《为什么说光刻胶对中国半导体至关重要?》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2022-03-07
  • 关键半导体材料自主研发,前途光明但道路曲折。

    全行业“缺芯”,缺的到底是什么?

    高盛报告指出,全球有多达169个行业不同程度地受到芯片短缺的影响。

    “缺芯”已然成为老生常谈。在全球疫情严峻导致产能利用率不足、中美贸易摩擦加剧,叠加自然灾害导致芯片交期延长等因素影响下,芯片短缺的困境并未得到纾解,反有蔓延至各大电子制造业的趋势。

    产能不足的问题也从晶圆制造传导至上游原材料和设备、下游封装测试,乃至整个半导体制造产业链。

    而产能不足的背后,实际反映了先进及成熟半导体制程产能集中在少数企业的问题。

    据IC Insights数据,全球前十大晶圆厂产能集中度由2009年的54%提升至2020年的70%,前二十五大晶圆厂产能集中度由2009年的78%提升到了2020年的89%。

    除了晶圆制造环节,半导体原材料和设备的国产化进程同样决定了产业链的自主可控程度,只有不断减少产业配套的对外依赖度,我国半导体产业链的安全性才能获得切实保障。

    2014年6月,国务院发布的《国家集成电路产业发展推进推进纲要》指出,集成电路产业一直是我国的“卡脖子”问题之一,其中核心耗材半导体光刻胶等产品领域存在明显“受制于人”的问题。

    据公开资料显示,中国在包括光刻胶、CMP抛光材料、溅射靶材等在内的半导体制造材料上,对外依存度达80%以上,在封装基板、电镀液、超纯试剂等材料领域则仅实现一小部分国产替代。

    光刻胶是集成电路最核心的材料之一,其质量和性能与电子器件良品率、器件性能以及器件可靠性直接相关。

    由此,光刻胶行业具有极高的技术、资金和客户壁垒,长期呈现寡头垄断的局面。SEMI数据显示,2020年,全球光刻胶市场规模达87亿美元,前五大厂商占据了将近90%的市场份额,行业集中度极高。

    从用途来看,光刻胶主要分为半导体用光刻胶、平板显示用光刻胶,以及印刷电路板用光刻胶,其中技术门槛最高的当属用于半导体的光刻胶,其国产化进程也相对较慢。

    按技术门槛区分,半导体用光刻胶产品由低端到高端可以分为g线、i线、KrF、ArF和EUV光刻胶。目前,中国大陆仅实现了KrF光刻胶的量产,ArF光刻胶产品仍处于客户验证阶段或量产供货前期,而在被美日企业垄断的高端EUV光刻胶领域的技术储备几乎空白。

    2021年,日本福岛地震导致光刻胶龙头企业信越化学的产能受限,对部分晶圆厂停止供货,在全球新增晶圆厂对光刻胶需求旺盛的背景下,光刻胶供应的紧张态势加剧。

    与此同时,晶圆制造材料市场规模稳步提升,中国大陆市场增速居全球前列。据SEMI预测,2021年全球半导体光刻胶及其配套试剂的总体市场规模占比将达12.9%,仅次于硅片和电子特气。中国大陆市场方面,彤程新材(SH:603650)数据显示,2025年国内半导体光刻胶市场规模有望达到100亿元。

    需求端方面,半导体材料的国产化推进也存在诸多利好。

    一方面,新建晶圆厂产能持续扩张势必将拉动上游半导体材料需求量,也是光刻胶需求增长的核心驱动力;另一方面,随着智能汽车、人工智能、物联网等技术的发展,汽车、5G手机等领域有望成为驱动半导体行业进一步增长的重要动力。

    在承接全球第三次产业链转移的趋势下,中国半导体国产化替代进度不断加快,国产半导体材料和设备各环节的技术突破也逐步加速。

    在半导体光刻胶细分品类中,g线/i线低端光刻胶是目前国产化程度较高的品类,国产化率达20%以上;KrF被认为是国内未来增速最快的细分品类,国产化率不足5%,主要企业有如彤程新材子公司北京科华,其已实现KrF量产供货,KrF光刻胶产线年产能为100吨。

