561
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(biāo)準(zhǔn)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(dá)5.5億美元。
氟化氫也是同樣的問題。氟化氫是一種無機(jī)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(dá)標(biāo)。
03、專利壁壘
如今的光刻技術(shù)已經(jīng)進(jìn)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(qiáng)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(dá)頂峰。當(dāng)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(jì)前13年里，EUV光刻膠的技術(shù)在不斷的進(jìn)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(dá)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(yuǎn)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(dāng)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(jī)來驗證產(chǎn)品性能，因為光刻機(jī)價格昂貴，買了一臺光刻機(jī)相當(dāng)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(jìn)行特別定制，很難標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，光刻膠從研發(fā)成功到進(jìn)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(jìn)的阻力，不過困難還遠(yuǎn)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(biāo)性研發(fā)機(jī)構(gòu)，很多半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的最新技術(shù)路線和標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(rèn)證中心，目的是確保EUV光刻膠的認(rèn)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(dāng)選手，又當(dāng)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(dú)立出來，其研發(fā)負(fù)性光刻膠，分子大小是CAR有機(jī)光刻膠的五分之一，重點是光吸收率可達(dá)CAR的4?5 倍，因此能更精密，更準(zhǔn)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(fù)責(zé)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(jìn)口。 國產(chǎn)企業(yè)的瓶子有的是性能不達(dá)標(biāo)，有的是純度不夠有雜質(zhì)。當(dāng)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(jì)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(yùn)輸過程中又需要冷鏈運(yùn)輸，而冷鏈運(yùn)輸會提高整體成本，所以最后導(dǎo)致光刻膠價格上去，這嚴(yán)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(tuán)、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(rèn)證，各項性能滿足工藝規(guī)格要求，良率結(jié)果達(dá)標(biāo)，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(dá)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(jī)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(kuò)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(yán)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(jī)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(rèn)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(dāng)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(dāng)然也需要錢，堅持理想的人不該是窮著的。
