淺析 光刻膠到底難在哪里？
2022年3月23日 10:48瀏覽：3931
一、光刻膠行業概覽
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。光刻膠可以通過光化學反應，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。
簡而言之，光刻膠是光刻工藝最重要的耗材，其性能決定了加工成品的精密程度和良品率，而光刻工藝又是精密電子元器件制造的關鍵流程，這使得光刻膠在整個電子元器件加工產業，都有著至關重要的地位。
光刻膠產業鏈中，上游原材料主要包括；中游為各類型的光刻膠，主要分為PCB光刻膠、LCD光刻膠、半導體光刻膠；下游為應用領域，光刻膠主要用來制造印刷電路板、平板顯示屏、半導體等。
從生產原料來看
，光刻膠是由感光樹脂、增感劑和溶劑三種主要成分構成的對光敏感的混合液體。生產光刻膠的原料包括光引發劑（包括光增感劑、光致產酸劑）、光刻膠樹脂、單體及其他助劑等。具體如下圖所示：
從成本來看
，生產光刻膠的原料包括光刻膠樹脂、單體、光引發劑（包括光增感劑、光致產酸劑）及其他助劑等。數據顯示，樹脂占光刻膠總成本的50%，在光刻膠各成分中占比最大，其次是占35%的單體和占15%的光引發劑及其他助劑。
從用量上來說
，溶劑（主要為丙二醇甲醚醋酸酯，簡稱PMA）是用量最大的材料，含量最高可達90%，但在成本上并不突出，且不起關鍵作用；作為光化學反應的核心部分，光引發劑的用量僅有約1%~6%；樹脂則在不同光刻膠產品中的用量區別很大。
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觸摸屏用光刻膠、TFT-LCD正性光刻膠等。在光刻和蝕刻生產環節中，光刻膠涂覆于晶體薄膜表面，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，待其干燥后進行曝光顯影。干膜與濕膜各有優勢，總體來說濕膜光刻膠分辨率高于干膜，價格更低廉，正在對干膜光刻膠的部分市場進行替代。
在半導體集成電路制造行業
；主要使用g線光刻膠、i線光刻膠、KrF光刻膠、ArF光刻膠等。在大規模集成電路的制造過程中，一般要對硅片進行超過十次光刻。在每次的光刻和刻蝕工藝中，光刻膠都要通過預烘、涂膠、前烘、對準、曝光、后烘、顯影和蝕刻等環節，將光罩（掩膜版）上的圖形轉移到硅片上。
光刻膠是集成電路制造的重要材料
：光刻膠的質量和性能是影響集成電路性能、成品率及可靠性的關鍵因素。光刻工藝的成本約為整個芯片制造工藝的35%，并且耗費時間約占整個芯片工藝的40%-50%。光刻膠材料約占IC制造材料總成本的4%，市場巨大。因此光刻膠是半導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，區別在于主要原材料不同。
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。光聚合型光刻膠采用烯類單體，在光作用下生成自由基，進一步引發單體聚合，最后生成聚合物；
光分解型光刻膠，采用含有重氮醌類化合物(DQN)材料作為感光劑，其經光照后,發生光分解反應，可以制成正性光刻膠；光交聯型光刻膠采用聚乙烯醇月桂酸酯等作為光敏材料，在光的作用下，形成一種不溶性的網狀結構，而起到抗蝕作用，可以制成負性光刻膠。
在半導體集成電路光刻技術開始使用深紫外（DUV）光源以后，化學放大（CAR）技術逐漸成為行業應用的主流。在化學放大光刻膠技術中，樹脂是具有化學基團保護因而難以溶解的聚乙烯。化學放大光刻膠使用光致酸劑（PAG）作為光引發劑。
當光刻膠曝光后，曝光區域的光致酸劑（PAG）將會產生一種酸。這種酸在后熱烘培工序期間作為催化劑，將會移除樹脂的保護基團從而使得樹脂變得易于溶解。化學放大光刻膠曝光速遞是DQN光刻膠的10倍，對深紫外光源具有良好的光學敏感性，同時具有高對比度，對高分辨率等優點。
按照曝光波長分類
；光刻膠可分為紫外光刻膠（300~450nm）、深紫外光刻膠（160~280nm）、極紫外光刻膠（EUV，13.5nm）、電子束光刻膠、離子束光刻膠、X射線光刻膠等。不同曝光波長的光刻膠，其適用的光刻極限分辨率不同。通常來說，在使用工藝方法一致的情況下，波長越短，加工分辨率越佳。
目前全球光刻膠主要企業有日本合成橡膠
（
JSR
）
、
東京應化
（
TOK
）
