光刻气体:半导体光刻关键材料,产业链龙头厂商梳理

作者:admin  来源:行行查  发布时间:2023-09-13  访问量:3433

光刻过程是半导体制造中最重要的过程,光刻直接决定了芯片线宽与可靠性。

光刻是指通过匀胶、曝光、显影等一系列工艺步骤,将晶圆表面薄膜的特定部分除去而留下带有微图形结构的薄膜,完成将设计好的电路图形从光刻板上转移到晶圆片表面光刻胶上的工艺。一般光刻工艺要经历涂光刻胶、前烘、曝光、显影、坚膜等工序。

其中光刻用电子气体(镭射气体)是用来产生光刻机光源的电子气体。

据亿渡数据测算,我国电子特气市场规模超400亿元,每年增速近20%。


光刻气体行业概览

光刻气是光刻机产生深紫外激光的气体,在腔体内受高压激发后,由于电子跃迁,产生了一定波长的光,不同的光刻气和电压可产生不同波长的光,经过聚合、滤波处理后便形成光刻机的光源,这直接决定了光刻机的分辨率范围。

光刻气大多为混合气,用不同比例的不同气体混合在一起的电子气体混合物。

光刻气根据光刻光源波长的不同而不同。常见光刻气包含Ar/F/Ne混合气,、Kr/Ne 混合气、Ar/Ne 混合气、Kr/F/Ne混合气,Ar/Xe/Ne混合气等等。

光刻气大部分为稀有气体,或稀有气体和氟的混合物,这种混合气体在高压受激发后,就会形成等离子体,在这个过程中,由于电子跃迁,会产生固定波长的光线。

光刻产业链图示:

半导体制造涉及上千道工序,工艺极其复杂,需使用上百种电子特种气体。

作为集成电路、显示面板等行业必需的支撑性材料,电子特气广泛应用于清洗、成膜、光刻、刻蚀、掺杂等工艺环节,其决定了器件的最终良率和可靠性,具有较高的产品附加值。

电子气体的主要生产工序包括气体合成、气体纯化、气体混配、气瓶处理、气体充装、气体分析检测。

其中,特种气体纯化是气体制造的主要技术壁垒。电子气体的纯度要求也越来越高,经常需要6N级(99.9999%)甚至更高的纯度,并且对电子气体质量的稳定性要求也越来越苛刻。

10纳米以下的先进制程对于杂质过滤的要求也越来越高,晶圆厂生产环境纯净度必得再度提升,才能确保半导体晶圆不受污染,提升生产良率。

采用先进制程的晶圆,其薄膜层非常薄,对氧气十分敏感,很容易被氧化,因此对晶圆制作的特种气体需求更大,未来的3/5纳米已经进入原子等级的尺度。

所以,特种气体供应商能否提供更高纯度的气体是能否打入国际主流晶圆厂的关键条件。

对于混配气体而言,配比的精度是核心参数,因而准确控制不同气体的配比精度是其中一大壁垒。

电子气体产业链

根据SEMI的数据,全球晶圆制造材料中,电子气体占比约为13%,是占比仅次于硅片的半导体材料。

广义的“电子气体”指可用于电子工业生产中使用的气体,是最重要原材料之一;狭义的“电子气体”特指可用于电子半导体领域生产的特种气体,依据《战略性新兴产业分类(2018)》在电子专用材料制造的重点产品分类,将电子气体分为了电子特种气体和电子大宗气体。

从产业链角度来看,电子气体上游为空气、工业废气、基础化学原料等原材料提供商,气体生产、储存、运输设备商,能源供应商;中游包括砷烷、磷烷、硅烷等电子特种气体,高纯氮气、高纯氢气等用作环境气、保护气的电子大宗气体;下游为以泛半导体领域为核心的集成电路、显示面板、太阳能光伏、LED等高端制造领域。

电子气体竞争格局

电子气体市场巨大且护城河深,格局优异。特气行业进入壁垒高,研发周期长,海外头部企业市场份额长期居于高位,国产替代空间巨大。

国外头部气体企业发展历史悠久,多以大宗气体生产和设备制造起家,在大宗工业气体领域基本已形成寡头垄断格局。

全球电子气体主要生产企业林德等前十大企业,共占据全球电子气体90%以上市场份额。

根据智研咨,2022年中国电子特气市场85%由外资掌握,美国空气化工占比25%,德国林德集团(含普莱克斯)占比23%,法国液化空气占比22%,日本大阳日酸占比16%。

由于电子特气纯度要求极高,技术壁垒难以逾越,且单一种类气体市场规模小,多品种覆盖研发时间长,加之核心设备要求高、客户认证流程长,供应商体系高度稳定,导致电子特气市场壁垒更高,我国市场同样由海外头部企业占据主要份额。

中国电子特气企业起步晚,工艺技术、企业规模等与国外领先企业仍存在一定差距。国产企业头部梯队包括华特气体、金宏气体、南大光电、凯美特气、昊华科技和雅克科技等。

华特气体Ar/F/Ne、Kr/Ne、Ar/Ne和Kr/F/N四种光刻混合气通过ASML的产品认证,是我国唯一通过ASML认证的企业,亦是全球仅有的上述四个产品全部通过其认证的四家气体公司之一,ASML会在光刻机使用说明中明确推荐其客户使用已通过其认证的光刻气。

凯美特气积极布局特种稀有气体,公司生产的氦、氖、氩、氪、氙特种稀有气体可用作激光器保护气体,进一步完善我国国产光刻用气链条。

金宏气体在2021年依次收购海宁市立申制氧有限公司、海安市吉祥气体有限公司、上海特种气体申南特种气体有限公司等9家大部分股份。此外,新产能布局也紧随其后,在特种气体产业化、二氧化碳回收、氢气生产、空分生产、标准化充装站以及物流方面进行布局。

昊华科技“昊华气体+中化蓝天”特气品类齐全,可供应晶圆厂所需的多数电子特气。昊华产品布局广泛,产品覆盖无机类(四氧化二氮、氨气、氯气等)、含氟类(六氟化硫、三氟化氮等)等产品。

结语

近年来国家政策大力扶持半导体产业,以及相关套材料。电子气体是工业发展的“血液”,工信部、国务院等部门高度重视并不断出台相关政策,对电子气体行业形成有效助力和推动。根据《“十四五”规划和2035远景目标纲要》相关电子特气产业发展规划显示,国家基于集成电路产业化发展,对其上游关键材料电子特气的技术攻关发展予以支持。整体来看,国内电子特气产业起步较晚,但近年来高速发展,正不断地自主创新,增加国产化率,国产替代空间十分广阔。