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【光刻膠】國產(chǎn)化,芯片制造里的關(guān)鍵一役

  • 文章來源:百度資訊
  • 發(fā)布時間:2022-07-30
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光刻膠1.png

2021年2月,位于日本東北地區(qū)最南部的福島縣發(fā)生了一場7.3級地震。這場地震雖沒有像2011年那場9級地震一樣導(dǎo)致核電廠泄漏,但卻造成了設(shè)立在福島縣周邊半導(dǎo)體工廠的數(shù)日停產(chǎn)。

汽車芯片大廠瑞薩電子的那坷工廠、位于宮城縣的索尼半導(dǎo)體工廠,與福島鄰近的巖手、群馬等地,也匯集了MLCC廠商TDK和太陽誘電,以及存儲器廠商鎧俠,勝高的山形米澤廠、信越的福島白河廠皆在影響范圍內(nèi)。

工廠停產(chǎn)的代價蔓延至下游,就是汽車缺芯、晶圓廠缺光刻膠。所以業(yè)內(nèi)一直有這樣的說法,地震是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最大的不確定性。

這種不確定性在福島地震之后三個月顯現(xiàn),占據(jù)全球光刻膠市場份額超兩成的信越化學(xué)向中國大陸多家一線晶圓廠限制供貨KrF光刻膠?!?/span>

光刻膠作為芯片制造環(huán)節(jié)最重要的原材料之一,信越化學(xué)的斷供無疑給中國仍在起步階段的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)蒙上了一層陰影,同時也再次敲響了警鐘。

斷供事件后,加速「自救」被放到首要位置。

中國大陸多家晶圓廠開始加速驗(yàn)證導(dǎo)入本土廠商的KrF光刻膠。相關(guān)投資也在增多,去年8月華為哈勃3億元增資了一家光刻膠企業(yè)徐州博康,為其歷史上最大單筆半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈投資。

這場地震所引發(fā)的蝴蝶效應(yīng),不一定能改變半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的格局,但卻提供了一個契機(jī)。只是光刻膠是只靠砸錢就能出成效的行業(yè)嗎?我們的國產(chǎn)替代又走到哪一步了?

高端光刻膠,我們也就1%

先用通俗語言介紹下什么是光刻膠。

大家都聽過摩爾定律:當(dāng)價格不變時,集成電路上可以容納元器件數(shù)目,每隔18-24個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。而保持摩爾定律「生命力」的基石之一就是光刻技術(shù),每18-24個月,利用光刻工藝在集成電路板上所能形成最小圖案的特征尺寸將縮小30%。

光刻膠2.png

在整個芯片制造過程中可能需要進(jìn)行數(shù)十次的光刻,光刻工藝成本占到整個芯片制造工藝的35%,耗時約占整個芯片生產(chǎn)環(huán)節(jié)的40%-50%,光刻膠材料總成本占比約為5-6%。

光刻膠是光刻工藝的核心材料,可以與光線發(fā)生反應(yīng),讓芯片材料上出現(xiàn)所需的精密電路圖案。而光刻膠的質(zhì)量和性能,會直接影響到集成電路制造過程中的良率。

一句話概括就是,光刻出的電路圖案越精密,就代表著芯片的性能越好。

但光刻膠并非只有芯片制造一個應(yīng)用場景,按照下游應(yīng)用領(lǐng)域劃分,主要有PCB、面板、半導(dǎo)體三類,每一類光刻膠又有各自細(xì)分品類。

光刻膠3.png

其中,今天的主角也就是半導(dǎo)體光刻膠,按照光源波長的從大到小,可分為紫外寬譜(300-450nm)、g線(436nm)、i線(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)、EUV(13.5nm)等主要品類,每一種品類的組分、適用的IC制程技術(shù)節(jié)點(diǎn)也不盡相同。

光刻膠4.jpeg

PCB、LCD、半導(dǎo)體三種主要的應(yīng)用場景,對光刻膠每年的需求量基本一致。所以光刻膠整體市場規(guī)模增長趨于穩(wěn)定,據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示,2019年全球光刻膠市場為82億美元,預(yù)計2026年有望達(dá)123億美元,2019-2026年年復(fù)合增速約為6%。

