日本断供?为何连个“胶水”都能让我们的芯片行业纠结
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日本断供?为何连个“胶水”都能让我们的芯片行业纠结

2021年06月02日 10:45:44
来源:品玩

中国芯片产业又有材料断供了?

近日有行业媒体“集微网”报道,由于日本信越化学KrF光刻胶产能不足等原因,导致中国大陆多家晶圆厂KrF光刻胶供应紧张,部分中小晶圆厂KrF光刻胶甚至出现断供,多家晶圆厂正在加速验证导入国内KrF光刻胶。

近期才陆续影响到国内芯片产业的光刻胶缺乏难题,韩国早已遇到过。2019年日韩发生贸易摩擦后,韩国遭到日本禁止出口包括光刻胶在内的数种关键材料,此举对三星、SK海力士等韩国芯片企业杀伤力巨大,其影响有延续至今,以至于近日有消息传出日本半导体材料巨头东京应化(TOK)为绕过两国贸易纠纷相关政策,将在韩国设厂扩大光刻胶产能,以满足韩国芯片产业的需求。

什么是光刻胶?光刻胶在芯片生产流程中扮演着什么角色?为何一家日本企业的产能不足会导致国内该种材料的紧张?日本光刻胶的断供甚至会导致强如韩国三星、SK海力士这样的芯片巨头焦头烂额?对国内光刻胶产业来说,现今的发展状况又到了什么阶段,什么时候可以做好国产光刻胶的替代?

这些问题突然走向聚光灯下。

日本断供?为何连个“胶水”都能让我们的芯片行业纠结

如果说最终制造出来的芯片是一道美食,那么光刻胶就是最初的重要原材料之一,而且是那种看起来可能不起眼,但却能决定一道菜味道的关键辅料。

光刻胶(photoresist),在业内又被称为光阻或光阻剂,是指通过紫外光、深紫外光、电子束、离子束、X射线等光照或辐射,溶解度会发生变化的耐蚀刻薄膜材料,是光刻工艺中的关键材料。

从芯片生产的工艺流程上来说,光刻胶的应用处于芯片设计、制造、封测当中的制造环节,是芯片制造过程里光刻工艺中所需用到的核心材料之一。

就像美食生产中烹炒环节,光刻是平面型晶体管和集成电路生产中的一个主要工艺。光刻是对半导体晶片表面的掩蔽物(如二氧化硅)进行开孔,以便进行杂质的定域扩散的一种加工技术。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。

据专业人士估算,光刻工艺约占整个芯片制造成本的35%,所消耗的生产时间更是达到了整个芯片工艺的40%-50%。因此,除了光刻机外,看似不起眼涂抹在硅片上的光刻胶也异常重要,是芯片光刻中不可或缺的一环。

具体来说,光刻机是采用类似照片冲印的技术,把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上,而光刻胶则是涂抹在硅片上,帮助光刻机把电路在硅片上刻蚀出来的关键材料。

来源:天风证券研究所

来源:天风证券研究所

光刻胶虽然异常重要,但其占据芯片产业的比重其实有限。今年三月,专注于电子材料市场研究的TECHCET发布了关于光刻胶的统计和预测数据:2021年,半导体制造所需的光刻胶市场规模将同比增长11%,达到19亿美元。

在不到20亿美元的基本盘下,光刻胶的目标市场是有限的,由于工艺原因,芯片制造企业每次购买的光刻胶的量并没有想象中大。据央视财经报道,以往企业每次采购的光刻胶量约在100kg,近期由于原材料短缺,每期只能采购到10kg-20kg。

不算大的市场格局也是导致光刻胶行业呈现寡头化格局的重要原因。目前,全球光刻胶供应市场非常集中,主要为日本和美国垄断,其中日本占比72%,大陆企业占有率则不到13%,其中日本东京应化(TOK)光刻胶销量全球第一。

导致国内KrF光刻胶缺货的信越化学是日本最大的化工企业,由于日本2·13福岛地震的影响,信越化学的厂房生产设备受到一定程度影响,尤其是其KrF光刻胶产线受到很大程度的破坏,至今尚未完全恢复生产,虽然东京应化(TOK)填补了一定的KrF光刻胶产能,但目前仍存在缺口。

