目前，高端集成電路材料的核心技術(shù)掌握在歐美日等外國(guó)企業(yè)手中，不少集成電路制造用到的關(guān)鍵材料已經(jīng)和半導(dǎo)體制造設(shè)備、EDA軟件一樣，成為我國(guó)發(fā)展自主半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“卡脖子”的關(guān)鍵領(lǐng)域。即便強(qiáng)大如韓國(guó)三星電子，在2019年7月日韓貿(mào)易戰(zhàn)期間，被日本限制光刻膠、氟化聚酰亞胺和高純度氟化氫等關(guān)鍵原材料對(duì)韓國(guó)的出口后，脖子也是被卡得一點(diǎn)辦法沒(méi)有。
以光刻膠為例，與配套試劑在晶圓制造材料中合計(jì)占比約12%，為第4大晶圓制造材料，決定了半導(dǎo)體圖形工藝的精密程度和良率，其質(zhì)量和性能是影響集成電路性能、成品率及可靠性的關(guān)鍵因素。但高端光刻膠生產(chǎn)工藝復(fù)雜，技術(shù)壁壘較高，長(zhǎng)年被美日企業(yè)壟斷，目前日本的日本合成橡膠（JSR）、東京應(yīng)化、信越化學(xué)及富士電子材料四家企業(yè)就占據(jù)了全球70%以上的市場(chǎng)份額，行業(yè)集中度較高。除日本廠商以外，其他光刻膠廠商主要包括陶氏杜邦（光刻膠業(yè)務(wù)現(xiàn)分拆至新杜邦）和東進(jìn)世美肯。
尤其是ArF、KrF光刻膠以及未來(lái)用于EUV工藝的高端光刻膠，對(duì)我國(guó)集成電路發(fā)展具有重要意義。當(dāng)前半導(dǎo)體行業(yè)需求不斷增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)增速顯著高于海外，但全球的 EUV 和 ArF 光刻膠主要由 JSR、陶氏和信越化學(xué)等供應(yīng)商，應(yīng)當(dāng)盡早實(shí)現(xiàn)該領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)化，否則未來(lái)將付出更大的代價(jià)。
一條購(gòu)置光刻機(jī)的消息，就是一個(gè)漲停
1月19日晚間，國(guó)產(chǎn)光刻膠廠商晶瑞股份發(fā)布公告稱，公司經(jīng)多方協(xié)商、積極運(yùn)作，順利購(gòu)得ASMLXT 1900 Gi型ArF浸入式（DUV）光刻機(jī)一臺(tái)，并于當(dāng)日運(yùn)抵蘇州，搬入公司高端光刻膠研發(fā)實(shí)驗(yàn)室。下一步，公司將積極組織相關(guān)資源，盡快完成設(shè)備的安裝調(diào)試工作。
據(jù)悉，晶瑞股份是在2020年9月28日的第二屆董事會(huì)第二十八會(huì)議上，審議通過(guò)的《關(guān)于購(gòu)買設(shè)備的議案》。公司為開(kāi)展集成電路制造用高端光刻膠研發(fā)項(xiàng)目，擬通過(guò)Singtest Technology PTE. LTD.進(jìn)口韓國(guó)SK海力士（Hynix）的二手ASML光刻機(jī)設(shè)備。在披露購(gòu)置光刻機(jī)消息后，公司股價(jià)在9月29日早盤高開(kāi)后強(qiáng)勢(shì)拉升至漲停，收盤漲幅達(dá)19.99%。
“浸沒(méi)式光刻機(jī)是高端光刻膠研發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備，盡管投入巨大，晶瑞股份還是下定決心購(gòu)買。”對(duì)于購(gòu)置該光刻機(jī)，晶瑞股份董事長(zhǎng)吳天舒在現(xiàn)場(chǎng)講話中介紹，為解決集成電路制造領(lǐng)域關(guān)鍵材料“卡脖子”問(wèn)題，加速高端ArF光刻膠研發(fā)，建立研發(fā)平臺(tái)，公司后續(xù)還將購(gòu)置其他相關(guān)輔助設(shè)備，并盡早完成設(shè)備的安裝調(diào)試，投入使用。
千萬(wàn)美元買設(shè)備只是個(gè)開(kāi)始
從現(xiàn)場(chǎng)照片來(lái)看，ASML XT 1900 Gi光刻機(jī)搬入場(chǎng)時(shí)，還動(dòng)用了氣墊車，其重要性可想而知。
