光刻胶不断“被搅局” | 半导体材料故事（2）

    不久前，日本政府宣布，将进一步针对放宽对韩出口管制展开磋商。而这也意味着持续了三年之久的日韩半导体材料战，逐渐接近尾声。在被日本限制出口韩国的三种材料中，一款看似不起眼的“胶水”——光刻胶，成为这场半导体之战的焦点。
    此“胶水”非彼胶水
    光刻胶又称光致抗蚀剂，是指通过紫外光、电子束、离子束、X射线等的照射或辐射，其溶解度发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料。此前日本对韩国限制出口的光刻胶共有四种，分别是：在15nm～193nm波长的光上使用的正性光刻胶、在1nm～15nm波长的光上使用的光刻胶、电子束或离子束用光刻胶、在压印光刻设备上使用的光刻胶。
    事实上，光刻胶在整个芯片产业的市场规模很小，世界半导体贸易统计组织(WSTS)的数据显示，2022年全球半导体市场规模为5735亿美元，其中光刻胶的市场规模只有22亿美元左右，不足整体半导体市场规模的1%。就是这个看似不足挂齿的“胶水”，却是整个半导体产业“牵一发而动全身”的关键材料。
    EVU光刻机
    CINNO Research首席分析师周华向《中国电子报》记者介绍，半导体制造的核心就是用光刻工艺制造出纳米级别的晶体管，因此光刻工艺的精细度在很大程度上决定了芯片的尺寸、功耗、性能等关键指标。光刻胶材料是光刻工艺里最核心的材料之一，其质量、纯度直接决定着芯片的良率。
    合成光刻胶的原材料实际上并不复杂，只是感光树脂、光引发剂、溶剂、添加剂等原材料的混合，光刻胶的核心壁垒在于原材料的纯度、配方的精确度以及客户的定制化等因素。而光刻胶的使用也有着极为苛刻的条件，还存在品种多、用量小、品质需求高等难点。半导体光刻胶在制作完成后，还需经过反复的送样、反馈、调整配方，从客户验证到实现量产的周期长达2~3年。因此，为了保证光刻胶质量和效果稳定，光刻胶厂商通过认证成为长期供应商后，客户不会轻易更换。
    此外，光刻胶不仅难以获取，还极难储存。一般而言，半导体光刻胶的保质期为6个月，在保存过程中也很容易受到污染。2019年台积电曾因光刻胶受到光阻原料污染导致上万片12英寸晶圆报废，直接损失达5.5亿美元。
    因此，这一并不普通的“胶水”，成为了撬动整个半导体产业链的重要支点。
    日本光刻胶“发迹”史
    当前的光刻胶市场，日本企业处于垄断地位，日本JSR、东京应化、信越与富士电子公司占了全球光刻胶市场份额的72%。然而，纵观光刻胶产业的发展史，日本的垄断地位也是“后来者居上”。
    全球光刻胶企业市场份额
    早在1950年，美国的柯达公司就开发出了KTFR光刻胶，随后1980年美国的IBM公司突破了KrF光刻技术，之后的15年里，IBM领导并垄断了KrF光刻胶。
    与此同时，日本半导体也在迅速崛起，尤其是在光刻技术方面，尼康和佳能凭借自身在基础化工领域的经验积累和政府的大力扶持，迅速崛起。
    实际上，彼时迅速崛起的日本半导体行业已经受到了美国的关注和限制，发展步伐有所放缓。业内专家向《中国电子报》记者解释，在芯片制程进入趋于物理极限的尺寸之前，业内对光刻胶的重视程度较低。同时，而光刻胶由于市场占有率过低，不在美国限制日本半导体发展的产品范围内。于是，日本抓住“一线生机”，开始大力研发光刻胶。
