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一文看懂半導(dǎo)體制程技術(shù)進(jìn)步的“燃料”——光

來源：浙商證券

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光刻膠可以通過光化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)曝光、顯影等光刻工序?qū)⑺枰奈⒓?xì)圖形從光罩（掩模版）轉(zhuǎn)移到待加工基片上。依據(jù)使用場(chǎng)景，這里的待加工基片可以是集成電路材料、顯示面板材料或者印刷電路板。


據(jù)第三方機(jī)構(gòu)智研咨詢統(tǒng)計(jì)，至2022年全球光刻膠市場(chǎng)規(guī)模將超過100億美元。光刻膠按應(yīng)用領(lǐng)域分類，可分為 PCB 光刻膠、顯示面板光刻膠、半導(dǎo)體光刻膠及其他光刻膠。全球市場(chǎng)上不同種類光刻膠的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)較為均衡，具體占比可以如下圖所示。

智研咨詢的數(shù)據(jù)還顯示，受益于半導(dǎo)體、顯示面板、PCB產(chǎn)業(yè)東移的趨勢(shì)，2019年中國(guó)光刻膠市場(chǎng)本土企業(yè)銷售規(guī)模約70億元，全球占比約10%，發(fā)展空間巨大。目前，中國(guó)本土光刻膠以PCB用光刻膠為主，平板顯示、半導(dǎo)體用光刻膠供應(yīng)量占比極低。中國(guó)本土光刻膠企業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)可以如圖所示。

光刻膠分類

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在平板顯示行業(yè)，主要使用的光刻膠有彩色及黑色光刻膠、LCD觸摸屏用光刻膠、TFT-LCD正性光刻膠等。在光刻和蝕刻生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，光刻膠涂覆于晶體薄膜表面，經(jīng)曝光、顯影和蝕刻等工序?qū)⒐庹郑ㄑ谀ぐ妫┥系膱D形轉(zhuǎn)移到薄膜上，形成與掩膜版對(duì)應(yīng)的幾何圖形。


在PCB行業(yè)，主要使用的光刻膠有干膜光刻膠、濕膜光刻膠、感光阻焊油墨等。干膜是用特殊的薄膜貼在處理后的敷銅板上，進(jìn)行曝光顯影；濕膜和光成像阻焊油墨則是涂布在敷銅板上，待其干燥后進(jìn)行曝光顯影。干膜與濕膜各有優(yōu)勢(shì)，總體來說濕膜光刻膠分辨率高于干膜，價(jià)格更低廉，正在對(duì)干膜光刻膠的部分市場(chǎng)進(jìn)行替代。


在半導(dǎo)體集成電路制造行業(yè)，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(guī)模集成電路的制造過程中，一般要對(duì)硅片進(jìn)行超過十次光刻。在每次的光刻和刻蝕工藝中，光刻膠都要通過預(yù)烘、涂膠、前烘、對(duì)準(zhǔn)、曝光、后烘、顯影和蝕刻等環(huán)節(jié)，將光罩（掩膜版）上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。


光刻膠是集成電路制造的重要材料：光刻膠的質(zhì)量和性能是影響集成電路性能、成品率及可靠性的關(guān)鍵因素。光刻工藝的成本約為整個(gè)芯片制造工藝的35%，并且耗費(fèi)時(shí)間約占整個(gè)芯片工藝的40%-50%。光刻膠材料約占IC制造材料總成本的4%，市場(chǎng)巨大。因此光刻膠是半導(dǎo)體集成電路制造的核心材料。

按顯示效果分類，光刻膠可分為正性光刻膠和負(fù)性光刻膠。負(fù)性光刻膠顯影時(shí)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(chǎn)工藝流程基本一致，區(qū)別在于主要原材料不同。


? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （負(fù)性光刻膠顯影示意圖）

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按照化學(xué)結(jié)構(gòu)分類；光刻膠可以分為光聚合型、光分解型、光交聯(lián)型和化學(xué)放大型。

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光刻膠材料制備壁壘高

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光刻膠的生產(chǎn)工藝主要過程是將感光材料、樹脂、溶劑等主要原料在恒溫恒濕 1000 級(jí)的黃光區(qū)潔凈房進(jìn)行混合，在氮?dú)鈿怏w保護(hù)下充分?jǐn)嚢?，使其充分混合形成均相液體，經(jīng)過多次過濾，并通過中間過程控制和檢驗(yàn)，使其達(dá)到工藝技術(shù)和質(zhì)量要求，最后做產(chǎn)品檢驗(yàn)，合格后在氮?dú)鈿怏w保護(hù)下包裝、打標(biāo)、入庫。整個(gè)工藝流程可以如下圖所示：

