90%市場被國外廠商壟斷 光刻膠國產(chǎn)化急需提速！

近年來,雖然中國在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,涌現(xiàn)出了一批以華為海思為代表的優(yōu)秀的芯片設(shè)計(jì)企業(yè),但是在芯片制造領(lǐng)域,中國與國外仍有著不小的差距。不僅在半導(dǎo)體制程工藝上落后國外最先進(jìn)工藝近三代,特別是在芯片制造所需的關(guān)鍵原材料方面,與美日歐等國差距更是巨大。

即便強(qiáng)大如韓國三星這樣的巨頭,在去年7月,日本宣布限制光刻膠、氟化聚酰亞胺和高純度氟化氫等關(guān)鍵原材料對韓國的出口之后,也是被死死的“卡住了脖子”,急得如熱鍋上的螞蟻,卻又無可奈何。

最后還是日本政府解除了部分限制之后,才得以化解了危機(jī)。

而在美國制裁中興、華為,阻撓荷蘭向中國出口EUV光刻機(jī),遏制中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展,以及日本限制半導(dǎo)體原材料向韓國出口等一系列事件的影響之下,中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的“國產(chǎn)替代”也正在由芯片端,深入到上游半導(dǎo)體材料領(lǐng)域。

而即將開始投資的國家大基金二期也或?qū)⒓哟髮τ诎雽?dǎo)體材料領(lǐng)域的投資。

今天芯智訊就為大家來系統(tǒng)的介紹下,半導(dǎo)體制造當(dāng)中所需的一種關(guān)鍵材料——光刻膠。

一、光刻膠概況

1、光刻膠概況

光刻膠又稱光致抗蝕劑,是光刻工藝的關(guān)鍵化學(xué)品,主要利用光化學(xué)反應(yīng)將所需要的微細(xì)圖形從掩模版轉(zhuǎn)移到待加工基片上,被廣泛應(yīng)用于光電信息產(chǎn)業(yè)的微細(xì)圖形線路的加工制作,下游主要用于集成電路、面板和分立器件的微細(xì)加工,同時在 LED、光伏、磁頭及精密傳感器等制作過程中也有廣泛應(yīng)用,是微細(xì)加工技術(shù)的關(guān)鍵性材料。

光刻膠的主要成分為樹脂、單體、光引發(fā)劑及添加助劑四類。其中,樹脂約占 50%,單體約占35%,光引發(fā)劑及添加助劑約占15%。

光刻膠自 1959 年被發(fā)明以來就成為半導(dǎo)體工業(yè)最核心的工藝材料之一。隨后光刻膠被改進(jìn)運(yùn)用到印制電路板的制造工藝,成為 PCB 生產(chǎn)的重要材料。

二十世紀(jì) 90 年代,光刻膠又被運(yùn)用到平板顯示的加工制作,對平板顯示面板的大尺寸化、高精細(xì)化、彩色化起到了重要的推動作用。

在半導(dǎo)體制造業(yè)從微米級、亞微米級、深亞微米級進(jìn)入到納米級水平的過程中,光刻膠也起著舉足輕重的作用。

總結(jié)來說,光刻膠產(chǎn)品種類多、專用性強(qiáng),需要長期技術(shù)積累,對企業(yè)研發(fā)人員素質(zhì)、行業(yè)經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)儲備等都具有極高要求,企業(yè)需要具備光化學(xué)、有機(jī)合成、高分子合成、精制提純、微量分析、性能評價等技術(shù),具有極高的技術(shù)壁壘。

2、光刻膠主要用于圖形化工藝

以半導(dǎo)體行業(yè)為例,光刻膠主要用于半導(dǎo)體圖形化工藝。圖形化工藝是半導(dǎo)體制造過程中的核心工藝。圖形化可以簡單理解為將設(shè)計(jì)的圖像從掩模版轉(zhuǎn)移到晶圓表面合適的位置。

一般來講圖形化主要包括光刻和刻蝕兩大步驟,分別實(shí)現(xiàn)了從掩模版到光刻膠以及從光刻膠到晶圓表面層的兩步圖形轉(zhuǎn)移,流程一般分為十步:1.表面準(zhǔn)備,2.涂膠,3.軟烘焙,4.對準(zhǔn)和曝光,5.顯影,6.硬烘焙,7.顯影檢查,8.刻蝕,9.去除光刻膠,10.最終檢查。

