材料委好文：一文讀懂半導體制程技術進步的“燃料”——光刻膠

光刻膠

光刻膠又稱光致抗蝕劑，是一種對光敏感的混合液體。其組成部分包括：光引發劑（包括光增感劑、光致產酸劑）、光刻膠樹脂、單體、溶劑和其他助劑。

光刻膠可以透過光化學反應，經曝光、顯影等光刻工序將所需要的微細圖形從光罩（掩模版）轉移到待加工基片上。依據使用場景，這裡的待加工基片可以是積體電路材料、顯示面板材料或者印刷電路板。

據第三方機構統計，至2022年全球光刻膠市場規模將超過100億美元。光刻膠按應用領域分類，可分為 PCB 光刻膠、顯示面板光刻膠、半導體光刻膠及其他光刻膠。全球市場上不同種類光刻膠的市場結構較為均衡，具體佔比可以如下圖所示。

資料還顯示，受益於半導體、顯示面板、PCB產業東移的趨勢，2019年中國光刻膠市場本土企業銷售規模約70億元，全球佔比約10%，發展空間巨大。目前，中國本土光刻膠以PCB用光刻膠為主，平板顯示、半導體用光刻膠供應量佔比極低。中國本土光刻膠企業生產結構可以如圖所示。

（中國本土光刻膠企業生產結構）

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光刻膠分類

在平板顯示行業，主要使用的光刻膠有彩色及黑色光刻膠、LCD觸控式螢幕用光刻膠、TFT-LCD正性光刻膠等。在光刻和蝕刻生產環節中，光刻膠塗覆於晶體薄膜表面，經曝光、顯影和蝕刻等工序將光罩（掩膜版）上的圖形轉移到薄膜上，形成與掩膜版對應的幾何圖形。

在PCB行業，主要使用的光刻膠有幹膜光刻膠、溼膜光刻膠、感光阻焊油墨等。幹膜是用特殊的薄膜貼在處理後的敷銅板上，進行曝光顯影；溼膜和光成像阻焊油墨則是塗布在敷銅板上，待其乾燥後進行曝光顯影。幹膜與溼膜各有優勢，總體來說溼膜光刻膠解析度高於幹膜，價格更低廉，正在對幹膜光刻膠的部分市場進行替代。

（液晶屏顯彩色濾光膜製造依賴於彩色光刻膠）

在半導體積體電路製造行業，主要使用g線光刻膠、i線光刻膠、KrF光刻膠、ArF光刻膠等。在大規模積體電路的製造過程中，一般要對矽片進行超過十次光刻。在每次的光刻和刻蝕工藝中，光刻膠都要透過預烘、塗膠、前烘、對準、曝光、後烘、顯影和蝕刻等環節，將光罩（掩膜版）上的圖形轉移到矽片上。

（感光阻焊油墨用於 PCB）

光刻膠是積體電路製造的重要材料：光刻膠的質量和效能是影響積體電路效能、成品率及可靠性的關鍵因素。光刻工藝的成本約為整個晶片製造工藝的35%，並且耗費時間約佔整個晶片工藝的40%-50%。光刻膠材料約佔IC製造材料總成本的4%，市場巨大。因此光刻膠是半導體積體電路製造的核心材料。

按顯示效果分類，光刻膠可分為正性光刻膠和負性光刻膠。負性光刻膠顯影時形成的圖形與光罩（掩膜版）相反；正性光刻膠形成的圖形與掩膜版相同。兩者的生產工藝流程基本一致，區別在於主要原材料不同。

按照化學結構分類；光刻膠可以分為光聚合型、光分解型、光交聯型和化學放大型。

（光刻膠分類總結）

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光刻膠製備壁壘高

光刻膠的生產工藝主要過程是將感光材料、樹脂、溶劑等主要原料在恆溫恆溼 1000 級的黃光區潔淨房進行混合，在氮氣氣體保護下充分攪拌，使其充分混合形成均相液體，經過多次過濾，並透過中間過程控制和檢驗，使其達到工藝技術和質量要求，最後做產品檢驗，合格後在氮氣氣體保護下包裝、打標、入庫。整個工藝流程可以如下圖所示：

（光刻膠的生產工藝簡要流程）

光刻膠的技術壁壘包括配方技術，質量控制技術和原材料技術。配方技術是光刻膠實現功能的核心，質量控制技術能夠保證光刻膠效能的穩定性而高品質的原材料則是光刻膠效能的基礎。

