基础材料才是半导体基石-光刻胶篇

kaller_cui 2021-07-29

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导读

近日，英特尔公布了公司有史以来最详细的制程工艺和封装技术路线图。除了公布其近十多年来首个全新晶体管架构RibbonFET和业界首个全新的背面电能传输网络PowerVia之外，英特尔还重点介绍了迅速采用下一代极紫外光刻（EUV）技术的计划，即高数值孔径（High-NA）EUV。

从英特尔事件中，可以折射出两个信息：1）光刻机与光刻技术竞争不断白热化，将带动光刻胶需求上升；2）封装技术跃升为摩尔定律的主旋律。

本文将针对半导体基础材料之一 — 光刻胶展开探讨。

光刻胶作为技术含量最高的材料之一，在现有光刻流程中暂时无法被取代。虽然光刻原材料、技术和设备目前由海外厂商垄断，但随着EUV光刻机需求不断增加，而ASML的产能有限，因此，在光刻领域，国产化仍有曙光。

当前，中国光刻胶面临垄断壁垒、原材料壁垒及规模壁垒等阻碍。回顾日本光刻胶产业发展，光刻胶作为光刻领域高技术材料，除了需要强大的精细化工材料制造能力，还需要光刻配套技术。中国如果要实现对龙头企业的追赶甚至是超越，除了国家对半导体行业发展的支持、通过积极的资本运作实现技术吸纳，还需要加强光刻胶企业与晶圆加工企业的协同合作。

本文逻辑：

1）光刻胶应用广泛，为第三大芯片制造材料

2）日本处于绝对垄断地位

3）英特尔全力押注EUV工艺，台积电三星等纷纷布局

4）存储厂商如美光、SK海力士和三星都已加码投资EUV光刻机

5）EUV光刻胶需求上升

6）光刻胶国产化困境

7）政策支持、资本运用和产业链上下游企业协作才是实现光刻胶国产化的利器

光刻胶应用广泛，为第三大芯片制造材料

光刻胶可广泛应用于IC、面板显示和PCB等下游泛半导体领域。

自1959年被发明以来，就成为半导体工业最核心的工艺材料；随后光刻胶被改进运用到印制电路板的制造工艺，成为 PCB 生产的重要材料；二十世纪九十年代，光刻胶又被运用到 LCD 器件的加工制作，对 LCD 面板的大尺寸化、高精细化、彩色化起到了重要的推动作用。在经过几十年不断的发展和进步，应用领域不断扩大，衍生出非常多的种类。

光刻胶按照下游应用分类

主要类型	主要品种
IC 光刻胶	G 线光刻胶、I 线光刻胶、KrF 光刻胶、ArF 光刻胶、EUV 光刻胶等
LCD 光刻胶	彩色滤光片用彩色光刻胶及黑色光刻胶、LCD/TP 衬垫料光刻胶、TFT –LCD 用光刻胶等
PCB 光刻胶	干膜光刻胶、湿膜光刻胶、光成像阻焊油墨等

在 IC（集成电路）行业，光刻工艺是将掩膜版的电路结构复制到硅片上的过程，而光刻胶是光刻工艺中的重要材料。光刻工艺的成本约为整个芯片制造工艺的35%，并且耗费时间约占整个芯片工艺的40%-60%。可以将光刻工艺和照相技术做一个类比，照相是将镜头里的画面“印”到底片上，光刻工艺是将电路图和电子元件“刻”在“底片”上。

仅以分析半导体光刻胶来看，光刻胶及其配套化学品作为重要的半导体材料，在芯片制造材料成本中的占比高达12%，是继晶圆、电子气体之后第三大芯片制造材料。

资料来源：中国产业信息网、天风证券研究所

日本处于绝对垄断地位

光刻胶产业链可以分为上游原材料，中游制造和下游应用三个环节。上游包括感光树脂、单体、光引发剂及添加助剂等原材料，中游包括 PCB 光刻胶、面板光刻胶和半导体光刻胶的制备，下游是各种光刻胶的应用。

全球光刻胶产业链图谱

资料来源：前瞻产业研究院，天风证券研究所

在上游原材料环节，行业代表企业有陶氏杜邦、富士胶片、巴斯夫和强力新材等公司，全球主要生产企业分布于日本、美国、中国、韩国、英国以及荷兰，其中所属地在日本的企业占比为 49%。我国企业数量占比有 29%，但各个企业在光刻胶专用化学品上的产量和规模较小，品种规格较为单一，分布极不均衡。

