我國半導體制造材料行業分析(二)光刻膠篇

發布者:管理員  2020-04-27 15:32:00


一、引言

伴隨世界進入數字時代,計算機、智能電子產品及互聯網絡日益成為生活和生產的中心,這使得人們對數字處理器和存儲器的性能要求不斷攀升,這就意味著電子元件的集成度越來越高。迄今為止,規模集成電路均采用光刻技術進行加工,光刻的線寬極限和精度直接決定了集成電路的集成度、可靠性和成本。光刻膠在光刻工藝中的作用,就像膠片和攝影一樣,是構筑圖形的不可或缺的關鍵材料。

半導體產業的迅速發展,與光刻膠技術的更迭密不可分。20世紀70年代后期,光刻工藝分別使用365nm和313nm的近紫外(UV)和中紫外曝光光源。由于光源波長與加工線寬呈線性關系,這意味著光源采用更短的波長,例如低于248nm的深紫外光,將得到更小的圖案、在單位面積上實現更高的電子元件集成度,這使得芯片性能可以呈指數增長,而成本卻同步大幅下降。20世紀80年代初,IBM公司的化學放大(CA)光刻膠技術使得曝光光源波長縮短至193nm,為全球半導體制造業的指數增長注入了重要動力。近30年來,化學放大光刻膠一直支撐著整個數字時代。

二、半導體制造材料——光刻膠市場分析

(一)光刻膠基本概況

光刻膠又名“光致抗蝕劑”,是一種在紫外光等光照或輻射下,溶解度會發生變化的薄膜材料。光刻膠是集成電路制造的關鍵基礎材料之一,是光刻技術中涉及到最關鍵的功能性化學材料,廣泛用于印刷電路和集成電路的制造以及半導體分立器件的微細加工等過程。 在光刻圖案化工藝中,首先將光刻膠旋涂在硅片上形成一層薄膜。接著,在復雜的曝光裝置中,光線通過一個具有特定圖案的掩模投射到光刻膠上。曝光區域的光刻膠發生化學變化,在隨后的化學顯影過程中被去除。最后,掩模的圖案就被轉移到了光刻膠膜上。在隨后的蝕刻或離子注入工藝中,此光刻膠的圖案可被轉移到下層的薄膜上。這種薄膜圖案化的過程經過多次迭代,聯同其他多個物理過程,便產生集成電路。

市場上,光刻膠產品依據不同標準,可以進行分類。依照化學反應和顯影原理分類,光刻膠可以分為正性光刻膠和負性光刻膠;按照感光樹脂的化學結構分類,光刻膠可以分為光聚合型光刻膠、光分解型光刻膠和光交聯型光刻膠;按照曝光波長分類,光刻膠可分為紫外光刻膠(300-450nm)、深紫外光刻膠(160-280nm)、極紫外光刻膠(EUV,13.5nm)、電子束光刻膠、離子束光刻膠、X射線光刻膠等。  

圖表1  光刻膠分類

分類指標

分類名稱

分類說明

按化學反應原理分類

正性光刻膠

受光照射后感光部分發生分解反應,可溶于顯影液,未感光部分顯影后仍然留在晶圓表面

負性光刻膠

曝光后形成交聯網格結構,在顯影液中不可溶,未感光部分溶解

按原材料化學結構分類

光聚合型感光樹脂

采用烯類單體,在光下生成自由基并進一步引發單體聚合生成聚合物

光分解型感光樹脂

采用含有疊氮醌類化合物材料,經光照后材料發生分解由油溶性變為水溶性,可以制成正性膠

光交聯型感光樹脂

采用聚乙烯醇月桂酸酯材料,光照后分子雙鍵被打開,并使鏈與鏈之間發生交聯反應形成一種不溶性網狀結構防止溶解,典型負性光刻膠

按下游應用領域分類

半導體領域

主要包括紫外光刻膠、深紫外光刻膠、極紫外光刻膠、電子束光刻膠等

面板顯示領域

可分為彩色光刻膠與黑色光刻膠、LCD觸摸屏用光刻膠與TFT-LCD正性光刻膠

PCB領域

主要分為干膜光刻膠、濕膜光刻膠、光成像阻焊油墨。技術壁壘相對較低,主要為中低端品種

在不同下游應用光刻膠中,以半導體光刻膠性能最強,技術壁壘最高。隨著半導體制程不斷提高,所需曝光所用光線波長不斷縮短,對光刻膠的分辨率、敏感度、對比度等也提出了更高的要求。半導體用光刻膠所包含的g線光刻膠、i線光刻膠、KrF光刻膠、ArF光刻膠對應曝光波長分別為436nm、365nm、248nm和193nm,隨著曝光波長不斷縮短,對應半導體制程也更加先進。尤其是后續采用的沉浸式曝光極大縮短了ArF型光刻膠對應制程,可低達22nm。

