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发布时间 2021-09-22 阅读量 188

国产光刻胶发展的五大壁垒解析

8月31日,住友化学宣布,基于5G市场需求的持续增加,住友化学决定扩大半导体光刻胶的产能。

据了解,住友化学将在大阪工厂(日本大阪的Koonohana-ku)新增ArF(浸入式)和EUV(极端紫外线)光刻胶生产线,并在韩国全资子公司东宇精细化工有限公司的Iksan工厂为射频浸入式平板摄影器建造一个新的光刻生产厂。住友化学表示,新生产线将于2023财年上半年开始运营,大阪工厂将于2024财年上半年投产。

新设的韩国工厂将生产ArF(氟化氩)光刻胶。ArF光刻胶是在半导体晶片上印刻电子电路时使用的尖端材料,住友化学此前一直在大阪工厂生产该材料。今后将把日本国内原料调配到韩国工厂,而后混合出货。

住友化学方面解释说:“ArF光刻胶并非指定的限制韩国出口的品类。”但有分析认为,在最近接连发生的日本半导体材料制造企业对韩国的投资,不能否定是出口限制措施影响。

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光刻胶面临五大壁垒,亟待国产化

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从住友化学扩产半导体光刻胶不难看出,半导体市场正处于高速发展期,我国也不例外。近年来,我国集成电路产业营收以10%的速度高速增长,ArF和EUV光刻胶需求也与日俱增,但是,光刻胶的突破速度和质量却远远跟不上,制约了我国半导体行业的发展。

国内虽然涌现了像南大光电、彤程新材这样的企业,在一定程度上缓解了光刻胶供不应求的局面,但是我国光刻胶行业仍然面临五大壁垒,亟待国产化。

1.纯度壁垒

无论是湿电子化学品还是光刻胶,纯度都是最核心的标准之一。

目前,国外的光刻胶阻抗可以做到10^15,国内基本上停留在10^10(阻抗越高纯度越高)光刻胶纯度不足会造成芯片良率下降,甚至污染事故。2019年台积电就因为光阻原料污染导致上万片12寸晶圆报废,直接损失达5.5亿美元。

2.原材料壁垒

影响光刻胶纯度的原因多种多样,但原材料一定占据核心位置。 

就拿光刻胶的溶剂来说,一款光刻胶,溶剂的含量占据光刻胶总质量的80%~90%,光刻胶最常使用的溶剂为丙二醇甲醚醋酸酯(PMA),它具有很好的溶解性,性状稳定,适合将成膜树脂和光引光剂液化以便于旋转涂敷。 

目前,世界丙二醇醚及酯类产品的生产主要集中在美国、西欧及中国等国家和地区,主要是美国陶氏化学、伊士曼化学,荷兰利安德巴塞尔,德国巴斯夫,这些国外企业从事丙二醇醚及其酯的工业化生产,这些企业深耕这一领域已有30多年的历史,拥有丰厚的技术经验,并不是国产企业可以一朝一夕能够拿下的。

3.专利壁垒

如今的光刻技术已经进入EUV时代,台积电、英特尔和三星纷纷积极导入EUV技术,与之对应的是EUV光刻胶的需求上升,与ArF浸没式光刻相比,EUV光刻技术有很高的图形保真度和设计灵活性,所需的光掩模数量很少,显示出明显的优势。 

但国产光刻胶企业想要突破它,不仅面临原材料、纯度等难题,还面临强大的专利壁垒。 

从全球EUV光刻胶专利的申请量上来看,1998年EUV光刻胶专利的申请量只有6件,此后十年间,大多数时候都是年平均两位数的申请量。从2010年开始的四年间,申请数量破百,并且持续增长,到2013年到达顶峰。当年的申请量有164件,此后又逐步回落至两位数,到2017年,EUV光刻胶专利的申请量只有15件。 

这一趋势说明,在本世纪前13年里,EUV光刻胶的技术在不断的进步,各大厂商都在积极探索EUV光刻胶技术,所以专利数才会不断上升,而在2013年之后,该项技术走向成熟,由此专利数量开始急剧减少。

4.规模壁垒

与半导体设计、半导体封测甚至晶圆产业相比,光刻胶是一个“小众”产业,而且光刻胶还分为显示面板用光刻胶和半导体用光刻胶,半导体用光刻胶的规模远小于面板用光刻胶。 

TECHCET的一份预测数据显示,2021年整个半导体用光刻胶的市场只有19亿美元的规模,但是,日本和美国的光刻胶企业几乎垄断了整个半导体用光刻胶市场。拿ArF光刻胶举例,日本的JSR、信越化学、东京应化、住友化学四家企业就占据了82%的市场份额,KrF光刻胶市场中,东京应化、信越化学、JSR和杜邦占据了85%的市场份额。 

并且从公司规模来看,光刻胶并不是这些的主营业务,光刻胶只是占据了其营收中极小的一部分。 

以信越化学为例,其2019年的营收大约为147亿美元,而当年的全球半导体光刻胶市场规模也才13亿美元左右,所以相比较之下,光刻胶并不是巨头们的最核心业务。 

与之相比的是,国内的光刻胶企业无论从技术还是规模上,都与巨头们有比较大的差距。南大光电和晶瑞股份是国内的光刻胶龙头企业,2019年,南大光电的营收为3.21亿元,净利润0.55亿元,同年晶瑞股份的营收为7.6亿元,净利润为0.31亿元,由此可见一斑。 

此外,由于光刻胶的应用环境复杂且多样,有时甚至需要针对每个工厂进行特别定制,很难标准化和模块化,光刻胶从研发成功到进入客户验证阶段,并被大规模使用,中间所需要的时间都是按照年为单位计算,一般情况下客户并不愿意轻易的更换光刻胶供应商。 

5.其他壁垒

除了以上的技术、市场及原材料等诸多核心因素之外,制约国产光刻胶发展的还有许多非核心因素。 

比如除了光刻胶以外,光刻胶辅助材料、光刻胶专用试剂也具有较高的技术壁垒,例如抗反射涂层的配方主要掌握在JSR、信越化学、陶氏化学、Merck 等国际光刻胶巨头手里。 

在采访国内几家光刻胶上市企业时,其相关负责人都不约而同的提到了“瓶子”这个关键词,他们表示,装光刻胶所需要用到的瓶子目前国内企业还无法生产,需要进口。 

国产企业的瓶子有的是性能不达标,有的是纯度不够有杂质。当然,国内也不是完全造不出瓶子,问题在于光刻胶企业所需要的瓶子数量太少,一些大的公司不愿意为这样小的一个产品去专门研发和开辟一条产线,因为经济效益不高。 

此外,光刻胶的保质期也比较短,大概在3~6个月左右,在运输过程中又需要冷链运输,而冷链运输会提高整体成本,所以最后导致光刻胶价格上去,这严重影响光刻胶的推广使用。 

结语

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近年来,我国集成电路产业营收以10%的速度高速增长,ArF和EUV光刻胶需求也与日俱增,但是,光刻胶的突破速度和质量却远远跟不上,制约了我国半导体行业的健康发展,为了解决这一困境,国家出台了多项政策支持光刻胶产业发展,部分下游企业也开始布局光刻胶。前不久,华为哈勃投资3亿元入股了光刻胶生产企业,说明华为在经历了“卡脖子”之后开始重视芯片产业链的自主可控。

所以,光刻胶的突破并不是光刻胶企业本身就能独立完成的,它需要整个半导体产业的联动,如果有更多的企业尤其是半导体行业内的企业加入进来,那么,国产光刻胶的突破将是时间问题。