日本经济产业省宣布从7月4日起,对韩国进行半导体材料出口限制,光刻胶材料赫然在列,韩国被锁住了“命运的咽喉”,半导体材料也因此成为了各界所关注的焦点。据了解日本作为光刻胶材料大国,占据了全球9成左右的光刻胶市场份额。那么究竟什么是光刻胶我国的光刻胶市场现状如何
日本拥有世界上最完整的半导体产业链,没有之一。而且在上游的半导体设备和材料方面,日本厂商也有着极高的市占率。因此,强如韩国这样实力雄厚的半导体第一梯队,也会受制于日本。光刻胶是国际上技术门槛最高的微电子化学品之一。其行业集中度高,龙头企业市场份额高,行业利润水平高,且暂无潜在替代产品。
“光刻胶”是什么
了解这个问题之前,我们先简单学习一下半导体芯片的制作流程。
大家都知道,半导体芯片,就是在一个指甲盖大小的面积,上面有几亿个mosfet 开关,有同学就要问了,这几亿个开关是要一个个地镶嵌进去吗
因为大部分人脑中的一个开关管,一定是一个电阻,一个电容类似的东西,就是中间有一坨是元件的核心,它能实现一个功能,然后边缘的地方伸出一些引脚,这样好把它接到电路里去。
如果照这种逻辑,一个指甲盖大小的面积,mosfet 开关管有3个引脚,还有10亿个要按特定的连接镶嵌在一起,实在是不太可能。
如果真是这样,以我们现在的技术,估计也就能放进去1万个,离10亿个还有10万倍差距。
实际上半导体芯片的制作并不是先制作10亿个元件再放进去这样的流程。
它更类似于做生日蛋糕,篮筐直径那么大的圆盘一样的晶圆,就相当于是蛋糕最底下的两层蛋糕胚子。具体到晶圆上,最初也是2层,上面一层是氧化层,下面一层是硅层,叫做衬底,你可以理解成基座(下图 b 中,渐变色部分为硅层,蓝色部分为氧化层)。
制造 cpu 之前,先在衬底上(硅层)做离子注入,你可以理解成下面一层蛋糕胚子多加了点糖。然后再在氧化层上面加一层光刻保护层,你可以理解成在上面一层蛋糕胚子上抹了一层奶油,这层奶油不太好吃,只是为了给上层胚子定型用的。
接着,在定型奶油上面又喷了一层黑白花纹的高级奶油(上图 b 和 c 中的黑色方块)。
这个奶油高级就高级在,黑色部分不怕紫外线照射,白色部分遇到紫外线就会蒸发,而且蒸发的不止白色奶油这部分,连同下面不太好吃的定型奶油也跟着蒸发了。
这一下,蛋糕最底下那层胚子都露出来了,不过上层黑色奶油保护的地方,它下面的定型奶油是安然无恙的,所以俯视地看过去,最下面一层的胚子,像打地鼠的棋盘游戏似的,地鼠窝是被光照灼烧露出来的底层,大部分地方还是被上层胚子覆盖着。
这个黑白相间的花纹是我们早就设计好的,是一种非常精细的花纹,实际上这些花纹就包含了10亿个开关管分布的情况。
紫外光一照,黑色部分保留,白色部分和白色部分再下一层的物质一起消失,于是这10亿个开关管的大致雏形就有了。
这个过程叫做光刻。
之后把那层不太好吃的定型奶油用水洗掉。然后我们就要往打地鼠的地鼠窝那些窟窿里灌一些调料,比如我喜欢辣味儿的,那么在地鼠坑里灌点辣椒油。
蛋糕上层的胚子,这时候表面也已经是沟沟壑壑的了,这时候把蛋糕放入烤箱里,大火烤,让沟沟壑壑变得焦糊,变成硬硬的。
然后继续进行第二次光刻,这次黑白花纹的图案又换了一张,这张也是细节非常丰富的,包含了10亿个开关管的另外30%的纹路。
第二次光刻完,10亿个开关管组合起来会是一个什么样子,大致已经完成60%了。其实这样的黑白花纹图纸很多,大概有5张。这些图要想画出来,必须要有丰富的电路设计经验。每张图都要在正确的时间节点上来一次光刻。最终反反复复几次,10亿个开关管连接在一起是什么样子,就被雕刻出来了。
这个生日蛋糕复杂就复杂在,它不是简单地在表面上挤出生日快乐几个字,它是一篇20万字的长篇小说,而且每个字都是三维立体的。它不能是每个字都做好,到时候一个个往蛋糕里塞,那蛋糕和奶油就全毁了。这些字全都是在做蛋糕时跟随工艺流程一点点生长出来的,20万字是一同出现的。
这样一说,大家是不是应该对芯片制造有一个更加形象的了解呢
而上述过程中讲的“高级奶油”就是我们今天要说的光刻胶了。这个“高级奶油”是半导体工艺中最核心的材料,直接决定芯片制程,目前国内光刻胶产业和国外先进产品还有较大的差距。
全球光刻胶市场集中度高日本一家独大
光刻胶行业具有极高的行业壁垒,因此其行业呈现寡头垄断的局面。光刻胶行业长年被日本、欧美这些专业公司垄断。目前前五大厂商就占据了全球光刻胶市场87%的份额,行业集中度高。其中,日本jsr、东京应化、日本信越与富士电子材料市占率加和达到72%。并且高分辨率的krf和arf光刻胶核心技术亦基本被日本和美国企业所垄断,产品绝大多数出自日本和美国公司,如陶氏化学、jsr株式会社、信越化学、东京应化工业、fujifilm,以及韩国东进等企业。整个光刻胶市场格局来看,日本是光刻胶行业的巨头集中营。
国内光刻胶技术现状
中国光刻胶市场规模较大,但是由于光刻胶产品技术要求较高,中国光刻胶市场基本由外资企业占据,国内企业市场份额不足40%,尤其在半导体用光刻胶市场,国内企业份额不足 30%。原因是当前我国光刻胶技术正处于起步发展阶段,国内生产光刻胶的企业普遍规模较小、产品质量不高,尤其在半导体光刻胶领域国内主要以生产g线和i线的光刻胶为主,与国外企业差距较大,高端产品仍需大量进口,因此光刻胶市场基本是由外资企业占据。
然而,随着需求的增加和技术的进步,中国光刻胶产量和本土光刻胶产量是在逐年增加的。据统计资料显示,2017年中国光刻胶行业产量达到7.56万吨,较2016年增加0.29万吨,其中,中国本土光刻胶产量为4.41万吨,表现出稳定增长的状态。
近期,日本在高端半导体材料方面限制对韩国出口,短时间内势必对韩国半导体产业形成一定负面影响。虽然对我国来说可能是机遇,但是我们也必须去居安思危。尤其在光刻胶领域,我国相对技术落后,目前仅低端的pcb光刻胶及一部分面板光刻胶可以实现量产,高端光刻胶几乎完全依赖进口。面对受日本、欧美垄断的光刻胶市场,我国的光刻胶国产化任重而道远。尽管如此,现阶段国内光刻胶技术比较优秀且成长潜力强的企业还是存在的,比如,强力新材、南大光电、晶瑞股份、广信材料、上海新阳等等。
现阶段,日美企业垄断国内半导体光刻胶市场,但随着国内企业持续加大研发投入和创新,他们有望持续引领半导体光刻胶国产化进程,逐渐降低我国对半导体光刻胶的进口依赖程度。