   (二)光刻膠市場規模分析

1.全球光刻膠市場發展現狀

由于半導體光刻膠主要應用于半導體制造,故半導體光刻膠市場與對應晶圓廠產能密切相關。根據SEMI公布數據,2018年全球半導體光刻膠市場共17.3億美元,同比增長2.3%。自2016年來,全球光刻膠市場年均復合增長率為9.23%。

圖表2  全球半導體光刻膠市場規模

根據前瞻研究院數據,半導體光刻膠領域中,i/g型光刻膠占總市場的24%,為4.15億美元;KrF型光刻膠占總市場的22%,為3.81 億美元;ArF型光刻膠占總市場的41%,為7.09億美元。 

圖表3  不同光刻膠市場規模結構

 

從半導體光刻膠市場來看,目前全球半導體光刻膠市場主要為美日公司所壟斷。i/g型光刻膠以東京應化、美國陶氏和日本合成橡膠占比最高,分別占據25.9%,18.4%,15.1%的市場份額;KrF型光刻膠以東京應化、信越化工和日本合成橡膠占比最高,分別占據34%,22%,18%的市場份額;ArF型光刻膠以日本合成橡膠、信越化工和東京應化占比最高,分別占據24.3%,23.4%,20.3%的市場份額。

2.中國光刻膠市場發展現狀

半導體光刻膠市場增長主要得益于下游晶圓廠產能增長,而半導體晶圓廠產能向中國轉移將極大程度利好國內半導體光刻膠市場需求。根據IC Insight預測,至2020年中國硅晶圓產能將較2018年增長40%,將拉動半導體光刻膠市場需求大幅增長。  

圖表4  中國光刻膠行業市場規模增速 
 

根據前瞻研究院數據統計,2017、2018年中國光刻膠行業市場規模增幅分別為10.3%,6.1%,2016-2018年市場增速CAGR達8.2%。但目前中國本土光刻膠產品,主要還集中在低端PCB光刻膠,PCB光刻膠市場份額高達94.4%。排名第二的LCD光刻膠市場份額僅為 2.7%,半導體光刻膠市場份額僅為1.6%。中國光刻膠產品依然以低端產品為主,半導體光刻膠國產化率水平極低。  

  圖表5  中國大陸光刻膠市場份額占比

 

國內半導體光刻膠領域,國產化率方面,分產品來看,較低端的 i/g型光刻膠國產化率很低,目前國內僅有晶瑞股份的蘇州瑞紅子公司和北京科華微電子公司可實現量產,其中晶瑞股份擁有100噸/年的i線光刻膠生產線,科華微電子擁有500噸/年的i/g線光刻膠生產線,此外,容大感光公司也可小批量(低于 100 噸/年)生產i線光刻膠。

對于較高端的KrF、ArF型光刻膠,目前國內基本依靠進口。KrF 型光刻膠僅北京科華微電子擁有一條10噸/年生產線,產品現已通過中芯國際認證獲得商業訂單,但所占市場份額極低,晶瑞股份于2018年建成了一條(KrF)248nm深紫外光刻膠中試示范線,尚未實現正式批量生產。ArF型光刻膠目前南大光電在建一條25噸/年的生產線,科華微電子和上海新陽也在進行產品的研發和產業化項目。

3.我國光刻膠相關政策

近年來,隨國內集成電路產業持續發展,國家在集成電路的重要上游材料光刻膠領域也布局了一系列相關政策。預計隨著下游晶圓廠產能轉移推動市場增長,國內企業突破技術壁壘實現對應產品量產,以及國家政策傾斜扶植,我國光刻膠行業將迎來新一輪的增長機遇。

圖表6  光刻膠領域相關政策

項目

頒布部門

頒布時間

相關政策內容

《中國制造2025》重點領域技術創新綠皮書

國家制造強國建設戰略咨詢委員會

2015年10月

十大重點領域之一、新一代信息技術產業,集成電路及專用設備,發展重點,集成電路制造;光刻技術:兩次曝光、多次曝光、EUV、電子束曝光、193nm光刻膠、EUV光刻膠

