光刻膠才是我國半導體致命危機？技術壁壘難以逾越

中國芯片的未來，或將受限于光刻膠，它是比光刻機更要命的存在。

業內專家預測，中國的芯片制造業務，未來將受一個因素制約，光刻膠。連華為都沒能突破的技術，或許會卡住中國芯片產業的脖子。

光刻膠與芯片制造擁有怎樣的因果關系？目前，我國對于光刻膠的市場占有率又是怎樣的情況？

華為推出的“麒麟芯片”，讓不少持續關注中國芯片制造的群眾揚眉吐氣。沒有外援，中國如今也能產出完全屬于自我的芯片產品。

相比于群眾的驕傲和狂歡，業內專家則顯得冷靜許多。他們同樣因為中國芯片的誕生而欣喜，但他們卻無法不為芯片行業的未來而憂慮。


光刻膠：真正被卡脖子的環節

雖然一切都在往好的方向發展，但業內專家還是提出了令內行較為擔憂的問題，光刻膠。

他們認為，真正要命的東西從來不是光刻機，而是光刻膠。后者，才是中國需要面臨的真正卡脖子的關鍵因素。

光刻機可以從國外進口，現在我們也能自己搞研發。但光刻膠，我們卻沒有生產的技術和條件。原材料其實并不是問題，無法實現量產才是關鍵。

光刻膠行業的利潤空間并不大，有可能技術類企業辛辛苦苦研究個五年十年，投入了幾百萬甚至上千萬資金，最后的收入連時間和經濟成本都沒有辦法覆蓋。

在追求高效和高利潤生產的今天，光刻膠很難在國內找到供應商。現階段，我們85%左右的光刻膠，都只能依靠進口。國產光刻膠當然也有，可因為規格問題，中國企業吃過大虧。臺積電曾經為了擺脫對光刻膠進口產業的依賴，嘗試著自己研發生產了一批光刻膠。

他們根據已有的數據情況和材料配比范例，嚴格按照生產標準進行操作，最后成功獲得成品。

只是，成品的規格經不起實踐的檢驗。為了自己的突破，臺積電也付出了巨大的代價。當季產出的大量芯片全部作廢，由此而產生的直接或者間接的經濟損失，超過了60億人民幣。而第一季度，他們的營收率下降了50%以上，市值也在不斷下跌。

這次的代價直戳心窩，負責人或許產生了深深的心理陰影。從今以后，他也不敢再提研發一事，還是老老實實依靠進口維持生產。


光刻膠產業鏈高壁壘，多環節亟待突破

光刻膠產業鏈上游原材料主要由樹脂、感光劑、溶劑、添加劑等組成，其中樹脂和感光劑是 最核心的部分，技術難度較大。溶劑和其他添加劑等技術難度較低，光刻膠廠商普遍通過外 購獲得。光刻膠產業鏈中游主要由光刻膠廠商進行光刻膠的配方調配和生產。光刻膠產業鏈 下游應用主要分為半導體、LCD/OLED 顯示面板及 PCB 制造。


1.樹脂及單體、感光劑等材料性能要求高，技術難度大

光刻膠主要由樹脂（Resin）、感光劑（Sensitizer）、溶劑（Solvent）及添加劑組成。從成 分來看，根據《中國石油和化工》期刊的數據，光刻膠含量成分占比分別為溶劑 50-90%、樹 脂 10%-40%、感光劑 1%-8%、添加劑 1%。從成本來看，樹脂占光刻膠總成本的比重最大，以 KrF 光刻膠為例，樹脂成本占比高達約 75%，感光劑約為 23%，溶劑約為 2%。根據南大光電公告，在 ArF 光刻膠中，樹脂以丙二醇甲醚醋酸酯為主，質量占比僅 5%-10%，但成本占光 刻膠原材料總成本的 97%以上。 光刻膠樹脂是一種惰性聚合物基質，作用是將光刻膠中的不同材料粘合在一起。樹脂決 定光刻膠的機械和化學性質（粘附性、膠膜厚度、柔順性等），樹脂對光不敏感，曝光后 不會發生化學變化。 感光劑是光刻膠中的光敏成分，曝光時會發生光化學反應，是實現光刻圖形轉移的關鍵。 溶劑讓光刻膠在被旋涂前保持液體狀態，多數溶劑會在曝光前揮發，不會影響光刻膠的 光化學性質。

