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国产半导体光刻胶野望

半导体行业观察 佚名
05/20
最后,值得关注的是,从2021年下半年开始,各家光刻胶公司在公开场合都开始突出自己在光刻胶上游材料的布局。虽然说目前最关键的还是先解决光刻胶的配方以及导入问题,但是更上游材料体现的是放量供应后的规模以及稳定性问题。
本文来自于微信公众号“半导体行业观察”(ID:icbank),作者: 佚名 ,三升体育网站经授权发布。

近年来,因为各种因素的影响,我们开始对原本少有人涉及的半导体产业有了广泛的了解。光刻胶,作为其中一个重要环节,也频频见诸于报端。正如很多报道所说的一样,这是一个被日美近乎垄断的市场,尤其是日本,更是其中不可或缺的重要角色。在这种重要性的驱动下,国内也涌入了很多光刻胶参与者。关于他们的进展和水平,在我们之前的文章《一线工程师眼中的国产光刻胶》里已经有了很详细的介绍。

在本文里,我们谈一下对国产半导体光刻胶的野望。

光刻胶对晶圆厂的影响会放大1500倍

据相关报道,2019年,台积电由于其化学原料供应商提供的一批光刻胶中某特定成分处理方式与过去相异,导致光刻胶产生异质聚合物,造成台积电晶圆14B厂生产的12nm及16nm晶圆报废达10万片(初步估算的数字)。10万片晶圆,如果按照台积电每片卖价5,500美元,加起来损失超过5.5亿美元,毛利率减少2.6个百分点。加上股价跌势,台积电的损失超过了40亿美元,影响客户包括苹果、NVIDIA、AMD等重量级客户。

我们简单测算,假设当时主要应用的是Krf的光刻胶,平均每加仑的购买成本是8000人民币,平均一加仑光刻胶可用于大约300片晶圆,那这一批报废晶圆大概对应333加仑光刻胶,总价值250万人民币。而正就是这一批价值仅250万的光刻胶,给台积电带来的直接损失约合人民币38.5亿人民币,是本身价值量的1500倍,如果算上间接损失约280亿人民币,那整个杠杆效应高达11200倍。

国产半导体光刻胶野望

由此可见,虽然光刻胶在整个芯片制造中的成本占比约6%,但是这些材料是无法替代的,也是所有材料中技术工艺难度最高的,保质期只有6~9个月,其作用相当于坦克/战机的汽油,一旦品质不过关或者供应不到位,整个芯片制造产业链就会停滞甚至崩溃。

此外,光刻胶还有纯度要求,在储存、运输等环节上也有污染风险。

首先看纯度,这是光刻胶最核心的标准之一。在晶圆厂,一般用金杂(即金属离子表征光刻胶纯度)来衡量光刻胶的纯度,而一般我们衡量的金属含量包括Fe, Zn,Ca,K, Na, Cu等,高端的在1ppb以下(即10^-12), 国内目前慢慢接近2~10ppb。光刻胶纯度不足会造成芯片良率下降,甚至污染事故,例如刚才所提到的台积电光刻胶污染事故。

其次看储存,这方面一般会受下述多个因素的影响:

(1)光照条件:光刻胶在储存过程中会老化,因此通常保存在防紫外光的棕色玻璃试剂瓶中(一加仑包装,部分电子束胶由于对紫外波段不感光,有可能直接使用白色塑料瓶包装),10C以下冷藏保存,并且紫外光刻胶只能在黄光(λ> 500 nm)下进行处理。而就是这样的一个储存瓶子,国内目前的技术还无法生产,100%需要进口。

(2)温度条件:对于绝大多数紫外光刻胶而言,通常的保存条件是5-10℃下保存(除制造商要求的特殊保存温度外)。

(3)膜度控制:如果频繁打开光刻胶试剂瓶会导致溶剂蒸发,光刻胶会增稠并因此产生较厚的膜。对于膜厚为1.4 μm的光刻胶,仅损失1%的溶剂就已经导致4%的膜厚,因此带来的影响是厚度偏移,厚度与CD 的swing curve(入射光与底层反射的二次干涉引起的驻波效应)强相关,一旦偏移会造成产线CD关键尺寸异常,产品返工。所以产线量产型光刻胶绝对不允许开封,都是直接装到机台的光阻chemical box中直接使用,因此一般光刻胶对于膜厚控制的敏感度来自于光刻胶的批次稳定性以及老化稳定性,在装机后的使用周期内,要确保恒温恒压恒湿条件。

