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我国半导体制造材料行业分析(二)光刻胶篇

发布者:管理员  2020/4/27 15:32:00


一、引言

伴随世界进入数字时代,计算机、智能电子产品及互联网络日益成为生活和生产的中心,这使得人们对数字处理器和存储器的性能要求不断攀升,这就意味着电子元件的集成度越来越高。迄今为止,规模集成电路均采用光刻技术进行加工,光刻的线宽极限和精度直接决定了集成电路的集成度、可靠性和成本。光刻胶在光刻工艺中的作用,就像胶片和摄影一样,是构筑图形的不可或缺的关键材料。

半导体产业的迅速发展,与光刻胶技术的更迭密不可分。20世纪70年代后期,光刻工艺分别使用365nm和313nm的近紫外(UV)和中紫外曝光光源。由于光源波长与加工线宽呈线性关系,这意味着光源采用更短的波长,例如低于248nm的深紫外光,将得到更小的图案、在单位面积上实现更高的电子元件集成度,这使得芯片性能可以呈指数增长,而成本却同步大幅下降。20世纪80年代初,IBM公司的化学放大(CA)光刻胶技术使得曝光光源波长缩短至193nm,为全球半导体制造业的指数增长注入了重要动力。近30年来,化学放大光刻胶一直支撑着整个数字时代。

二、半导体制造材料——光刻胶市场分析

(一)光刻胶基本概况

光刻胶又名“光致抗蚀剂”,是一种在紫外光等光照或辐射下,溶解度会发生变化的薄膜材料。光刻胶是集成电路制造的关键基础材料之一,是光刻技术中涉及到最关键的功能性化学材料,广泛用于印刷电路和集成电路的制造以及半导体分立器件的微细加工等过程。

在光刻图案化工艺中,首先将光刻胶旋涂在硅片上形成一层薄膜。接着,在复杂的曝光装置中,光线通过一个具有特定图案的掩模投射到光刻胶上。曝光区域的光刻胶发生化学变化,在随后的化学显影过程中被去除。最后,掩模的图案就被转移到了光刻胶膜上。在随后的蚀刻或离子注入工艺中,此光刻胶的图案可被转移到下层的薄膜上。这种薄膜图案化的过程经过多次迭代,联同其他多个物理过程,便产生集成电路。

市场上,光刻胶产品依据不同标准,可以进行分类。依照化学反应和显影原理分类,光刻胶可以分为正性光刻胶和负性光刻胶;按照感光树脂的化学结构分类,光刻胶可以分为光聚合型光刻胶、光分解型光刻胶和光交联型光刻胶;按照曝光波长分类,光刻胶可分为紫外光刻胶(300-450nm)、深紫外光刻胶(160-280nm)、极紫外光刻胶(EUV,13.5nm)、电子束光刻胶、离子束光刻胶、X射线光刻胶等。  

图表1  光刻胶分类

分类指标注册送38元体验金

分类名称

分类说明注册送38元体验金

按化学反应原理分类

正性光刻胶

受光照射后感光部分发生分解反应,可溶于显影液,未感光部分显影后仍然留在晶圆表面

负性光刻胶

曝光后形成交联网格结构,在显影液中不可溶,未感光部分溶解

按原材料化学结构分类注册送38元体验金

光聚合型感光树脂注册送38元体验金

采用烯类单体,在光下生成自由基并进一步引发单体聚合生成聚合物注册送38元体验金

光分解型感光树脂

采用含有叠氮醌类化合物材料,经光照后材料发生分解由油溶性变为水溶性,可以制成正性胶注册送38元体验金

光交联型感光树脂注册送38元体验金

采用聚乙烯醇月桂酸酯材料,光照后分子双键被打开,并使链与链之间发生交联反应形成一种不溶性网状结构防止溶解,典型负性光刻胶

按下游应用领域分类

半导体领域

主要包括紫外光刻胶、深紫外光刻胶、极紫外光刻胶、电子束光刻胶等

面板显示领域注册送38元体验金

可分为彩色光刻胶与黑色光刻胶、LCD触摸屏用光刻胶与TFT-LCD正性光刻胶

PCB领域注册送38元体验金

主要分为干膜光刻胶、湿膜光刻胶、光成像阻焊油墨。技术壁垒相对较低,主要为中低端品种

在不同下游应用光刻胶中,以半导体光刻胶性能最强,技术壁垒最高。随着半导体制程不断提高,所需曝光所用光线波长不断缩短,对光刻胶的分辨率、敏感度、对比度等也提出了更高的要求。半导体用光刻胶所包含的g线光刻胶i线光刻胶、KrF光刻胶、ArF光刻胶对应曝光波长分别为436nm、365nm、248nm和193nm,随着曝光波长不断缩短,对应半导体制程也更加先进。尤其是后续采用的沉浸式曝光极大缩短了ArF型光刻胶对应制程,可低达22nm。