樹脂是光刻膠原材料的最核心成分，成本價值量占比最高。樹脂的結構設計涉及單體（樹脂 主要合成材料）的種類和比例，會直接決定光刻膠在特定波長下可以達到的線寬，也會影響 ADR（堿溶解速率）的特性，從而決定曝光能量（EOP）、EL（能量窗口），LWR(線寬邊緣粗糙 度）等等。此外，樹脂的分子量、PDI（分散度）等也會影響光刻膠的膠膜厚度、耐刻蝕性、 附著力等，即樹脂的質量決定了光刻“成畫”的水平，而樹脂質量的穩定性決定了每一幅畫的 水平是否穩定。

高端光刻膠對樹脂性能要求更高，各類光刻膠樹脂難以通用。在光刻工藝中，線寬主要由 CD=k1*λ/NA 決定（K1：工藝的難易程度，k1 通常在 0.25~1 之間；λ：光源的波長；NA：投 影透鏡的數值孔徑）。所以線寬和波長正相關，在其他條件不變下，光源波長越短，線寬越小。 而光刻膠樹脂在對應波長下需要滿足透光、低吸收等要求，曝光波長越短，對樹脂的性能要 求越高。例如，ArF 光刻膠樹脂的要求條件為：在 193nm 處具有低吸收，較高的光學透明性； 具有較高的熱穩定性能，且 Tg 溫度介于 130-170℃；由于膜厚的不斷減小，需要具有較高的 抗蝕刻性能；具有酸敏感基團，可以運用化學增幅技術以降低曝光能量等等。因此，線寬越 小，曝光波長越短，對應的光刻膠及樹脂性能要求越高。 酚醛樹脂適用于 G 線和 I 線，其曝光波長為 G 線 436nm、I 線 365nm,但在 KrF 適用的 248nm 曝光光源處不透明，與產酸劑存在競爭吸收關系，光敏性較差； 聚甲基丙烯酸甲酯和聚對羥基苯乙烯則在 248nm 處具有較高的光透過性和分辨率，因此 被適用作 KrF 光刻膠樹脂。 類似地，KrF 光刻膠樹脂在 ArF 的 193nm 曝光光源下具有較高的吸收性，也無法達到 ArF 光 刻膠樹脂的要求條件，不同曝光波長對應的光刻膠品類之間，樹脂也需一一對應，難以通用。

光刻膠樹脂單體用于合成光刻膠樹脂，高端光刻膠樹脂的對應單體成本更高。 光刻膠制備鏈條順序：①光刻膠樹脂單體合成光刻膠樹脂，②樹脂和感光劑等光刻膠原 料再加工，形成光刻膠。不同光刻膠類型都有相應的光刻膠單體，傳統 I 線單體主要是 甲基酚和甲醛，屬于大宗化學品；KrF 單體主要是苯乙烯類單體，性狀是液體；ArF 單體 主要是甲基丙烯酸酯類單體，性狀有固體也有液體。 光刻膠單體的性能指標：包括純度，水份，酸值，單雜，金屬離子含量等指標。 光刻膠單體和樹脂的對應關系：不同光刻膠單體做成樹脂的收率不同（收率:單位數量單 體最終聚合而成的樹脂數量）。高端光刻膠單體對應的單位樹脂產能少。根據半導體產業 網的數據，1 噸 KrF 單體大約會做出 0.8-0.9 噸 KrF 樹脂；大約 1 噸 ArF 單體產生 0.5- 0.6 噸 ArF 樹脂，而且 ArF 樹脂需要多種單體聚合而成，每種單體的性能和價格存在差 異。

半導體光刻膠單體合成技術難度大，穩定性、純度要求高，價格貴。單體的合成工藝包括前 道合成和后道提純兩道工藝。其中前道合成反應階段的主要原料除主原料外還有甲醇、乙醇、 二甲基甲酰胺等溶劑；后道純化處理階段的原料包括乙酸乙酯，甲基叔丁基醚等，這些材料 國內有大量的供應商，量多且價格不高。半導體級光刻膠單體的合成具有一定的特殊性，與 一般類單體差異體現在三方面： ① 半導體級光刻膠單體的合成技術難度更大。 ② 半導體級光刻膠單體要求質量更穩定，金屬離子雜質更少。例如，半導體級單體純度要求 達到 99.5%，金屬離子含量小于 1ppb（即 10 億分之一）；而面板級別的單體結構是環氧乙烷 類，純度要求或僅 99.0%，金屬離子含量最少小于 100ppb 即可。 ③ 半導體級光刻膠單體的價格遠高于一般類單體。根據徐州博康公眾號 2022 年發布的數據， 普通 I 線單體 100-200 元/公斤，KrF 單體 500-1000 元/公斤，ArF 單體價格在 3000-10000 元 /公斤不等。

