半导体材料光刻胶,解决卡脖子的关键问

光刻是半导体前道制程中的关键工艺，光刻工艺能够实现的精度与其中所使用的设备-光刻机、材料-光刻胶紧密相关。

光刻原理

光刻胶在半导体制程中起到了图形转移的作用。光刻工艺中，在待刻蚀物质的表面涂敷光刻胶，光刻胶经曝光后，被曝光部分或者未曝光部分在显影过程中被去除，从而得到所需要的图形，在此基础上对物质进行针对性的刻蚀，最后去除掉光刻胶。在实际工艺中，为达到更好的光刻效果，会在曝光前后以及显影后对光刻胶进行烘焙。

图1.光刻过程

资料来源：中微公司招股说明书

光刻胶分类

根据应用领域，光刻胶可分为半导体光刻胶、平板显示光刻胶和PCB光刻胶，其技术壁垒依次降低。相应地，PCB光刻胶是目前国产替代进度最快的，显示光刻胶替代进度相对较快，半导体光刻胶目前国产技术较国外先进技术差距最大。

PCB光刻胶用于印刷线路板的图案化工艺，主要分为干膜光刻胶、湿膜光刻胶、阻焊油墨。干膜光刻胶是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上的线路，主要用于75-μm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刻蚀油墨，与干膜工序相似，材料成本比干膜要低，但是加工设备成本较高，主要用于25-75μm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。前者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。

显示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，OLEDArray中平坦层光刻胶，OLED中PDL像素层光刻胶和Yocta制程光刻胶。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(BlackMatrix)，起到防止漏光的作用。

根据曝光波长的不同，目前市场上应用较多的半导体光刻胶可分为g线、i线、KrF、ArF和EUV5种类型。光刻胶波长越短，加工分辨率越高，不同的集成电路工艺在光刻中对应使用不同波长的光源。随着芯片制程的不断进步，每一代新的光刻工艺都需要新一代的光刻胶技术与之相匹配。g/i线光刻胶诞生于20世纪80年代，当时主流制程工艺在0.8-1.2μm，适用于波长nm的光刻光源。到了90年代，制程进步到0.35-0.5μm，对应波长更短的nm光源。当制程发展到0.35μm以下时，g/i线光刻胶已经无法制程工艺的需求，于是出现了适用于nm波长光源的KrF光刻胶，以及纳米波长光源的ArF光刻胶，两者均是深紫外光刻胶。EUV（极紫外光）是目前最先进的光刻胶技术，适用波长为13.5nm的紫外光，可用于10nm以下的先进制程，目前仅有ASML集团掌握EUV光刻胶所对应的光刻机技术。

表1.半导体光刻胶的分类及特点

资料来源：庞玉莲，邹应全《光刻材料的发展及应用》

根据光刻胶在曝光过程中对光线的反应，可以分为正性光刻胶（正胶）和负性光刻胶（负胶）。正性光刻胶在紫外线等曝光源的照射下，将图形转移至光胶涂层上，受光照射后感光部分将发生分解反应，可溶于显影液，未感光部分不溶于显影液，仍然保留在衬底上，将与掩膜上相同的图形复制到衬底上。正性光刻胶响应波长为-纳米，胶膜厚为1-3微米。负性光刻胶在紫外线等曝光源的照射下，将图形转移至光胶涂层上，在显影溶液的作用下，负性光刻胶曝光部分产生交联反应而不溶于显影液；未曝光部分溶于显影液，将与掩膜上相反的图形复制到衬底上。负性光刻胶响应波长为-纳米，胶膜厚0.3-1微米。正性光刻胶的分辨率更高，无溶胀现象。因此，正性光刻胶的应用比负性光刻胶更为普及。

图2.负性光刻胶和负性光刻胶

资料来源：LamResearch

根据在曝光时的光化学反应过程的不同，光刻胶可以分为光聚合型、光分解型、光交联型和化学放大四种类型。光聚合型是最为初级的材料类型，通过烯类单体在光作用下可产生自由基，生成聚化物的特性，常用于制造正型光刻胶。光分解型光刻胶采用含有重氮醌类化合物材料作为感光剂，光线照射后发生光分解反应，由油性变为水性溶剂，可制造正性光刻胶。光交联型光刻胶采用聚乙烯醇月桂酸酯作为光敏材料，光线照射后形成一种网状结构的不溶物，可起到抗蚀作用，适用于制成负性光刻胶。化学放大型光刻胶使用光致酸剂作为光引发剂，光线照射后，曝光区域的光致酸剂会产生一种酸，并在后热烘培工序期间作为催化剂移除树脂的保护基团，使树脂变得可溶。化学放大光刻胶对深紫外光源具有良好的光敏性，具有高对比度、分辨率等优点。