(二)光刻胶市场规模分析

1.全球光刻胶市场发展现状

由于半导体光刻胶主要应用于半导体制造,故半导体光刻胶市场与对应晶圆厂产能密切相关。根据SEMI公布数据,2018年全球半导体光刻胶市场共17.3亿美元,同比增长2.3%。自2016年来,全球光刻胶市场年均复合增长率为9.23%。

图表2  全球半导体光刻胶市场规模

根据前瞻研究院数据,半导体光刻胶领域中,i/g型光刻胶占总市场的24%,为4.15亿美元;KrF型光刻胶占总市场的22%,为3.81 亿美元;ArF型光刻胶占总市场的41%,为7.09亿美元。 

图表3  不同光刻胶市场规模结构

 

从半导体光刻胶市场来看,目前全球半导体光刻胶市场主要为美日公司所垄断。i/g型光刻胶以东京应化、美国陶氏和日本合成橡胶占比最高,分别占据25.9%,18.4%,15.1%的市场份额;KrF型光刻胶以东京应化、信越化工和日本合成橡胶占比最高,分别占据34%,22%,18%的市场份额;ArF型光刻胶以日本合成橡胶、信越化工和东京应化占比最高,分别占据24.3%,23.4%,20.3%的市场份额。

2.中国光刻胶市场发展现状

半导体光刻胶市场增长主要得益于下游晶圆厂产能增长,而半导体晶圆厂产能向中国转移将极大程度利好国内半导体光刻胶市场需求。根据IC Insight预测,至2020年中国硅晶圆产能将较2018年增长40%,将拉动半导体光刻胶市场需求大幅增长。  

图表4  中国光刻胶行业市场规模增速 
 

根据前瞻研究院数据统计,2017、2018年中国光刻胶行业市场规模增幅分别为10.3%,6.1%,2016-2018年市场增速CAGR达8.2%。但目前中国本土光刻胶产品,主要还集中在低端PCB光刻胶PCB光刻胶市场份额高达94.4%。排名第二的LCD光刻胶市场份额仅为 2.7%半导体光刻胶市场份额仅为1.6%。中国光刻胶产品依然以低端产品为主,半导体光刻胶国产化率水平极低。  

  图表5  中国大陆光刻胶市场份额占比

 

国内半导体光刻胶领域,国产化率方面,分产品来看,较低端的 i/g型光刻胶国产化率很低,目前国内仅有晶瑞股份的苏州瑞红子公司和北京科华微电子公司可实现量产,其中晶瑞股份拥有100吨/年的i线光刻胶生产线,科华微电子拥有500吨/年的i/g线光刻胶生产线,此外,容大感光公司也可小批量(低于 100 吨/年)生产i线光刻胶。

对于较高端的KrF、ArF型光刻胶,目前国内基本依靠进口。KrF 型光刻胶仅北京科华微电子拥有一条10吨/年生产线,产品现已通过中芯国际认证获得商业订单,但所占市场份额极低,晶瑞股份于2018年建成了一条(KrF)248nm深紫外光刻胶中试示范线,尚未实现正式批量生产。ArF型光刻胶目前南大光电在建一条25吨/年的生产线,科华微电子和上海新阳也在进行产品的研发和产业化项目。

3.我国光刻胶相关政策

近年来,随国内集成电路产业持续发展,国家在集成电路的重要上游材料光刻胶领域也布局了一系列相关政策。预计随着下游晶圆厂产能转移推动市场增长,国内企业突破技术壁垒实现对应产品量产,以及国家政策倾斜扶植,我国光刻胶行业将迎来新一轮的增长机遇。

