光刻胶,是芯片制造的关键材料。
为了打破国际垄断,中国企业全力攻关,进步确实很大。
但是,与日本相比,中国光刻胶仍然有很大的差距。
到底差在哪里?
中国企业又该如何突围?
一、光刻胶国产化
光刻胶,顾名思义,就是光刻机在光刻过程中使用的聚合物薄膜材料,英文直译过来是光致抗蚀剂,能在紫外光、电子束、离子束、X射线等照射或辐射下,发生聚合或解聚反应,把图案留在硅片上。
光刻胶工作原理
我们平常说的光刻胶,其实是一类产品的统称。
按形成的图像来分,有正性和负性两大类。按曝光光源和辐射源的不同就分得更细了,可分为紫外光刻胶、深紫外光刻胶、X-射线胶、电子束胶、离子束胶等。
光刻完成后的晶圆片
每类都有前面说的正负性之分,品种规格很多,非常复杂,对应的配方和生产技术也简单不了,但总体上都包括三种成分:感光树脂、增感剂和溶剂。
光刻胶的使用范围相当广,显示面板、集成电路和半导体分立器件等细微图形的加工作业都用得到,下游产品从智能手机的处理器到医疗设备的传感器,再到航天器的控制系统……无所不包。
尤其是对于精密制造和小型化设备的生产,光刻胶更是至关重要。
光刻胶是智能装备必不可少的源头精细化工品,其性能直接影响到终端产品的产能和质量。
光刻胶的市场规模基本约等于智能装备的制造能力,它的研发和改进也是半导体技术水平的关键指标。
正是意识到光刻胶的重要性,近二十年来,我国一直非常重视光刻胶行业的发展,积极给予政策支持,力争实现国产化。
早在“十二五”期间列出的16个国家科技重大专项,《极大规模集成电路制造装备及成套工艺》位列第二,号称“02专项”。
《极大规模集成电路制造装备及成套工艺》列入国家科技重大专项
十年过去,“02专项”结出硕果。
2020年底,南大光电发布公告,称其控股子公司“宁波南大光电”自主研发的ArF(193nm)光刻胶产品成功通过客户的使用认证,“本次认证选择客户50nm闪存产品中的控制栅进行验证,宁波南大光电的ArF光刻胶产品测试各项性能满足工艺规格要求,良率结果达标。”
超高精细光刻胶项目在2018年5月通过了02专项验收,2019年底,以研发团队为技术骨干的国科天骥公司在滨州成立,进行高档光刻胶及其相关有机湿电子化学品的小批量生产。
2021年,国科天骥在滨州生产园区试生产高档光刻胶。
新闻报道
徐州博康已成功开发ArF/KrF单体及光刻胶、I线光刻胶、封装光刻胶、电子束光刻胶等系列产品。
最近,武汉太紫微光电科技有限公司推出的T150A光刻胶产品,已通过半导体工艺量产验证,实现配方全自主设计。
目前,国内已有数十家企业涉足光刻胶领域,在短短几年内提高了光刻胶的国产化率,市场产值也快速增长。
比如,PCB光刻胶,国产率达到了63%,湿膜及阻焊油墨基本能实现自给;
LCD光刻胶领域,触控屏光刻胶正逐步实现国产化替代,目前国产率能到三到四成。
光刻胶国产化,进步确实很大。
二、与日本的差距
看到进步,更要看到差距。
从规模上看,2023年国内光刻胶市场规模约为121亿元,预计未来5年均复合增长率10%,增长率超过全球平均水平,但规模占比在全球不到两成。
从类别看,我国光刻胶在高端领域国产化率极低。像是7nm技术所需的最高端的EUV光刻胶,国产化率乐观估计也不足1%。
对比日本,差距尤为突出。
全球五大光刻胶生产商中,日企独占四家,JSR、东京应化、信越化学及富士胶片拿下全球超70%的光刻胶市场。
特别是在最高端的ArF和EUV领域,日企市场占有率超过90%!
日本光刻胶的国际市场份额(2022年)
不仅是市场份额,日企在光刻胶领域的专利申请量和技术水平在全世界也是遥遥领先。
根据2021年9月的数据,日本光刻胶专利申请量占全球该领域专利数量的46%,一家独大,排名第二的是美国,占25%。
中国则仅以7%的占比,排在韩国之后,排名全球第四。
2023年,全球共有5483件光刻胶专利,日本独占63%。
应该说,在光刻胶领域,中国企业与日企的差距是全方位的。
那么,日本的光刻胶企业为什么这么强?