、
住友化學
、
信越化學
、
美國羅門哈斯等
，
市場集中度非常高
，
所占市場份額超過85%
。
光刻膠市場需求逐年增加
，
2018年全球半導體光刻膠銷售額12.97億美元
，
而國內光刻膠需求量方面
，
2011年光刻膠需求量為3.51萬噸
，
到2017年需求量為7.99萬噸
，
年復合增長率達14.69%
。
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，日本宣布對韓國實施三種半導體產業材料實施禁運，包含刻蝕氣體，光刻膠和氟聚酰亞胺。韓國是全球存儲器生產基地，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存儲器和顯示屏的經濟支柱。
在
禁運
之后，韓國半導體產業面臨空前危機，一時間，三星半導體，海力士等全球存儲器龍頭都處于時刻停產危機，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。
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，中國大陸積極布局集成電路產業。在半導體材料領域，光刻膠作為是集成電路制程技術進步的“燃料”，是國產代替重要環節，也是必將國產化的產品。
目前中國大陸對于電子材料，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。國內光刻膠需求量遠大于本土產量
，
且差額逐年擴大
。
由于中國大陸光刻膠市場起步晚
，
目前技術水平相對落后
，
生產產能主要集中在PCB光刻膠
、
TN/STN-LCD光刻膠等中低端產品
，
TFT-LCD
、
半導體光刻膠等高技術壁壘產品產能極少。
光刻膠所屬的微電子化學品是電子行業與化工行業交叉的領域，是典型的技術密集行業。從事微電子化學品業務需要具備與電子產業前沿發展相匹配的關鍵生產技術，如混配技術、分離技術、純化技術以及與生產過程相配套的分析檢驗技術、環境處理與監測技術等。同時，下游電子產業多樣化的使用場景要求微電子化學品生產企業有較強的配套能力，以及時研發和改進產品工藝來滿足客戶的個性化需求。
光刻膠的生產工藝主要過程是將感光材料、樹脂、溶劑等主要原料在恒溫恒濕 1000 級的黃光區潔凈房進行混合，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，并通過中間過程控制和檢驗，使其達到工藝技術和質量要求，最后做產品檢驗，合格后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性能的穩定性而高品質的原材料則是光刻膠性能的基礎。
配方技術
：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。一般一塊半導體芯片在制造過程中需要進行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，這些差異主要通過調整光刻膠的配方來實現。因此，通過調整光刻膠的配方，滿足差異化的應用需求，是光刻膠制造商最核心的技術。
質量控制技術
：由于用戶對光刻膠的穩定性、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。因此，光刻膠原材料的品質對光刻膠的質量起著關鍵作用。對于半導體化學化學試劑的純度，際半導體設備和材料組織（SEMI）制定了國際統一標準，如下表中所示。
半導體集成電路用試劑材料的純度要求較高，基本集中在SEMI G3、G4水平，
我國的研發水平與國際尚存在較大差距
；半導體分立器件對超凈高純試劑純度的要求要低于集成電路，基本集中在 SEMI G2 級水平，國內企業的生產技術能夠滿足大部分的生產需要；平板顯示和 LED 領域對于超凈高純試劑的等級要求為 SEMI G2、G3 水平，國內企業的生產技術能夠滿足大部分的生產需求。
包括光刻膠在內的微電子化學品有
技術要求高、功能性強、產品更新快
等特點，其產品品質對下游電子產品的質量和效率有非常大的影響。因此，下游企業對微電子化學品供應商的質量和供貨能力十分重視，常采用認證采購的模式，需要通過送樣檢驗、技術研討、信息回饋、技術改進、小批試做、大批量供貨、售后服務評價等嚴格的篩選流程。
認證時間久，要求嚴苛