图表6  光刻胶领域相关政策

项目

颁布部门

颁布时间

相关政策内容注册送38元体验金

《中国制造2025》重点领域技术创新绿皮书

国家制造强国建设战略咨询委员会注册送38元体验金

2015年10月

十大重点领域之一、新一代信息技术产业,集成电路及专用设备,发展重点,集成电路制造;光刻技术:两次曝光、多次曝光、EUV、电子束曝光、193nm光刻胶、EUV光刻胶注册送38元体验金

国家重点支持的高新技术领域(2015)注册送38元体验金

科技部、财政部、国税总局注册送38元体验金

2015年3月注册送38元体验金

新材料技术、精细化学品:电子化学品,集成电路和分立器件用化学品、印刷线路板生产和组装用化学品,显示器件用化学品

国家集成电路产业发展推进纲要

工业和信息化部

2014年6月

加强集成电路装备、材料与工艺结合,研发光刻机、刻蚀机、离子注入机等关键设备,开发光刻胶、大尺英寸硅片等关键材料,加强集成电路制造企业和装备、材料企业的协作,加快产业化进程,增强产业配套能力注册送38元体验金

产业结构调整指导目录(2011年)(2013年修正)注册送38元体验金

国家发展改革委

2013年2月

第一类鼓励类:改性型、水基型胶粘剂和新型热熔胶,环保型吸水剂、水处理剂,分子筛固汞、无汞等新型高效、环保催化剂和助剂,安全型食品添加剂、饲料添加剂,纳米材料,功能性膜材料,超净高纯试剂、光刻胶、电子气、高性能液晶材料等新型精细化学品的开发与生产。注册送38元体验金

“十二五”国家战略性新兴产业发展规划注册送38元体验金

国务院注册送38元体验金

2012年7月

重点发展方向和主要任务:围绕重点整机和战略领域需求,大力提升高性能集成电路产品自主开发能力,突破现金和特色芯片制造工艺技术,先进封装、测试技术以及关键设备、仪器、材料核心技术,加强新一代半导体材料和器件工艺技术研发,培育集成电路产业竞争新优势。积极有序发展大尺寸薄膜晶体管液晶显示、等离子显示面板产业,完善产业链。加快推进有机发光二极管、三维立体、激光显示等新一代显示技术研发和产业化

国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)注册送38元体验金

国务院

2006年2月注册送38元体验金

重点研究开发高纯材料、精细化工及催化、分离材料等,满足国民经济基础产业发展需求的高性能复合材料及大型、超大型复合结构部件的制备技术的要求注册送38元体验金

(三)光刻胶材料制备壁垒分析

1.技术壁垒

光刻胶的生产工艺主要过程是将感光材料、树脂、溶剂等主要原料在恒温恒湿1000级的黄光区洁净房进行混合,在氮气气体保护下充分搅拌,使其充分混合形成均相液体,经过多次过滤,并通过中间过程控制和检验,使其达到工艺技术和质量要求,最后做产品检验,合格后在氮气气体保护下包装、打标、入库。

光刻胶的技术壁垒包括配方技术,质量控制技术和原材料技术。配方技术是光刻胶实现功能的核心,质量控制技术能够保证光刻胶性能的稳定性而高品质的原材料则是光刻胶性能的基础。

配方技术:由于光刻胶的下游用户是IC芯片和FPD面板制造商,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。一般一块半导体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。针对以上不同的应用需求,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。

质量控制技术:由于用户对光刻胶的稳定性、一致性要求高,包括不同批次间的一致性,通常希望对感光灵敏度、膜厚的一致性保持在较高水平,因此,光刻胶生产商不仅仅要配置齐全的测试仪器,还需要建立一套严格的QA体系以保证产品的质量稳定。

原材料技术:光刻胶是一种经过严格设计的复杂、精密的配方产品,由成膜剂、光敏剂、溶剂和添加剂等不同性质的原料,通过不同的排列组合,经过复杂、精密的加工工艺而制成。因此,光刻胶原材料的品质对光刻胶的质量起着关键作用。

2.客户认证壁垒

包括光刻胶在内的微电子化学品有技术要求高、功能性强、产品更新快等特点,其产品品质对下游电子产品的质量和效率有非常大的影响。因此,下游企业对微电子化学品供应商的质量和供货能力十分重视,常采用认证采购的模式,需要通过送样检验、技术研讨、信息回馈、技术改进、小批试做、大批量供货、售后服务评价等严格的筛选流程。