國家重點支持的高新技術領域(2015)

科技部、財政部、國稅總局

2015年3月

新材料技術、精細化學品:電子化學品,集成電路和分立器件用化學品、印刷線路板生產和組裝用化學品,顯示器件用化學品

國家集成電路產業發展推進綱要

工業和信息化部

2014年6月

加強集成電路裝備、材料與工藝結合,研發光刻機、刻蝕機、離子注入機等關鍵設備,開發光刻膠、大尺英寸硅片等關鍵材料,加強集成電路制造企業和裝備、材料企業的協作,加快產業化進程,增強產業配套能力

產業結構調整指導目錄(2011年)(2013年修正)

國家發展改革委

2013年2月

第一類鼓勵類:改性型、水基型膠粘劑和新型熱熔膠,環保型吸水劑、水處理劑,分子篩固汞、無汞等新型高效、環保催化劑和助劑,安全型食品添加劑、飼料添加劑,納米材料,功能性膜材料,超凈高純試劑、光刻膠、電子氣、高性能液晶材料等新型精細化學品的開發與生產。

“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃

國務院

2012年7月

重點發展方向和主要任務:圍繞重點整機和戰略領域需求,大力提升高性能集成電路產品自主開發能力,突破現金和特色芯片制造工藝技術,先進封裝、測試技術以及關鍵設備、儀器、材料核心技術,加強新一代半導體材料和器件工藝技術研發,培育集成電路產業競爭新優勢。積極有序發展大尺寸薄膜晶體管液晶顯示、等離子顯示面板產業,完善產業鏈。加快推進有機發光二極管、三維立體、激光顯示等新一代顯示技術研發和產業化

國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)

國務院

2006年2月

重點研究開發高純材料、精細化工及催化、分離材料等,滿足國民經濟基礎產業發展需求的高性能復合材料及大型、超大型復合結構部件的制備技術的要求

(三)光刻膠材料制備壁壘分析

1.技術壁壘

光刻膠的生產工藝主要過程是將感光材料、樹脂、溶劑等主要原料在恒溫恒濕1000級的黃光區潔凈房進行混合,在氮氣氣體保護下充分攪拌,使其充分混合形成均相液體,經過多次過濾,并通過中間過程控制和檢驗,使其達到工藝技術和質量要求,最后做產品檢驗,合格后在氮氣氣體保護下包裝、打標、入庫。

光刻膠的技術壁壘包括配方技術,質量控制技術和原材料技術。配方技術是光刻膠實現功能的核心,質量控制技術能夠保證光刻膠性能的穩定性而高品質的原材料則是光刻膠性能的基礎。

配方技術:由于光刻膠的下游用戶是IC芯片和FPD面板制造商,不同的客戶會有不同的應用需求,同一個客戶也有不同的光刻應用需求。一般一塊半導體芯片在制造過程中需要進行10-50道光刻過程,由于基板不同、分辨率要求不同、蝕刻方式不同等,不同的光刻過程對光刻膠的具體要求也不一樣,即使類似的光刻過程,不同的廠商也會有不同的要求。針對以上不同的應用需求,光刻膠的品種非常多,這些差異主要通過調整光刻膠的配方來實現。因此,通過調整光刻膠的配方,滿足差異化的應用需求,是光刻膠制造商最核心的技術。

質量控制技術:由于用戶對光刻膠的穩定性、一致性要求高,包括不同批次間的一致性,通常希望對感光靈敏度、膜厚的一致性保持在較高水平,因此,光刻膠生產商不僅僅要配置齊全的測試儀器,還需要建立一套嚴格的QA體系以保證產品的質量穩定。

原材料技術:光刻膠是一種經過嚴格設計的復雜、精密的配方產品,由成膜劑、光敏劑、溶劑和添加劑等不同性質的原料,通過不同的排列組合,經過復雜、精密的加工工藝而制成。因此,光刻膠原材料的品質對光刻膠的質量起著關鍵作用。

2.客戶認證壁壘

包括光刻膠在內的微電子化學品有技術要求高、功能性強、產品更新快等特點,其產品品質對下游電子產品的質量和效率有非常大的影響。因此,下游企業對微電子化學品供應商的質量和供貨能力十分重視,常采用認證采購的模式,需要通過送樣檢驗、技術研討、信息回饋、技術改進、小批試做、大批量供貨、售后服務評價等嚴格的篩選流程。