图3.光聚合型(左上)、光分解型(右上)、光交联型(左下)、化学放大型(右下)

资料来源：齐岳生物

市场规模及结构

光刻胶作为制造关键原材料，随着未来汽车、人工智能等领域的快速发展，全球光刻胶市场规模将有望持续增长。根据Reportlinker，全球光刻胶市场预计-年复合增长率有望达到6.3%，至年突破亿美元，到年超过亿美元。

图4.-年全球光刻胶市场规模

资料来源：Reportlinker，中泰证券研究所

中国光刻胶市场的增长速度超过了全球平均水平。根据中商产业研究院数据，年中国光刻胶市场达93.3亿元，16-21年CAGR为11.9%，21年同比增长11.7%，高于同期全球光刻胶增速5.75%。随着未来PCB、LCD和半导体产业持续向中国转移，中国光刻胶市场有望不断扩大，占全球光刻胶市场比例也将持续提升，预计到年占比有望从年的15%左右提升到19.3%。

图5.-年中国光刻胶市场规模

资料来源：中商产业研究院，EDA，中泰证券研究所

根据Reportlinker数据，年，全球光刻胶在半导体领域的应用比例为21.9%；显示面板光刻胶占比27.8%；PCB光刻胶占比23.0%。

图6.不同下游应用光刻胶占比

资料来源：前瞻产业研究院

据SEMI统计，年全球半导体光刻胶市场规模达24.71亿美元，较上年同期增长19.49%，-年CAGR为12.03%。年全球半导体光刻胶市场规模分别为约为18亿美元，半导体光刻胶占整体光刻胶比重约21.9%，到年占比提升至26.85%。中国大陆半导体光刻胶市场依旧保持着最快增速，年市场规模达到4.93亿美元，较上年同期增长43.69%，超过全年半导体光刻胶增速的两倍；中国占比全球半导体光刻胶市场比重也将从年约10.4%提升到年接近20%。

图7.-中国半导体光刻胶市场及占全球比重

资料来源：SEMI，中泰证券研究所

根据TECHECT数据，年全球半导体光刻胶市场仍主要以ArF胶和KrF胶为主。二者合计占比超过80%。

图8.不同种类半导体光刻胶占比

资料来源：TECHCET，华创证券

竞争格局

全球光刻胶市场基本被日本和美国企业所垄断，年数据显示，东京应化排名第一，份额为26%，杜邦排名第二，份额为17%，加上JSR和住友化学，CR4接近70%，行业集中度较高。

图9.年全球光刻胶竞争格局

资料来源：富士经济，东京应化，中泰证券研究所

半导体光刻胶细分产品看，各大巨头更侧重中高端光刻胶。目前东京应化综合实力位列第一，除了在ArF光刻胶领域以16%的市占率位于JSR（25%）、信越化学（22%）、住友化学（17%）之后，在g/i线光刻胶、KrF光刻胶、EUV光刻胶三个领域的份额均位列第一，其中在EUV光刻胶领域独占鳌头，一家占据一半以上的份额。

在PCB光刻胶市场中，中国在中低端产品占据主导地位，年容大感光、广信材料、东方材料、北京力拓达等本土企业占据国内46%左右的湿膜光刻胶和光成像阻焊油墨市场份额。但是较高端的干膜光刻胶市场主要由日本旭化成、日本日立化成、中国台湾长兴化学垄断，这三大企业在全球的市场占有率超过80%，我国在干膜光刻胶方面仍高度依赖进口。