3.规模和资金壁垒

通常光刻胶等微电子化学品不仅品质要求高,而且需要多种不同的品类满足下游客户多样化的需。如果没有规模效益,供应商就无法承担满足高品质多样化需求带来的开销。因此,品种规模构成了进入该行业的重要壁垒。同时,一般微电子化学品具有一定的腐蚀性,对生产设备有较高的要求,且生产环境需要进行无尘或微尘处理。制备高端微电子化学品还需要全封闭、自动化的工艺流程,以避免污染,提高质量。因此,光刻胶等微电子化学品生产在安全生产、环保设备、生产工艺系统、过程控制体系以及研发投资等方面要求较高。如果没有强大的资金实力,企业就难以在设备、研发和技术服务上取得竞争优势,以提升可持续发展能力。因此,光刻胶这样的微电子化学品行业具备较高的资金壁垒。

(四)我国光刻胶领域代表企业分析

1.飞凯材料

飞凯材料公司是一家研究、生产、销售高科技制造中使用的材料和特种化学品的专业公司,率先打破国外巨头对紫外固化光纤光缆涂覆材料的技术垄断,抢占市场先机,逐步树立了公司在紫外固化光纤光缆涂覆材料行业的领先地位。协同效应初步显现,配套材料综合平台雏形初现。

2018年,公司实现营业收入14.46亿元,同比增长76.23%,实现归母净利润2.84亿元,同比增长239.37%。其中电子化学品占公司总营收的64.9%,是公司最主要的收入来源。  

图表7  飞凯材料营业收入(百万元)

 

图表8  2018年飞凯材料公司产品结构

 

2.南大光电

公司主营业务包括MO源产品业务、高纯特种电子特气业务、光刻胶及配套产品业务、ALD前驱体产品业务等。公司产品主要用于下游LED、集成电路芯片、太阳能电池等领域;公司在MO源产业中属于全球主要的MO源生产商,技术达到国际领先水平。

光刻胶及配套业务方面,公司193nm光刻胶及配套材料启动项目获得国家02专项正式立项,得到中央财政补贴1,816.65万元。公司组建了专职的研发团队,建成1500平方米研发中心和百升级光刻胶中试生产线,产品研发进展和成果得到业界专家的认可。公司具备了研制功能单体、功能树脂、光敏剂等光刻胶材料的能力,已经开发的多款先进光刻胶产品在客户端的评估中获得好评。

目前,“ArF光刻胶开发和产业化项目”获得国家02专项的正式立项,获得中央财政拨款13,285.00万元,地方配套也在审批中。公司新设了光刻胶事业部,并成立了全资子公司“宁波南大光电材料有限公司”,全力推进“ArF光刻胶开发和产业化项目”的落地实施,项目产业化基地建设顺利。

3.晶瑞股份

晶瑞股份专业从事微电子化学品的产品研发、生产和销售。其四大类微电子化学品(超净高纯试剂、光刻胶、功能性材料和锂电池粘结剂)均为下游五大新兴行业(半导体、光伏太阳能电池、LED、平板显示和锂电池)的关键材料。经过多年研发和积累,晶瑞股份部分超净高纯试剂达到国际最高纯度等级(G5),打破了国外技术垄断,制定了多项行业标准;在国内率先实现目前集成电路芯片制造领域大量使用的核心光刻胶的量产,可以实现0.35μm的分辨率,在业内建立了较高技术声誉。

公司形成了我国先进的光刻胶生产和研发示范基地:1)研发的i线正胶完成了产品定型,各项技术指标和工艺性能满足0.35-0.25μm集成电路技术和生产工艺要求,建成了100吨/年规模的i线正胶产品生产线,并已向客户供货;(2)研发的厚膜胶完成了产品定型,一次性涂膜厚度达到2-20μm,技术指标符合硅片级封装及相关产业的工艺要求,建成了20吨/年规模的厚膜胶生产线,并已向客户供货;(3)完成了248nm深紫外光刻胶成膜树脂和配胶的中试技术研究,研发的248nm深紫外光刻胶分辨率达到了0.25-0.13μm的技术要求,建成了中试示范线。

