光刻膠不斷“被攪局” | 半導(dǎo)體材料故事（2）

編者按：2019年7月，日本政府宣布對出口韓國的半導(dǎo)體工業(yè)材料加強審查和管控，并將韓國排除在貿(mào)易“白色清單”以外，這些半導(dǎo)體材料包括含氟聚酰亞胺、光刻膠、氟化氫。為應(yīng)對這一局勢，韓國政府牽頭，鼓勵韓國半導(dǎo)體材料企業(yè)加快研發(fā)，全力突破日本企業(yè)的壟斷，并最終成功突圍。2023年3月，日本政府決定解除限制向韓出口上述三種關(guān)鍵半導(dǎo)體材料的措施，將韓日出口貿(mào)易恢復(fù)至2019年7月之前的狀態(tài)。至此，日韓之間的這場“貿(mào)易戰(zhàn)”接近尾聲。

發(fā)生在日韓半導(dǎo)體領(lǐng)域的壟斷與反壟斷、管制與反管制的故事，反映出濫用出口管制措施的巨大破壞性，以及維護(hù)全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈穩(wěn)定的重要性。在長達(dá)三年的這場“貿(mào)易戰(zhàn)”中，上述三種半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)也發(fā)生了相應(yīng)的變化，高純度氟化氫、含氟聚酰亞胺、光刻膠三種半導(dǎo)體材料的產(chǎn)業(yè)故事，值得深思。

不久前，日本政府宣布，將進(jìn)一步針對放寬對韓出口管制展開磋商。而這也意味著持續(xù)了三年之久的日韓半導(dǎo)體材料戰(zhàn)，逐漸接近尾聲。在被日本限制出口韓國的三種材料中，一款看似不起眼的“膠水”——光刻膠，成為這場半導(dǎo)體之戰(zhàn)的焦點。

此“膠水”非彼膠水

光刻膠又稱光致抗蝕劑，是指通過紫外光、電子束、離子束、X射線等的照射或輻射，其溶解度發(fā)生變化的耐蝕劑刻薄膜材料。此前日本對韓國限制出口的光刻膠共有四種，分別是：在15nm～193nm波長的光上使用的正性光刻膠、在1nm～15nm波長的光上使用的光刻膠、電子束或離子束用光刻膠、在壓印光刻設(shè)備上使用的光刻膠。

事實上，光刻膠在整個芯片產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模很小，世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計組織(WSTS)的數(shù)據(jù)顯示，2022年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模為5735億美元，其中光刻膠的市場規(guī)模只有22億美元左右，不足整體半導(dǎo)體市場規(guī)模的1%。就是這個看似不足掛齒的“膠水”，卻是整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“牽一發(fā)而動全身”的關(guān)鍵材料。

CINNO Research首席分析師周華向《中國電子報》記者介紹，半導(dǎo)體制造的核心就是用光刻工藝制造出納米級別的晶體管，因此光刻工藝的精細(xì)度在很大程度上決定了芯片的尺寸、功耗、性能等關(guān)鍵指標(biāo)。光刻膠材料是光刻工藝?yán)镒詈诵牡牟牧现?，其質(zhì)量、純度直接決定著芯片的良率。

合成光刻膠的原材料實際上并不復(fù)雜，只是感光樹脂、光引發(fā)劑、溶劑、添加劑等原材料的混合，光刻膠的核心壁壘在于原材料的純度、配方的精確度以及客戶的定制化等因素。而光刻膠的使用也有著極為苛刻的條件，還存在品種多、用量小、品質(zhì)需求高等難點。半導(dǎo)體光刻膠在制作完成后，還需經(jīng)過反復(fù)的送樣、反饋、調(diào)整配方，從客戶驗證到實現(xiàn)量產(chǎn)的周期長達(dá)2~3年。因此，為了保證光刻膠質(zhì)量和效果穩(wěn)定，光刻膠廠商通過認(rèn)證成為長期供應(yīng)商后，客戶不會輕易更換。

此外，光刻膠不僅難以獲取，還極難儲存。一般而言，半導(dǎo)體光刻膠的保質(zhì)期為6個月，在保存過程中也很容易受到污染。2019年臺積電曾因光刻膠受到光阻原料污染導(dǎo)致上萬片12英寸晶圓報廢，直接損失達(dá)5.5億美元。

因此，這一并不普通的“膠水”，成為了撬動整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的重要支點。

日本光刻膠“發(fā)跡”史

當(dāng)前的光刻膠市場，日本企業(yè)處于壟斷地位，日本JSR、東京應(yīng)化、信越與富士電子公司占了全球光刻膠市場份額的72%。然而，縱觀光刻膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展史，日本的壟斷地位也是“后來者居上”。

全球光刻膠企業(yè)市場份額

數(shù)據(jù)來源：卓創(chuàng)資訊、浙商證券研究所

早在1950年，美國的柯達(dá)公司就開發(fā)出了KTFR光刻膠，隨后1980年美國的IBM公司突破了KrF光刻技術(shù)，之后的15年里，IBM領(lǐng)導(dǎo)并壟斷了KrF光刻膠。

與此同時，日本半導(dǎo)體也在迅速崛起，尤其是在光刻技術(shù)方面，尼康和佳能憑借自身在基礎(chǔ)化工領(lǐng)域的經(jīng)驗積累和政府的大力扶持，迅速崛起。

實際上，彼時迅速崛起的日本半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)受到了美國的關(guān)注和限制，發(fā)展步伐有所放緩。業(yè)內(nèi)專家向《中國電子報》記者解釋，在芯片制程進(jìn)入趨于物理極限的尺寸之前，業(yè)內(nèi)對光刻膠的重視程度較低。同時，而光刻膠由于市場占有率過低，不在美國限制日本半導(dǎo)體發(fā)展的產(chǎn)品范圍內(nèi)。于是，日本抓住“一線生機”，開始大力研發(fā)光刻膠。

