【芯动能】国产光刻胶研发情况

来源:融中研究 作者:融中研究
2022-05-12

01

国之砝码
国家对于集成电路高度重视,光刻胶是国家政策重点倾斜对象。集成电路产业和软件产业是信息产业的核心,是引领新一轮科技革命和产业变革的关键力量,而光刻胶是集成电路制造的关键材料。




光刻是芯片制造的最重要环节,国产技术暂时无法完全替代。光刻是一种图像复印和刻蚀技术相结合的精密表面加工技术,处于芯片生产流程的前端。光刻技术通常通过光刻机来实现,全球光刻机最领先的技术为荷兰ASML公司所有,我国光刻机的制造技术尚为实验室研发阶段。


光刻胶是光刻的配套材料。光刻胶(Photoresist,PR)是一种在光源照射下产生溶解度变化的耐刻蚀薄膜材料,广泛应用于微纳器件的光刻工艺中。光刻胶按市场需求不同,可分为PCB光刻胶、FPD光刻胶、IC光刻胶三大类,三类感光要求和材料体系有所不同。本报告仅集中分析IC光刻胶。



全球芯片需求上升,光刻胶材料可以弯道超车。全球半导体材料技术需求两极分化,材料种类繁多,竞争格局相对分散,部分先进材料如砷化镓及高纯度单晶硅等对于生产研发要求较高,但光刻胶由于市场需求的大幅上升同样有巨大成长空间。



光刻胶主要由国际供应商垄断,IC光刻胶需求将有结构性调整。根据TOK年报,2020年集成电路光刻胶的主要竞争格局由日本TOK、日本Shin-Etsu、日本JSR、日本Sumitomo,美国杜邦组成。在IC用光刻胶中,EUV及KrF光刻胶呈显著增长趋势,g/i线光刻胶的市场空间则趋于饱和,未来光刻胶需求整体结构性变化较大。



光刻胶国内市场有望显著增长。根据Techcet数据,预计2021年全球光刻胶市场规模达19.88亿美元,2025年有望达24.66亿美元,5年CAGR达6.11%。2021年中国大陆地区的光刻胶市场规模达到13.39亿美元,CAGR11%,增长速度为国际光刻胶市场的两倍。随着全球晶圆制造的重心和产能分布逐渐移向东亚地区转移,国内IC光刻胶市场规模有望持续快速增长。



2016年是国产光刻胶发力的元年。从1989年国内批准的第一个光刻胶专利开始,30年间我国共批准光刻胶专利322个。我国的第一个光刻胶专利是东芝为了在我国形成专利保护而申请的产品专利,而后大部分光刻胶专利均为外国为专利技术。2016年开始,国内光刻胶技术厚积薄发,在7年间获批128个专利,标志着国内光刻胶技术形成了自己的研究能力体系。目前国内集中发力攻克IC光刻胶难点,希望通过技术突破解决卡脖子问题,在国际光刻市场成为可靠的替代性供应商。


02

芯片之基


光刻是芯片制造的关键步骤。光刻即指,通过光源将掩膜版上的图形精确地投影曝光到涂过光刻胶的衬底上的过程。
光刻胶是光刻的基础材料。光刻胶是由高分子聚合物、溶剂和其他添加剂按一定比例配制而成,根据感光前后溶解性的不同分可分为正负胶两种技术路径。对于一款光刻胶而言,灵敏度、分辨率和粘附性均为越高越好。



光刻工艺中光源的发展历经了多个技术阶段,波长逐渐降低。光刻工艺中光源的发展历经了汞灯、准分子激光器、激光等离子体等多个技术阶段,波长逐渐降低。按光源光刻胶可分为紫外宽谱、g线、i线、KrF、ArF、EUV、电子束等7个主要品类。




光刻光源波长降低,对光刻胶感光灵敏度的需求随之提高。在市场需求的推动下,半导体制程工艺不断缩小,曝光波长不断缩小,所使用的光刻技术逐渐从微米级到纳米级,光刻胶也面临新的需求。对于提高分辨率这一需求,半导体工业通过提高光刻胶的感光灵敏度来提升光刻效率。


g/i线光刻胶目前仍在使用,适用于传统制程。传统g/i线光刻胶适用于436nm/365nm波长,分辨率较低。正胶是g/i线光刻中最常用的光刻胶。




DUV波长进一步缩短,KrF光刻胶进入化学放大时代。20世纪90年代,深紫外光刻技术(DUV)产生。DUV光刻分为KrF(248nm)和ArF(193nm)两种。由于I线光刻胶不能被深紫外波长所接受,为了保证对DUV波长的敏感性,光刻胶开始使用化学放大技术。目前为止,DUV、EUV光刻胶使用的均为化学放大技术。