2013年5月16日,苏州瑞红与江南大学签订《技术开发合同》,合作研究02专项中i-line 光刻胶专用成膜树脂。2016年5月,苏州瑞红和江南大学化学与材料工程学院达成协议,作光刻胶重要原料光致酸剂也纳入联合研究范围;研究成果的权属属于江南大学所有,苏州瑞红优先享有使用权。该合作研究有利于打破目前该部分产品基本依赖进口的局面,建设完善的超大规模集成电路专用化学品产业链。

图表9  晶瑞股份2014-2016年光刻胶销量、单价情况

晶瑞股份注册送38元体验金

项目

2014

2015

2016注册送38元体验金

光刻胶

设计产能(吨)

480

480

480

实际产量(吨)注册送38元体验金

453注册送38元体验金

413

435

销售量(吨)注册送38元体验金

425

387注册送38元体验金

424

单价(万元/吨)

18.59注册送38元体验金

17.44

15.7

销售收入(万元)注册送38元体验金

7900.62

6756.13注册送38元体验金

6662.35

图表10  晶瑞股份光刻胶分类

公司注册送38元体验金

分公司

代表产品注册送38元体验金

应用领域

产能注册送38元体验金

晶瑞股份

苏州瑞红

i线正胶注册送38元体验金

半导体注册送38元体验金

02专项 100吨注册送38元体验金

g线厚胶注册送38元体验金

LCD、半导体

02专项 20吨注册送38元体验金

248nm光刻胶

半导体

02专项 中试线100吨注册送38元体验金

紫外负型光刻胶和宽谱正胶注册送38元体验金

LCD、半导体分立器件

已投产注册送38元体验金

图表11  晶瑞股份营收情况

 

图表12  公司主营业务构成

 

从上述公司业务布局来看,在光刻胶领域,国内各龙头企业已经看到行业发展趋势,纷纷开展半导体光刻胶项目,但国内企业攻克光刻胶技术壁垒并实现量产来说,还是需要一定的时间。

三、本地发展现状

目前,宁夏地区暂无公司开展光刻胶项目,分析其原因不难发现,由于生产半导体光刻胶对于生产技术、客户认证标准、资金及产业规模都有很高的要求,而宁夏地区受制于资源、技术、资金、人才、供应链需求等因素以及相应的配套设施不齐全,因此,暂时没有半导体光刻胶领域企业布局。在未来,依托本地区新材料产业布局,尤其是银川市经开区高新产业集群战略规划,加之半导体市场对光刻胶材料的需求,政府也将会加大招商引资力度,吸引相关企业落户宁夏,提升宁夏地区新材料产业发展地位。

四、结语

半导体光刻胶代表了光刻胶发展的最高水平,光刻工艺的成本约为整个芯片制造工艺的35%。由于国内光刻胶起步晚,目前技术水平相对落后,生产产能主要集中在PCB光刻胶、TN/STN-LCD光刻胶等中低端产品,TFT-LCD、半导体光刻胶等高技术壁垒产品产能较少,国内高端光刻胶目前主要依赖进口。当前,中国通过国家集成电路产业投资基金(大基金)撬动全社会资源对半导体产业进行投资和扶持。同时,国内光刻胶企业积极抓住中国晶圆制造扩产的百年机遇,布局和发展光刻胶业务,高端光刻胶国产化替代空间巨大,发展潜力不可限量。

目前,高端光刻胶占据较大的需求市场份额,并且高端光刻胶产品附加值更高,只有实现高端光刻胶才能占据产业链顶端,充分享受行业利润,因此,对于我国半导体光刻胶产业的未来发展,应从以下几方面着力:一是加大政策支持力度。从信贷、税收、土地等多个方面对光刻胶企业的发展进行大力扶持;二是重视光刻胶材料技术开发及产能布局,建立完善供应链。半导体光刻胶制备技术在生产配方、感光灵敏度、材料精密加工等过程有很高的稳定性和一致性的要求,国内光刻胶生产企业要突破技术壁垒,提升国内企业技术研发水平。同时,要强化整条产业链的深度融合,摆脱核心环节受控于人的局面,确保光刻胶产业未来的自主可控发展;三是加大产业人才培养等创新资源的投入。要持续引进和培养行业技术和管理人才,为产业未来良性发展储存动能,从人员、材料、物力等多个角度对半导体光刻胶材料的基础研发工作进行重点支持;四是建立产学研联盟。企业与高校、研究机构合作,以促进项目的开发、人才的培养、标准的建立,构建产业共性技术开发平台、促进国际合作交流。


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