    据公开资料显示,目前,高端光刻胶ArF光刻胶通过客户验证的只有南大光电(SZ:300346),同时已建成年产25吨产业化基地。

    2021年7月,南大光电公告称,公司承担的国家02专项ArF光刻胶项目通过验收,这种光刻胶可用于90nm-14nm甚至7nm技术节点的集成电路制造工艺。

    除彤程新材和南大光电以外,晶瑞电材(SZ:300655)也拥有达到国际先进水平的光刻胶工厂,其产品已向中芯国际、扬杰科技等公司供货,目前i线光刻胶年产能100吨,KrF光刻胶产品进入客户验证阶段,ArF光刻胶产品也在加紧研发中。

    此外,2021年6月,上海新阳自主研发的KrF厚膜光刻胶产品已通过客户认证,处于中试结束到客户验证阶段,预计于2022年实现量产,并进一步研发ArF光刻胶产品。

    只有当国产半导体光刻胶企业从研发、中试,逐步实现产品导入、通过客户验证、量产供货,才能进入业务发展的正向循环,方能够有充裕资金投入高端产品的自主研发,以期突破国外企业的专利技术封锁。

    半导体产业链垂直分工的格局决定了要想持续推进中国半导体事业,不仅需要细分配套环节的尖端技术逐个击破,更需要全产业链企业齐头并进。

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    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2018-05-31
    • “假如我们把光刻机比作一把菜刀,那么光刻胶就好比是要切割的菜,没有高质量的菜,即使有了锋利的菜刀,也无法做出一道佳肴。”日前,江苏博砚电子科技有限公司技术部章宇轩在接受科技日报记者采访时说。 在北京化工大学理学院院长聂俊眼里,我国虽然已成为世界半导体生产大国,但面板产业整体产业链仍较为落后。目前,上游高端电子化学品(LCD用光刻胶)几乎全部依赖进口,必须加快面板产业关键核心材料基础研究与产业化进程,才能支撑我国微电子产业未来发展及国际“地位”的确立。 彩色薄膜少了光刻胶,产生不了绚丽的画面 显示器是人与机器沟通的重要界面。光刻胶是整个光刻工艺的重要部分,也是国际上技术门槛最高的微电子化学品之一,主要应用在集成电路和平板显示两大产业。光刻技术决定了集成电路的集成度,引领了技术节点的推进和实现。 章宇轩介绍,我们在日常工作生活中,之所以能从显示屏幕上看到色彩斑斓的画面,就是离不开屏幕中厚度只有2μm、却占面板成本16%的一层彩色薄膜。然而,彩色薄膜颜色的产生,必须由光刻胶来完成。 LCD是非主动发光器件,其色彩显示必须由本身的背光系统或外部的环境光提供光源,通过驱动器与控制器形成灰阶显示,再利用彩色滤光片产生红、绿、蓝三基色,依据混色原理形成彩色显示画面。 其中,根据颜色的不同,可以将光刻胶分为黑色、红色、绿色、蓝色四种。彩色滤光片的制作就是在玻璃基板上应用黑色光刻胶制作黑色矩阵,再应用红、绿、蓝光刻胶制作三原色像素。 光刻胶的研发,关键在于其成分复杂、工艺技术难以掌握。光刻胶主要成分有高分子树脂、色浆、单体、感光引发剂、溶剂以及添加剂,开发所涉及的技术难题众多,需从低聚物结构设计和筛选、合成工艺的确定和优化、活性单体的筛选和控制、色浆细度控制和稳定、产品配方设计和优化、产品生产工艺优化和稳定、最终使用条件匹配和宽容度调整等方面进行调整。因此,要自主研发生产,技术难度非常之高。 江苏汉拓光学材料有限公司副总经理孙友松告诉记者,在光刻胶研发上,我国起步晚,2000年后才开始重视。近几年,虽说有了快速发展,但整体还处于起步阶段。事实上,工艺技术水平与国外企业有着很大的差距,尤其是尖端材料及设备都仍依赖进口。 工艺技术难以突破,国内企业受制于人 “造成与国际先进水平差距的原因很多。过去由于我国在开始规划发展集成电路产业上,布局不合理、不完整,特别是重生产加工环节的投资,而忽视了最重要的基础材料、装备与应用研究。目前,整个产业是中间加工环节强,前后两端弱,核心技术至今被TOK、JSR、住友化学、信越化学等日本企业所垄断。”