；一般產品得到下游客戶的認證需要較長的時間周期。顯示面板行業通常為 1-2 年，集成電路行業由于要求較高，認證周期能達到 2-3 年時間；認證階段內，光刻膠供應商沒有該客戶的收入，這需要供應收有足夠的資金實力。
光刻膠供應商與客戶粘性大
；一般情況下，為了保持光刻膠供應和效果的穩定，下游客戶與光刻膠供應商一旦建立供應關系后，不會輕易更換。通過建立反饋機制，滿足個性化需求，光刻膠供應商與客戶的粘性不斷增加。后來者想要加入到供應商行列，往往需要滿足比現有供應商更高的要求。所以光刻膠行業對新進入者壁壘較高。
通常光刻膠等微電子化學品不僅品質要求高，而且需要多種不同的品類滿足下游客戶多樣化的需。如果沒有規模效益，供應商就無法承擔滿足高品質多樣化需求帶來的開銷。因此，品種規模構成了進入該行業的重要壁壘。
同時，一般微電子化學品具有一定的腐蝕性，對生產設備有較高的要求，且生產環境需要進行無塵或微塵處理。制備高端微電子化學品還需要全封閉、自動化的工藝流程，以避免污染，提高質量。因此，光刻膠等微電子化學品生產在安全生產、環保設備、生產工藝系統、過程控制體系以及研發投資等方面要求較高。如果沒有強大的資金實力，企業就難以在設備、研發和技術服務上取得競爭優勢，以提升可持續發展能力。因此，光刻膠這樣的微電子化學品行業具備較高的資金壁壘。
縱觀全文，我們可以發現，光刻膠行業集
市場整體規模小、行業高度壟斷、上游產品為高度特化的專用產品，應用面狹窄、技術門檻極高、研發成本極高、失敗風險高、投資回收周期長等特征于一身
，甚至還有不容忽視的
政治風險
——在當前的國際環境下，假如一家企業真的取得了較大突破，遭到美方制裁的概率不低（比如AI四小龍的遭遇）。
從投資的角度看，這個行業違背了幾乎每一條客觀規律，可以說是要多勸退有多勸退。而這樣的特征，在我國面臨的具有
“卡脖子”
特征的細分技術上非常普遍。舉個不太恰當的例子，就像是圓珠筆芯的鋼珠一樣，市場太小，太成熟，其他企業沒理由花錢入局強行和壟斷公司展開競爭，能不能成不談，哪怕成了在商業層面也不劃算。
這樣的行業，自然也很難吸引社會資本進行投資。畢竟投資需要回報，需要收益，需要退出機制，而這些“高精尖”領域普遍缺乏這些關鍵特征，換言之就是想賺錢太難。行業與其豪擲數億乃至數十億追求糟糕的預期，還不如直接花錢買成品。
這種“造不如買”的模式，在芯片這種高度依賴國際分工的高精尖行業原本是十分通行且普遍的，整條產業鏈分布在全球范圍內是正常生態（例如ASML的EUV光刻機的90%零部件來自進口）。
這種源自全球化進程的制造業模式，就是大名鼎鼎的“國際分工（International Division of labor）”。雖說國際分工在不同歷史時期的含義不盡相同，不過望文生義的理解它不會有太多偏差。本文也不是一篇嚴謹的學術論文，不會在此討論這一概念具體定義與全球實踐。
只可惜，這種模式也只能建立在“逆全球化”不那么顯著的國際形勢下。如今意識形態沖突愈演愈烈，在任何行業任何產品都可能招致來自大洋彼岸制裁的今天——貴不貴，有沒有可能浪費投資還重要嗎？現在已經是最基本的有沒有的問題了。
可這樣一個集眾多“反投資”特質于一身的行業又該如何發展？
自然離不開來自
政策的強力扶持
。只有國家層面給予行業以及社會資本足夠的支持，才能激發投資熱情，首先解決最基本的“錢”的問題。
其次，國內的光刻膠行業的上
下游協同亟待強化
。在光刻膠行業更為成熟的日本，為應對高度特化的下游需求、材料規格多樣化、技術路線多的產業特征，一眾企業形成了高度分工協作的產業集群。以上游材料光刻膠樹脂為例，綜研化學專注PCB光刻膠單體，大阪瓦斯化學等專注面板光刻膠樹脂，而丸善石化、住友電木等企業負責光刻膠樹脂制造。光引發劑也遵循類似的發展模式。
然而與日本不同，國內的光刻膠行業比較分散，產業鏈布局也不完整，上游的研發、樣品導入以及產品驗證往往得不到來自下游的支持，企業各自為戰。如何全方位的統合產業力量，實現共同發展，建立一個強有力的產業聯盟，也需要外界的干預。
最后，雖然強調了諸多困難，說了很多難題，但我國的科研實力正在快速發展，半導體市場在快速擴張，光刻膠行業還有機會，國產替代也還有機會。
我國的技術領域，受起步較晚制約，確實在很多領域比較滯后——但我國有盾構機這樣打破封鎖，甚至“反包圍”重建整個市場格局的先例，也有大型挖泥船這樣對外禁運的尖端產品，而這還只是知名度很高的兩個例子。
前途是光明的，道路是曲折的。希望國內企業能再接再厲！
技術鄰APP
工程師必備