最后,我们看一下光刻胶对运输的要。由于光刻胶属于三类危险品,全程需冷链运输,运输要求非常高。近年来,全球受疫情影响,国际航空货运运力持续紧张,对于光刻胶这种危险品,物流链条上还存在危冷库周转率低、危化品查验时间长等因素。

日本对韩国芯片产业打压的启示

2019年7月,日韩关系恶化,日本政府宣布正式实施对韩国半导体材料的出口限制,包括用于制造折迭屏幕的含氟聚酰亚胺、用于先进工艺芯片制造的EUV光刻胶、用于显示器和芯片的高纯度氟化氢,这给韩国的半导体产业带来巨大冲击,也进一步冲击全球半导体供应链和电子市场。

追溯整个事情的起因,归咎于冷漠的日韩两国关系。这个既是历史的追责,也是政治的博弈。日本方面一直拒绝就慰安妇问题承担法律责任,也拒绝提供“国家赔偿”,为此引起了韩国方面强烈不满。2018年韩国最高法院裁定,日企新日铁住金需向二战当年强征劳工的受害者原告赔偿,由此引发后续日韩关系的逐渐破裂。2019年的断供行为,是日本向韩国进行的“经济报复”,以经济手段施压,逼迫对方就范,以达到政治目的。

在这种情况下,韩国半导体产业开启了自救之路。

韩国贸易协会统计显示,2018年韩国经济增速只有2.7%,创6年新低,出口总额达6055亿美元,其中半导体占总出口总额的21%。一旦韩国半导体出口遭到重创,意味着韩国出口增长可能遭到重大打击,也将严重阻滞韩国经济。

自日本断供后,作为半导体的关键材料,韩国也通过以下几种方式,积极谋求光刻胶领域的自救之路:

(1)积极寻找替代厂商。

韩国企业从第三国比利时打通光刻胶的进口渠道。比利时的光刻胶供应商或为日本化学企业JSR和比利时微电子研究中心于2016年设立的合资公司,2019年韩国企业从比利时进口了比以往高10倍的光刻胶产品,同时对日本光刻胶依赖度下降了50%。但是据调查,比利时的光刻胶最终来源依旧是日本公司。所以说,韩国这一措施,虽然解决了燃眉之急,但依旧无法从根本上解决光刻胶被卡的问题。

(2)政府的大力支持。

面对日本的限供,韩国产业通商资源部决定对半导体材料、零部件与设备研发投入6万亿韩元(约50亿美元)预算,以推动对核心技术、原材料和关键零部件的开发。韩国政府制定了“材料、零部件、设备竞争力提升方案”,大力扶持相关核心技术研发;计划投入一切政策资源提高本国半导体行业的国产化比例;还成立了民政合作的“材料与零部件需求供应支持中心”。同时,韩国时隔20年重新修订《材料零部件与设备产业特别法》,呼吁企业加大技术研发和投资力度,与零部件材料厂商相辅相成,合力摆脱几十年来对外国技术、零部件供应的依赖。

(3)领先企业加速国产替代。

韩国领先半导体企业从自身需求出发,一边开拓采购渠道,另一边扶持本土半导体材料、设备等玩家发展、推动提升本土产业链完备程度。2020年8月份,韩国政府推出一个扩大的半导体材料测试设施,其中所使用的光刻机也是由三星以低于市场价的价格提供。

2021年,据etnews介绍,韩国东进半导体与三星电子携手,利用自身现有的氟化氩曝光机、比利时半导体研究所IMEC EUV设备等基础设施,成功开发出EUV光刻胶,并在三星电子的华城 EUV 生产线上进行了测试,并获得了最终的认证。正式意味着韩国实现国产化。除了EUV光刻胶的进程外,Krf、低端Arf光刻胶已在韩国实现部分量产应用。