LCD光刻胶的全球供应集中在日本、韩国、中国台湾等地区，我国彩色和黑色光刻胶市场国产化率仅为5%左右。彩色滤光片所需的高分子颜料和颜料的分散技术主要集中在Ciba等日本颜料厂商手中，因此彩色光刻胶和黑色光刻胶的核心技术基本被日本和韩国企业垄断。另一方面，近年来我国在触控屏光刻胶技术上有所突破，晶瑞股份和北京科华微已经实现了触控屏光刻胶的量产，国产化率在30%-40%左右。

行业壁垒

技术壁垒：光刻胶生产工艺要求极高，配方是其根本。作为光刻工艺的核心，光刻胶需满足四大条件。选择光刻胶的决定因素是晶圆表面对尺寸的要求。光刻胶必须要同时满足四大条件：1）产生要求的尺寸。2）在刻蚀过程中具有阻挡刻蚀的功能，保持特定厚度的光刻胶层中一定不能存在针孔。3）必须和晶圆（或其他衬底）表面能很好的粘合，否则刻蚀后的图形可能发生扭曲。4）工艺维度和阶梯覆盖能力。光刻胶的主要性能指标包括：分辨率、黏附性、对比度、敏感度、抗蚀性、表面张力、曝光速度、针孔密度、阶梯覆盖度等。光刻胶的选择和光刻胶工艺的研发是一项漫长而复杂的过程，一旦一种光刻工艺被建立，一般不再改变。

光刻胶下游不同客户的需求差异明显，即使同一客户的不同应用需求也不一致。这就导致光刻胶的整体生产缺乏统一的工艺，每一类光刻胶使用的原料在化学结构、性能上均有所区别，要求使用不同品质等级的专用化学品。这就迫使制造商需要有能力设计出符合不同需求设计不同配方，并有相应的生产工艺完成生产。

客户认知壁垒：在光刻胶供货前，一般会经过光刻胶产品的验证及工厂（产线）资质的验证，其中光刻胶验证根据验证阶段分为PRS（光刻胶性能测试）、STR（小试）、MSTR（批量验证）及Release（通过验证）；工厂（产线）资质验证方面，主要在质量体系、供货稳定性、工厂（产线）产能等几方面进行验证。在工厂（产线）资质验证通过以及产品验证通过后，可实现对客户的正式供货。由于验证周期通常为6－24个月，下游晶圆厂切换光刻胶成本较高，通常客户切换光刻胶意愿不强，光刻胶企业较难进行客户的突破。

设备壁垒：送样前，光刻胶生产商需要购臵光刻机用于内部配方测试，根据验证结果调整配方。光刻机设备昂贵，数量有限且供应可能受国外限制，尤其是EUV光刻机目前全球只有ASML能批量供应。根据ASML，其KrF光刻胶平均售价在0万欧元，ArF光刻胶售价在万欧元以上，而EUV光刻胶的售价高达1.5亿欧元。

原材料壁垒：上游原材料是影响光刻胶品质的重要因素。对于正性光刻胶，其主要是由树脂、光引发剂、溶剂和其他助剂组成。树脂用于将光刻胶中不同材料聚合在一起，构成光刻胶的骨架，决定光刻胶的硬度、柔韧性、附着力等基本属性。光引发剂包括光增感剂和光致产酸剂，是光刻胶的关键成分，对光刻胶的感光度、分辨率起着决定性作用。溶剂是光刻胶中最大成分，目的是使光刻胶处于液态，但溶剂本身对光刻胶的化学性质几乎没影响。添加剂包括单体和其他助剂等，单体对光引发剂的光化学反应有调节作用，助剂主要用来改变光刻胶特定化学性质。树脂占光刻胶总成本的50%以上，在光刻胶原料中占比最大，其次是单体、光引发剂及其他助剂。对于高端光刻胶，树脂所占成本比例更高。目前我国光刻胶原材料市场基本被国外厂商垄断，尤其是树脂和感光剂高度依赖于进口，国产化率很低，由此增加了国内光刻胶生产成本以及供应链风险。

图10.光刻胶的主要组成部分和作用

资料来源：富士经济，东京应化，中泰证券研究所

参考资料：

1.中金公司-半导体材料系列二：国产光刻胶百舸争流，剑指高端

2.方正证券-光刻胶研究框架2.0：详解上游单体、树脂、光酸、光引发剂

3.深港证券-光刻胶行业深度:破壁引光小流成海

4.中泰证券-光刻胶行业深度报告

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