在中游光刻胶制造环节，全球光刻胶供应市场高度集中，核心技术掌握在日、美等国际大公司手中，日本的 JSR、东京应化、信越化学及富士胶片四家企业占据了全球 70%以上的市场份额，处于市场垄断地位。在全球半导体光刻胶市场上，日本企业处于绝对垄断地位。

全球光刻胶市场份额情况

资料来源：中国产业信息网，天风证券研究所

2019年全球半导体光刻胶市场份额

资料来源：TECHCET，天风证券研究所

英特尔全力押注EUV工艺，台积电三星等纷纷布局

为致力于定义、构建和部署下一代高数值孔径EUV（High-NA EUV），当前英特尔正与ASML密切合作，确保这一行业突破性技术取得成功，超越当前一代EUV，并计划在2025年成为首家在生产中实际采用High-NA EUV的芯片制造商。

近日参加摩根大通的会议时，CEO基辛格表示，从Intel 4节点起，英特尔将全面应用EUV光刻技术生产相关产品，Intel 3会在更多工序中添加EUV的使用，来驱动比标准全节点改进水平更高的提升。

英特尔将斥资 200 亿美元在亚利桑那州建立两个领先的制造工厂，这将是“EUV 能力”，这意味着他们将能够生产7nm 及以下的芯片。通过引入EUV光刻技术，同时将制造外包给台积电来争取时间。

不同光刻胶与芯片制程对应关系

资料来源：晶瑞股份可转债发行回复函，天风证券研究所

不同曝光波长的光刻技术的进阶意味重大的技术演变，需要光刻机与光刻胶的协同优化来保证每个技术节点的按时推出。自上世纪 50 年代开始，光刻技术经历了紫外全谱（300-450nm）、G 线（436nm）、I 线（365nm）、深紫外（248nm 和 193nm）、极紫外（13.5nm）和电子束光刻等六个阶段，除了对应于各曝光波长的光刻机不断取得进阶外，光刻胶及其组成部分也随着光刻技术的发展而变化。

主要的光刻胶体系

资料来源：《光刻材料的发展及应用》庞玉莲、天风证券研究所

如今的光刻技术已经进入EUV时代，与ArF浸没式光刻相比，EUV光刻技术有很高的图形保真度和设计灵活性，所需的光掩模数量很少，显示出明显的优势。

除了英特尔，台积电和三星纷纷也一直积极导入EUV技术，在EUV光刻机上的布局要多于英特尔。

据Mizuho Securities Asia Limited的一份关于ASML的报告，其预测了EUV客户台积电、三星、英特尔的购买情况，如下图所示，相对来说，英特尔处于落后地位。

ASML 宣布，其在 2020 年出货了31台EUV工具。虽然这表明 EUV 现已达到成熟，但仍低于其 35 台出货计划。

图源：Mizuho证券股票研究估计

台积电和三星均将在美国建厂，这些工厂也都需要EUV光刻机。

台积电在上个月的技术研讨会上分享了其亚利桑那工厂的渲染图。图片：台积电

今年5月，据韩国媒体报道，三星电子已决定在德克萨斯州奥斯汀建设 EUV 半导体晶圆厂，这将是该公司首次在韩国以外的国家拥有 EUV 生产线。此外，ASML与韩国中央和地方政府签署了一份协议，将投资2400亿韩元（2.11亿美元），到 2025 年在京畿道华城建立 EUV 产业集群。

随着英特尔开始全面拥抱EUV光刻机，EUV光刻机的抢夺将更加白热化。

存储厂商如美光、SK海力士和三星都已加码投资EUV光刻机局

近日据韩媒报道，美光计划到 2024 在其制造工厂中实施极紫外 (EUV) 光刻，在1γ(Gamma)节点的有限的层数中部署 EUV，然后会将其扩展到具有更大层采用率的1δ(Delta)节点。旨在通过允许制造更小的芯片特征来保持摩尔定律的存在。

2021年2月1日，SK海力士完成首个用于DRAM的EUV晶圆厂，它于2年前开始建造，位于京畿道利川园区的晶圆厂名为 M16，是该公司最大的晶圆厂。

去年年初，三星电子宣布全球首次开发基于 ArF-i 的 D1z DRAM 和分别应用其 EUVL 光刻 (EUVL) 的 D1z DRAM。今年2月份，三星电子基于极紫外（EUV）光刻技术的1z-nm工艺的DRAM已经完成了量产。据了解，三星还将继续为下一代DRAM增加EUV步骤。