江苏博砚电子科技有限公司负责销售的经理李中强说。 记者了解到,光刻胶的主要技术指标有解析度、显影时间、异物数量、附着力、阻抗等。每一项技术指标都很重要,必须全部指标达到才能使用。因此,国外企业在配方、生产工艺技术等方面,对中国长期封锁。 事实上,我国是在缺乏经验、缺乏专业技术人才,缺失关键上游原材料的条件下,全靠自己摸索。近年来,尽管光刻胶研发有了一定突破,但国产光刻胶还是用不起来。目前,国外阻抗已达到15次方以上,而国内企业只能做到10次方,满足不了客户工艺要求和产品升级的要求,有的工艺虽达标了,但批次稳定性不好。 “10次方的光刻胶经过多次烘烤,由于达不到客户需求的防静电作用,不能应用到最新一代窄边框、全面屏等高端面板上。而国外做到15次方就有了很好的防静电作用。这还是我们的光刻胶材料、配方、生产工艺方面存在问题。”李中强说。 关键指标达不到要求,国内企业始终受制于人。就拿在国际上具有一定竞争实力的京东方来说,目前已建立17个面板显示生产基地,其中,有16个已经投产。但京东方用于高端面板的光刻胶,仍然由国外企业提供。
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    • 编译者:icad
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    • 近日据媒体报道,由于KrF光刻胶产能受限以及全球晶圆厂积极扩产等,占据全球光刻胶市场份额超两成的日本供应商信越化学已经向中国大陆多家一线晶圆厂限制供货KrF光刻胶,且已通知更小规模晶圆厂停止供货KrF光刻胶。    据悉,信越化学之所以停止供货部分晶圆厂KrF光刻胶,与2月份日本福岛东部海域发生7.3级地震有莫大关联。地震导致信越化学KrF光刻胶产线受到很大程度的破坏,至今尚未完全恢复生产。在产线受到影响和晶圆厂扩产等多方因素下,信越化学不得不停止向中国大陆几家晶圆厂供应KrF光刻胶。虽然东京应化填补了信越化学海外大部分缺失的KrF光刻胶产能,但目前仍存在不小的缺口,中国大陆多家晶圆厂正在加速验证导入本土厂商的KrF光刻胶。  日本企业垄断光刻胶市场   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 40-50%,是半导体制造中最核心的工艺。而光刻胶则是光刻过程的关键耗材,一般由由感光树脂(聚合剂)、增感剂(光引发剂)、溶剂与助剂构成。光刻胶的质量和性能对光刻工艺有着重要影响,因其技术壁垒高而长期被海外大厂所主导,是半导体国产化的一道大坎。 (图自方正证券) 去年日本断供韩国光刻胶事件,就让世界意识到日本在光刻胶领域的地位。目前全球光刻胶主要企业有日本合成橡胶(JSR)、东京应化(TOK)、住友化学、信越化学、罗门哈斯等,市场集中度非常高,所占市场份额超过85%,在高端EUV光刻胶上甚至占比达95%以上。 (图自方正证券) 据央视财经报道,今年年初以来半导体光刻胶供应极为短缺,以往企业每次采购的光刻胶量约在100kg,近期由于原材料短缺,每期只能采购到10kg-20kg,价格方面也随之水涨船高。其中,光刻胶关键材料稀释剂从4月份价格提高50%,这也进一步传导至光刻胶价格上涨。 再加之,由于全球晶圆代工产能不足,产能扩充一直在进行中,光刻胶市场需求也在保持稳定增长,但实际产能开出并没有与晶圆厂形成匹配。 光刻胶的种类 光刻胶经过几十年不断的发展和进步,应用领域不断扩大,衍生出非常多的种类,根据应用领域,光刻胶可分为半导体光刻胶、 平板显示光刻胶和 PCB 光刻胶,其技术壁垒依次降低。 相应地,PCB 光刻胶是目前国产替代进度最快的,LCD 光刻胶替代进度相对较快,半导体光刻胶目前国产技术较国外先进技术差距最大。 光刻胶按下游应用分类(图自方正证券) 根据化学反应机理,光刻胶可分为负性光刻胶和正性光刻胶两类。二者在 PCB、面板、半导体中都有广泛应用,但是 ArF 光刻胶和 EUV 光刻胶基本都是正胶。 