根据半导体行业协会统计,目前在国内半导体制造环节国产材料的使用率不足15%,KrF光刻胶就在其中。KrF光刻胶是众多光刻胶产品中技术路线较为成熟的一种,随着芯片制程趋向小型化、微型化,光刻机需要缩短曝光波长来提高极限分辨率,光刻胶的波长也因此由紫外光谱向g线(436nm)、i线(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)、F2(157nm)等等更小的方向转移。

目前,国内g线、i线光刻胶的自给率约为20%,KrF光刻胶的自给率则不足5%,ArF光刻胶目前仍在研发测试中。根据SEMI数据,日本日本合成橡胶(JSR)、东京应化(TOK)和信越化学几大厂商在g线/i线、KrF、ArF胶市场中市占率分别达到了61%、80%、93%。

来源:天风证券研究所

来源:天风证券研究所

此次缺货消息传出来后,国内投资者纷纷奔向国内光刻胶企业,包括南大光电、晶瑞股份在内的国内光刻相关企业陆续迎来上涨。两家公司也乐见其成,接连发出通告称自家研制的KrF光刻胶或取得认证突破、或完成中试正在验证,将股价继续推了一把。

可需要注意的是,尽管南大光电、晶瑞股份发出通告称已取得突破性进展,但光刻胶的实际验证周期在2-3年,客户验证的动力并不充足。同时,光刻胶的保质期有限(通常在6-9个月),上游厂商需要在短时间找到众多愿意尝试验证的下游客户,这并不是件容易事。这甚至意味着光刻胶行业的新入局者起码得做好三年以上亏损的准备。

此外,芯片材料不是一个短时间资金密集进入就能出成果的产业,纵观日本芯片材料产业的崛起就能看出。上个世纪70年代,随着日本家电产业的兴起,从美国到日本芯片产业发生过一次地域上的大转移。日本整体的芯片产业技术由此迅速提高,包括光刻在内的各环节打下了良好的基础。

如,除了光刻胶外,日本在硅晶圆、键合引线以及模压树脂等芯片产业基础材料上均有全球领先的技术优势,据SEMI统计,日本企业在全球半导体材料市场上所占的份额达到约52%。

随着历史浪潮的前进,日本虽然又经历了芯片产业重心的几次转移,但凭借着过去扎实的基础、专业技术构筑的较高行业壁垒以及相对不大的市场、较少的竞争者,使得日本不少芯片材料企业成为了行业的隐形冠军。

如今,随着全球芯片紧缺,晶圆代工厂们开始了数轮扩张,该势能传导到产业上游,就是对包括光刻胶等材料需求的增长。过去日本的数家不声不响的芯片材料企业,也因此为公众所注意,甚至逐渐有了寡头垄断之势。

这些材料企业能保持优势至今有两个关键点,一是日本合成橡胶(JSR)、东京应化(TOK)和信越化学几大厂商的前身都是化工材料企业,成立时间非常早,在行业内的积累较深;二是这些光刻胶企业为了加深行业壁垒,通常会与上游原材料企业共同研发制作新技术,在新技术更迭加速的同时也使得下游厂商更不愿意轻易转换供货商。可以说光刻胶是时间、资本都需要较高投入的行业。

此外,光刻胶本身的研究也是有门槛的,光刻机是研制和研究光刻胶的核心设备,没有光刻机光刻胶生产验证的诸多程序都无法完成,这意味着新入局者即便有了时间和资本的大量投入,能从事的仅仅是成熟制程的光刻胶生产、制造,国内并无先进制程的光刻机的制造实力,因此EUV用先进制程光刻胶很难生产。

可以看出,这个让国内芯片行业陷入纠结的“胶水”,和所有依赖基础科学的芯片技术环节一样,不是当我们发现短缺后就能马上实现替代的,它同样需要我们认清现实,保有耐心,踏实地完成技术的自主替代。