EUV光刻胶需求上升

EUV光刻机抢夺赛不断白热化，以及存储厂商在光刻领域的投资布局，与之对应的是EUV光刻胶的需求上升。

经势银（TrendBank）统计分析，2020年EUV光刻胶市场需求达到3100万美元，在全球半导体光刻胶占比为2%。

据TECHCET预测，EUV光刻胶的市场规模在2020年将超过1000万美元，到2023年年平均增长率预计达到50%以上。目前，EUV光刻胶的市场几乎被日本TOK、信越化学和JSR垄断。

全球EUV光刻胶市场格局

资料来源：半导体前沿，天风证券研究所

TECHCET 的分析师 Ed Korczynski 先生表示说，“长年以来，极紫外光刻技术(EUV Lithography)的导入一直被延误，如今终于要被 7nm 工艺以下的 IC 生产采用了。

随着全球半导体高性能逻辑芯片、模拟芯片产能向10nm以下先进工艺加码倾斜，预计未来2-3年内将保持70%以上的年增长率。继台积电、三星之后，英特尔计划在 2023 年把 EUV 运用到最尖端的逻辑半导体生产中。SK海力士也已经开始讨论把 EUV 运用到尖端 DRAM 的生产中。未来，随着 EUV 需求的增长，而且迹象表明 EUV 技术也将被用于量产。例如EUV 特殊蚀刻胶供应商 Inperia 在 2020 年 2 月份收到了来自光刻胶厂家、使用 EUV 的半导体厂家等的总额 3,100 万美元（约人民币 2.17 亿元）的投资。

EUV 光刻胶是重要技术发展方向之一。

随着集成电路芯片设计尺寸的不断减小，光学光刻越来越接近其物理分辨的极限，尽管通过 193nm 浸没式、双重曝光、双重图形等技术可以将 193nm 曝光延续到 10nm 工艺节点，但工艺复杂度及成本越来越高，EUV 光刻作为下一代光刻技术应运而生。EUV 光刻技术不仅能够提升光刻的精细程度，还能降低芯片的成本。

EUV光刻是集成电路先进制程发展的趋势，目前市场上最先进的芯片采用5纳米工艺，台积电等厂商正致力于将 3nm 制程商业化，而解决EUV光刻胶的难题则是推进芯片制造技术的最关键途径。

虽然光刻原材料、技术和设备目前仍由海外厂商垄断，但EUV光刻机需求不断增加，而ASML的产能有限，因此，在光刻领域，这或许对于中国而言还是有一定机会的。

光刻胶国产化困境

1）垄断壁垒

光刻胶上游原材料市场长期被日韩厂商垄断，国内从事光刻胶原材料研发及生产的供应商较少，光刻胶制造商对于光刻胶原材料主要依赖于进口，在原材料环节的议价能力弱。而光刻胶设备供应商方面，也主要依赖美国、日本、荷兰等国，国内上游设备厂商依然存在市场竞争力较弱的问题。

在光刻胶制造方面，例如EUV光刻胶的市场便几乎被日本TOK、信越化学和 JSR 垄断，日本在 EUV光刻胶领域具备十分明显的技术优势。

绝对性垄断则代表着高话语权。2019年，日韩发生冲突，日本便封锁了三种关键的半导体材料，分别是氟化氢、聚酰亚胺和光刻胶。由于韩国对日本依赖度较高，而这一出口限制举动对韩国半导体、显示器企业打击较大。

2）原材料壁垒

纯度是光刻胶最核心的标准之一。比如对于光刻胶来说，目前国外的光刻胶阻抗可以做到10^15，国内基本上停留在10^10。阻抗越高纯度越高，光刻胶纯度不足会造成芯片良率下降，甚至污染事故。2019年台积电就因为光阻原料污染导致上万片12寸晶圆报废，直接损失达5.5亿美元。

影响光刻胶纯度的原因多种多样，但原材料一定占据核心位置。

以光刻胶溶剂距离，一款光刻胶，溶剂的含量占据光刻胶总质量的80%~90%，光刻胶最常使用的溶剂为丙二醇甲醚醋酸酯（PMA），它具有很好的溶解性，性状稳定，适合将成膜树脂和光引光剂液化以便于旋转涂敷。

目前，世界丙二醇醚及酯类产品的生产主要集中在美国、西欧及中国等国家和地区，主要是美国陶氏化学、伊士曼化学，荷兰利安德巴塞尔，德国巴斯夫，这些国外企业从事丙二醇醚及其酯的工业化生产，这些企业深耕这一领域已有30多年的历史，拥有丰厚的技术经验，并不是国产企业可以一朝一夕能够拿下的。

