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2021年中国半导体光刻胶市场发展现状分析

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发表时间:2021-09-23 17:38

本文核心数据:中国半导体光刻胶市场格局,中国半导体光刻胶市场规模,本土半导体光刻胶企业产能情况等。


1、半导体光刻胶随集成电路线宽的缩小而演变


光刻胶按下游应用分类,可分为半导体光刻胶、面板光刻胶和PCB光刻胶。在集成电路制造过程中,光刻和刻蚀技术是精细线路图形加工中最重要的工艺,决定着芯片的最小特征尺寸,占芯片制造时间的40%-50%,占制造成本的30%。


半导体光刻胶随着市场对半导体产品小型化、功能多样化的要求,而不断通过缩短曝光波长提高极限分辨率,从而达到集成电路更高密度的集积。为适应集成电路线宽不断缩小的要求,光刻胶的波长由紫外宽谱向g线(436nm)→i线(365nm)→KrF(248nm)→ArF(193nm)→F2(157nm)的方向转移,演进路线如下:



2、国内市场规模稳步增长、ArF胶和KrF胶是主流


当前,中国已是全球最大半导体消费国家,2020年市场规模占全球比重为34.5%,光刻胶作为半导体制造的核心材料之一,对半导体光刻胶的需求也不断增长。据美国半导体协会的数据显示,在此之中中国半导体光刻胶市场从2015年的1.3亿美元增长至2020年的3.5亿美元,同比增长约为40%。



从我国半导体光刻胶的市场结构来看,2020年,ArF光刻胶占比40%;KrF光刻胶占比39%;G/I线光刻胶占比20%。



3、中国半导体光刻胶需求主要由外企满足


半导体光刻胶属于光刻胶高端产品,受技术限制,当前,我国半导体光刻胶需求主要由外资企业来满足,2020年,外资企业的市场份额达71%。



从不同光刻胶产品的自给率来看,目前适用于6英寸硅片的g线、i线光刻胶的自给率约为20%,适用于8英寸硅片的KrF光刻胶的自给率不足5%,而适用于12寸硅片的ArF光刻胶基本依靠进口,光刻胶国产化任重道远。



4、本土企业可量产i/g胶、KrF胶


由于半导体光刻胶的技术壁垒较高,我国布局相关技术的本土企业较少。其中,北京科华、上海新阳和徐州博康均布局了i/g line胶、KrF胶和ArF胶技术,但暂未有1家企业布局EUV胶技术:



从本土企业的产能情况来看,截至2021年上半年末,可量产i/g line胶的企业包括北京科华、晶瑞电材;可量产KrF的企业有北京科华;而其余产品目前基本无可量产的企业:



从领先企业的产能情况来看,目前,我国有北京科华、晶瑞电材等企业可实现半导体光刻胶的量产,其中,



此外,在本土企业中,北京科华是唯一被Semicon列入全球光刻胶八强的中国光刻胶公司,2020年北京科华光刻胶销售8928万元,是中国销售额最高的光刻胶公司。其中,公司的i线光刻胶产品销售额5495万元,占中国i线光刻胶销售额的16.7%;KrF(248nm)光刻胶销售286万元,是唯一可以批量供应KrF光刻胶给8寸和12寸客户的本土光刻胶公司。



5、国内晶圆厂产能不断扩张、光刻胶国产化进程任重而道远


晶圆厂产能扩张是半导体光刻胶需求增长核心驱动力。根据SEMI的统计数据,中国大陆晶圆厂产能市场份额从1995年1.7%提升至2020年22.8%,成为第一大晶圆生产国。而据预测,2021-2022年,中国将有另8座晶圆厂开工建设,占全球比例近1/3。



在现有8寸和12寸晶圆产线中,90-14nm产能占比最大增速最高,而在晶圆厂新建生产线中以90-28nm制程节点为主,能够应用于该制程的光刻胶为ArF胶,但目前,我国仅有少数企业成功研发了ArF胶,暂无可量产ArF胶的企业。


可见,未来几年,随着国内晶圆厂产能扩张和集中建设,国内半导体光刻胶需求仍将快速增长,但目前,本土企业的技术研发仍待突破,国产化进程任重而道远。


以上数据参考前瞻产业研究院《中国光刻胶行业市场前瞻与投资规划分析报告》,同时前瞻产业研究院还提供产业大数据、产业研究、产业链咨询、产业图谱、产业规划、园区规划、产业招商引资、IPO募投可研、招股说明书撰写等解决方案。


延伸知识点


什么是半导体光刻胶?

