过台积电因为光刻胶的原因导致晶圆污染,报废十万片晶圆,直接导致5.5亿美元的账面损失。上述两个原因导致光刻胶厂商和下游芯片制造商之间是强锁定,下游芯片制造商很难更换光刻胶供应商。最后,经过几十年的发展,光刻胶已经是一个相当成熟且固化的产业。2010年光刻胶的专利出现井喷,2013年之后,相关专利的申请已经开始锐减。目前从专利申请量来看,富士胶片、信越化学、住友化学3家日本龙头公司合计申请了行业80%以上的专利。

光刻胶的产业机会

前文我们介绍了很多国内发展光刻胶面临的市场和技术壁垒,但另一方面,国内光刻胶行业也迎来了难得的发展机遇。这个发展机遇主要体现在以下三个方面:一是随着芯片的广泛渗透,晶圆厂扩产提速,带动对光刻胶等晶圆材料的需求;二是市场对芯片更好的性能、更高的容量需求推动芯片及其制造工艺的技术升级,进而带来光刻胶等材料的升级需求;三是因芯片制造的卡脖子问题,导致光刻胶等关键材料的国产化要求加速,国内芯片制造商有很强的动机和国内的光刻胶厂商联合攻克光刻胶等晶圆材料的供给问题。因此,国内光刻胶厂商迎来了一个难得的发展机遇期。

【本文作者顾慧君,由投资界合作伙伴苏宁金融研究院授权发布,文章版权归原作者及原出处所有,转载请联系原出处。文章系作者个人观点,不代表投资界立场。如内容、图片有任何版权问题,请联系(editor@zero2ipo.com.cn)投资界处理。】