配方技術：由於光刻膠的下游使用者是IC晶片和FPD面板製造商，不同的客戶會有不同的應用需求，同一個客戶也有不同的光刻應用需求。一般一塊半導體晶片在製造過程中需要進行10-50道光刻過程，由於基板不同、解析度要求不同、蝕刻方式不同等，不同的光刻過程對光刻膠的具體要求也不一樣，即使類似的光刻過程，不同的廠商也會有不同的要求。針對以上不同的應用需求，光刻膠的品種非常多，這些差異主要透過調整光刻膠的配方來實現。因此，透過調整光刻膠的配方，滿足差異化的應用需求，是光刻膠製造商最核心的技術。

質量控制技術：由於使用者對光刻膠的穩定性、一致性要求高，包括不同批次間的一致性，通常希望對感光靈敏度、膜厚的一致性保持在較高水平，因此，光刻膠生產商不僅僅要配臵齊全的測試儀器，還需要建立一套嚴格的QA體系以保證產品的質量穩定。

原材料技術：光刻膠是一種經過嚴格設計的複雜、精密的配方產品，由成膜劑、光敏劑、溶劑和新增劑等不同性質的原料，透過不同的排列組合，經過複雜、精密的加工工藝而製成。因此，光刻膠原材料的品質對光刻膠的質量起著關鍵作用。對於半導體化學化學試劑的純度，際半導體裝置和材料組織（SEMI）制定了國際統一標準，如下表中所示。

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美國和日本把控市場

光刻膠行業具有極高的行業壁壘，因此在全球範圍其行業都呈現寡頭壟斷的局面。光刻膠行業長年被日本和美國專業公司壟斷。目前前五大廠商就佔據了全球光刻膠市場 87%的份額，行業集中度高。其中，日本 JSR、東京應化、日本信越與富士電子材料市佔率加和達到72%。

並且高解析度的 KrF 和 ArF 半導體光刻膠核心技術亦基本被日本和美國企業所壟斷，產品絕大多數出自日本和美國公司，如杜邦、JSR 株式會社、信越化學、東京應化工業、Fujifilm，以及韓國東進等企業。

整個光刻膠市場格局來看，日本是光刻膠行業的巨頭聚集地。                                                                                                         

（全球光刻膠生產企業市場份額）

日韓材料摩擦：半導體材料國產化是必然趨勢；2019年7月份，在日韓貿易爭端的背景下，日本宣佈對韓國實施三種半導體產業材料實施禁運，包含刻蝕氣體，光刻膠和氟聚醯亞胺。韓國是全球儲存器生產基地，顯示屏生產基地，也是全球晶圓代工基地，三星、海力士、東部高科等一大批晶圓代工廠和顯示屏廠都需要日本的半導體材料。這三種材料直接掐斷了韓國儲存器和顯示屏的經濟支柱。

在禁運之後，韓國半導體產業面臨空前危機，一時間，三星半導體，海力士等全球儲存器龍頭都處於時刻停產危機，三星本身的材料存貨只能支撐3個月的生產。三星、海力士高管也是頻頻去日本交涉。同為美國重要盟友的日韓之間尚且如此，尚在發展初期的中國科技產業更需要敲響警鐘。

目前中國大陸對於電子材料，特別是光刻膠方面對國外依賴較高。所以在半導體材料方面的國產代替是必然趨勢。

中美貿易摩擦：光刻膠國產代替是中國半導體產業的迫切需要；自從中美貿易摩擦依賴，中國大陸積極佈局積體電路產業。在半導體材料領域，光刻膠作為是積體電路製程技術進步的“燃料”，是國產代替重要環節，也是必將國產化的產品。

光刻是半導製程的核心工藝，對製造出更先進，電晶體密度更大的積體電路起到決定性作用。每一代新的光刻工藝都需要新一代的光刻膠技術相匹配。現在，一塊半導體晶片在製造過程中一般需要進行10-50道光刻過程。其中不同的光刻過程對於光刻膠也有不一樣的具體需求。光刻膠若效能不達標會對晶片成品率造成重大影響。

目前中國光刻膠國產化水平嚴重不足，重點技術差距在半導體光刻膠領域，有 2-3 代差距，隨著下游半導體行業、LED及平板顯示行業的快速發展，未來國內光刻膠產品國產化替代空間巨大。當今，中國透過國家積體電路產業投資基金（大基金）撬動全社會資源對半導體產業進行投資和扶持。

同時，國內光刻膠企業積極抓住中國晶圓製造擴產的百年機遇，發展光刻膠業務，力爭早日追上國際先進水平，打進國內新建晶圓廠的供應鏈。光刻膠的國產化公關正在全面展開，在面板屏顯光刻膠領域，中國已經出現了一批有競爭力的本土企業。

（國內光刻膠主要生產企業及國產替代情況）

在半導體和麵板光刻膠領域，儘管國產光刻膠距離國際先進水平仍然有差距，但是在政策的支援和自身的不懈努力之下，中國已經有一批光刻膠企業陸續實現了技術突破。

文章來源於網路

本文作者：材料委天津院

本文責編：王寧寧

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