韩国作为芯片制造大国,凭借政府的利好政策、头部芯片企业的带动作用等,初步缓解了被日本在半导体材料上卡脖子的窘境,但短期内仍旧无法摆脱对日本半导体材料、设备的依赖。有意思的是,限韩令发布两个月之后,日本解禁一批对韩出口半导体材料,其中包括7nm先进制程至关重要的EUV光刻胶。由此可见,光刻胶在整个芯片制造中的重要性也就不言而喻了,未来,中国只有真正的实现了光刻胶的100%自主化生产,才能从根本上消除芯片制造领域材料被卡脖子的风险。

中美芯片之争:从终端到设备最后是材料

回顾历史,2018年4月,美国联邦通信委员会(FCC)发布新规,禁止美国国内通信运营商采购外国企业的通信设备,作为受限对象企业考虑的是华为技术和中兴通讯(ZTE)。2020年美国又开始对中国在半导体制造设备及相关软件工具,激光器,传感器和其他技术的出口实行新的限制。新的限制细则中提到,“2018 年《出口管制改革法案》(ECRA)第 1758 条(《美国法典》第 50 卷第 4801 条)要求美国商务部对新兴基础技术的出口、再出口或转让制定适当的管制措施。”

2022年5月,硅谷知名科技媒体《The Information》报道称,美国商务部正在考虑扩大对中国企业出售芯片制造原材料及设备的禁令。该禁令将限制美国原材料和设备供应商向中国公司供货,将针对包括华虹半导体、长鑫存储和长江存储在内的中国半导体公司,在中国大陆设厂的海外企业可能也因此被波及。同时,美国也可能说服日本、荷兰等半导体设备商采取类似规则,确保中国公司无法向其他国家购买设备。报道提到了韩国的SK海力士、德国的英飞凌、荷兰的恩智浦半导体和美国的德州仪器等,称其将面临与中国公司相同的出口管制规则。

正所谓“一代芯片,一代设备”,作为制作先进制程芯片的必备设备——EUV光刻机就是因为美国的禁令,我们无法购买,这也是我国半导体芯片环节被“卡脖子”的关键,没有高端的EUV设备,我们永远也制造不出最先进制程的芯片。

那为什么美国现在还没有限制或者打压对中国半导体材料的出口?我们认为有以下几个原因:

(1)中美科技之争是边打边谈,双方都是产业链缠绕,不可能马上就完全脱钩和分离,但是对关键材料的出口限制相当于把争端上升到更尖锐的层面,特别是光刻胶,一旦美国对中国明确全面断供光刻胶,就是相当于要彻底对中国芯片制造业摊牌,相当于核武器,光是部分限供的影响和冲击也是巨大的,会带来相关公司马上停产的危机。这会成为美国和中国博弈非常重要的一个筹码。

(2)半导体材料的强国是美国日本,且日本的材料产业链相对更加完整,美国公司参与进去的不多,如果美国政府想通过立法或者别的形式,并没有能够直接禁止日本公司对中国出口相关材料的理由。除非美国政府强制日本执行,这就要美国和中国摊牌,且获取盟国对此行为的一致认可,这样做比当前限制高端芯片制造设备的政治代价高得多,且具体操作的难度更大;

(3)美国的产经界人士对中国芯片制造业的发展阶段判断,认为中国大陆还处在追赶阶段,相关设备与专利的限制已经足够卡住发展进程,设备都没有就更加不用考虑高端材料的问题了。但是一旦国产设备进步神速,或者全面突破,对关键材料的限制必然会成为下一个“制裁”点;

(4)其实,美国已经在科技做脱钩,或者说部分脱钩的准备工作。知情人士透露,美国商务部希望制定一套类似于适用中芯国际的规则限制其他半导体企业——也就是允许这些中国公司继续生产成熟制程、工艺老旧的芯片,但严格限制其获得先进制程的工艺和设备的可能性。美国人希望在以芯片为基础的智能科技领域与中国这样的战略挑战者永远保持代差感,甚至是几代的代差感,从而确保竞争优势和产业优势。

美日的半导体材料公司会随着产业链的迭代不断开发出更尖端的材料,且供应链也会逐步靠拢英特尔、台积电、三星这样的体系,自然而然也会逐步减少适用于中国芯片制造业的材料生产,最后随着时间的推移,不仅仅是设备的限制,关键材料的供应被切断反而成为了美日企业的正常市场行为,他们要追求更高利率的工艺产品,淘汰老旧产品和市场不够的产品。最近日本大厂从地震被动限供到主动限供其实就是一个警示讯号。