具體來說,在光刻前首先對于晶圓表面進(jìn)行清洗,主要采用相關(guān)的濕化學(xué)品,包括丙酮、甲醇、異丙醇、氨水、雙氧水、氫氟酸、氯化氫等。

晶圓清洗以后用旋涂法在表面涂覆一層光刻膠并烘干以后傳送到光刻機(jī)里。在掩模版與晶圓進(jìn)行精準(zhǔn)對準(zhǔn)以后,光線透過掩模版把掩模版上的圖形投影在光刻膠上實(shí)現(xiàn)曝光,這個過程中主要采用掩模版、光刻膠、光刻膠配套以及相應(yīng)的氣體和濕化學(xué)品。

對曝光以后的光刻膠進(jìn)行顯影以及再次烘焙并檢查以后,實(shí)現(xiàn)了將圖形從掩模版到光刻膠的第一次圖形轉(zhuǎn)移。在光刻膠的保護(hù)下,對于晶圓進(jìn)行刻蝕以后剝離光刻膠然后進(jìn)行檢查,實(shí)現(xiàn)了將圖形從光刻膠到晶圓的第二次圖形轉(zhuǎn)移。

目前主流的刻蝕辦法是等離子體干法刻蝕,主要用到含氟和含氯氣體。

在目前比較主流的半導(dǎo)體制造工藝中,一般需要 40 步以上獨(dú)立的光刻步驟,貫穿了半導(dǎo)體制造的整個流程,光刻工藝的先進(jìn)程度決定了半導(dǎo)體制造工藝的先進(jìn)程度。光刻過程中所用到的光刻機(jī)是半導(dǎo)體制造中的核心設(shè)備。

目前,ASML 最新的EUV光刻機(jī)NXE3400B 售價在一億歐元以上,媲美一架 F35 戰(zhàn)斗機(jī)。

二、光刻膠分類

1、正性光刻膠和負(fù)性光刻膠

光刻膠可依據(jù)不同的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。按照化學(xué)反應(yīng)和顯影的原理,光刻膠可分為正性光刻膠和負(fù)性光刻膠。如果顯影時未曝光部分溶解于顯影液,形成的圖形與掩膜版相反,稱為負(fù)性光刻膠;如果顯影時曝光部分溶解于顯影液,形成的圖形與掩膜版相同,稱為正性光刻膠。

在實(shí)際運(yùn)用過程中,由于負(fù)性光刻膠在顯影時容易發(fā)生變形和膨脹的情況,一般情況下分辨率只能達(dá)到 2 微米,因此正性光刻膠的應(yīng)用更為廣泛。

2、按用途分類

光刻膠經(jīng)過幾十年不斷的發(fā)展和進(jìn)步,應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,衍生出非常多的種類,按照應(yīng)用領(lǐng)域,光刻膠可以劃分為印刷電路板(PCB)用光刻膠、液晶顯示(LCD)用光刻膠、半導(dǎo)體用光刻膠和其他用途光刻膠。其中,PCB 光刻膠技術(shù)壁壘相對其他兩類較低,而半導(dǎo)體光刻膠代表著光刻膠技術(shù)最先進(jìn)水平。

(1)半導(dǎo)體用光刻膠

在半導(dǎo)體用光刻膠領(lǐng)域,光刻技術(shù)經(jīng)歷了紫外全譜(300～450nm)、G 線(436nm)、I 線 (365nm)、深紫外(DUV,包括 248nm 和 193nm)和極紫外(EUV)六個階段。相對應(yīng)于各曝光波長的光刻膠也應(yīng)運(yùn)而生,光刻膠中的關(guān)鍵配方成份,如成膜樹脂、光引發(fā)劑、添加劑也隨之發(fā)生變化,使光刻膠的綜合性能更好地滿足工藝要求。

g 線光刻膠對應(yīng)曝光波長為 436nm 的 g 線,制作 0.5 μm 以上的集成電路。

i 線光刻膠對應(yīng)曝光波長為 365nm 的 i 線,制作 0.5-0.35 μ m 的集成電路。

g線和 i 線光刻膠是目前市場上使用量最大的光刻膠,都以正膠為主,主要原料為酚醛樹脂和重氮萘醌化合物。

KrF 光刻膠對應(yīng)曝光波長為 248nm 的 KrF 激光光源,制作 0.25-0.15μ m 的集成電路,正膠和負(fù)膠都有,主要原料為聚對羥基苯乙烯及其衍生物和光致產(chǎn)酸劑。KrF 光刻膠市場今后將逐漸擴(kuò)大。

