光刻膠國產化的6道坎
材料是半導體大廈的地基，不過，目前中國的這一地基對國外依存度還很高。
2019年，日韓發生衝突，日本封鎖了三種關鍵的半導體材料，分別是氟化氫、聚酰亞胺和光刻膠。這三種材料韓國，中國都可以製造，但關鍵在於能造是一回事，能用是另一回事，這其實也是半導體材料產業的核心問題所在。
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準之一。比如對於光刻膠來說，目前國外的光刻膠阻抗可以做到10^15，國內基本上停留在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年臺積電就因爲光阻原料污染導致上萬片12寸晶圓報廢，直接損失達5.5億美元。
氟化氫也是同樣的問題。氟化氫是一種無機酸，是半導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於其對純度要求特別高。
根據其純度不同，分爲EL、UP、UPS、UPSS、UPSSS級別，其中UPSS、UPSSS是高端半導體級別，而這個級別的氫氟酸僅僅檢測步驟就需要用到頂級的質譜儀、掃描電鏡、原子力顯微鏡等。其存儲設備的內襯、管道閥門等都是世界級難題，目前也只有日本企業能大規模生產，國內有幾家企業能做到電子級氫氟酸，但產能不高。
02
原材料壁壘
影響光刻膠純度的原因多種多樣，但原材料一定佔據核心位置。
就拿光刻膠的溶劑來說，一款光刻膠，溶劑的含量佔據光刻膠總質量的80%~90%，光刻膠最常使用的溶劑爲丙二醇甲醚醋酸酯（PMA），它具有很好的溶解性，性狀穩定，適合將成膜樹脂和光引光劑液化以便於旋轉塗敷。
目前，世界丙二醇醚及酯類產品的生產主要集中在美國、西歐及中國等國家和地區，主要是美國陶氏化學、伊士曼化學，荷蘭利安德巴塞爾，德國巴斯夫，這些國外企業從事丙二醇醚及其酯類的工業化生產，這些企業深耕這一領域已有30多年的歷史，擁有豐厚的技術經驗，並不是國產企業可以一朝一夕能夠拿下的。
而聚酰亞胺領域也是一樣。
在液晶顯示的應用上，CPI薄膜則代表了聚酰亞胺的最高研究和發展水平，但是這一領域一直以來都是美國的杜邦、日本的住友化學以及三井化學等企業的天下，三星的柔性顯示用CPI透明薄膜的配方就來自住友化學。
均苯四甲酸二酐是製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手中，全球的年產量爲6萬噸，國內產業約爲5000噸。而且，均苯四甲酸二酐的純度關乎於聚酰亞胺的成敗，如果純度不夠，更容易產生副反應，導致生產的聚酰亞胺純度不達標。
03
專利壁壘
如今的光刻技術已經進入EUV時代，臺積電、英特爾和三星紛紛積極導入EUV技術，與之對應的是EUV光刻膠的需求上升，與ArF浸沒式光刻相比，EUV光刻技術有很高的圖形保真度和設計靈活性，所需的光掩模數量很少，顯示出明顯的優勢。
但國產光刻膠企業想要突破它，不僅面臨原材料、純度等難題，還面臨強大的專利壁壘。
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，此後十年間，大多數時候都是年平均兩位數的申請量。從2010年開始的四年間，申請數量破百，並且持續增長，到2013年到達頂峰。當年的申請量有164件，此後又逐步回落至兩位數，到2017年，EUV光刻膠專利的申請量只有15件。
這一趨勢說明，在本世紀前13年裡，EUV光刻膠的技術在不斷的進步，各大廠商都在積極探索EUV光刻膠技術，所以專利數纔會不斷上升，而在2013年之後，該項技術走向成熟，由此專利數量開始急劇減少。
（圖片來源：現代化工第39卷第7期）
此外，從專利申請量的前十名來看，日本就佔據了七席，專利申請數量佔比高達90%，富士膠片以422件的絕對優勢排在第一，在前十名中，只有美國的羅姆哈斯和陶氏化學，以及韓國的三星電子3家非日本企業。