3.規模和資金壁壘

通常光刻膠等微電子化學品不僅品質要求高,而且需要多種不同的品類滿足下游客戶多樣化的需。如果沒有規模效益,供應商就無法承擔滿足高品質多樣化需求帶來的開銷。因此,品種規模構成了進入該行業的重要壁壘。同時,一般微電子化學品具有一定的腐蝕性,對生產設備有較高的要求,且生產環境需要進行無塵或微塵處理。制備高端微電子化學品還需要全封閉、自動化的工藝流程,以避免污染,提高質量。因此,光刻膠等微電子化學品生產在安全生產、環保設備、生產工藝系統、過程控制體系以及研發投資等方面要求較高。如果沒有強大的資金實力,企業就難以在設備、研發和技術服務上取得競爭優勢,以提升可持續發展能力。因此,光刻膠這樣的微電子化學品行業具備較高的資金壁壘。

(四)我國光刻膠領域代表企業分析

1.飛凱材料

飛凱材料公司是一家研究、生產、銷售高科技制造中使用的材料和特種化學品的專業公司,率先打破國外巨頭對紫外固化光纖光纜涂覆材料的技術壟斷,搶占市場先機,逐步樹立了公司在紫外固化光纖光纜涂覆材料行業的領先地位。協同效應初步顯現,配套材料綜合平臺雛形初現。

2018年,公司實現營業收入14.46億元,同比增長76.23%,實現歸母凈利潤2.84億元,同比增長239.37%。其中電子化學品占公司總營收的64.9%,是公司最主要的收入來源。  

圖表7  飛凱材料營業收入(百萬元)

 

圖表8  2018年飛凱材料公司產品結構

 

2.南大光電

公司主營業務包括MO源產品業務、高純特種電子特氣業務、光刻膠及配套產品業務、ALD前驅體產品業務等。公司產品主要用于下游LED、集成電路芯片、太陽能電池等領域;公司在MO源產業中屬于全球主要的MO源生產商,技術達到國際領先水平。

光刻膠及配套業務方面,公司193nm光刻膠及配套材料啟動項目獲得國家02專項正式立項,得到中央財政補貼1,816.65萬元。公司組建了專職的研發團隊,建成1500平方米研發中心和百升級光刻膠中試生產線,產品研發進展和成果得到業界專家的認可。公司具備了研制功能單體、功能樹脂、光敏劑等光刻膠材料的能力,已經開發的多款先進光刻膠產品在客戶端的評估中獲得好評。

目前,“ArF光刻膠開發和產業化項目”獲得國家02專項的正式立項,獲得中央財政撥款13,285.00萬元,地方配套也在審批中。公司新設了光刻膠事業部,并成立了全資子公司“寧波南大光電材料有限公司”,全力推進“ArF光刻膠開發和產業化項目”的落地實施,項目產業化基地建設順利。

3.晶瑞股份

晶瑞股份專業從事微電子化學品的產品研發、生產和銷售。其四大類微電子化學品(超凈高純試劑、光刻膠、功能性材料和鋰電池粘結劑)均為下游五大新興行業(半導體、光伏太陽能電池、LED、平板顯示和鋰電池)的關鍵材料。經過多年研發和積累,晶瑞股份部分超凈高純試劑達到國際最高純度等級(G5),打破了國外技術壟斷,制定了多項行業標準;在國內率先實現目前集成電路芯片制造領域大量使用的核心光刻膠的量產,可以實現0.35μm的分辨率,在業內建立了較高技術聲譽。

公司形成了我國先進的光刻膠生產和研發示范基地:1)研發的i線正膠完成了產品定型,各項技術指標和工藝性能滿足0.35-0.25μm集成電路技術和生產工藝要求,建成了100噸/年規模的i線正膠產品生產線,并已向客戶供貨;(2)研發的厚膜膠完成了產品定型,一次性涂膜厚度達到2-20μm,技術指標符合硅片級封裝及相關產業的工藝要求,建成了20噸/年規模的厚膜膠生產線,并已向客戶供貨;(3)完成了248nm深紫外光刻膠成膜樹脂和配膠的中試技術研究,研發的248nm深紫外光刻膠分辨率達到了0.25-0.13μm的技術要求,建成了中試示范線。