网上有很多文章解答过,大多是从起步较早、政府支持、人才培养等角度分析。
这里,正解局不再面面俱到,而是提供一个观察的视角:
壁垒。
简单来说,日本光刻胶企业先建立了技术壁垒,再建立了行业壁垒,最后建立了产业壁垒。
先看技术壁垒。
早在1960年代,日本就组织技术攻关,实现了光刻胶的知识产权自有——东京应化(TOK)于1968年研发出首个环化橡胶系光刻胶产品MOR-81。
到1970年代,日本光刻胶已陆续完成商业化,几大巨头掌握核心技术。
1990年代开始,继续突破高端技术,初步构建技术壁垒。
日企光刻胶技术发展时间线
再看行业壁垒。
日本企业背后,大多有财团的影子。
化工领域更是日本财团重点布局的行业。财团之间,关系复杂,并非是完全的竞争关系。
表面看上去,日本几大光刻胶龙头企业各自独立。实际上,在不同细分领域侧重不同,抱团合作,形成行业壁垒。
最后看产业壁垒。
光刻胶是关键行业的关键材料,一旦使用,轻易不会更换。
日本光刻胶企业在晶圆生产的初期就介入进来,联合研发,开发出适配于晶圆厂专门要求的光刻胶。
后续实现生产,光刻胶跟晶圆厂的光刻机和生产条件高度匹配,专品专用,不可替代。
这样一来,除非有巨大的不可抗力,晶圆厂不想也不敢换掉日本企业的光刻胶。
日本光刻胶企业与下游晶圆厂深度合作,嵌入其全产业生态中,构建起牢不可破的产业壁垒,让自己的霸主地位极为稳固。
三、产业链突破
中国想要在光刻胶领域掌握主动,打破垄断,要走的路还很远。
首先还是要加大研发攻关,掌握核心技术。
光刻胶本身复杂产线的行业性质,为打破垄断,缩短与日企的差距,我国企业的研发是多向发力,多点开花。
最高端的EUV光刻胶主要有两种类型,一种是化学放大型(CAR),另一种是金属氧化物。
今年4月,湖北九峰山实验室与华中科技大学的联合研究团队成功突破了“双非离子型光酸协同增强响应的化学放大光刻胶”技术。
研究团队发表的论文
这种光刻胶能在曝光后产生更多酸,从而提高成像质量,减小线宽粗糙度,以更高灵敏度和分辨率来适应更先进更复杂的集成电路制造工艺。
在新型光刻胶的研发领域,我国科研团队也在攻关。
目前最顶级的EUV光刻机中,光刻胶的技术难度之一就是普遍对光源的敏感度不足,这不仅制约了产量,也推高了光刻机及其配套光源的制造难度和成本。
去年10月,我国清华大学与浙江大学的联合团队全球首次提出了“点击光刻”新方法,并成功开发出与之匹配的超高感光度光刻胶样品。
团队发表的论文
这种新型的光刻胶材料,能在极低曝光剂量下实现高对比度成像,大大降低了光刻曝光剂量,提高光刻效率。
其次,光刻胶技术尽快产业化。
光刻胶行不行,技术突破只是一个方面,不能只看专利和论文,最终还是要看落地到产业的情况。
除了前面提到的南大光电和国科天骥等企业之外,中国的光刻胶企业还有不少。在A股,目前有约20只光刻胶相关的股票,代表着中国光刻胶领域的中坚力量。
最后,要建立光刻胶的产业生态。
除了技术突破和产业化,分析日本的经验可知,更重要的是形成自己的产业生态体系——一定要与下游企业深度合作。
说得直接点,就是要有自己的光刻机。
就像大飞机产业链,只有中国自己能造大飞机,能卖大飞机,国产的大飞机零部件才有用武之地,相关的上游产业才能蓬勃发展。
否则,仅有技术是没用的,只能白白拿着技术,转化不出来,慢慢过时落伍被淘汰。
造出自己的光刻机,恰恰是最难的。
全球光刻机行业,几乎是美日企业的天下。荷兰阿斯麦ASML供给了全球92%的高端光刻机。
目前,我国光刻机的国产化率不足3%,2023年进口光刻机数量高达225台,进口金额高达87.54亿美元,进口金额创下历史新高。
以产品来说,仅有上海微电子能制造90nm工艺节点DUV光刻机,与ASML差距极大。
难度再大,也要上。
换个角度看,国产光刻胶的发展,绝不能单打独斗,需要产业链整体突破。
对光刻胶和半导体行业,我们要有信心,更要有耐心。