而光刻膠的研發(fā)難度和技術(shù)門檻孰低孰高,從國產(chǎn)化程度就可以看出來:

PCB光刻膠中的濕膜光刻膠,幾乎能做到50%以上國產(chǎn);

LCD光刻膠中的彩色光刻膠和黑色光刻膠,5%左右能實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代;

半導(dǎo)體光刻膠中的KrF、ArF作為高端光刻膠,我國的市占率僅1%,而更高端的EUV光刻膠目前處于研發(fā)階段。

光刻膠5.png

半導(dǎo)體光刻膠作為國產(chǎn)化最低的原材料之一,首先要承認(rèn)的一點(diǎn)就是,它是一個技術(shù)壁壘高、產(chǎn)業(yè)高度集中,且有寡頭壟斷的產(chǎn)業(yè)。相比美日韓發(fā)展幾十年的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),我國在這方面的基礎(chǔ)相對薄弱,彎道超車基本不可能,只能死命投入研發(fā)、做足縱深,通過時間獲得技術(shù)積累。

但我們也不是一點(diǎn)方向沒有,鄰國日本恰恰提供了一個可參照的范本。

我們能學(xué)習(xí)什么?

半導(dǎo)體光刻膠是一個高度集中的市場,市場格局可以用八個字概括:日本稱霸,寡頭壟斷。

光刻膠6.png

半導(dǎo)體光刻膠市場的前五中除了美國杜邦,其余四家均為日本企業(yè)。其中JSR、TOK的產(chǎn)品可以覆蓋所有半導(dǎo)體光刻膠品種,是絕對的龍頭,尤其在高端EUV市場高度壟斷。

但縱觀光刻膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展史,日本的壟斷地位也是后來居上才獲得的。

1950年,柯達(dá)就開發(fā)出了KTFR光刻膠,到1980年IBM突破KrF光刻技術(shù),之后15年IBM領(lǐng)導(dǎo)并壟斷了KrF光刻膠。但1986年半導(dǎo)體市場進(jìn)入萎靡周期,這讓美國的半導(dǎo)體企業(yè)慘遭重創(chuàng)。

而日本的奮起反擊,則從1976年開始。在日本通信產(chǎn)業(yè)省的VLSI項(xiàng)目下,尼康和佳能開始了各自的光刻機(jī)研發(fā)任務(wù)。

到1980年,尼康推出了自己的首臺步進(jìn)式光刻機(jī)。自此,事情開始出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折,1985年尼康正式超過GCA成為業(yè)界第一大光刻機(jī)供應(yīng)商。

光刻膠7.jpeg

1980年2月,NSR-1010G問世

與此同時,日本政企也緊抓市場機(jī)遇,其龍頭化工企業(yè)基于自身在基礎(chǔ)化工領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)積累和政府的大力扶持,實(shí)現(xiàn)先進(jìn)光刻膠產(chǎn)品的不斷研發(fā)突破。1926年成立的信越化學(xué)最初以氮肥料為主營業(yè)務(wù),二戰(zhàn)后就是在日本政府的支持下開始向半導(dǎo)體材料領(lǐng)域拓展。

此后日本涌現(xiàn)出了一批光刻膠企業(yè),東京應(yīng)化更是于1995年研發(fā)出KrF光刻膠并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化,標(biāo)志著光刻膠正式進(jìn)入日本廠商的霸主時代。2011年,JSR與SEMATECH聯(lián)合開發(fā)出EUV光刻膠,已經(jīng)站上了金字塔的頂端。

復(fù)盤光刻膠產(chǎn)業(yè)從美國轉(zhuǎn)移到日本并由日本企業(yè)主導(dǎo),市場份額變化背后是一套極其復(fù)雜且龐大的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移,涉及到政策、產(chǎn)業(yè)、技術(shù)等多方面因素。

比如上文提到的光刻機(jī)技術(shù),是光刻膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必備條件。同時技術(shù)迭代周期也十分重要,東京應(yīng)化1995年研發(fā)出KrF光刻膠雖然比IBM晚了15年,但也正好契合當(dāng)時芯片制造工藝制程需求。

