先进制程持续微缩,光刻曝光环节的半导体材料需求,主要由三重力量驱动:光刻胶品类随曝光波长升级而迭代、光掩膜图形精度要求提升,以及激光光源功率与稳定性要求提高。 曝光是光刻工艺中最关键的环节,本质是光线通过光掩膜和物镜,将缩小版电路图形映射到光刻胶上;制程越先进,图形越精细,对材料的要求就越高,高端品类的用量与单位价值量也随之抬升。
一、光刻胶体系随曝光光线升级
光刻胶要与光线发生反应,因此其体系与光刻机曝光光线相匹配,可分为六大类:g线、i线、KrF、干法ArF、浸没式ArF和EUV。从适用制程看,干法ArF对应65-130nm,浸没式ArF对应45-10nm,EUV对应32nm,均使用12英寸晶圆;而g线对应0.5μm以上、i线对应0.5-0.35μm。
从应用角度看,KrF胶(K胶)主要用于3D堆叠架构,ArF胶(A胶)主要用于相对先进的制程工艺,两者是最主要的两类光刻胶。制程微缩意味着曝光波长更短、胶种更高端,半导体材料的需求结构由此向高端品类迁移。
二、成膜树脂是价值量核心
光刻胶原材料主要包括溶剂、光引发剂、成膜树脂和添加剂四类,但含量不等于经济价值。按价值量看,成膜树脂约占总材料成本的50%,单体约占35%,其他材料合计约占15%;高端品类中树脂占比更高,ArF光刻胶的树脂价值量占比可达97%以上。
成膜树脂是由多种单体共聚而成的高分子聚合物,其结构设计涉及单体种类和比例,会直接决定光刻胶能够形成的线宽,进而影响曝光能量和边缘粗糙度等参数。产业化难点集中在两方面:一是合成技术的Know-how积累,二是单体的稳定供应——单体纯度要求达99.5%,金属离子含量需小于十亿分之一,目前能实现稳定供应的单体供应商只有四五家。
三、图形精度提升带动配套材料要求
曝光环节要把缩小版电路图形精确映射到光刻胶上,制程越先进,对图形精度的要求越高。光刻胶在光刻环节中均匀涂布于硅片,曝光部分溶解度发生改变:正胶曝光部分可被显影液溶解,留下与掩膜版相同的图形;负胶则相反。这一步为后续刻蚀或薄膜沉积做铺垫。
材料端的国产化也在同步推进。在单体领域,徐州博康已拥有品种最多、产量最大的KrF和ArF单体,其中ArF单体共有200多种,覆盖80%以上,部分为独家产品;溶剂主要成分PMA国内产能占全球总产量的35%,国产光引发剂龙头久日新材在国内市占率已接近三成。
常见问题
先进制程为什么更依赖高端光刻胶?
因为光刻胶体系必须与曝光光线相匹配。干法ArF、浸没式ArF和EUV分别对应65-130nm、45-10nm和32nm制程,线宽越小的工艺只能使用对应的高端胶种,低端胶无法胜任,需求因此向高端品类集中。
光刻胶原材料中哪一类价值量最高?
成膜树脂。它约占总材料成本的50%,单体约占35%,其他材料合计约占15%;在ArF光刻胶中,树脂的价值量占比可达97%以上,同时树脂结构直接决定光刻胶能形成的线宽。
国内光刻胶原材料的自主可控进展如何?
溶剂、光引发剂等环节国内企业表现较好,单体领域以徐州博康为代表已具备较强竞争力,其ArF单体覆盖80%以上。而成膜树脂整体仍较薄弱,低端G线、I线树脂主要依赖进口,产业化难点在于合成技术积累与单体稳定供应。