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断供就瘫痪?日本捏着全球大约95%光刻胶,中国高端几乎空白

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日本虽然已经不再像过去那样主导半导体制造和光刻机领域,但它在整条供应链中依然握有极强的话语权,尤其是在一种非常特殊的化学品上——光刻胶。

这种材料常常被人们忽视,往往只在介绍光刻工艺时被顺带提及,但毫无疑问,它是整个光刻过程中最重要的化学品,是真正不可或缺的存在。这一市场大约百分之九十的份额掌握在日本企业手中,包括JSR、东京应化工业等公司,其中一家如今已经国有化。

若把镜头拉近到最尖端的EUV光刻胶,份额进一步向日本集中,全球接近95%的高端产能落在这几家企业手里,中国大陆能够真正打入这一环节的产品目前几乎空白,绝大多数还要依赖进口。



如果说昂贵的DUV激光器或EUV反射镜是把芯片设计"写"出来的工具,那么光刻胶就是承载这一设计的介质。可以说,真正贯穿整个流程、起到主角作用的,并不是造价高达一点五亿美元的EUV曝光机,而是光刻胶。

没有它,任何一台价格惊人的光刻机都只是一台安静的机器,什么也刻不出来;有了它,才可能把那几纳米的电路真正落到硅片上。

在光刻工艺的起点,工程师会把液态光刻胶涂布到需要刻画图案的表面上——硅、锗、二氧化硅、金属等等。涂布通过旋涂机完成:机器把液态光刻胶滴到高速旋转的晶圆上,根据旋转速度、液体性质以及滴涂速率,可以得到一层均匀的薄膜。

这一层薄膜的厚度控制精度往往要达到纳米级别,任何轻微的不均匀都会在下一步曝光时被放大成致命缺陷。



随后需要把这层旋涂胶烘干,先是甩干,再送到热板上进行脱水烘烤,这一步也被称为"软烘""预烘"或"涂后烘"。软烘的作用不仅是让溶剂挥发,还能让胶体分子重新排布,使得后续曝光时的化学反应更加稳定。

温度、时间、气氛三者之间的配合,构成了配方工程师最难攻克的暗知识之一。

完成烘烤之后,就可以将晶圆送入曝光设备,用强紫外光把光罩上的芯片图案转印到晶圆上。多数情况下使用的是"正性"光刻胶:被光照射到的部分会发生特殊的化学变化,从而更容易被随后使用的显影液溶解带走。



与之相对的是"负性"光刻胶,其行为恰好相反,曝光区域反而变得更难被显影液溶解。负性光刻胶出现得更早,但如今的半导体晶圆厂更青睐正性光刻胶,因为在追求线宽越来越窄的先进制程中,正胶能提供更陡直的图形侧壁和更好的分辨率。

不论使用正性还是负性光刻胶,曝光后都会得到潜像,需要进行"显影"。显影液是一种氢氧化物类化学品,它能稳定这层图像,使其足以承受后续工序的考验。最后再进行一次旋转或烘烤,去除残余水分,就可以把晶圆送到刻蚀区。

在刻蚀区,工程师利用酸液进行湿法刻蚀,或者使用等离子体气体进行干法刻蚀,去除那些未被显影后的光刻胶保护的部分。正因如此,这种材料被称为"抗蚀剂"——它抵抗刻蚀。



工艺的最后一步是去除晶圆上剩余的光刻胶。这一步相当有讲究:如果去胶不干净,残留物会像灰烬一样黏在电路表面,让芯片直接报废;如果用得太狠,又可能损伤下面刚刚刻出来的结构。

晶圆厂通常会结合湿法剥离和等离子体灰化两种方式,把最后一丝有机残留清除干净,再进入下一轮光刻循环。一颗现代逻辑芯片,往往要重复这个循环几十次,每一次都要重新旋涂、烘烤、曝光、显影、刻蚀、去胶。

从这里就能看出来,光刻胶远不是一瓶普通的化学品那么简单。



它必须同时满足感光性、分辨率、附着力、抗刻蚀性、可剥离性等一大堆彼此矛盾的指标,还得针对不同波长——从i-line的365纳米,到KrF的248纳米、ArF的193纳米,再到EUV的13.5纳米——重新调整配方。

每往前推进一个技术节点,光刻胶几乎都要重写一次分子设计,涉及的化学品种也在成倍增加。所以这个领域必须高度专业化、技术能力极强,博士们往往一辈子只研究其中的一小个分支。

