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集成电路材料:光刻胶和掩膜版发展情况

 小精灵Z 2019-07-24

1、光刻胶

光刻胶是微细图形加工关键材料之一,由成膜树脂、感光组分、微量添加剂(染料、增粘剂等)和溶剂等成分组成的对光敏感的混合液体,具有纯度高、生产工艺复杂、生产及检测等设备投资大、技术积累期长等特征,属于资本技术双密集型产业。

目前,全球芯片工艺水平已跨入微纳米级别,光刻胶的波长由紫外宽谱(300-450nm)逐步至G线(436nm)、I线(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm),以及最先进的EUV(<13.5nm)水平(表8)。从全球光刻胶分类市场份额占比来看,高端光刻胶占据最大的市场份额,其中G/I线光刻胶占比为24%,KrF光刻胶占比为22%,ArF光刻胶占比为41%。

集成电路材料:光刻胶和掩膜版发展情况

光刻胶种类、应用领域及特性

全球光刻胶市场基本被日本JSR、东京应化、住友化学、信越化学,美国罗门哈斯等几家大型企业所垄断,市场集中度非常高。国内芯片制造厂向28nm以下更小节点不断发展,先进工艺对高端光刻胶的需求不断增大。但高端光刻胶因技术受卡,始终依赖进口,国产化率低(表9)。根据中国产业信息网的数据,适用于6英寸硅片的G/I线光刻胶的自给率分别约为60%和20%,适用于8英寸硅片的KrF光刻胶的自给率仅有1%,而适用于12寸硅片的ArF光刻胶完全依靠进口。

集成电路材料:光刻胶和掩膜版发展情况

光刻胶企业材料量产和研发情况

目前我国有北京科华、苏州瑞红、潍坊星泰克、上海飞凯光电材料、容大感光(300576)、广信材料(300537)、东方材料(603110)、永太科技(002326)等超过10家光刻胶企业,但产品能够批量进入集成电路的只有三家,分别是北京科华(南大光电(300346)持股31.39%)、苏州瑞红(晶瑞股份(300655)100%控股)和潍坊星泰克。

北京科华主要产品为紫外负性光刻胶及配套试剂,lift-off负胶,紫外正性光刻胶(G线、I线)及配套试剂,248nm光刻胶。北京科华的I线光刻胶已全面进入国内主要的6英寸及以下芯片厂,并在部分8英寸芯片厂实现小批量应用。同时,北京科华进一步研发ArF光刻胶,2017年研发生产的ArF干法光刻胶中试产品已完成在国内一流芯片制造厂的测试;苏州瑞红主要产品为紫外负性光刻胶及配套试剂、G线光刻胶及配套试剂等。苏州瑞红承担的国家02专项项目I线光刻胶产业化技术开发项目正在进展当中;潍坊星泰克主要产品包括G线光刻胶、Lift-off负胶。

从国内市场来看,目前主流的四种中高端光刻胶中,G/I线光刻胶已经实现量产;KrF光刻胶正逐步通过芯片厂认证并开始小批量生产;ArF光刻胶乐观预计在2020年能有效突破并完成认证;最新的EUV和电子束光刻胶方面,现在国内还不具备条件也没有这方面研发能力,量产更是遥遥无期。

集成电路材料:光刻胶和掩膜版发展情况

另外,我国光刻胶的发展面临高纯光刻胶原材料的国产化问题。除了强力新材(300429)、河南翰亚微电子江苏天音化工等少数企业能够少量供应部分光刻胶原材料以外,高端光刻胶所需的树脂主体材料、光敏剂、抗反射涂层(ARC)等基本依赖进口。

2、掩膜版

掩膜版(表10)在集成电路行业中的作用就像照相行业中的胶卷底片,行业地位特殊,其质量很大程度上决定了集成电路最终产品的质量。对于芯片制造,掩膜版的设计和制造需要与集成电路工艺紧密衔接,因此,芯片制造厂一般都有配套的专业掩膜版工厂,先进的掩膜版技术也因此掌握在先进芯片制造厂商手中。

目前,英特尔、三星、台积电、Globalfoundries等全球最先进的芯片制造厂所用的掩膜版大部分由自己的专业工厂生产,外购量较少。据统计,芯片大厂附属掩膜版厂的掩膜版收入占整体掩膜版市场收入的六成。对于非先进制程,特别是一些60nm及90nm以上制程产品,掩膜版外包的趋势非常明显,独立掩膜版制造厂的市场比较高。目前全球独立的掩膜版厂商包括美国Photronic、日本DNP、日本Toppan、台湾光罩以及SK-Electronics等,前三家公司占据80%以上的市场份额。

我国掩膜版生产公司以外资为主,美国Photronics和日本Toppan都在上海建有大规模生产基地,占据了我国高档光掩膜版市场。我国本土的掩膜版厂主营生产低端产品,按经营模式可分为3类:第一类是科研院所,包括中科院微电子中心,中国电科13所、24所、47所、55所等;第二类是独立的掩膜版制造厂商,主要有无锡迪思微电子和无锡中微,技术水平分别为0.8μm-0.13μm和0.25μm;第三类是芯片厂配套的掩膜厂,以中芯国际掩膜厂为代表,技术水平为0.25μm-0.18μm。整体而言,国内企业掩膜版加工能力有限,高端掩膜版技术与国外先进水平差距较大。

集成电路材料:光刻胶和掩膜版发展情况

常用掩膜版类型及特性

掩膜版的主要原材料为掩膜基板、掩膜保护膜(Pellicle透明保护膜等)等。基板通常是高纯度、低反射率、低热膨胀系数的石英玻璃,其成本占到掩膜版原材料采购成本的90%左右,是制造掩膜版的核心材料。我国尚不具备生产高档高纯石英掩膜基板的生产能力。掩膜保护膜可以增加芯片生产的良率并且减少掩膜版清洁次数和磨损,是降低光刻工艺成本的关键材料,该种保护膜生产技术被美国、日本垄断。我国迄今仅有芯恩报道了在掩膜基板和掩膜保护膜相关领域的探索性布局。

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