此后，日本迅速涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的光刻膠企業(yè)，東京應(yīng)化于1995年研發(fā)出KrF光刻膠并實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，這標(biāo)志著光刻膠正式進(jìn)入日本廠商“稱霸”的時代。2011年，JSR與SEMATECH聯(lián)合開發(fā)出EUV光刻膠，使得日本光刻膠站上了金字塔的頂端。業(yè)內(nèi)專家向《中國電子報》記者表示，如今10nm以下制程的光刻膠，幾乎只有日本的企業(yè)能夠生產(chǎn)。

“光刻工藝方面，日本的尼康和佳能光刻機也曾經(jīng)長期壟斷全球市場，這些為日本發(fā)展光刻膠提供了非常良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，并且日本在精細(xì)化工等方面也具有雄厚的實力，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展積累了大量的理論知識和光刻膠相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，再結(jié)合日本企業(yè)先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和品質(zhì)管理體系，最終形成了日本企業(yè)在光刻膠領(lǐng)域的絕對統(tǒng)治力?！敝苋A對《中國電子報》記者說。

韓國開啟光刻膠自研模式

日本在光刻膠領(lǐng)域的霸主地位使得芯片制造大國韓國對日本的光刻膠極為依賴。據(jù)報道，2019年，韓國光刻膠對日本的依賴度為80%。因此，2019年日本限制對韓國出口光刻膠，可謂扼住了韓國半導(dǎo)體的“咽喉”。業(yè)內(nèi)專家曾向《中國電子報》記者披露，韓國三星半導(dǎo)體第一代3nm工藝制程良率僅有10%～20%左右，就是由于三星受到日本光刻膠出口限制，導(dǎo)致所用的光刻膠材料純度不夠，造成芯片良率極低。

為此，韓國開始大范圍尋找日本光刻膠的替代品。2022年12月，韓國三星電子公司宣布，將東進(jìn)半導(dǎo)體研發(fā)的EUV光刻膠成功應(yīng)用于其芯片工藝生產(chǎn)線。東進(jìn)半導(dǎo)體成為韓國第一家將EUV光刻膠本土化至量產(chǎn)水平的公司。但是，三星沒有披露東進(jìn)半導(dǎo)體的EUV光刻膠用于哪種工藝，也沒有披露后續(xù)EUV光刻膠大規(guī)模本土化的應(yīng)用計劃。

除了東進(jìn)半導(dǎo)體公司的EUV光刻膠已經(jīng)用于三星電子一條量產(chǎn)工藝線外，韓國另外兩家公司，YOUNGCHANG化學(xué)和SK材料公司也在研發(fā)EUV光刻膠，但是還沒有達(dá)到可靠性驗證的水平。

也許是受到日本制裁的影響，三星對于光刻膠的態(tài)度，也變成了“不能把雞蛋放在一個籃子里”。三星半導(dǎo)體有關(guān)人員向《中國電子報》記者表示，為了保持穩(wěn)定的供應(yīng)，像光刻膠之類的關(guān)鍵材料，三星半導(dǎo)體會盡可能確保供應(yīng)商的多樣化。

此外，韓國政府此前也公開表示，韓國的目標(biāo)是，到2030年實現(xiàn)50%芯片材料供應(yīng)本土化，而目前這一比例只有30%。

干式光刻膠或?qū)⒊蔀槠凭株P(guān)鍵

市場調(diào)研機構(gòu)TECHCET在報告中表示，隨著半導(dǎo)體先進(jìn)制程的競爭越來越激烈，以及EUV制程層數(shù)的增加，光刻膠材料市場規(guī)模激增。其中，干式光刻膠成為廣受關(guān)注的新型EUV光刻材料之一，相比傳統(tǒng)濕式光刻膠能顯著降低生產(chǎn)成本，能源消耗更少，且原料需求量比以往大幅度減少。

隨著芯片尺寸不斷縮小，傳統(tǒng)的濕式光刻膠開始遇到技術(shù)瓶頸，這也給了干式光刻膠市場機會。

據(jù)悉，傳統(tǒng)的濕式光刻膠的化學(xué)成分容易造成光子散射，因此若想實現(xiàn)大劑量的曝光，需要增加光刻機的功率，而這一舉動也會大大影響光刻機的工作效率。對此，業(yè)內(nèi)曾提出兩種解決方案。一種是將光源提高到500W～1000W，并因此獲得更高的能量來確保量產(chǎn)，但目前500W以上的光源仍在研發(fā)中。而第二種解決方案，便是通過改善EUV光刻膠技術(shù)，來實現(xiàn)曝光功率以及機器工作效率的平衡，干式光刻膠也因此受到市場的關(guān)注。

據(jù)了解，日本的東京電子、JSR集團(tuán)等光刻膠巨頭企業(yè)生產(chǎn)的均為傳統(tǒng)的濕式光刻膠。而在兩年前，美國公司Lam Research憑借干式光刻膠技術(shù)，成功打破了東京電子、JSR集團(tuán)等巨頭們在光刻膠領(lǐng)域的壟斷，成為“攪局者”，這也讓干式光刻膠正式走進(jìn)了人們的視野。同時，干式光刻膠的概念也得到ASML、三星、英特爾、臺積電等龍頭企業(yè)的青睞，紛紛與Lam Research針對干式光刻膠領(lǐng)域開展合作研究，尋求平衡曝光功率以及機器工作效率的方法。