晶瑞股份購(gòu)置這臺(tái)光刻機(jī)花了多少錢？根據(jù)2020年9月29日披露的報(bào)告，這臺(tái)ASML XT 1900 Gi型ArF浸入式光刻機(jī)價(jià)值1102.5萬(wàn)美元（折合7508萬(wàn)人民幣），可用于研發(fā)最高分辨率達(dá)28nm的高端光刻膠。
還有業(yè)內(nèi)人士分析道，1000多萬(wàn)美元只能買個(gè)光刻機(jī)主機(jī)，還要購(gòu)置涂布顯影機(jī)、缺陷檢驗(yàn)設(shè)備、膜厚檢測(cè)機(jī)臺(tái)等一系列相關(guān)輔助設(shè)備，還要建設(shè)潔凈室……ArF光刻膠研發(fā)要大幾億元的投入。
“在中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大、制程不斷提升的情況下，晶瑞股份布局ArF光刻膠，既是擔(dān)當(dāng)也是挑戰(zhàn)。”晶瑞股份表示，盡管中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)整體實(shí)力顯著提升，但受制于我國(guó)光刻膠技術(shù)發(fā)展水平，目前適用于6英寸硅片的g線、i線光刻膠的自給率約為10%，適用于8英寸硅片的KrF光刻膠的自給率不足5%，而用于12寸硅片的ArF光刻膠基本依靠進(jìn)口，光刻膠國(guó)產(chǎn)化依然任重道遠(yuǎn)。
各檔次光刻膠的用途和成分
據(jù)介紹，隨著芯片跨入納米級(jí)，半導(dǎo)體光刻膠的波長(zhǎng)也在不斷縮短，已經(jīng)由紫外寬譜逐步發(fā)展到g線（436nm）、i線（365nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm）、ArF Immersion 浸潤(rùn)式，以及最先進(jìn)的EUV（<13.5nm）線水平。光刻膠波長(zhǎng)越短，研發(fā)難度越大，適應(yīng)工藝越先進(jìn)，EUV光刻膠、ArF光刻膠、KrF光刻膠均為高端光刻膠產(chǎn)品。
光刻膠主要組分分為樹(shù)脂、感光劑、溶劑及表面活性劑等添加劑。溶劑主要使光刻膠各組分分散其中，使光刻膠具備流動(dòng)性，當(dāng)前半導(dǎo)體和面板光刻膠所用溶劑主要為PGMEA（丙二醇甲醚醋酸酯，亦簡(jiǎn)稱PMA）；樹(shù)脂與感光劑搭配使用，是光刻膠發(fā)揮感光作用的主要功能組分，不同類型的光刻膠其樹(shù)脂和感光劑的成分有很大差別，依感光波長(zhǎng)由長(zhǎng)到短主要為酚醛樹(shù)脂-重氮萘醌體系（g線/i線）、對(duì)羥基苯乙烯-光致產(chǎn)酸劑體系（KrF）、丙烯酸酯-光致產(chǎn)酸劑體系（ArF）、分子玻璃或金屬氧化物體系（EUV）。其他添加劑包括表面活性劑、穩(wěn)定劑等。
各類光刻膠中雖然各組分含量存在差異，但樹(shù)脂含量一般在20%以下，總體來(lái)適用波長(zhǎng)越短的光刻膠，其樹(shù)脂含量越低，溶劑含量越高：g線/i線膠的樹(shù)脂含量在10-20%左右，KrF膠樹(shù)脂含量在10%以下，ArF膠及EUV光刻膠的樹(shù)脂含量通常在5%以下。
光刻膠的另一重要組分即為感光劑，g線/i線膠及面板膠會(huì)使用包括DNQ（重氮萘醌）在內(nèi)的光引發(fā)劑作為感光劑，而基于化學(xué)放大法的現(xiàn)代半導(dǎo)體光刻膠（KrF、ArF、EUV）均使用光致產(chǎn)酸劑作為主要的感光組分。
除樹(shù)脂和感光劑外，溶劑和其他添加劑如流平劑、表面活性劑等，主要作用為使光刻膠形成均勻分散的溶液體系，其中各品種光刻膠所用溶劑絕大多數(shù)為丙二醇甲醚乙酸酯，海外簡(jiǎn)稱PGMEA，國(guó)內(nèi)又簡(jiǎn)稱PMA。
ArF光刻膠市占最大
半導(dǎo)體光刻膠持續(xù)增長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)廠商持續(xù)發(fā)力。伴隨著全球半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，全球半導(dǎo)體光刻膠市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)SEMI，2018年全球半導(dǎo)體光刻膠市場(chǎng)規(guī)模20.29億美元，同比增長(zhǎng)15.83%。其中，中國(guó)、美洲、亞太、 歐洲、日本分別占比32%、21%、20%、9%、9%。