（光刻膠的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)要流程）

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光刻膠的技術(shù)壁壘包括配方技術(shù)，質(zhì)量控制技術(shù)和原材料技術(shù)。配方技術(shù)是光刻膠實(shí)現(xiàn)功能的核心，質(zhì)量控制技術(shù)能夠保證光刻膠性能的穩(wěn)定性而高品質(zhì)的原材料則是光刻膠性能的基礎(chǔ)。

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配方技術(shù)：由于光刻膠的下游用戶是IC芯片和FPD面板制造商，不同的客戶會(huì)有不同的應(yīng)用需求，同一個(gè)客戶也有不同的光刻應(yīng)用需求。一般一塊半導(dǎo)體芯片在制造過程中需要進(jìn)行10-50道光刻過程，由于基板不同、分辨率要求不同、蝕刻方式不同等，不同的光刻過程對(duì)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(huì)有不同的要求。針對(duì)以上不同的應(yīng)用需求，光刻膠的品種非常多，這些差異主要通過調(diào)整光刻膠的配方來實(shí)現(xiàn)。因此，通過調(diào)整光刻膠的配方，滿足差異化的應(yīng)用需求，是光刻膠制造商最核心的技術(shù)。

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質(zhì)量控制技術(shù)：由于用戶對(duì)光刻膠的穩(wěn)定性、一致性要求高，包括不同批次間的一致性，通常希望對(duì)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(chǎn)商不僅僅要配臵齊全的測(cè)試儀器，還需要建立一套嚴(yán)格的QA體系以保證產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定。

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原材料技術(shù)：光刻膠是一種經(jīng)過嚴(yán)格設(shè)計(jì)的復(fù)雜、精密的配方產(chǎn)品，由成膜劑、光敏劑、溶劑和添加劑等不同性質(zhì)的原料，通過不同的排列組合，經(jīng)過復(fù)雜、精密的加工工藝而制成。因此，光刻膠原材料的品質(zhì)對(duì)光刻膠的質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。對(duì)于半導(dǎo)體化學(xué)化學(xué)試劑的純度，際半導(dǎo)體設(shè)備和材料組織（SEMI）制定了國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，如下表中所示。

（SEMI 超凈高純?cè)噭?biāo)準(zhǔn)）

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美國(guó)和日本把持的市場(chǎng)

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光刻膠行業(yè)具有極高的行業(yè)壁壘，因此在全球范圍其行業(yè)都呈現(xiàn)寡頭壟斷的局面。光刻膠行業(yè)長(zhǎng)年被日本和美國(guó)專業(yè)公司壟斷。目前前五大廠商就占據(jù)了全球光刻膠市場(chǎng) 87%的份額，行業(yè)集中度高。其中，日本 JSR、東京應(yīng)化、日本信越與富士電子材料市占率加和達(dá)到72%。

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并且高分辨率的 KrF 和 ArF 半導(dǎo)體光刻膠核心技術(shù)亦基本被日本和美國(guó)企業(yè)所壟斷，產(chǎn)品絕大多數(shù)出自日本和美國(guó)公司，如杜邦、JSR 株式會(huì)社、信越化學(xué)、東京應(yīng)化工業(yè)、Fujifilm，以及韓國(guó)東進(jìn)等企業(yè)。

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整個(gè)光刻膠市場(chǎng)格局來看，日本是光刻膠行業(yè)的巨頭聚集地。

（全球光刻膠生產(chǎn)企業(yè)市場(chǎng)份額）

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日韓材料摩擦：半導(dǎo)體材料國(guó)產(chǎn)化是必然趨勢(shì)；2019年7月份，在日韓貿(mào)易爭(zhēng)端的背景下，日本宣布對(duì)韓國(guó)實(shí)施三種半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)材料實(shí)施禁運(yùn)，包含刻蝕氣體，光刻膠和氟聚酰亞胺。韓國(guó)是全球存儲(chǔ)器生產(chǎn)基地，顯示屏生產(chǎn)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(dǎo)體材料。這三種材料直接掐斷了韓國(guó)存儲(chǔ)器和顯示屏的經(jīng)濟(jì)支柱。

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