感光劑（光敏劑、光引發劑）是影響光刻膠性能的重要原料，不同品類的光刻膠用感光劑價 差達數十倍。 光分解型光刻膠（g 線、i 線）：采用含有重氮醌類化合物材料(PAC)作為光引發劑，經光 照后發生光分解反應，用于制成正性光刻膠。光交聯型光刻膠采用聚乙烯醇月桂酸酯等 作為光引發劑，經光照后形成不溶性的網狀結構，起到抗蝕作用，用于制成負性光刻膠。 化學放大光刻膠（KrF 光刻膠、ArF 光刻膠、EUV 光刻膠、電子束光刻膠）：采用光致酸 劑（PAG）作為光引發劑，經光照后光致酸劑產生酸酸在后烘中作為催化劑，可以移除樹 脂的保護基因使樹脂變得易于溶解。 根據徐州博康公眾號，PAC 在 i 線光刻膠原料占比為 1%-6%，單價在 600-700 元/kg。PAG 在 化學放大型光刻膠（主要是 KrF 光刻膠、ArF 光刻膠）中占總成本的 10%-20%。KrF 光刻膠用 PAG 單價在 0.5-1.5 萬元/kg，ArF 光刻膠用 PAG 單價約 1.5-30 萬元/kg，價差可達 20 倍。


2.原材料依賴進口，國產供應商亟待突破

高端光刻膠原料進口難度高，國產替代需求緊迫。全球范圍內光刻膠原料大廠主要來自日本， 一類是自產樹脂的光刻膠廠商，如信越化學、杜邦；另一類是專門生產原料的生產商，如光 刻膠樹脂廠商：東洋合成、住友電木、三菱化學等。光刻膠光引發劑廠商包括：巴斯夫、黑 金化成、臺灣優禘、國內的強力新材等。因此對于國內光刻膠廠商，實現高端光刻膠突破， 需先解決原料穩定供應難題。 KrF 光刻膠樹脂基本依賴進口：KrF 用聚對羥基苯乙烯類樹脂，單體為對羥基苯乙烯的 衍生物單體，此類樹脂目前基本依賴進口，原因一是國產化難度高，生產樹脂需要的單 體國內只有很少廠家供應，同時光刻膠生產商和原材料供應商之間的業務關系一旦建立， 就會在相當長的時間內保持穩定,供應鏈切換難；原因二是樹脂的生產工藝有一定難度。 ArF 光刻膠樹脂難以進口：根據徐州博康公眾號，ArF 的樹脂由幾種單體共聚而成，定 制化程度比較高，國際市場上能夠買到部分普通款的 ArF 樹脂，但高端的 ArF 樹脂幾乎 沒有購買渠道。

超凈高純試劑國產化率低，國內精細化工水平與海外差距較大。合成光刻膠過程中，需要丙 二醇甲醚醋酸酯、乳酸乙酯等高純試劑。目前國際上公認的濕電子化學品雜質含量標準是 SEMI 國際標準，共分為五個等級。集成電路制造對于材料品質有較高要求，g/i 線光刻膠需 要 G1 至 G3 SEMI 等級的超凈高純試劑，KrF 光刻膠需要 G3 至 G4 SEMI 等級的超凈高純試劑， ArF 光刻膠則需要 G4 SEMI 等級以上的超凈高純試劑。中國大陸大多數企業濕電子化學品產 品等級在 SEMI G1 至 G2，部分企業在單一產品上達到 SEMI G3 級別，只有極少數企業個別產 品達到 SEMI G4 以上級別，與世界領先水平還有較大差距。根據亞化咨詢 2022 年公布數據， 濕電子化學品的高端產品國產化率僅 10%左右。


