90%市場被國外廠商壟斷 光刻膠國產化急需提速！

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

即便強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。

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

而即將開始投資的國家大基金二期也或將加大對于半導體材料領域的投資。

今天芯智訊就為大家來系統(tǒng)的介紹下,半導體制造當中所需的一種關鍵材料——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,是光刻工藝的關鍵化學品,主要利用光化學反應將所需要的微細圖形從掩模版轉移到待加工基片上,被廣泛應用于光電信息產業(yè)的微細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用,是微細加工技術的關鍵性材料。

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)明以來就成為半導體工業(yè)最核心的工藝材料之一。隨后光刻膠被改進運用到印制電路板的制造工藝,成為 PCB 生產的重要材料。

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

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

總結來說,光刻膠產品種類多、專用性強,需要長期技術積累,對企業(yè)研發(fā)人員素質、行業(yè)經驗、技術儲備等都具有極高要求,企業(yè)需要具備光化學、有機合成、高分子合成、精制提純、微量分析、性能評價等技術,具有極高的技術壁壘。

2、光刻膠主要用于圖形化工藝

以半導體行業(yè)為例,光刻膠主要用于半導體圖形化工藝。圖形化工藝是半導體制造過程中的核心工藝。圖形化可以簡單理解為將設計的圖像從掩模版轉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,分別實現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移,流程一般分為十步:1.表面準備,2.涂膠,3.軟烘焙,4.對準和曝光,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行清洗,主要采用相關的濕化學品,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里。在掩模版與晶圓進行精準對準以后,光線透過掩模版把掩模版上的圖形投影在光刻膠上實現曝光,這個過程中主要采用掩模版、光刻膠、光刻膠配套以及相應的氣體和濕化學品。

對曝光以后的光刻膠進行顯影以及再次烘焙并檢查以后,實現了將圖形從掩模版到光刻膠的第一次圖形轉移。在光刻膠的保護下,對于晶圓進行刻蝕以后剝離光刻膠然后進行檢查,實現了將圖形從光刻膠到晶圓的第二次圖形轉移。

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體制造工藝中,一般需要 40 步以上獨立的光刻步驟,貫穿了半導體制造的整個流程,光刻工藝的先進程度決定了半導體制造工藝的先進程度。光刻過程中所用到的光刻機是半導體制造中的核心設備。

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

二、光刻膠分類

1、正性光刻膠和負性光刻膠

光刻膠可依據不同的產品標準進行分類。按照化學反應和顯影的原理,光刻膠可分為正性光刻膠和負性光刻膠。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。

在實際運用過程中,由于負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到 2 微米,因此正性光刻膠的應用更為廣泛。

2、按用途分類

光刻膠經過幾十年不斷的發(fā)展和進步,應用領域不斷擴大,衍生出非常多的種類,按照應用領域,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、半導體用光刻膠和其他用途光刻膠。其中,PCB 光刻膠技術壁壘相對其他兩類較低,而半導體光刻膠代表著光刻膠技術最先進水平。

(1)半導體用光刻膠

在半導體用光刻膠領域,光刻技術經歷了紫外全譜(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。相對應于各曝光波長的光刻膠也應運而生,光刻膠中的關鍵配方成份,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,正膠和負膠都有,主要原料為聚對羥基苯乙烯及其衍生物和光致產酸劑。KrF 光刻膠市場今后將逐漸擴大。

ArF光刻膠對應曝光波長為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 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酸劑。ArF 光刻膠市場今后將快速成長。

根據SEMI的數據,2018年全球半導體用光刻膠市場,G線&I線、KrF、ArF&液浸ArF三分天下,占比分別達到了24%、22%和42%。其中,ArF/液浸ArF 光刻膠主要對應目前的先進 IC 制程,隨著雙/多重曝光技術的使用,光刻膠的使用次數增加,ArF 光刻膠的市場需求將加速擴大。

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

隨著精細化需求增加,使用 i 線光刻膠的應用將被 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 面板制造領域,光刻膠也是極其關鍵的材料。根據使用對象的不同,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備、涂覆光刻膠、前烘、對準曝光、顯影、堅膜、顯影檢查、刻蝕、剝離、最終檢查等步驟,以實現圖形的復制轉移,制造特定的微結構。

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,通過驅動器與控制器形成灰階顯示,再利用彩色濾光片產生紅、綠、藍三基色,依據混色原理形成彩色顯示畫面。

然而,彩色濾光片的產生,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、保護層及 ITO 導電膜構成。其中,顏色層(Color)主要由三原色光刻膠分別經涂布、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 TFT 設計的圖形轉移,其解析度、熱穩(wěn)定性、剝膜性、抗蝕刻能力都優(yōu)于負性光刻膠。

三、光刻膠市場空間

1、全球光刻膠需求不斷增長

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

按照下游應用領域來看,根據前瞻產業(yè)研究院的數據顯示,目前半導體光刻膠占比 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%。