    此后，日本迅速涌现出了一批优秀的光刻胶企业，东京应化于1995年研发出KrF光刻胶并实现大规模商业化，这标志着光刻胶正式进入日本厂商“称霸”的时代。2011年，JSR与SEMATECH联合开发出EUV光刻胶，使得日本光刻胶站上了金字塔的顶端。业内专家向《中国电子报》记者表示，如今10nm以下制程的光刻胶，几乎只有日本的企业能够生产。
    “光刻工艺方面，日本的尼康和佳能光刻机也曾经长期垄断全球市场，这些为日本发展光刻胶提供了非常良好的产业基础，并且日本在精细化工等方面也具有雄厚的实力，经过数十年的发展积累了大量的理论知识和光刻胶相关的数据库，再结合日本企业先进的生产工艺和品质管理体系，最终形成了日本企业在光刻胶领域的绝对统治力。”周华对《中国电子报》记者说。
    韩国开启光刻胶自研模式
    日本在光刻胶领域的霸主地位使得芯片制造大国韩国对日本的光刻胶极为依赖。据报道，2019年，韩国光刻胶对日本的依赖度为80%。因此，2019年日本限制对韩国出口光刻胶，可谓扼住了韩国半导体的“咽喉”。业内专家曾向《中国电子报》记者披露，韩国三星半导体第一代3nm工艺制程良率仅有10%～20%左右，就是由于三星受到日本光刻胶出口限制，导致所用的光刻胶材料纯度不够，造成芯片良率极低。
    为此，韩国开始大范围寻找日本光刻胶的替代品。2022年12月，韩国三星电子公司宣布，将东进半导体研发的EUV光刻胶成功应用于其芯片工艺生产线。东进半导体成为韩国第一家将EUV光刻胶本土化至量产水平的公司。但是，三星没有披露东进半导体的EUV光刻胶用于哪种工艺，也没有披露后续EUV光刻胶大规模本土化的应用计划。
    除了东进半导体公司的EUV光刻胶已经用于三星电子一条量产工艺线外，韩国另外两家公司，YOUNGCHANG化学和SK材料公司也在研发EUV光刻胶，但是还没有达到可靠性验证的水平。
    也许是受到日本制裁的影响，三星对于光刻胶的态度，也变成了“不能把鸡蛋放在一个篮子里”。三星半导体有关人员向《中国电子报》记者表示，为了保持稳定的供应，像光刻胶之类的关键材料，三星半导体会尽可能确保供应商的多样化。
    此外，韩国政府此前也公开表示，韩国的目标是，到2030年实现50%芯片材料供应本土化，而目前这一比例只有30%。
    干式光刻胶或将成为破局关键
    市场调研机构TECHCET在报告中表示，随着半导体先进制程的竞争越来越激烈，以及EUV制程层数的增加，光刻胶材料市场规模激增。其中，干式光刻胶成为广受关注的新型EUV光刻材料之一，相比传统湿式光刻胶能显著降低生产成本，能源消耗更少，且原料需求量比以往大幅度减少。
    随着芯片尺寸不断缩小，传统的湿式光刻胶开始遇到技术瓶颈，这也给了干式光刻胶市场机会。
    据悉，传统的湿式光刻胶的化学成分容易造成光子散射，因此若想实现大剂量的曝光，需要增加光刻机的功率，而这一举动也会大大影响光刻机的工作效率。对此，业内曾提出两种解决方案。一种是将光源提高到500W～1000W，并因此获得更高的能量来确保量产，但目前500W以上的光源仍在研发中。而第二种解决方案，便是通过改善EUV光刻胶技术，来实现曝光功率以及机器工作效率的平衡，干式光刻胶也因此受到市场的关注。
    据了解，日本的东京电子、JSR集团等光刻胶巨头企业生产的均为传统的湿式光刻胶。而在两年前，美国公司Lam Research凭借干式光刻胶技术，成功打破了东京电子、JSR集团等巨头们在光刻胶领域的垄断，成为“搅局者”，这也让干式光刻胶正式走进了人们的视野。同时，干式光刻胶的概念也得到ASML、三星、英特尔、台积电等龙头企业的青睐，纷纷与Lam Research针对干式光刻胶领域开展合作研究，寻求平衡曝光功率以及机器工作效率的方法。