（圖片來源：現代化工第39卷第7期）
04
規模壁壘
與半導體設計、半導體封測甚至晶圓產業相比，光刻膠是一個“小衆”產業，而且光刻膠還分爲顯示面板用光刻膠和半導體用光刻膠，半導體用光刻膠的規模遠小於面板用光刻膠。
根據TECHCET的一份預測數據顯示，2021年整個半導體用光刻膠的市場只有19億美元的規模。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、東京應化、住友化學四家企業就佔據了82%的市場份額，KrF光刻膠市場中，東京應化、信越化學、JSR和杜邦佔據了85%的市場份額。
並且從公司規模來看，光刻膠並不是這些的主營業務，光刻膠只是佔據了其營收中極小的一部分。
以信越化學爲例，其2019年的營收大約爲147億美元左右，而當年的全球半導體光刻膠市場規模也才13億美元左右，所以相比較之下，光刻膠並不是巨頭們的最核心業務。
與之相比的是，國內的光刻膠企業無論從技術還是規模上，都與巨頭們有比較大的差距。南大光電和晶瑞股份是國內的光刻膠龍頭企業，2019年，南大光電的營收爲3.21億元，淨利潤0.55億元，同年晶瑞股份的營收爲7.6億元，淨利潤爲0.31億元，由此可見一斑。
並且由於需要加速追趕，國內光刻膠企業近年來相繼斥資購買光刻機來驗證產品性能，因爲光刻機價格昂貴，買了一臺光刻機相當於請了一個吞金獸，對於國產光刻膠企業來說，壓力倍增。
再者，由於光刻膠的應用環境複雜且多樣，有時甚至需要針對每個工廠進行特別定製，很難標準化和模塊化，光刻膠從研發成功到進入客戶驗證階段，並被大規模使用，中間所需要的時間都是按照年爲單位計算。一般情況下客戶並不願意輕易的更換光刻膠供應商。
以上種種難點，每一項都是國產光刻膠前進的阻力，不過困難還遠不止這些。
05
聯盟壁壘
IMEC全名爲比利時微電子研究中心，是全球半導體的指標性研發機構，很多半導體產業的最新技術路線和標準都出自這裡，所以這裡也是光刻膠巨頭們的必爭之地。
2013年，富士膠片就與IMEC合作，爲有機半導體亞微米技術開發一種新的光刻膠技術。2017年，JSR與IEMC在比利時共同成立了EUV光刻膠製備和認證中心，目的是確保EUV光刻膠的認證和半導體領域應用的質量控制。JSR與IMEC結盟這一步棋，讓自己既當選手，又當了裁判，牢牢抓住主動權。
此外，去年2月，在JSR的主導下，EUV光刻膠先驅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化學研究所獨立出來，其研發負性光刻膠，分子大小是CAR有機光刻膠的五分之一，重點是光吸收率可達CAR的4〜5 倍，因此能更精密，更準確地讓電路圖形成形。
由於光刻膠巨頭們有市場優勢和技術優勢，所以也意味着它們有更多的話語權，與此同時，他們也在積極的在前沿技術上佈局，與上下游企業結盟，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、市場及原材料等諸多核心因素之外，制約國產光刻膠發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壁壘，例如抗反射塗層的配方主要掌握在JSＲ、信越化學、陶氏化學、Merck 等國際光刻膠巨頭手裡。
在《全球半導體觀察》採訪國內幾家光刻膠上市企業時，其相關負責人都不約而同的提到了“瓶子”這個關鍵詞，他們表示，裝光刻膠所需要用到的瓶子目前國內企業還無法生產，需要進口。
國產企業的瓶子有的是性能不達標，有的是純度不夠有雜質。當然，國內也不是完全造不出瓶子，問題在於光刻膠企業所需要的瓶子數量太少，一些大的公司不願意爲這樣小的一個產品去專門研發和開闢一條產線，因爲經濟效益不高。