ArF光刻胶面临的光与水之争。光与水之争,即采用比193nm更短波长(157nm)的光还是在镜头与硅片之间充水。随着ASML推出数值孔径为1.35NA的XT1900i系列光刻机,湿法光刻获得全面胜利,193nm浸没式光刻技术延续到了7nm的半导体工艺节点。




最新先进光刻工艺催生新需求,EUV、X射线光刻胶成为研发难点。在超大乃至甚大规模集成电路时代,需要对光刻技术进行再一次改良,改良技术流派分别为极紫外线EUV光刻、电子束光刻、X射线光刻。其中EUV原理为继续缩短光源波长,电子束光刻一直被用于各制程,目前正在研究进入更微小制程,X射线光刻技术为轰击金属后通过金属折射光源。面对这三种最新光刻技术,光刻胶作的配方也不同。



国产替代的主要市场挑战是验证周期,光刻机一机难求。光刻机生产工艺复杂,客户验证周期较长,IC光刻胶通常需要2-3年验证时间。同时,光刻胶的研发需要有光刻机进行研发测试。光刻机成本高昂,一台二手的光刻机也需要数亿元,使研发成本大幅上升。高端光刻机主要供应商ASML受到股东影响,限制将最新技术级别的光刻机出口至中国,因此中国较难获取到最新技术的光刻机。




树脂材料国产供应不足。树脂是光刻胶的主要原料。根据Trendbank数据,我国虽然原材料供应商数量占比为29%,但产量和规模较小,品种规格较为单一,国产光刻胶供应商还需要依赖日本、美国、韩国的原材料采购。



03

国际竞争格局



东京应化独占鳌头,信越化学位列市场第二。东京应化是历史悠久的日本化学材料,成立于1940年。东京应化在半导体光刻胶领域产品线齐全,g线光刻胶、i线光刻胶、KrF光刻胶、ArF光刻胶、ArF沉浸式、EUV光刻胶、电子光束光刻胶都有产品。


信越化学是日本最大的化工企业,成立于1926年,光刻胶产品涵盖了i线、KrF、ArF、EUV,在光刻胶方面全球第二。2021年2月份日本福岛东部海域7.3级地震,信越化学KrF光刻胶的生产线受到大程度破坏,导致全球多家厂商面临KrF光刻胶缺货。



JSR完善三大事业布局,收购初创企业实现无机光刻胶创新。JSR原名日本合成橡胶株式会社,成立于1957年,光刻胶全面覆盖从g线到EUV。2021年底,JSR100%股权收购了美国EUV光刻胶初创企业Inpria。Inpria开发出了无机物基础光刻胶。



Samsung突破日本材料封锁。韩国集成电路产业对日本的依赖度很高。2021年12月19日,韩国光刻胶供应商东进世美肯表示打破韩国EUV光刻胶对于日本的依赖,,自研产品已通过三星电子EUV光刻胶可靠性测试,最快有望2022年上半年向产线批量供应。
陶氏、富士布局原材料供给。富士电子材料和陶氏杜邦公司作为国际有自有生产能力的企业,逐渐布局原材料产业链以增强自身的市场竞争力。


04

国内竞争格局

国内IC光刻胶厂商尝试通过自研及收购光刻胶研发企业完成研发布局,基本上由国家资金入局。国内IC光刻胶主要格局由彤程新材、晶瑞电材、华懋科技、上海新阳、南大光电构成。

彤程新材:通过科华微电子进行光刻胶研发,其中248nm目前正在客户验证中,193nm湿法光刻胶研发中。科华微电子承接02专项,与共同研发EUV光刻胶。

晶瑞电材:i线光刻胶已向中芯国际、合肥长鑫、士兰微、扬杰科技等行业头部客户供货,KrF光刻胶完成中试。

华懋科技:通过博康化学拓展光刻胶研发业务,博康化学具备干法ArF光刻胶及湿法ArF光刻胶的技术能力,徐州博康产品HTI560系列光刻胶通过验证。

上海新阳:负责ArF干法光刻胶研发,已立项研发集成电路制造用高分辨率193nm ArF光刻胶及配套材料与应用技术;上海新阳全资子公司芯刻微公司负责进行ArF湿法光刻胶项目的研发。

南大光电:ArF光刻胶产品于通过50nm闪存技术平台验证、55nm技术节点逻辑芯片产品后段金属布线层的技术验证。大基金二期于2021年对南大光电进行投资。



05

新兴投资机会

融中研究通过对国内最新技术的市场调研及研究,梳理技术能力较为优秀的IC光刻胶初创企业。



光刻胶作为研发投入高、产出高的集成电路材料,受到国内广为关注,目前国内已有较为先进的技术突破,建议密切关注各研究院科技成果转化情况。

业界
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