3.制造端：高端光刻膠產品配方技術復雜，研發投入大，制備要求高

光刻膠由分辨率、對比度、敏感度、粘滯性黏度、粘附性、抗蝕性和表面張力等參數指標評 估。 ①分辨率：是指區別硅片表面相鄰圖形特征的能力，在光刻膠上形成圖案的關鍵尺寸越小， 光刻膠的分辨率越好； ②對比度：指光刻膠發生光化學反應時，從曝光區到非曝光區過渡的側壁陡度，側壁越陡， 對比度越好； ③敏感度：指在光刻膠上形成一個良好圖形所需一定波長光的最小曝光量，對于波長更短的 深紫外光和極紫外光，光刻膠的敏感度更為重要； ④粘滯性：黏度用來衡量光刻膠流動特性，光刻膠中溶劑越少，粘滯性越高； ⑤粘附性：指光刻膠粘著于襯底的強度，粘附性需要經受住后續的刻蝕、離子注入等藝，以 保證硅片表面的圖形不會變形； ⑥抗蝕性：指光刻膠的耐熱穩定性、抗刻蝕能力和抗離子轟擊能力，以保證在后續刻蝕工序 中能夠保護襯底表面； ⑦表面張力：指液體中將表面分子拉向液體主體內的分子間吸引力，光刻膠基于流動性和覆 蓋的考慮，要求具有比較小的表面張力。

壁壘一：配方復雜，無法通過現有產品反推配方，不同光刻膠配方差異大。光刻膠是一種經 過嚴格設計的復雜、精密的配方產品，由成膜劑、光敏劑、溶劑和添加劑等不同性質的原料， 通過不同的排列組合，經過復雜、精密的加工工藝而制成，是一項經驗型學科，無法通過現 有產品反向推斷原材料配方。以 EUV 光刻膠為例，EUV 光刻膠有多種技術方向，如有機無機 雜化體系、將酸敏感基團引入聚合物主鏈等。國內目前能同時達到具有高靈敏度、高分辨率、 低 LWR（線寬粗糙度）且成本較低、易于工業化生產的 EUV 光刻膠體系還在研究階段，未量 化生產。

壁壘二：前期研發投入高昂，高端光刻機設備進口受限。光刻膠研發費用高，設備支出投入 巨大。光刻膠廠商需要購買光刻機用于內部配方測試，根據驗證結果調整配方。根據 2021 年 晶瑞電材公告，單一臺 ArF 光刻機需支出 1.5 億元，設備總支出為 3.4 億元。根據國際光刻 機巨頭 ASML 公告，2022 年 ASML 公司單臺 EUV 光刻機平均售價在 1.76 億歐元，ArFi 浸沒式 光刻機平均售價在 0.65 億歐元。另一方面，高端光刻機依賴進口，影響產品研發進度。自 2019 年 12 月瓦森納協議修訂以來，美國、日本等成員國對我國半導體出口一般按照 N-2 原 則審批，即比最先進的技術晚兩代。根據半導體產業縱橫的數據，光刻機國外廠商的交期是 3～5 年，不確定性增加。國內進口高端光刻機受限，阻礙了和光刻機相配套光刻膠的研發突 破。

壁壘三：產品穩定性難控制和潔凈度要求高。高端光刻膠的制備過程需要嚴格控制產品穩定 和金屬雜質含量。光刻膠生產工藝采用分步法以保證各生產批次間的穩定性。主要制造流程 為： ①分別生產高感度光刻膠半成品和低感度光刻膠半成品。 ②取樣檢測后進行配合比試驗。 ③針對不同樹脂原料進行配方調整以保證產品的感度穩定，同時調整溶劑配比以保證產品的 膜厚穩定，當產品達到相應的感度和動粘度規格后，配方調整結束。 ④產品調整結束后，進行循環過濾，以保證產品的潔凈度（控制產品中的粒子數），并得到最 終產品。