目前從全球來(lái)看，KrF和ArF的市場(chǎng)份額最大，EUV光刻膠目前國(guó)內(nèi)還未開(kāi)始涉及。分產(chǎn)品來(lái)看，ArF/液浸ArF對(duì)應(yīng)先進(jìn)集成電路工藝，市場(chǎng)份額占比最高，達(dá)到41%，但KrF膠和i線/g線膠仍舊有可觀的市場(chǎng)規(guī)模。未來(lái)隨著多重曝光技術(shù)的使用，ArF光刻膠市場(chǎng)需求持續(xù)擴(kuò)大。
從各品種半導(dǎo)體光刻膠的下游分布中可以看出，g線/i線膠目前主要用于功率半導(dǎo)體和傳感器領(lǐng)域，而KrF膠的應(yīng)用以存儲(chǔ)芯片為主，ArF則主要用于邏輯芯片和高端存儲(chǔ)芯片的制造。從市場(chǎng)地域分布來(lái)看，光刻膠市場(chǎng)分布與全球晶圓制造產(chǎn)能分布較為一致，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、韓國(guó)、北美、中國(guó)大陸、日本占據(jù)主要市場(chǎng)。
日企在高端光刻膠市場(chǎng)具有極強(qiáng)控制力
從競(jìng)爭(zhēng)格局角度，全球光刻膠市場(chǎng)基本掌控在日本企業(yè)手中，全品類半導(dǎo)體光刻膠中日本廠商占據(jù)了70%的市場(chǎng)份額。分品類來(lái)看，日本廠商在ArF、KrF、g線/i線膠市場(chǎng)中市占率分別為93%、80%、61%，其在高端市場(chǎng)中展現(xiàn)出極強(qiáng)的控制力。
雖然從毛利率角度，我國(guó)光刻膠企業(yè)劣勢(shì)并不明顯，但從營(yíng)收體量來(lái)看，晶瑞股份和恒坤股份等國(guó)內(nèi)企業(yè)與日企相比差出近2個(gè)數(shù)量級(jí)。從研發(fā)支出角度，國(guó)內(nèi)光刻膠相關(guān)上市公司的研發(fā)投入占營(yíng)業(yè)收入比重與日本龍頭企業(yè)相比并未大幅落后，但從研發(fā)投入的絕對(duì)值來(lái)看，國(guó)內(nèi)企業(yè)與日本龍頭相差1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。不論從行業(yè)地位、公司體量還是技術(shù)實(shí)力、研發(fā)投入的角度來(lái)看，國(guó)內(nèi)光刻膠企業(yè)對(duì)日本龍頭的追趕可謂任重道遠(yuǎn)。
這次買入的ASML XT 1900 Gi型光刻機(jī)雖然并非先進(jìn)工藝光刻機(jī)，但對(duì)于核心集成電路材料的國(guó)產(chǎn)化，也算意義重大。
“預(yù)計(jì)上半年完成安裝工程，我們期望3年內(nèi)完成ArF光刻膠產(chǎn)品新工藝相關(guān)技術(shù)參數(shù)及產(chǎn)品定型，并實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。”展望未來(lái)，吳天舒認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)ArF光刻膠產(chǎn)業(yè)化，中國(guó)的光刻膠就基本上可以滿足45nm至28nm技術(shù)和工藝的要求，并最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于12英寸芯片制造的戰(zhàn)略布局。
國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體光刻膠產(chǎn)業(yè)鏈重點(diǎn)公司情況如下：
晶瑞股份：子公司蘇州瑞紅承擔(dān)并完成了國(guó)家02專項(xiàng)“i線光刻膠產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目，i線光刻膠已向國(guó)內(nèi)頭部的知名大尺寸半導(dǎo)體廠商供貨，KrF光刻膠完成中試，產(chǎn)品分辨率達(dá)到了0.25～0.13?m的技術(shù)要求，建成了中試示范線。1月19日，晶瑞股份購(gòu)買的型號(hào)為ASML XT 1900Gi ArF浸入式光刻機(jī)成功進(jìn)廠，可用于研發(fā)最高分辨率達(dá)28nm的高端光刻膠。
上海新陽(yáng)：主攻KrF和干法ArF光刻膠，已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)能建設(shè)階段。根據(jù)2020年11月3日定增預(yù)案，公司擬定增募資不超過(guò)14.50億元，其中8.15億元擬投資于集成電路制造用高端光刻膠研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，主要目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)ArF干法工藝使用的光刻膠和面向3D NAND臺(tái)階刻蝕的KrF厚膜光刻膠的產(chǎn)業(yè)化，力爭(zhēng)于2023年前實(shí)現(xiàn)上述產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。1月5日，公司公告稱，自立項(xiàng)開(kāi)發(fā)193nm ArF干法光刻膠的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目以來(lái)，根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度，計(jì)劃安排購(gòu)買了ASML-1400光刻機(jī)等核心設(shè)備，預(yù)計(jì)光刻機(jī)進(jìn)入合作方現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間是2021年3月底前。
北京科華（未上市）：產(chǎn)品類型覆蓋KrF（248nm）、G/I 線（含寬譜）， KrF（248nm）光刻膠已經(jīng)通過(guò)包括中芯國(guó)際在內(nèi)的部分客戶認(rèn)證，并實(shí)現(xiàn)批量供貨，G線、i線光刻膠已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)供貨。
南大光電：2017年承擔(dān)了集成電路芯片制造用關(guān)鍵核心材料之一的ArF （193nm）光刻膠材料的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。2020年12月17日，宣布自主研發(fā)的ArF光刻膠產(chǎn)品成功通過(guò)客戶使用認(rèn)證，可以用于90nm~14nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的集成電路制造工藝，根據(jù)規(guī)劃，南大光電擬在寧波經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)建設(shè)年產(chǎn)25噸193nm（ArF干式和浸沒(méi)式）光刻膠產(chǎn)品的產(chǎn)線，公司購(gòu)買安裝的光刻機(jī)也是ASML的1900型號(hào)浸沒(méi)式光刻機(jī)。
據(jù)華泰證券研究員胡劍指出，一方面我國(guó)出臺(tái)了多項(xiàng)相關(guān)政策，為光刻膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了良好的政策支持，另一方面國(guó)家集成電路大基金二期布局規(guī)劃明確支持包括光刻膠在內(nèi)的國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)鏈，國(guó)產(chǎn)光刻膠研發(fā)和量產(chǎn)或?qū)⑻崴伲瑖?guó)內(nèi)廠商紛紛計(jì)劃在被日美壟斷的半導(dǎo)體光刻膠領(lǐng)域擴(kuò)大投入，并在高端ArF光刻膠領(lǐng)域研發(fā)和量產(chǎn)持續(xù)突破。
根據(jù)智研咨詢預(yù)測(cè)，2022年中國(guó)大陸半導(dǎo)體光刻膠市場(chǎng)空間將會(huì)接近55億元，是2019年的兩倍。胡劍進(jìn)一步指出，以日本光刻膠發(fā)展史為鑒，認(rèn)為在擁有全球最大電子產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)體市場(chǎng)的中國(guó)，持續(xù)擴(kuò)大的本土半導(dǎo)體產(chǎn)能、國(guó)家政策和決心與集成電路大基金的支持都將為中國(guó)國(guó)產(chǎn)光刻膠提供前所未有的發(fā)展新機(jī)遇。