中金 | 国内光刻胶产业：百舸争流，剑指高端（一）

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光刻胶是半导体制造关键材料

光刻胶的蝴蝶效应：品质决定性能

光刻胶(Photoresist，简称PR)，是一种在光源照射下产生溶解度变化的耐刻蚀薄膜材料，广泛应用于微纳器件的光刻工艺中。光刻技术广泛应用于印刷电路板(Printed Circuit Board，简称PCB)、显示面板(Flat Panel Display，简称FPD)、集成电路(Integrated Circuit，简称IC)等领域的光刻工艺中。光刻工艺通常处于生产制造流程的前端部分，属于关键步骤，在集成电路产业，根据产品复杂程度不同，制造过程会涉及成百上千的工艺步骤。根据SEMI统计的相关数据，当IC制造工艺从65nm制程升级到5nm先进制程时，刻蚀步骤从20次增加到160次。而每一次的刻蚀、沉积等工艺前都要通过光刻进行材料表面图案化。

图表1：光刻胶广泛应用在光电器件的前端制造节点

资料来源：SEMI，中金公司研究部

在光刻工艺中，光刻胶经过旋涂、前烘、曝光、后烘、显影等工序后，可以将光掩模板上的微纳图形转移到光刻胶上，再结合后续工艺，实现目标材料的图案化和阵列化，作为光刻工艺的核心材料，光刻胶的品质至关重要。2019年台积电因使用的一批光刻胶与过去的规格有误差，出现了不该有的聚合物成分，造成 Fab14生产线上多达10万片的12/16nm晶圆报废，受影响客户包括苹果、高通、NVIDIA、AMD、海思、联发科等，公司一季度营收减少5.5亿美元，毛利率降低2.6%，损失较大。

图表2：光刻工艺流程

资料来源：《Handbook of Silicon Wafer Cleaning Technology》Karen A. Reinhardt & Werner Kern,2008，中金公司研究部

图表3：IC晶圆制造流程

资料来源：《半导体制造技术导论》Hong Xiao(萧宏), 2013，中金公司研究部

按照下游市场需求，光刻胶可分为PCB光刻胶、FPD光刻胶、IC光刻胶三大类。在不同的应用场景，光刻胶的品种、组分和市场规模有较大差异。

图表4：按下游应用划分的光刻胶品种、组分和用途

资料来源：庞玉莲，光刻材料的发展及应用[J].信息记录材料,2015,16(1),36-51，许箭 先进光刻胶材料的研究进展[J].影像科学与光化学,2011,29(6),417-429，中金公司研究部

PCB光刻胶：印刷线路板的图案化工艺，已经从早期的丝网铜板印刷转变为更为精确和高效的光刻工艺，占比超过90%。PCB光刻胶主要分为干膜光刻胶、湿膜光刻胶、阻焊油墨。

• 干膜光刻胶：由配置好的液态光刻胶均匀涂抹在载体PET薄膜上，经过烘干、冷却后，盖上PE薄膜，收卷而成的薄膜光刻胶。在使用时，将干膜光刻胶压在覆铜板上，经过曝光显影将电路图转移到光刻胶上。通过后续对覆铜板刻蚀加工，形成PCB上的铜线路，主要用于75-100m制程。

• 湿膜光刻胶：又称为感光线路油墨，分为抗电镀油墨和抗蚀刻油墨，与干膜工序相似，液态光刻胶均匀涂抹在覆铜板上，经过曝光、显影、刻蚀等工序形成铜线路，虽然材料成本比干膜要低，但是加工设备成本较高，主要用于25-75m制程。

• 阻焊油墨：用于在线路上形成永久的绝缘保护层，防止在焊锡过程中造成的短路，保证PCB在运输、存放、使用时安全性。进一步可以细分为UV固化阻焊油墨和液态感光阻焊油墨，UV固化油墨可用在对精度要求不高的PCB上，附着力较差；感光阻焊油墨则精密度较高。

图表5：用于PCB制造的湿膜光刻胶和阻焊油墨的光刻工艺

资料来源：容大感光，中金公司研究部

FPD光刻胶：用于平板显示、显示器、LCD彩色滤波片制作等光刻工艺中，使用的光刻胶品种根据应用工艺不同主要分为TFT-Array光刻胶、彩色和黑色光刻胶等。

• TFT-Array正性光刻胶：主要应用于TFT-LCD或AMOLED制造中的Array段，包括TFT的图案化光刻胶，保护绝缘层光刻胶，ITO图案化光刻胶，OLED Array中平坦层光刻胶，OLED中PDL像素界定层光刻胶和Yocta制程用光刻胶。