1995年之前,下游應(yīng)用制程的特征尺寸仍集中在0.35μm以上,i線光刻膠更具性價比,KrF的優(yōu)勢并不明顯。之后,i線光刻極限無法滿足制程節(jié)點(diǎn)需求,KrF光刻膠就此發(fā)展起來。

除了積累的技術(shù)、專利、行業(yè)經(jīng)驗(yàn)等壁壘外,日本光刻膠企業(yè)依然屹立不倒,主要在于產(chǎn)業(yè)鏈上下游分工明確、高度協(xié)同、緊密配合。上游原材料生產(chǎn)企業(yè)中,日企數(shù)量近半,產(chǎn)業(yè)鏈集群優(yōu)勢明顯。

在確立光刻膠領(lǐng)先地位后,日本繼續(xù)采取產(chǎn)官學(xué)一體化進(jìn)行國家級基礎(chǔ)攻關(guān)研究,持續(xù)積累光刻膠技術(shù)經(jīng)驗(yàn),不斷鞏固領(lǐng)先地位。

所以,往美好說,第三次半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移給了我們國產(chǎn)替代的巨大想象空間,下游智能終端的大量需求像極了80年代日本的家電繁榮,但往現(xiàn)實(shí)說,我們今天遇到的技術(shù)封鎖要遠(yuǎn)比當(dāng)時的日本嚴(yán)重,比如晶瑞電材買臺光刻機(jī)都只能買到韓國SK海力士淘汰下來的二手貨。

當(dāng)然可以參考日本光刻膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程,但不能全盤照抄,因?yàn)闀r代不一樣了。

國產(chǎn)替代,征途漫漫

從半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史看,每一次半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移都是在新興終端市場需求崛起下,國家政策強(qiáng)力扶持,再配合區(qū)域經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)分工縱化實(shí)現(xiàn)后來者趕超。

但為什么光刻膠產(chǎn)業(yè)沒有像其他產(chǎn)業(yè)一樣從美國轉(zhuǎn)移到日本再轉(zhuǎn)移到中國大陸呢?主要因?yàn)楣饪棠z并不是人力密集型產(chǎn)業(yè),而且發(fā)展光刻膠需要配套的光刻機(jī)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈集群。

復(fù)盤日本光刻膠企業(yè)的成功,離不開市場支持、基礎(chǔ)化工領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)積累和長期持續(xù)的技術(shù)投入等多因素共振。我們想要從日本布下的天羅地網(wǎng)中突圍,很難,但也不是一定機(jī)會都沒有。

我國在這方面也出臺了具體措施和各種產(chǎn)業(yè)扶持,將光刻膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展提升到了國家戰(zhàn)略層面。

2019年,光刻膠入選《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄(2019版)》,同時國務(wù)院、發(fā)改委等部門相繼出臺多份支持性文件,為光刻膠技術(shù)突破、產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供大方向上的政策引導(dǎo)和保障。

與此同時,大基金與產(chǎn)業(yè)基金入局,為光刻膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供長線資金支持。

國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金(大基金)作為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基金的國家隊(duì)代表,其投資布局正是為了扶持我國大陸半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展,加速半導(dǎo)體核心領(lǐng)域的國產(chǎn)替代進(jìn)程。

一期基金以制造環(huán)節(jié)為主,主要投向下游各產(chǎn)業(yè)鏈龍頭,而二期基金則以設(shè)備、材料為投資重點(diǎn),主要投資短板明顯的半導(dǎo)體設(shè)備、材料領(lǐng)域,方向集中于完善半導(dǎo)體行業(yè)的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)鏈。

本土光刻膠產(chǎn)業(yè)先驅(qū)晶瑞電材就承擔(dān)并完成了國家重大科技項(xiàng)目02專項(xiàng)「i 線光刻膠產(chǎn)品開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化」項(xiàng)目,產(chǎn)品已供應(yīng)給中芯國際、合肥長鑫等大尺寸半導(dǎo)體廠商。以及,大基金二期1.83 億元投資的南大光電子公司南大材料,2020 年和2021年,其ArF光刻膠產(chǎn)品分別通過了企業(yè)認(rèn)證。

