光刻胶:半导体关键材料,光刻胶产业格局全梳理
光刻胶:半导体关键材料,光刻胶产业格局全梳理
光刻胶是精细化工行业技术壁垒最高的材料,被誉为电子化学品产业“皇冠上的明珠”。
光刻胶在芯片制造材料成本中的占比高达12%,是继大硅片、电子气体之后第三大IC制造材料,是半导体产业关键材料。得益于技术节点不断进步以及存储器层数的增加,半导体光刻胶需求持续增长。
TECHCET预计2022年全球半导体光刻胶市场规模同比增长7.5%达到近23亿美金。2021年至2026年,半导体光刻胶市场年复合增长率预计为5.9%,其中增速最快的产品是EUV和KrF光刻胶。
半导体光刻胶分产品市场规模(百万美金):
资料来源:TECHCET
一、光刻工艺概览
在大规模集成电路的制造过程中,光刻和刻蚀技术是精细线路图形加工中最重要的工艺,决定着芯片的最小特征尺寸。
光刻工艺是一种多步骤的图形转移工艺,大部分工艺都包含十多个步骤,除去涂胶、曝光和显影三个关键步骤外,光刻工艺还包括清洗硅片、预烘和打底胶、对准、曝光后烘烤、坚膜、刻蚀、离子注入、去除光刻胶等步骤。
在光刻工艺中,掩膜版上的图形被投影在光刻胶上,激发光化学反应,再经过烘烤和显影后形成光刻胶图形,而光刻胶图形作为阻挡层,用于实现选择性的刻蚀或离子注入。
集成电路光刻和刻蚀工艺流程:
资料来源:晶瑞电材
二、光刻胶行业概览
光刻胶又称光致抗蚀剂,是一种感光材料,在光的照射下发生溶解度的变化,可以通过曝光、显影及刻蚀等一系列步骤将掩膜板上的图形转移到基片上。
摩尔定律推动光刻胶技术加速迭代,随着科学技术不断发展、产品不断迭代,半导体中晶体管的密度与其性能每18至24个月翻1倍。
光刻胶经历了紫外宽谱(300~450nm)、G线(436nm)、I线(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)、EUV(13.5nm)等一系列技术平台,从技术上经历了环化橡胶体系、酚醛树脂-重氮萘醌体系及化学放大体系。
在设备、工艺与材料的共同作用下,分辨率从几十微米发展到了现在的10nm。
根据下游应用领域,光刻胶可分为半导体光刻胶、PCB光刻胶、LCD光刻胶及其他。
目前,已经实现国产替代的主要是中低端PCB光刻胶。
受益于显示面板、半导体产业东移和国内企业技术突破,LCD和半导体光刻胶已形成一定的国产替代基础,未来发展空间广阔。
三、光刻胶产业链
光刻胶产业链比较长,从上游的基础化工行业、一直到下游电子产品消费终端,环环相扣。
由于上游产品质量对最终产品性能影响重大,常采用认证采购的模式,上游供应商和下游采购商通常会形成比较稳固的合作模式。
光刻胶产业链上游
生产光刻胶的原料包括光引发剂(光增感剂、光致产酸剂帮助其更好发挥作用)、树脂、溶剂和其他添加剂等,我国由于资金和技术的差距,如感光剂、树脂等被外企垄断,所以光刻胶自给能力不足。
从光刻胶成本占比来看,树脂占比最大约50%,其次是添加剂占比约35%,剩余成本合计占比约15%。
树脂
随着光刻技术的发展,光刻胶不断更新换代,从早期的聚乙烯醇肉桂酸酯、环化橡胶-叠氮化合物紫外负性光刻胶,发展到G 线(436nm)和I 线(365nm)酚醛树脂-重氮萘醌类紫外正性光刻胶,再到KrF(248nm)和ArF(193nm)化学增幅型光刻胶、再到真空紫外(157nm),极紫外(13. 5nm)、电子束等下一代光刻技术用光刻胶。
正性光刻胶可分为非化学放大型与化学放大型光刻胶两大类,其中非化学放大型光刻胶主要以重氮萘醌(DNQ)-酚醛树脂(Novolac)光刻胶为主,并主要应用于g线和i线光刻工艺中。
全球光刻胶树脂供应商主要有住友电木、日本曹达及美国陶氏等,我国光刻胶企业使用的树脂90%以上依赖进口。高纯光刻胶树脂单体是中国光刻胶实现国产替代的核心壁垒之一。