• 彩色&黑色负性光刻胶：彩色滤光片由玻璃基板、黑色矩阵、颜色层、保护层、ITO导电层等构成，用于实现LCD面板的彩色显示，彩色光刻胶(RGB)分为红、绿、蓝三原色光刻胶，经过涂抹、曝光、显影等工序组成了颜色层；黑色光刻胶则用于形成黑色矩阵(BM)，起到防止漏光的作用，其中彩胶在FPD光刻胶中占比超过50%。

图表6：彩色滤光片的结构和光刻工艺

资料来源：强力新材，中金公司研究部

IC光刻胶：按照光源波长的从大到小，光刻胶可分为紫外宽谱(300-450nm)、g线(436nm)、i线(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)、EUV(13.5nm)等6个主要品类；按照在光刻工艺中的显影效果，光刻胶可以分为正性光刻胶和负性光刻胶两种。正胶在曝光后可以被显影液溶解，留下的光刻胶薄膜的图像与掩模板相同。而负胶经过曝光过程，难以被显影液溶解，所成图像与光掩模板相反。从显影后薄膜阶梯性来看，负胶阶梯覆盖差，可以作为Lift-Off胶应用到沉积工艺中。同时，负胶具有良好的机械性能和抗湿法刻蚀能力，适用于线路保护。由于光刻中的光化学反应与曝光波长适配，所以化学反应体系的发展与曝光波长的发展相辅相成。从研发时间上看，化学体系的发展分为光交联、光分解、和化学放大三个主要体系。

图表7：正负性光刻胶对比以及光刻胶化学反应体系的发展

资料来源：Handbook of Silicon Wafer Cleaning Technology，US Patent 2690966，US Patent 2852379，US Patent 3046120，中金公司研究部

光刻胶研发壁垒主要源于配方的调试及较长的认证

光刻胶作为半导体制造工艺中核心材料，研发难度较高，其工艺壁垒主要集中在配方的调试及较长的认证时间。

光刻胶的研发模式可以理解为一个不断进行配方调整的方法学过程，对经验的依赖性较大，且难以通过现有产品反向解构出其配方。厂商按照一定比例将原材料混合后进行光刻实验的验证，根据验证结果再进行配方调整，不断重复直至达到客户需要的性能指标。原材料比重的微调直接影响到光刻胶的各个性能指标：比如溶剂的多少会影响黏度；增稠剂能提高光刻胶成膜厚度；光引发剂的多少会影响光刻胶的灵敏度；碱性抑制剂的多少会影响光刻胶的线宽粗糙度；增感剂可以调节光刻胶的灵敏度和分辨率。此外，光刻胶在使用过程中也会使用一些配套辅助材料，如抗反射涂层（BARC、TARC、SOC等）用来吸收光刻过程中的反射光。

光刻胶的性能主要通过灵敏度、对比度、抗刻蚀比、黏度、保质期等指标来衡量。

灵敏度：衡量在曝光过程中，溶解性改变所需要的曝光剂量(Exposure Energy)以及曝光过程中的响应速度，灵敏度太低会影响产出效率，太高可能会牺牲分辨率。

对比度：线宽粗糙度(Line Width Roughness，简称LWR)衡量显影之后，由于边缘粗糙导致光刻胶线宽的偏离程度。

抗刻蚀比：衡量使用光刻胶与刻蚀材料在后续的刻蚀工艺下速率的快慢，耐刻蚀的光刻胶可以用来起到保护作用，确保覆盖区域不被刻蚀。

在实际生产过程中，光刻胶的性能指标往往需要根据具体的应用需求进行调整。比如在用作刻蚀保护时，需要光刻胶有一定的粘度和抗刻蚀比；在用于剥离工艺时，要考虑到光刻胶显影后的阶梯性；在先进制程中为了保证关键尺寸和剖面控制，对光刻胶的高刻蚀选择比要求高。因此，生产厂商往往会在一种型号的光刻胶目录下，有十个甚至几十个品种，以满足各方需求。在改进光刻胶性能时，则需要调整光刻胶的组成成分。