ArF光刻膠對應(yīng)曝光波長為193nm的ArF激光光源,ArF干法制作 65-130 nm的集成電路,ArF 浸濕法可以對應(yīng) 45nm 以下集成電路制作。ArF 光刻膠是正膠,主要原料是聚脂環(huán)族丙烯酸酯及其共聚物和光致產(chǎn)酸劑。ArF 光刻膠市場今后將快速成長。

根據(jù)SEMI的數(shù)據(jù),2018年全球半導(dǎo)體用光刻膠市場,G線&I線、KrF、ArF&液浸ArF三分天下,占比分別達(dá)到了24%、22%和42%。其中,ArF/液浸ArF 光刻膠主要對應(yīng)目前的先進(jìn) IC 制程,隨著雙/多重曝光技術(shù)的使用,光刻膠的使用次數(shù)增加,ArF 光刻膠的市場需求將加速擴(kuò)大。

在 EUV 技術(shù)成熟之前,ArF 光刻膠仍將是主流。未來,隨著功率半導(dǎo)、傳感器、LED 市場的持續(xù)擴(kuò)大,i 線光刻膠市場將保持持續(xù)增長。

隨著精細(xì)化需求增加,使用 i 線光刻膠的應(yīng)用將被 KrF 光刻膠替代,KrF 光刻膠市場需求將不斷增加。

(2)LCD光刻膠

在LCD 面板制造領(lǐng)域,光刻膠也是極其關(guān)鍵的材料。根據(jù)使用對象的不同,可分為 RGB 膠(彩色膠)、BM膠(黑色膠)、OC 膠、PS 膠、TFT 膠等。

光刻工藝包含表面準(zhǔn)備、涂覆光刻膠、前烘、對準(zhǔn)曝光、顯影、堅(jiān)膜、顯影檢查、刻蝕、剝離、最終檢查等步驟,以實(shí)現(xiàn)圖形的復(fù)制轉(zhuǎn)移,制造特定的微結(jié)構(gòu)。

由于LCD是非主動發(fā)光器件,其色彩顯示必須由本身的背光系統(tǒng)或外部的環(huán)境光提供光源,通過驅(qū)動器與控制器形成灰階顯示,再利用彩色濾光片產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三基色,依據(jù)混色原理形成彩色顯示畫面。

然而,彩色濾光片的產(chǎn)生,必須由光刻膠來完成。

彩色濾光片是由玻璃基板、黑色矩陣、顏色層、保護(hù)層及 ITO 導(dǎo)電膜構(gòu)成。其中,顏色層(Color)主要由三原色光刻膠分別經(jīng)涂布、曝光、顯影形成,是彩色濾光片最主要的部分。

黑色矩陣(Black Matrix,簡稱 BM)是由黑色光刻膠作用形成的模型,作用為防止漏光。

從成本方面來看,彩色濾光片占面板總成本的 14%-16%,而彩色和黑色光刻膠占彩色濾光片成本的 27%左右,其中黑色光刻膠占比 6%-8%,光刻膠質(zhì)量的好壞將直接影響到濾光片的顯色性能。

除了RGB光刻膠和黑色光刻膠之外,TFT Array 正性光刻膠也非常重要,其主要用于 TFT-LCD 制程中的 Array 段,主導(dǎo) TFT 設(shè)計(jì)的圖形轉(zhuǎn)移,其解析度、熱穩(wěn)定性、剝膜性、抗蝕刻能力都優(yōu)于負(fù)性光刻膠。

三、光刻膠市場空間

1、全球光刻膠需求不斷增長

在半導(dǎo)體、LCD、PCB 等行業(yè)需求持續(xù)擴(kuò)大的拉動下,光刻膠市場將持續(xù)擴(kuò)大。2018 年全球光刻膠市場規(guī)模為 85 億美元,2014-2018 年復(fù)合增速約 5%。據(jù) IHS數(shù)據(jù),未來光刻膠復(fù)合增速有望維持 5%。

按照下游應(yīng)用領(lǐng)域來看,根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)顯示,目前半導(dǎo)體光刻膠占比 24.1%,LCD 光刻膠占比 26.6%, PCB 光刻膠占比 24.5%,其他類光刻膠占比 24.8%。