而聚酰亚胺领域也是一样。在液晶显示的应用上，CPI薄膜则代表了聚酰亚胺的最高研究和发展水平，但是这一领域一直以来都是美国的杜邦、日本的住友化学以及三井化学等企业的天下，三星的柔性显示用CPI透明薄膜的配方就来自住友化学。均苯四甲酸二酐是制备聚酰亚胺的重要原材料，目前这种原材料主要掌握在国外企业手中，全球的年产量为6万吨，国内产业约为5000吨。而且，均苯四甲酸二酐的纯度关乎于聚酰亚胺的成败，如果纯度不够，更容易产生副反应，导致生产的聚酰亚胺纯度不达标。

3）规模壁垒

与半导体设计、半导体封测甚至晶圆产业相比，光刻胶是一个“小众”产业。

根据TECHCET的一份预测数据显示，2021年整个半导体用光刻胶的市场只有19亿美元的规模，而这一市场又是高度集中。

以ArF光刻胶举例，日本的JSR、信越化学、东京应化、住友化学四家企业就占据了82%的市场份额，KrF光刻胶市场中，东京应化、信越化学、JSR和杜邦占据了85%的市场份额。

并且从公司规模来看，光刻胶并不是这些公司的主营业务，光刻胶只是占据了其营收中极小的一部分。以信越化学为例，其2019年的营收大约为147亿美元左右，而当年的全球半导体光刻胶市场规模也才13亿美元左右，所以相比较之下，光刻胶并不是巨头们的最核心业务。

国内的光刻胶企业无论从技术还是规模上，都与巨头们有比较大的差距。

南大光电和晶瑞股份是国内的光刻胶龙头企业，2019年，南大光电的营收为3.21亿元，净利润0.55亿元，同年晶瑞股份的营收为7.6亿元，净利润为0.31亿元，由此可见一斑。由于国内光刻胶企业奋力追赶，近年来相继斥资购买光刻机来验证产品性能，但昂贵的光刻机，是国内企业压力倍增。

再者，一般情况下客户并不愿意轻易的更换光刻胶供应商。光刻胶的应用环境复杂且多样，有时甚至需要针对每个工厂进行特别定制，难以标准化和模块化，光刻胶从研发成功到进入客户验证阶段，再到被大规模使用，中间所需要的时间都是按照年为单位计算。

4）其他壁垒

除了光刻胶以外，光刻胶辅助材料、光刻胶专用试剂也具有较高的技术壁垒，例如抗反射涂层的配方主要掌握在JSR、信越化学、陶氏化学、Merck 等国际光刻胶巨头手里。

在《全球半导体观察》采访国内几家光刻胶上市企业时，其相关负责人都不约而同的提到了“瓶子”这个关键词，他们表示，装光刻胶所需要用到的瓶子目前国内企业还无法生产，需要进口。国产企业的瓶子有的是性能不达标，有的是纯度不够有杂质。

此外，光刻胶的保质期也比较短，大概在3~6个月左右，在运输过程中又需要冷链运输，而冷链运输会提高整体成本，导致光刻胶价格上升，不利于推广。

以上种种难点，每一项都是国产光刻胶前进的阻力。

政策支持、资本运用和产业上下游企业协作才是实现光刻胶国产化的利器

海外巨头们为了提高自身竞争力，都在不断抢夺光刻机，提升光刻技术，作为半导体基石的基础材料之一的光刻胶地位凸显。

光刻胶作为技术含量最高的材料之一，在现有光刻流程中暂时无法被取代。长期以来光刻胶技术体系的演变都是以半导体光刻制程的提升带来的分辨率要求为驱动力，在摩尔定律（当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。）指引下制程节点已经进入7nm、5nm时代，目前最为先进的ArF液浸型光刻胶与EUV型光刻胶是行业大方向。

回顾日本光刻胶产业的发展，从最初的紫外全谱时代落后于欧美技术到KrF、ArF时代弯道超车，的确得益于抓住光刻制程节点发展落后于光刻胶发展，在相对宽松的竞争环境内凭借强大的化工基础，应时应景地率先推出了商用KrF光刻胶，抢占了市场份额，从此引领了全行业发展。光刻胶作为光刻领域高技术材料，除了需要强大的精细化工材料制造能力，还需要光刻配套技术，尤其是上世纪日本光刻机产业协同发展，在研发中相互促进，针对性地适应光刻技术进步，满足光刻精确度、分辨率等要求。

中国光刻胶产业目前面临着国际技术的封锁、光刻机技术不能协同配合、精细化工基础的相对薄弱等问题，如果要实现对龙头企业的追赶甚至是超越，除了国家对半导体行业发展的支持、通过积极的资本运作实现技术吸纳，还需要加强光刻胶企业与晶圆加工企业协同合作，在产品研发过程中及时反馈，准确把握未来晶圆加工的大趋势，提前布局新一代产品。