由于负性光刻胶显影时易变形和膨胀,分辨率通常只能达到 2 微米,因此正性光刻胶的应用更为普及。 正性光刻胶与负性光刻胶参数(图自方正证券) 正性光刻胶与负性光刻胶光刻对比(图自国盛证券) 据介绍,随着芯片跨入纳米级,半导体光刻胶的波长也在不断缩短,已经由紫外宽谱逐步发展到g线(436nm)、i线(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)、ArF Immersion 浸润式,以及最先进的EUV(<13.5nm)线水平。光刻胶波长越短,研发难度越大,适应工艺越先进,EUV光刻胶、ArF光刻胶、KrF光刻胶均为高端光刻胶产品。 国内光刻胶公司有哪些? 今年以来,除了台积电、三星、英特尔、联电等晶圆厂积极扩产外,中芯国际、华虹宏力、广州粤芯等多家本土晶圆厂积极扩产和产能释放,这也就导致国内光刻胶需求量远大于本土产量,且差额逐年扩大,尤其是在高端KrF、ArF等半导体光刻胶。 然而,截至目前,国内能够批量供应KrF、ArF光刻胶的厂商却为数不多。根据SEMI数据,日本几大厂商在g线/i线、KrF、ArF胶市场中市占率分别为61%、80%、93%,而国内g线/i线自给率约为20%,KrF光刻胶的自给率不足5%,12寸硅片的ArF光刻胶目前尚无国内企业可以大规模生产。 大基金二期已经明确主要投资的领域为半导体制造设备领域和半导体材料领域。在半导体材料方面,重点关注大硅片、光刻胶、掩膜板、电子特气等领域。当前国内主要的光刻胶生产商有: 容大感光:公司的光刻胶产品主要包括紫外线正胶、紫外线负胶两大类产品以及稀释剂、显影液、剥离液等配套化学品,主要应用于集成电路、平板显示、发光二极管制造等领域。 雅克科技:公司光刻工艺中所涉及到的电子化学品,包括稀释剂、显影液、漂洗液、剥离液等,光刻胶配套试剂与光刻胶配套使用。 彤程新材:走在前列,其ArF光刻胶已经量产,KrF光刻胶尚在研发过程中。股价自去年一波大炒后也未出现明显下跌,也是资金认可的体现,本周连阳回升,已有资金开始着手布局。 上海新阳:主攻KrF和干法ArF光刻胶,目前已进入产能建设阶段。去年大涨让人印象深刻,如今几乎跌回原点,调整较为充分,今天也是底部出长阳,再给些时间消化下降趋势的压力后,将会有更好表现。 南大光电:子公司宁波南大光电自主研发的ArF光刻胶已通过客户认证。 晶瑞股份:KrF光刻胶已经完成中试,正进入客户测试阶段,ArF光刻胶尚在研发过程中。今天晶瑞股份冲高18%,直接创下了去年10月以来的高点,而且在两个月前已经完成扭转趋势,现在已经在上升趋势中了,有回调就是机会。 今年初,晶瑞股份曾购买ASMLXT 1900 Gi型ArF浸入式(DUV)光刻机一台,用于高端光刻胶研发,相关阅读:《苏州企业千万美元购得ASML光刻机,却不用来造芯片》 日本14种材料均占逾50%的市场份额 事实上,作为全球最主要的半导体材料输出国,日本拥有绝对地位的半导体材料品种不只有光刻胶。在一份广发证券2014年的研究报告中统计: 生产半导体芯片需要 19 种必须的材料,缺一不可,且大多数材料具备极高的技术壁垒;而日本企业在硅晶圆、合成半导体晶圆、光罩、光刻胶、药业、靶材料、保护涂膜、引线架、陶瓷板、塑料板、 TAB、 COF、焊线、封装材料等 14 中重要材料方面均占有 50%及以上的份额。 其中,日本国内更是有着三家世界级半导体材料龙头企业。 第一家就是上文提到的信越化学,是全球最大的半导体硅片供应商,占据全球半导体硅片市场中27%的份额。光刻胶他们也在做,主要切入点是KrF和ArF,EUV光刻胶也在开发,在中国大陆有不少FAB厂客户; 第二家是凸版印刷株式会社,全球最大的光罩生产商,占据全球超过30%的光罩市场份额; 第三家是日本合成橡胶公司,全球最大、技术是最领先的光刻胶生产商,其生产的氟化氩光刻胶占据全球40%以上的市场份额。Intel、三星和台积电都是JSR核心客户,I-line、KrF、ArF、EUV光刻胶产品全覆盖。 最后附上一张日本半导体材料的市场份额: