材料是半導(dǎo)體大廈的地基,不過,目前中國的這一地基對國外依存度還很高。
2019年,日韓發(fā)生沖突,日本封鎖了三種關(guān)鍵的半導(dǎo)體材料,分別是氟化氫、聚酰亞胺和光刻膠。這三種材料韓國,中國都可以制造,但關(guān)鍵在于能造是一回事,能用是另一回事,這其實也是半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)的核心問題所在。
01、純度
無論是氟化氫、聚酰亞胺、光刻膠還是硅片,純度是其最核心的標準之一。比如對于光刻膠來說,目前國外的光刻膠阻抗可以做到10^15,國內(nèi)基本上停留在10^10。阻抗越高純度越高,光刻膠純度不足會造成芯片良率下降,甚至污染事故。2019年臺積電就因為光阻原料污染導(dǎo)致上萬片12寸晶圓報廢,直接損失達5.5億美元。
氟化氫也是同樣的問題。氟化氫是一種無機酸,是半導(dǎo)體制造過程中必要材料,常被用來清洗和蝕刻晶圓,這種材料的難點也在于其對純度要求特別高。
根據(jù)其純度不同,分為EL、UP、UPS、UPSS、UPSSS級別,其中UPSS、UPSSS是高端半導(dǎo)體級別,而這個級別的氫氟酸僅僅檢測步驟就需要用到頂級的質(zhì)譜儀、掃描電鏡、原子力顯微鏡等。其存儲設(shè)備的內(nèi)襯、管道閥門等都是世界級難題,目前也只有日本企業(yè)能大規(guī)模生產(chǎn),國內(nèi)有幾家企業(yè)能做到電子級氫氟酸,但產(chǎn)能不高。
02、原材料壁壘
影響光刻膠純度的原因多種多樣,但原材料一定占據(jù)核心位置。
就拿光刻膠的溶劑來說,一款光刻膠,溶劑的含量占據(jù)光刻膠總質(zhì)量的80%~90%,光刻膠最常使用的溶劑為丙二醇甲醚醋酸酯(PMA),它具有很好的溶解性,性狀穩(wěn)定,適合將成膜樹脂和光引光劑液化以便于旋轉(zhuǎn)涂敷。
目前,世界丙二醇醚及酯類產(chǎn)品的生產(chǎn)主要集中在美國、西歐及中國等國家和地區(qū),主要是美國陶氏化學(xué)、伊士曼化學(xué),荷蘭利安德巴塞爾,德國巴斯夫,這些國外企業(yè)從事丙二醇醚及其酯的工業(yè)化生產(chǎn),這些企業(yè)深耕這一領(lǐng)域已有30多年的歷史,擁有豐厚的技術(shù)經(jīng)驗,并不是國產(chǎn)企業(yè)可以一朝一夕能夠拿下的。
而聚酰亞胺領(lǐng)域也是一樣。在液晶顯示的應(yīng)用上,CPI薄膜則代表了聚酰亞胺的最高研究和發(fā)展水平,但是這一領(lǐng)域一直以來都是美國的杜邦、日本的住友化學(xué)以及三井化學(xué)等企業(yè)的天下,三星的柔性顯示用CPI透明薄膜的配方就來自住友化學(xué)。
均苯四甲酸二酐是制備聚酰亞胺的重要原材料,目前這種原材料主要掌握在國外企業(yè)手中,全球的年產(chǎn)量為6萬噸,國內(nèi)產(chǎn)業(yè)約為5000噸。而且,均苯四甲酸二酐的純度關(guān)乎于聚酰亞胺的成敗,如果純度不夠,更容易產(chǎn)生副反應(yīng),導(dǎo)致生產(chǎn)的聚酰亞胺純度不達標。
03、專利壁壘
如今的光刻技術(shù)已經(jīng)進入EUV時代,臺積電、英特爾和三星紛紛積極導(dǎo)入EUV技術(shù),之對應(yīng)的是EUV光刻膠的需求上升,與ArF浸沒式光刻相比,EUV光刻技術(shù)有很高的圖形保真度和設(shè)計靈活性,所需的光掩模數(shù)量很少,顯示出明顯的優(yōu)勢。
但國產(chǎn)光刻膠企業(yè)想要突破它,不僅面臨原材料、純度等難題,還面臨強大的專利壁壘。
從全球EUV光刻膠專利的申請量上來看,1998年EUV光刻膠專利的申請量只有6件,此后十年間,大多數(shù)時候都是年平均兩位數(shù)的申請量。從2010年開始的四年間,申請數(shù)量破百,并且持續(xù)增長,到2013年到達頂峰。當年的申請量有164件,此后又逐步回落至兩位數(shù),到2017年,EUV光刻膠專利的申請量只有15件。
這一趨勢說明,在本世紀前13年里,EUV光刻膠的技術(shù)在不斷的進步,各大廠商都在積極探索EUV光刻膠技術(shù),所以專利數(shù)才會不斷上升,而在2013年之后,該項技術(shù)走向成熟,由此專利數(shù)量開始急劇減少。
(圖片來源:現(xiàn)代化工第39卷第7期)
此外,從專利申請量的前十名來看,日本就占據(jù)了七席,專利申請數(shù)量占比高達90%,富士膠片以422件的絕對優(yōu)勢排在第一,在前十名中,只有美國的羅姆哈斯和陶氏化學(xué),以及韓國的三星電子3家非日本企業(yè)。
(圖片來源:現(xiàn)代化工第39卷第7期)
04、規(guī)模壁壘
與半導(dǎo)體設(shè)計、半導(dǎo)體封測甚至晶圓產(chǎn)業(yè)相比,光刻膠是一個“小眾”產(chǎn)業(yè),而且光刻膠還分為顯示面板用光刻膠和半導(dǎo)體用光刻膠,半導(dǎo)體用光刻膠的規(guī)模遠小于面板用光刻膠。
根據(jù)TECHCET的一份預(yù)測數(shù)據(jù)顯示,2021年整個半導(dǎo)體用光刻膠的市場只有19億美元的規(guī)模。而這一市場又是高度集中,拿ArF光刻膠舉例,日本的JSR、信越化學(xué)、東京應(yīng)化、住友化學(xué)四家企業(yè)就占據(jù)了82%的市場份額,KrF光刻膠市場中,東京應(yīng)化、信越化學(xué)、JSR和杜邦占據(jù)了85%的市場份額。
并且從公司規(guī)模來看,光刻膠并不是這些的主營業(yè)務(wù),光刻膠只是占據(jù)了其營收中極小的一部分。 以信越化學(xué)為例,其2019年的營收大約為147億美元左右,而當年的全球半導(dǎo)體光刻膠市場規(guī)模也才13億美元左右,所以相比較之下,光刻膠并不是巨頭們的最核心業(yè)務(wù)。
與之相比的是,國內(nèi)的光刻膠企業(yè)無論從技術(shù)還是規(guī)模上,都與巨頭們有比較大的差距。南大光電和晶瑞股份是國內(nèi)的光刻膠龍頭企業(yè),2019年,南大光電的營收為3.21億元,凈利潤0.55億元,同年晶瑞股份的營收為7.6億元,凈利潤為0.31億元,由此可見一斑。
并且由于需要加速追趕,國內(nèi)光刻膠企業(yè)近年來相繼斥資購買光刻機來驗證產(chǎn)品性能,因為光刻機價格昂貴,買了一臺光刻機相當于請了一個吞金獸,對于國產(chǎn)光刻膠企業(yè)來說,壓力倍增。
再者,由于光刻膠的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜且多樣,有時甚至需要針對每個工廠進行特別定制,很難標準化和模塊化,光刻膠從研發(fā)成功到進入客戶驗證階段,并被大規(guī)模使用,中間所需要的時間都是按照年為單位計算。一般情況下客戶并不愿意輕易的更換光刻膠供應(yīng)商。
以上種種難點,每一項都是國產(chǎn)光刻膠前進的阻力,不過困難還遠不止這些。
05、聯(lián)盟壁壘
IMEC全名為比利時微電子研究中心,是全球半導(dǎo)體的指標性研發(fā)機構(gòu),很多半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的最新技術(shù)路線和標準都出自這里,所以這里也是光刻膠巨頭們的必爭之地。
2013年,富士膠片就與IMEC合作,為有機半導(dǎo)體亞微米技術(shù)開發(fā)一種新的光刻膠技術(shù)。2017年,JSR與IEMC在比利時共同成立了EUV光刻膠制備和認證中心,目的是確保EUV光刻膠的認證和半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用的質(zhì)量控制。JSR與IMEC結(jié)盟這一步棋,讓自己既當選手,又當了裁判,牢牢抓住主動權(quán)。
此外,去年2月,在JSR的主導(dǎo)下,EUV光刻膠先驅(qū)Inpria完成了C輪3100萬美元的融資,參投方包括SK海力士、三星、英特爾、臺積電。
Inpria是一家美國材料商,2007年從俄勒岡州立大學(xué)化學(xué)研究所獨立出來,其研發(fā)負性光刻膠,分子大小是CAR有機光刻膠的五分之一,重點是光吸收率可達CAR的4?5 倍,因此能更精密,更準確地讓電路圖形成形。
由于光刻膠巨頭們有市場優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢,所以也意味著它們有更多的話語權(quán),與此同時,他們也在積極的在前沿技術(shù)上布局,與上下游企業(yè)結(jié)盟,形成一道幾乎牢不可破的防線。
06、其他壁壘
除了以上的技術(shù)、市場及原材料等諸多核心因素因素之外,制約國產(chǎn)光刻膠發(fā)展的還有許多非核心因素。
比如除了光刻膠以外,光刻膠輔助材料、光刻膠專用試劑也具有較高的技術(shù)壁壘,例如抗反射涂層的配方主要掌握在JSR、信越化學(xué)、陶氏化學(xué)、Merck 等國際光刻膠巨頭手里。
在《全球半導(dǎo)體觀察》采訪國內(nèi)幾家光刻膠上市企業(yè)時,其相關(guān)負責人都不約而同的提到了“瓶子”這個關(guān)鍵詞,他們表示,裝光刻膠所需要用到的瓶子目前國內(nèi)企業(yè)還無法生產(chǎn),需要進口。 國產(chǎn)企業(yè)的瓶子有的是性能不達標,有的是純度不夠有雜質(zhì)。當然,國內(nèi)也不是完全造不出瓶子,問題在于光刻膠企業(yè)所需要的瓶子數(shù)量太少,一些大的公司不愿意為這樣小的一個產(chǎn)品去專門研發(fā)和開辟一條產(chǎn)線,因為經(jīng)濟效益不高。
此外,光刻膠的保質(zhì)期也比較短,大概在3~6個月左右,在運輸過程中又需要冷鏈運輸,而冷鏈運輸會提高整體成本,所以最后導(dǎo)致光刻膠價格上去,這嚴重不利于光刻膠的推廣使用。
07、材料之殤
其實,光刻膠面臨的上述6個方面的困境也是國產(chǎn)半導(dǎo)體材料共同的困境。
全球硅片市場中,信越化學(xué)、住友勝高、世創(chuàng)、環(huán)球晶圓四家企業(yè)占據(jù)了80%以上的市場份額,而且在硅片的生產(chǎn)過程中,也遇到了“盒子”問題,裝硅片所需要用到的“盒子”也需要進口,其中原因幾乎與光刻膠一樣。
在半導(dǎo)體拋光中,拋光墊面臨也面臨與光刻膠同樣的困境,市場規(guī)模小,驗證周期長,技術(shù)難度又高,還被高度壟斷。目前的拋光墊幾乎完全依賴進口,市場由美國陶氏化學(xué)(約80%市場份額)、美國卡博特、日本東麗等公司壟斷,產(chǎn)品毛利率在50%以上。
在面板產(chǎn)業(yè)中,基板玻璃是LCD的重要原材料之一,在OLED面板制程主要充當柔性PI(聚酰亞胺)基板的載板基底,但目前中國95%的基板玻璃市場都被美國的康寧和日本的旭硝子,電氣硝子三家所壟斷。
電子特氣是僅次于大硅片的第二大晶圓制造材料。這一行業(yè)也是高度壟斷,空氣化工、普萊克斯、林德集團、液化空氣和大陽日酸等五大公司控制著全球90%以上的市場份額。
08、國內(nèi)光刻膠最新發(fā)展
雖然實現(xiàn)光刻膠國產(chǎn)化阻力重重,但是最近一年時間,國產(chǎn)光刻膠也迎來了黃金期。先是南大光電宣布公司自主研發(fā)的ArF光刻膠產(chǎn)品已經(jīng)通過了武漢新芯的使用認證,各項性能滿足工藝規(guī)格要求,良率結(jié)果達標,成為通過通過產(chǎn)品驗證的第一只國產(chǎn)ArF光刻膠。
隨后晶瑞股份也宣布公司KrF(248nm深紫外)光刻膠已完成中試,產(chǎn)品分辨率達到了0.25~0.13μm的技術(shù)要求,建成了中試示范線。上海新陽也表示購買用于研發(fā)光刻膠的光刻機即將到位。
此外,在宏觀層面上,去年下半年,發(fā)改委等四部門就宣布擴大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)投資,聚焦“卡脖子”問題,其中就包括光刻膠。
在稅收方面,國家鼓勵的集成電路設(shè)計、裝備、材料、封裝、測試企業(yè)和軟件企業(yè),自獲利年度起,第一年至第二年免征企業(yè)所得稅,第三年至第五年按照25%的法定稅率減半征收企業(yè)所得稅。
09、道阻且長
面對如此艱難的一條路,國產(chǎn)光刻膠能攻下ArF和KrF實屬不易,但光刻膠國產(chǎn)化依然長路漫漫,既要克服國外的技術(shù)壁壘,又要能夠拿下更多的市場,而這些問題并不是單純一兩家企業(yè)能搞定的。
首先光刻膠方面的人才數(shù)量嚴重不足,這需要教育層面解決。第二點是,國產(chǎn)光刻膠研發(fā)成功之后,國內(nèi)的下游企業(yè)是否愿意給國產(chǎn)光刻膠一個成長的機會。據(jù)了解,目前國產(chǎn)光刻膠研發(fā)成功之后,還面臨被壓價的窘境,沒有足夠的利潤就無法投入更多的資金去研發(fā),在高端技術(shù)上,低價無疑還會打擊國產(chǎn)光刻膠企業(yè)的積極性。
在《全球半導(dǎo)體觀察》采訪過程中,相關(guān)產(chǎn)業(yè)人士提出了用面板光刻膠養(yǎng)半導(dǎo)體光刻膠的構(gòu)想。該產(chǎn)業(yè)人士認為,半導(dǎo)體光刻膠市場規(guī)模小,但是技術(shù)壁壘高,而面板光刻膠市場規(guī)模相對較大,壁壘又相對較小。所以,面板產(chǎn)業(yè)可以優(yōu)先扶持國產(chǎn)光刻膠,在這個過程中也可以培養(yǎng)更多的技術(shù)性人才,最終實現(xiàn)“大產(chǎn)業(yè)帶動小產(chǎn)業(yè)”。
當然這需要面板產(chǎn)業(yè)鏈的支持,以及國家政策的扶持與具體落實。
10、國產(chǎn)半導(dǎo)體需要理想主義
面對重重困難,是什么讓國產(chǎn)光刻膠企業(yè)能夠堅持下來呢?理想主義可能是一方面,畢竟光刻膠是一個吃力不討好的活兒。
一位資深的行業(yè)人士對《全球半導(dǎo)體觀察》表示,“他自己已經(jīng)在光刻膠產(chǎn)業(yè)干了大半生,最大的心愿就是希望退休前能看到國產(chǎn)光刻膠實現(xiàn)完全的自主。”
也許正是這種信念才能夠讓國產(chǎn)光刻膠實現(xiàn)突破。
而國產(chǎn)半導(dǎo)體材料,甚至國產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)想要實現(xiàn)突破,也需要理想主義的信念,當然也需要錢,堅持理想的人不該是窮著的。