由于中低端市场行业壁垒较低,酚醛树脂行业集中度不高,我国产能10万吨以上企业仅5家,其中,树脂龙头圣泉新材料占比23%。
光引发剂
光引发剂发生光化学反应的产物可以改变树脂在显影液中的溶解度,帮助完成光刻过程。
一般光引发剂的使用量在光固化材料中占比为3%-5%,但由于光引发剂价格相对昂贵,其成本一般占到光固化产品整体成本的10%-15%。
光引发剂行业存在一定技术壁垒,行业格局向头部企业集中,整体市场形成寡头垄断格局。
目前在国际市场光引发剂企业基本形成了以巴斯夫、意大利Lamberti、IGM Resins 等大型跨国企业为主的寡头局面。
随着Lamberti 被IGM Resins 兼并,优势趋势日益增强,这些企业拥有较强的技术实力、产品创新研发和应用研发实力。
近年来产业链出现向中国转移趋势,一方面中国目前已经成为光引发剂终端应用市场如手机、家电、电路板等行业的最大应用市场,另一方面关键产品的化合物专利到期,中国生产工艺技术水平的迅速提高,海外光引发剂产能未能有效扩大,国内光引发剂产业开始蓬勃发展。
在国内,光引发剂生产企业从最初几百家,经过十多年充分市场竞争后,集中趋势日益明显。
目前行业内主要企业包括久日新材、扬帆新材、强力新材、固润科技等、北京英力(已被IGM Resins 收购)等。
光引发剂生产过程污染较大,随着国家环保监管要求加强,中小产能已陆续退出,而新增产能建设周期较长,导致国内光引发剂供给不足,未来行业新增产能将主要集中于龙头企业,行业集中度仍将持续提高。
全球光引发剂厂商及重点产品:
资料来源:广发证券
上游材料厂商中,容大感光光刻胶产品主要包括紫外线正胶、紫外线负胶两大类产品以及稀释剂、显影液、剥离液等配套化学品,主要应用于平板显示、发光二极管及集成电路等领域。
同益股份主要是从韩国引进丙烯酸树脂、KISCO 光引发剂、DKC 光敏剂以及色浆等产品,主要应用于 LCD-TFT 正性光刻胶等中高端市场,公司不进行光刻胶生产制造,不具备光刻胶自主生产能力。
强力新材主要从事电子材料领域各类光刻胶专用电子化学品(分为光引发剂、树脂)的研发、生产和销售及相关贸易业务。
四、光刻胶市场格局
全球光刻胶市场主要被JSR、东京应化、杜邦、信越化学、住友及富士胶片等制造商所垄断,尤其是在半导体光刻胶的高端的KrF和ArF领域,市场集中度更高。
前六大厂商中除了杜邦为美国厂商之外,其他均为日本厂商。
当前背景下,先进节点技术开发速度略有放缓,国内半导体产业发展,国产化需求为中国企业带来发展机遇。
在较为低端的g/i线光刻胶领域,CR4为74%,但在KrF光刻胶领域的CR4为85%,ArF光刻胶领域的CR4为83%,两者均超过83%以上。
中国公司除少数公司覆盖g/i光刻胶外,在更高的光刻胶领域基本都处于客户验证甚至只是研发阶段,任重而道远。
当前国内光刻胶企业多分布在技术难度较低的PCB光刻胶领域,占比超9成,而技术难度最大的半导体光刻胶市场,国内仅有彤程新材(北京科华)、华懋科技(徐州博康)、南大光电、晶瑞电材和上海新阳等少数几家。
产业链上下游布局相关公司还包括雅克科技、永太科技、江化微、芯源微、七彩化学、万润股份、世名科技、华特气体、新莱应材、盛剑环境、广信材料、八亿时空、晶瑞电材、飞凯材料等。
随着国外大厂断供造成国内光刻胶供需短缺持续紧张,以及半导体供应链安全问题日益严重,光刻胶的国产替代的窗口逐步打开。国产光刻胶有望从0到1实现技术突破,逐步导入供应链,国内大厂有望抓住国产替代窗口进入上升的拐点。
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