4.需求端：半導體光刻膠品類需求多，導入認證周期長

芯片制程越高，所使用的光刻膠品類越多。集成電路為多層結構，相同層的工藝方案沒有規 定一致，因此不同的制造廠會采用不同的光刻方案。以鰭式場效應晶體管（FinFET）的半導 體邏輯器件為例，從下到上每一層的圖形實現都需要依賴不同的光刻技術，從而需要不同的 光刻膠： ①前道工藝關鍵層鰭式（Fin）和柵（Gate）采用氟化氬（ArF）浸沒式（波長 193nm）雙重投 影光刻技術實現，對應使用 ArF 浸沒式光刻膠； ②如需進行切割，切割層（Cut Layer）采用極紫外（EUV，波長 13.5nm）光刻技術實現，對 應使用 EUV 光刻膠； ③中道工藝（MOL）連接層 C（Contact Layer）采用 ArF 浸沒式三重投影光刻技術或極紫外 光刻技術實現，對應使用 ArF 浸沒式光刻膠或 EUV 光刻膠； ④后道工藝（BEOL）。一是關鍵層的 V1/V2（通孔）和 M1/M2（金屬）采用 ArF 浸沒式雙重投 影光刻或 EUV 光刻技術實現，對應 ArF 浸沒式光刻膠和 EUV 光刻膠。二是后道工藝非關鍵層 分別采用 ArF 干法、氟化氪（KrF，波長 248nm）和 i 線（I-line，波長 365nm）等光刻技術 實現，分別對應 ArF 干法光刻膠、KrF 光刻膠和 i 線光刻膠等。

先進封裝 g/i 線光刻膠、PSPI 光刻膠用于 Bumping、RDL、TSV 等先進封裝工藝環節。與 IC 制造時使用的 g/i 線光刻膠相比,大多數封裝技術中所用到的光刻膠層要厚很多，一方面是 由于先進封裝對精度要求相對晶圓制造環節低，另一方面是由于凸塊需要厚涂。根據中國電 子材料行業協會的數據，2022 年中國集成電路 g/i 線光刻膠市場規模總計 9.14 億元，預計 2025 年將增長至 10.09 億元；其中集成電路封裝用 g/i 線光刻膠市場規模 5.47 億元，預計 2025 年將增長至 5.95 億元。先進封裝 g/i 線正性光刻膠可用于先進封裝 Bumping 工藝中圖 形轉移、線路重排（RDL）、TSV 技術；先進封裝 g/i 線負性光刻膠用于先進封裝 Bumping 工 藝中。凸塊制作封裝光刻膠 PSPI 是一種光敏性聚酰亞胺材料，兼具光刻膠的圖案化和樹脂 薄膜的應力緩沖、介電層等功能，類似于有圖案的介電薄膜，可用于 Bumping 和 RDL 等先進 封裝工藝流程中。根據中國電子材料行業協會數據，2021 年中國集成電路晶圓制造用 PSPI 市場規模 7.12 億元，預計到 2025 年將增長至 9.67 億元。

下游客戶端導入及驗證周期長，國產頭部廠商具有自主替代先發優勢。由于光刻膠的質量穩 定直接影響芯片良率，集成電路制造企業對光刻膠的使用謹慎，從實驗室樣品到產線樣品都 需要在客戶端進行反復多次的測試驗證，才能確定光刻膠產品的基本配方，驗證周期一般在 2-3 年。客戶產品驗證過程需要經過四個階段：PRS（基礎工藝考核）、STR（小批量試產）、 MSTR（中批量試產）、RELEASE（量產）。在四個階段的測試驗證都順利通過的前提下，才有機會獲得芯片生產公司的訂單。因此，對光刻膠廠商來講，驗證周期長，會光刻膠研發項目開 始產生銷售回報的時間變長，變相增加前期投入成本，并且存在產品開發出來但客戶認證計 劃拖后、無法實行客戶認證計劃或無法通過客戶認證的風險。因而我們認為，率先成功在客 戶端導入并形成量產突破的國內光刻膠廠商，有望在國產化過程中占據先發主導地位，保證 相對較高的客戶端份額。


影響光刻膠用量的因素

光刻膠的用量，即體積，體積越大，則用量越大。而留存在晶圓上的光刻膠體積可以近似等于晶圓的面積x光刻膠厚度。那么直觀影響因素是晶圓的尺寸與光刻膠的膠厚。

勻膠方式：目前流行的勻膠有靜態旋轉法和動態噴灑法。靜態旋轉法是指在開始旋轉晶圓之前，將一定量的光刻膠滴在靜止的晶圓中心。然后啟動旋轉，利用離心力將光刻膠均勻鋪展到整個晶圓表面。動態噴灑法指的是在晶圓旋轉的同時，通過噴嘴動態地噴灑光刻膠到旋轉中的晶圓上。噴灑的位置和速率可以精確控制，以實現勻膠的均勻性。動態噴灑法的光刻膠使用效率更高，所需的光刻膠更少。