如果说设备限制是当头一刀,那关键材料特别是光刻胶的限制就是温水煮青蛙,我国若无法突破在半导体材料技术上的突破,最终将演变成芯片产业链的大溃败,所以半导体材料特别是光刻胶国产化势在必行。

我国半导体光刻胶的进展与野望

今年3月以来,上海的疫情日益严峻,但因光刻胶对芯片制造的重要性,中国企业也尽全力保证光刻胶的储备。据中国民航网报道,4月24日,东航物流旗下中国货运航空的CK262全货机航班飞抵浦东国际机场,机上承载的物资就包括5.4吨光刻胶,这些光刻胶的收货方,是我国第二大芯片制造企业华虹集团。据资料显示,华虹集团每月空运光刻胶约数千瓶。

自今年4月以来,这已经是华虹集团收到了第2批光刻胶、两批共计8.9吨,而这也才刚完成4月光刻胶运输计划的部份任务,这也让“别人抢菜我抢光刻胶”的金句广为流传。以往我们只听过用飞机紧急撤侨、飞机基金运输战略武器、用飞机积极投送抗疫紧缺物资,都是属于战略性行为,这次的包机抢购光刻胶,再一次证明了光刻胶对于芯片制造的核心地位,已经上升到了国家战略层面。

近年来,国产光刻胶厂商纷纷崛起,在半导体光刻胶层面也取得了不错的进展。我们根据最新的公开数据整理了主要几家在半导体光刻胶领域有布局的公司的产品情况。从研发与量产进度来看:

(1)ArF领域代表着国产光刻胶的最前沿技术。

在ArF这个领域,目前国内这几家光刻胶公司都明确表示要攻关该领域,但是已经有产品出来并送样的公司只有上海新阳、南大光电、徐州博康(华懋科技),飞凯材料的Barc也很关键。

作为国家02专项的结题单位,加上国家大基金的加持,南大在ArF领域必然是居于领先地位,但是最近的年报也披露了光刻胶项目的延期,可想而知,这一领域的技术工艺难度之高。

(2)KrF领域更加重视技术的适用性,国产光刻胶产品已经放量。

在这个领域,南大并没有进行布局,晶瑞电材还在进行客户端测试,上海新阳的产品已经有客户订单,而明确表示自身在KrF领域批量供货的是北京科华(彤程新材)、徐州博康(华懋科技)。

在这里,我们对光刻胶的批量供货做一些解析。

一款光刻胶通过客户测试认证后,产品性能基本达标就可以产生小量订单了,但是批量供货既要产品性能达标,还要考量公司的工业化生产能力和对工艺的控制能力,从工厂的车间验证到光刻胶产品多批次的稳定性,特别是对之前从来没有批量供应光刻胶产品的公司,挑战更大。

(3)i线光刻胶领域重点是品类扩充以及高分辨i线光刻胶突破。

在这个领域,据透露,包括晶瑞电材、北京科华(彤程新材)、徐州博康(华懋科技)和上海新阳等企业在这里已经有了不错的表现。其中,晶瑞明确了公司i线收入3000-4000W,北京科华(彤程新材)公布数据是国产i线占比达20%。考虑到i线的单价不高,加上国内供应链已经较为成熟,后续重点观察各家的销售收入变量。

最后,值得关注的是,从2021年下半年开始,各家光刻胶公司在公开场合都开始突出自己在光刻胶上游材料的布局。虽然说目前最关键的还是先解决光刻胶的配方以及导入问题,但是更上游材料体现的是放量供应后的规模以及稳定性问题。也亏的产业内人士未雨绸缪,这一点特别重要,2021年下半年以来,据业内人士消息,因为上游原材料涨价问题,光刻胶市场均价上涨20%-30%,侧面也证明,光刻胶的定价权不仅仅取决于配方工艺,还应该包括上游材料供应体系。

展望未来,国产光刻胶必将取得突破,与之相呼应,必将诞生中国版的千亿市值化学巨头,代表化学材料最高水准的半导体光刻胶只是第一步,这个确定性几乎是100%。

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