光刻中采用的感光物质被称为光刻胶,主要分为正光刻胶和负光刻胶两种。正光刻胶未被光照的部分在显影后会被保留,而负光刻胶被感光的部分在显影后会被保留。光刻胶不仅需要对指定的光照敏感,还需要在之后的金属刻蚀等过程中保持性质稳定。不同的光刻胶一般具有不同的感光性质,有些对所有紫外线光谱感光,有些只对特定的光谱感光,也有些对X射线或者对电子束感光。光刻胶需要保存在特殊的遮光器皿中。





半导体光刻步骤:

1.衬底的准备


在涂抹光刻胶之前,硅衬底一般需要进行预处理。一般情况下,衬底表面上的水分需要蒸发掉,这一步通过脱水烘焙来完成。此外,为了提高光刻胶在衬底表面的附着能力,还会在衬底表面涂抹化合物。目前应用的比较多的是六甲基乙硅氮烷(hexa-methyl-disilazane, HMDS)、三甲基甲硅烷基二乙胺(tri-methyl-silyl-diethyl-amime, TMSDEA)等。


2.光刻胶的涂抹


在这一步中,需要将光刻胶均匀、平整地分布在衬底表面上。


首先,将硅片放在一个平整的金属托盘上,托盘内有小孔与真空管相连。由于大气压力的作用,硅片可以被“吸附”在托盘上,这样硅片就可以与托盘一起旋转。涂胶工艺一般分为三个步骤:


▪ 将光刻胶溶液喷洒在硅片表面;


▪ 加速旋转托盘(硅片),直到达到所需的旋转速度;


▪ 达到所需的旋转速度之后,以这一速度保持一段时间。以旋转的托盘为参考系,光刻胶在随之旋转受到离心力,使得光刻胶向着硅片外 围移动,故涂胶也可以被称作甩胶。经过甩胶之后,留在硅片表面的光刻胶不足原有的1%。


3.软烘干


完成光刻胶的涂抹之后,需要进行软烘干操作,这一步骤也被称为前烘。


在液态的光刻胶中,溶剂成分占65%-85%。虽然在甩胶之后,液态的光刻胶已经成为固态的薄膜,但仍有10%-30%的溶剂,容易沾污灰尘。通过在较高温度下进行烘培,可以使溶剂从光刻胶中挥发出来(前烘后溶剂含量降至5%左右),从而降低了灰尘的沾污。同时,这一步骤还可以减轻因高速旋转形成的薄膜应力,从而提高光刻胶 衬底上的附着性。


在前烘过程中,由于溶剂挥发,光刻胶厚度也会减薄,一般减薄的幅度为10%-20%左右。


4.曝光


在这一步中,将使用特定波长的光对覆盖衬底的光刻胶进行选择性地照射。光刻胶中的感光剂会发生光化学反应,从而使正光刻胶被照射区域(感光区域)、负光刻胶未被照射的区域(非感光区)化学成分发生变化。这些化学成分发生变化的区域,在下一步的能够溶解于特定的显影液中。


在接受光照后,正性光刻胶中的感光剂DQ会发生光化学反应,变为乙烯酮,并进一步水解为茚并羧酸(Indene-Carboxylic-Acid, CA),羧酸在碱性溶剂中的溶解度比未感光部分的光刻胶高出约100倍,产生的羧酸同时还会促进酚醛树脂的溶解。利用感光与未感光光刻胶对碱性溶剂的不同溶解度,就可以进行掩膜图形的转移。


5.显影


通过在曝光过程结束后加入显影液,正光刻胶的感光区、负光刻胶的非感光区,会溶解于显影液中。这一步完成后,光刻胶层中的图形就可以显现出来。为了提高分辨率,几乎每一种光刻胶都有专门的显影液,以保证高质量的显影效果。


6.硬烘干


光刻胶显影完成后,图形就基本确定,不过还需要使光刻胶的性质更为稳定。硬烘干可以达到这个目的,这一步骤也被称为坚膜。在这过程中,利用高温处理,可以除去光刻胶中剩余的溶剂、增强光刻胶对硅片表面的附着力,同时提高光刻胶在随后刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性能力。另外,高温下光刻胶将软化,形成类似玻璃体在高温下的熔融状态。这会使光刻胶表面在表面张力作用下圆滑化,并使光刻胶层中的缺陷(如针 孔)减少,这样修正光刻胶图形的边缘轮廓。


7.刻蚀或离子注入


主条目:刻蚀和离子注入。


8.光刻胶的去除


这一步骤简称去胶。刻蚀或离子注入之后,已经不再需要光刻胶作保护层,可以将其除去。去胶的方法分类如下:


▪ 湿法去胶;


▪ 有机溶剂去胶:利用有机溶剂除去光刻胶;


▪ 无机溶剂:通过使用一些无机溶剂,将光刻胶这种有机物中的碳元素氧化为二氧化碳,进而而将其除去;


干法去胶:利用等离子体将光刻胶剥除。


除了这些主要的工艺以外,还经常采用一些辅助过程,比如进行大面积的均匀腐蚀来减小衬底的厚度,或者去除边缘不均匀的过程等等。一般在生产半导体芯片或者其它元件时,一个衬底需要多次重复光刻。


来源:前瞻产业研究院,搜狗百科

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!


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