此外，光刻膠的保質期也比較短，大概在3~6個月左右，在運輸過程中又需要冷鏈運輸，而冷鏈運輸會提高整體成本，所以最後導致光刻膠價格上去，這嚴重不利於光刻膠的推廣使用。
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半導體材料共同的困境。
全球硅片市場中，信越化學、住友勝高、世創、環球晶圓四家企業佔據了80%以上的市場份額，而且在硅片的生產過程中，也遇到了“盒子”問題，裝硅片所需要用到的“盒子”也需要進口，其中原因幾乎與光刻膠一樣。
在半導體拋光中，拋光墊面臨也面臨與光刻膠同樣的困境，市場規模小，驗證週期長，技術難度又高，還被高度壟斷。目前的拋光墊幾乎完全依賴進口，市場由美國陶氏化學（約80%市場份額）、美國卡博特、日本東麗等公司壟斷，產品毛利率在50%以上。
在面板產業中，基板玻璃是LCD的重要原材料之一，在OLED面板製程主要充當柔性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。
電子特氣是僅次於大硅片的第二大晶圓製造材料。這一行業也是高度壟斷，空氣化工、普萊克斯、林德集團、液化空氣和大陽日酸等五大公司控制着全球90%以上的市場份額。
08
國內光刻膠最新發展
雖然實現光刻膠國產化阻力重重，但是最近一年時間，國產光刻膠也迎來了黃金期。先是南大光電宣佈公司自主研發的ArF光刻膠產品已經通過了武漢新芯的使用認證，各項性能滿足工藝規格要求，良率結果達標，成爲通過通過產品驗證的第一隻國產ArF光刻膠。
隨後晶瑞股份也宣佈公司KrF(248nm深紫外)光刻膠已完成中試，產品分辨率達到了0.25~0.13μm的技術要求，建成了中試示範線。上海新陽也表示購買用於研發光刻膠的光刻機即將到位。
此外，在宏觀層面上，去年下半年，發改委等四部門就宣佈擴大戰略新興產業投資，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計、裝備、材料、封裝、測試企業和軟件企業，自獲利年度起，第一年至第二年免徵企業所得稅，第三年至第五年按照25%的法定稅率減半徵收企業所得稅。
09
道阻且長
面對如此艱難的一條路，國產光刻膠能攻下ArF和KrF實屬不易，但光刻膠國產化依然長路漫漫，既要克服國外的技術壁壘，又要能夠拿下更多的市場，而這些問題並不是單純一兩家企業能搞定的。
首先光刻膠方面的人才數量嚴重不足，這需要教育層面解決。第二點是，國產光刻膠研發成功之後，國內的下游企業是否願意給國產光刻膠一個成長的機會。據瞭解，目前國產光刻膠研發成功之後，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，在高端技術上，低價無疑還會打擊國產光刻膠企業的積極性。
在《全球半導體觀察》採訪過程中，相關產業人士提出了用面板光刻膠養半導體光刻膠的構想。該產業人士認爲，半導體光刻膠市場規模小，但是技術壁壘高，而面板光刻膠市場規模相對較大，壁壘又相對較小。所以，面板產業可以優先扶持國產光刻膠，在這個過程中也可以培養更多的技術性人才，最終實現“大產業帶動小產業”。
當然這需要面板產業鏈的支持，以及國家政策的扶持與具體落實。
10
國產半導體需要理想主義
面對重重困難，是什麼讓國產光刻膠企業能夠堅持下來呢？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。
一位資深的行業人士對《全球半導體觀察》表示，“他自己已經在光刻膠產業幹了大半生，最大的心願就是希望退休前能看到國產光刻膠實現完全的自主。”
也許正是這種信念才能夠讓國產光刻膠實現突破。
而國產半導體材料，甚至國產半導體產業想要實現突破，也需要理想主義的信念，當然也需要錢，堅持理想的人不該是窮着的。
文：全球半導體觀察;封面圖源：拍信網