图表8：决定光刻胶性能的主要指标

资料来源：崔铮《微纳米加工技术及其应用》2020，中金公司研究部

光刻胶的生产认证流程包括：原料设计购买、配方工艺研制、客户端验证三个主要环节，认证流程复杂且成本昂贵。光刻胶的品质对光刻工艺和最终电子器件的性能影响很大，下游厂商非常重视光刻胶的质量以及厂商供货能力。光刻胶的客户端验证会经过严格的筛选流程，根据前瞻产业研究院的数据，一般PCB、FPD光刻胶验证过程为1-2年，而IC光刻胶则是2-3年。光刻胶客户端验证要经过三个阶段，第一阶段是离线测试阶段，对标现有产品；第二阶段是小批量产品测试；第三阶段是大批量产品测试阶段，客户通常会测试50个批次以上。在小试之前往往还要经过信息反馈和配方改进等步骤，最终大批量产品测试成功后，才可以获得订单。

此外，光刻胶厂商需购置相关的光刻机来进行内部测试，随着光刻胶产品从低端向高端演进，用于测试配方的光刻机成本也越来越高，根据ASML年报计算，单台ArFi光刻机约需6000万欧元，EUV光刻机则需1.5亿欧元，由于全球仅ASML一家能批量供应EUV光刻机，其造价昂贵且供应数量有限，因此光刻胶供应商难以购买EUV光刻机进行内部验证，使得EUV光刻胶的研发成本及验证难度大幅提升。

图表9：光刻胶生产认证基本流程

资料来源：上海新阳公司公告，中金公司研究部

光刻胶的发展：制程进化的助推器

作为光刻工艺的主要应用之一，IC制造的发展离不开晶圆加工制程的进化。摩尔定律指出：集成电路上晶体管的数量每18-24个月便会翻倍，相应的单个晶体管的成本则会减半。晶体管数量翻倍在性能得到提高的同时，还有效降低了器件的能耗。通过光刻胶和光刻技术的发展，提高光刻工艺的分辨率，是实现制程进化、延续摩尔定律的关键。

图表10：提高光刻分辨率的三个因素

资料来源：崔铮《微纳米加工技术及其应用》 2020，中金公司研究部

影响分辨率的参数之间的关系可以由瑞利准则表征：

公式中k1是光刻工艺因子；是光源波长，单位为纳米(nm)；NA（Numerical Aperture）是物镜的数值孔径。由于工艺因子和数值孔径的浮动区间基本都不到1，所以减小波长是提高光刻分辨率最有效的手段。

图表11：IC集成度和光刻胶曝光光源的发展

资料来源：ITRS，中金公司研究部

从上世纪中叶至今，光刻工艺中光源的发展历经了多个技术阶段，由汞灯、准分子激光器、激光等离子体的几个技术阶段。按照光源波长的从大到小，光刻胶可分为紫外宽谱(300-450nm)、g线(436nm)、i线(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)、EUV(13.5nm)等6个主要品类。

紫外光刻(UV)：主要光源为高压汞灯，其中的g线(436nm)、h线(405nm)、i线(365nm)都是主要线程，i线光刻胶在上世纪80年代开发并逐渐取代g线光刻胶成为主流。

深紫外光刻(DUV)：深紫外光刻因其波长短、衍射小，可以进一步提高分辨率。光源通常采用气体卤化物准分子激光器，如KrF(248nm)、ArF(193nm)、F2(157nm)。

• 1980年代KrF光刻胶最早由IBM提出，于1990年实现商业化，这一时期，JSR、TOK等日系厂商逐渐崛起，TOK在1995年商业化KrF光刻胶，率先打破美系厂商的垄断，而在光刻机市场，尼康和佳能等日系厂商也取代美系厂商成为了龙头。

• 1990年开始由日系厂商主导ArF光刻胶发展，2000年IMEC将JSR的ArF光刻胶用于130nm制程的光刻工艺，2001年TOK实现ArF光刻胶商业化，在光刻工艺上，通过增大物镜数值孔径和降低工艺因子，使ArF光刻的分辨率进一步提升。2002年由台积电和ASML联手发展了ArF浸润式光刻技术，通过改变光传播介质的方法，增大数值孔径，使ArF光刻极限延伸到10nm制程。

• 由于ArF干法无法满足65nm以下制程，F2光刻体系被认为是衔接ArF与下一代光刻体系的桥梁。随着ArF浸没技术可以实现65-14nm制程，并且F2物镜材料的吸收问题一直得不到解决，F2技术的研发被搁置。

极紫外光刻(EUV)：采用激光等离子体为光源，在上世纪八十年代提出，目前EUV光刻技术已在7nm以下先进制程规模化应用。ASML在EUV光刻机市场占据主导地位，日本的JSR、TOK、Shin-Etsu则在EUV光刻胶市场占据主导地位。

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