2013年5月16日,蘇州瑞紅與江南大學簽訂《技術開發合同》,合作研究02專項中i-line 光刻膠專用成膜樹脂。2016年5月,蘇州瑞紅和江南大學化學與材料工程學院達成協議,作光刻膠重要原料光致酸劑也納入聯合研究范圍;研究成果的權屬屬于江南大學所有,蘇州瑞紅優先享有使用權。該合作研究有利于打破目前該部分產品基本依賴進口的局面,建設完善的超大規模集成電路專用化學品產業鏈。

圖表9  晶瑞股份2014-2016年光刻膠銷量、單價情況

晶瑞股份

項目

2014

2015

2016

光刻膠

設計產能(噸)

480

480

480

實際產量(噸)

453

413

435

銷售量(噸)

425

387

424

單價(萬元/噸)

18.59

17.44

15.7

銷售收入(萬元)

7900.62

6756.13

6662.35

圖表10  晶瑞股份光刻膠分類

公司

分公司

代表產品

應用領域

產能

晶瑞股份

蘇州瑞紅

i線正膠

半導體

02專項 100噸

g線厚膠

LCD、半導體

02專項 20噸

248nm光刻膠

半導體

02專項 中試線100噸

紫外負型光刻膠和寬譜正膠

LCD、半導體分立器件

已投產

圖表11  晶瑞股份營收情況

 

圖表12  公司主營業務構成

 

從上述公司業務布局來看,在光刻膠領域,國內各龍頭企業已經看到行業發展趨勢,紛紛開展半導體光刻膠項目,但國內企業攻克光刻膠技術壁壘并實現量產來說,還是需要一定的時間。

三、本地發展現狀

目前,寧夏地區暫無公司開展光刻膠項目,分析其原因不難發現,由于生產半導體光刻膠對于生產技術、客戶認證標準、資金及產業規模都有很高的要求,而寧夏地區受制于資源、技術、資金、人才、供應鏈需求等因素以及相應的配套設施不齊全,因此,暫時沒有半導體光刻膠領域企業布局。在未來,依托本地區新材料產業布局,尤其是銀川市經開區高新產業集群戰略規劃,加之半導體市場對光刻膠材料的需求,政府也將會加大招商引資力度,吸引相關企業落戶寧夏,提升寧夏地區新材料產業發展地位。

四、結語

半導體光刻膠代表了光刻膠發展的最高水平,光刻工藝的成本約為整個芯片制造工藝的35%。由于國內光刻膠起步晚,目前技術水平相對落后,生產產能主要集中在PCB光刻膠、TN/STN-LCD光刻膠等中低端產品,TFT-LCD、半導體光刻膠等高技術壁壘產品產能較少,國內高端光刻膠目前主要依賴進口。當前,中國通過國家集成電路產業投資基金(大基金)撬動全社會資源對半導體產業進行投資和扶持。同時,國內光刻膠企業積極抓住中國晶圓制造擴產的百年機遇,布局和發展光刻膠業務,高端光刻膠國產化替代空間巨大,發展潛力不可限量。 目前,高端光刻膠占據較大的需求市場份額,并且高端光刻膠產品附加值更高,只有實現高端光刻膠才能占據產業鏈頂端,充分享受行業利潤,因此,對于我國半導體光刻膠產業的未來發展,應從以下幾方面著力:一是加大政策支持力度。從信貸、稅收、土地等多個方面對光刻膠企業的發展進行大力扶持;二是重視光刻膠材料技術開發及產能布局,建立完善供應鏈。半導體光刻膠制備技術在生產配方、感光靈敏度、材料精密加工等過程有很高的穩定性和一致性的要求,國內光刻膠生產企業要突破技術壁壘,提升國內企業技術研發水平。同時,要強化整條產業鏈的深度融合,擺脫核心環節受控于人的局面,確保光刻膠產業未來的自主可控發展;三是加大產業人才培養等創新資源的投入。要持續引進和培養行業技術和管理人才,為產業未來良性發展儲存動能,從人員、材料、物力等多個角度對半導體光刻膠材料的基礎研發工作進行重點支持;四是建立產學研聯盟。企業與高校、研究機構合作,以促進項目的開發、人才的培養、標準的建立,構建產業共性技術開發平臺、促進國際合作交流。


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