此外,文章開頭提及的華為哈勃,正是以企業(yè)為代表的產(chǎn)業(yè)基金也正在積極布局光刻膠板塊,為光刻膠國產(chǎn)替代提供資金幫助。

而中資晶圓廠的快速崛起則為國產(chǎn)光刻膠提供了廣闊市場空間和驗(yàn)證導(dǎo)入機(jī)會。

根據(jù)IC Views 統(tǒng)計顯示,2021年我國大陸半導(dǎo)體公司在生產(chǎn)線投資總金額達(dá)1900億,其中中芯國際在北京、上海、浙江、廣東、天津五地都有布局、投資總額超760億。未來中資晶圓廠在逐步完成供應(yīng)鏈自主化過程中,國產(chǎn)光刻膠將迎來確定性替代機(jī)會。

光刻膠8.png

至此,我國大陸半導(dǎo)體光刻膠產(chǎn)業(yè)自主化路線圖就清晰了不少,整體可分三步走:

首先在成熟制程實(shí)現(xiàn)面向中資晶圓廠的驗(yàn)證導(dǎo)入,形成對日美光刻膠供應(yīng)商的部分替換;

然后在先進(jìn)新建產(chǎn)線與中資晶圓廠配套研發(fā),實(shí)現(xiàn)工藝向前靠攏;

最后再逐步完成全產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控。

尾聲

華為被美國制裁,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)引發(fā)全民討論熱潮時,曾經(jīng)有一個很經(jīng)典的問題:造原子彈和造光刻機(jī)哪個難?

在半導(dǎo)體的很多分工環(huán)節(jié)上,技術(shù)突破往往解決的是從0到1,而從1到100,所依賴的往往是成本控制、良率提升和市場反饋,說白了也就是產(chǎn)業(yè)集群協(xié)同。

從中興、華為被制裁開始的這一輪半導(dǎo)體軍備競賽,本質(zhì)上是為大陸的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)造了一個關(guān)鍵的窗口期。各種因素導(dǎo)致的內(nèi)需和內(nèi)研形成了特殊情況下的快速調(diào)配,同時因?yàn)橛衼碜皂攲拥恼吆唾Y金支持,無論是工藝的改進(jìn)、還是成本的優(yōu)化、或是良率的提升,都給了供應(yīng)商與品牌長期協(xié)作磨合的時間與機(jī)會。

而目前國產(chǎn)半導(dǎo)體光刻膠已經(jīng)取得了里程碑式的突破,涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀企業(yè)。

有彤程新材(KrF光刻膠批量供應(yīng)中芯、長存等多家下游客戶,G線光刻膠的市場占有率達(dá)到60%),晶瑞電材(g/i線批量供應(yīng)多年,KrF已通過測試),上海新陽(KrF形成銷售,ArF研發(fā)進(jìn)展順利),華懋科技(投資徐州博康,擁有光刻膠全產(chǎn)業(yè)鏈能力),2022年國產(chǎn)半導(dǎo)體光刻膠有望開花結(jié)果實(shí)現(xiàn)放量。

所以,為了不再受制于人,光刻膠國產(chǎn)化是大勢所趨。但在實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的目標(biāo)中,我們依舊有很長的路要走。

已經(jīng)形成星星之火的國內(nèi)頭部企業(yè),且行且珍惜。

參考資料:

[1] 國產(chǎn)光刻膠:破曉而生,踏浪前行,德邦證券

[2] 信越限供中國光刻膠背后,日本半導(dǎo)體材料的可怕實(shí)力,icad

[3] 光刻膠的崛起之路,沒那么容易,星空財富

[4] 半導(dǎo)體材料景氣持續(xù),國產(chǎn)替代正當(dāng)時,華創(chuàng)證券

[5] 半導(dǎo)體材料系列報告(一):光刻膠篇國產(chǎn)替代道阻且長,國內(nèi)光刻膠企業(yè)砥礪前行,平安證券

[6] 光刻膠行業(yè)深度報告:光刻核心材料亟需替代,國產(chǎn)光刻膠黃金發(fā)展機(jī)遇已至,中泰證券

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