影響光刻膠厚度的因素

設計的要求：光刻膠不能太厚或太薄，需要按制程需求來定。比如對于需要長時間蝕刻以形成深孔的應用場景，較厚的光刻膠層能提供更長的耐蝕刻時間；對于線寬較小的圖形，過厚的光刻膠則會影響制程的精度。

旋涂速度和時間：旋涂速度增加使離心力變大，多余的膠液被甩出晶圓邊緣，光刻膠的厚度會變薄。延長旋涂時間可以使光刻膠層更平整，但對厚度的影響相對有限，因為一旦達到穩定狀態，膠層厚度基本不再改變。

光刻膠黏度：隨著光刻膠黏度的增加，其流動性降低，使得在旋涂過程中較難被離心力甩出晶圓邊緣。結果是在給定的旋涂條件下，較高黏度的光刻膠會形成較厚的膠層。


如何減少光刻膠用量？

設計合理的膠厚；

選擇合適的光刻膠種類，黏度等；

選擇臨界的均膠轉速，在保證質量的前提下，適當降低勻膠速度。低轉速少量滴膠就可以達到高轉速大量滴膠的厚度；

找到臨界的滴膠量與滴膠速率，在晶圓轉速固定的情況下，提?滴膠速率可以顯著減少光刻膠的使?量；

優化涂膠方式，運用動態噴灑法進行勻膠


光刻膠黏度如何測量？

刻膠在未曝光之前是一種黏性流體，不同種類的光刻膠具有不同的黏度。黏度是光刻膠的一項重要指標。那么光刻膠的黏度為什么重要？黏度用什么表征？哪些光刻膠算高黏度，哪些算低黏度呢？

需要注意的是cP和cSt并非國際單位，換算時，先換算為國際單位制，再將運動粘度乘以介質所在溫度下的密度kg/m3即可得到對應的動力粘度。

動力粘度單位：1cP（厘泊）=0.01P(泊)=1mPa·s=0.001Pa·s=1kg/（m*s）。

運動粘度單位：1cSt（厘斯）=0.01St(斯)=1m㎡/s=0.000001㎡/s=0.0036㎡/h。

以甘油為例，20℃時粘度1500cp左右，密度為1261kg/m3，換算為St（斯）。

1500×0.001Pa·s/1261=1.1895*10(-3次方)㎡/s。因為1St(斯)=0.0001㎡/s，計算得11.895St=1189.5cSt。


粘度影響因素：

對于氣液相，溫度升高，粘度會下降；對于氣體，壓力升高，分子間力增大，粘度也會升高。溶液濃度越高，粘度越大！所以部分高粘度液體輸送時需要加熱，降低粘度和管道阻力，便于輸送。


光刻膠黏度的重要性？

光刻膠的黏度會影響到涂層的厚度和均勻性。不同的產品應用需要不同厚度的光刻膠涂層。

半導體制造中，當特征尺寸進入亞微米或納米級別時，需要使用低粘度的光刻膠。低黏度光刻膠在晶圓上流動性強，旋涂時，低黏度光刻膠能夠迅速鋪展，形成較薄且均勻的涂層。薄膠能夠減少光學衍射效應，有利于高分辨率的圖案制作。 在微機電系統（MEMS）、微流體器件等中，需要使用高黏度的光刻膠，一般可以達到幾微米到幾十微米厚。在干濕法刻蝕中，厚的光刻膠層可以作為掩膜，保護下方的材料不被蝕刻劑侵蝕。但是，隨之而來的問題是，旋涂時間，曝光時間，顯影時間都在相應增加，控制難度變大，而膜層的均勻性卻在下降。


光刻膠黏度如何測量？

光刻膠供應商一般會要求晶圓廠在生產過程中多次測量流體粘度，以確保產品質量。我們會使用在線的黏度計持續地對光刻膠的黏度進行測量。為什么不是將樣品采集出來離線測量？為了進行離線測量，需要從生產過程中提取樣品，這導致生產的暫時中斷。且由于處理和分析時間的延遲，離線測量無法提供即時的反饋。