一位台积电高管曾透露,在研发阶段,日本人几乎会痛快地答应任何要求,因为他们知道,一旦某个节点进入大规模量产,客户就不敢轻易更换光刻胶——那时候他们就掌握了主动权。当然,这也是双向的博弈,半导体晶圆厂向来以持续压价供应商而闻名。



台积电最厌恶单一供应商的存在,这也是日本人最终在这一领域击败美欧同行的重要原因——他们更愿意长期忍受较低的价格和投资回报率。

半导体客户对纯度和质量的要求也达到了前所未有的程度。哪怕在相当于两个奥运游泳池的液体中只有一滴杂质,也足以让一切前功尽弃,晶圆厂拒收整批货物。

另一个例子发生在IBM的tBOC投入使用初期,胶层显影后表面会形成一层"皮",事后查明原因是洁净室里的油漆和液体清洁剂痕量残留、人体皮肤上的氨以及厂房外草坪上的肥料共同作用所致。

这个故事在业内经常被拿出来讲:一款几毫升的高端光刻胶,从原料合成到装瓶出货,全流程要做到十亿分之一级别的金属杂质控制,稍有闪失,就会牵连整座工厂的产线。



也正因如此,一旦供应出现波动,冲击几乎是立刻可见的。

2019年日本对韩国实施光刻胶等三项材料的出口管制,三星和SK海力士当时的库存只能支撑不到几个月,整个韩国半导体行业进入紧急状态;2020年日本信越化学工厂因故障短暂停产,全球多家晶圆厂的先进制程排产随即受到影响。

断供并不需要真的完全掐断——只要审批放慢、发货延后,客户就已经睡不着觉。

尽管光刻胶具有极高的战略意义,整个行业其实是一个小众市场。



2019年,全球光刻胶产业总规模约为十三亿美元。此后受EUV光刻胶需求激增的带动有所增长,但JSR前会长曾开玩笑称,日本的拉面产业比光刻胶产业大得多。2023年JSR营收仅三十亿美元,其中一半以上来自制药和塑料业务;东京应化的营收为十一亿美元。

这些公司利润率也并不高,2023年JSR的净利润率为百分之三点八,东京应化约为百分之七点八。用一句话概括:这是一门规模不大、利润不高、门槛却高得吓人的生意,靠的是几十年积累下来的化学配方、工艺经验和客户信任,不是靠砸钱就能追上的。

规模不大又利润有限,使这些公司容易成为股东激进主义甚至私募股权基金的目标。据《金融时报》报道,2022年德国默克公司曾试图收购JSR,遭到拒绝后接受了这一结果。但随后两家私募股权基金相继接触JSR,试图收购公司或进行所谓的"价值创造"。



作为回应,JSR求助于日本政府。2023年,一支名为JIC的国资并购基金以六十四亿美元收购了JSR的多数股权,将其私有化。这一举动很不寻常——日本政府过去也收购过整家公司,但那些企业大多濒临破产,而JSR远非如此。

此举表明日本政府清楚地认识到,如果让私募股权染指这样一家公司将会是何等疯狂,也显示了日本保护其在半导体领域最后堡垒之一的决心。

这是一次大胆的行动,能否长期奏效仍有待时间检验。



把镜头拉回到中国,在中低端的g-line、i-line和部分KrF光刻胶上,国内已经能实现一定量的自主供应,价格战也打得相当激烈;但一旦进入ArF浸没式,尤其是7纳米以下所需要的EUV光刻胶,能拿出稳定量产、并通过头部晶圆厂验证的国产产品几乎为零。

原因不是钱不够,而是这条赛道所需要的树脂合成、光敏剂设计、痕量杂质控制、光罩配套验证,每一环都要花大量时间在客户产线上反复磨合,跳不过、也偷不了。

日本之所以能捏住这条命脉,本质上是把一门"看上去不起眼的化学生意"熬成了半导体产业的战略咽喉:份额高度集中、市场规模却不足以吸引大玩家进场,客户切换成本高到令人望而却步,政府又愿意亲自下场兜底。



光刻胶不是能靠一两次突破就翻盘的领域,它更像一场关于时间、耐心和产线信任的长跑,任何一个环节掉链子,都可能让所谓"自主可控"停留在实验室报告上。

断供是否等于瘫痪,答案其实早就写在了产业链上——真正的短板从来不在最亮眼的机器上,而在那几瓶被人常年忽略的液体里。

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