中国芯片的未来，或将受限于光刻胶，它是比光刻机更要命的存在。

业内专家预测，中国的芯片制造业务，未来将受一个因素制约，光刻胶。连华为都没能突破的技术，或许会卡住中国芯片产业的脖子。

光刻胶与芯片制造拥有怎样的因果关系？目前，我国对于光刻胶的市场占有率又是怎样的情况？

华为推出的“麒麟芯片”，让不少持续关注中国芯片制造的群众扬眉吐气。没有外援，中国如今也能产出完全属于自我的芯片产品。

相比于群众的骄傲和狂欢，业内专家则显得冷静许多。他们同样因为中国芯片的诞生而欣喜，但他们却无法不为芯片行业的未来而忧虑。


光刻胶：真正被卡脖子的环节

虽然一切都在往好的方向发展，但业内专家还是提出了令内行较为担忧的问题，光刻胶。

他们认为，真正要命的东西从来不是光刻机，而是光刻胶。后者，才是中国需要面临的真正卡脖子的关键因素。

光刻机可以从国外进口，现在我们也能自己搞研发。但光刻胶，我们却没有生产的技术和条件。原材料其实并不是问题，无法实现量产才是关键。

光刻胶行业的利润空间并不大，有可能技术类企业辛辛苦苦研究个五年十年，投入了几百万甚至上千万资金，最后的收入连时间和经济成本都没有办法覆盖。

在追求高效和高利润生产的今天，光刻胶很难在国内找到供应商。现阶段，我们85%左右的光刻胶，都只能依靠进口。国产光刻胶当然也有，可因为规格问题，中国企业吃过大亏。台积电曾经为了摆脱对光刻胶进口产业的依赖，尝试着自己研发生产了一批光刻胶。

他们根据已有的数据情况和材料配比范例，严格按照生产标准进行操作，最后成功获得成品。

只是，成品的规格经不起实践的检验。为了自己的突破，台积电也付出了巨大的代价。当季产出的大量芯片全部作废，由此而产生的直接或者间接的经济损失，超过了60亿人民币。而第一季度，他们的营收率下降了50%以上，市值也在不断下跌。

这次的代价直戳心窝，负责人或许产生了深深的心理阴影。从今以后，他也不敢再提研发一事，还是老老实实依靠进口维持生产。


光刻胶产业链高壁垒，多环节亟待突破

光刻胶产业链上游原材料主要由树脂、感光剂、溶剂、添加剂等组成，其中树脂和感光剂是 最核心的部分，技术难度较大。溶剂和其他添加剂等技术难度较低，光刻胶厂商普遍通过外 购获得。光刻胶产业链中游主要由光刻胶厂商进行光刻胶的配方调配和生产。光刻胶产业链 下游应用主要分为半导体、LCD/OLED 显示面板及 PCB 制造。


1.树脂及单体、感光剂等材料性能要求高，技术难度大

光刻胶主要由树脂（Resin）、感光剂（Sensitizer）、溶剂（Solvent）及添加剂组成。从成 分来看，根据《中国石油和化工》期刊的数据，光刻胶含量成分占比分别为溶剂 50-90%、树 脂 10%-40%、感光剂 1%-8%、添加剂 1%。从成本来看，树脂占光刻胶总成本的比重最大，以 KrF 光刻胶为例，树脂成本占比高达约 75%，感光剂约为 23%，溶剂约为 2%。根据南大光电公告，在 ArF 光刻胶中，树脂以丙二醇甲醚醋酸酯为主，质量占比仅 5%-10%，但成本占光 刻胶原材料总成本的 97%以上。 光刻胶树脂是一种惰性聚合物基质，作用是将光刻胶中的不同材料粘合在一起。树脂决 定光刻胶的机械和化学性质（粘附性、胶膜厚度、柔顺性等），树脂对光不敏感，曝光后 不会发生化学变化。 感光剂是光刻胶中的光敏成分，曝光时会发生光化学反应，是实现光刻图形转移的关键。 溶剂让光刻胶在被旋涂前保持液体状态，多数溶剂会在曝光前挥发，不会影响光刻胶的 光化学性质。

树脂是光刻胶原材料的最核心成分，成本价值量占比最高。树脂的结构设计涉及单体（树脂 主要合成材料）的种类和比例，会直接决定光刻胶在特定波长下可以达到的线宽，也会影响 ADR（碱溶解速率）的特性，从而决定曝光能量（EOP）、EL（能量窗口），LWR(线宽边缘粗糙 度）等等。此外，树脂的分子量、PDI（分散度）等也会影响光刻胶的胶膜厚度、耐刻蚀性、 附着力等，即树脂的质量决定了光刻“成画”的水平，而树脂质量的稳定性决定了每一幅画的 水平是否稳定。

高端光刻胶对树脂性能要求更高，各类光刻胶树脂难以通用。在光刻工艺中，线宽主要由 CD=k1*λ/NA 决定（K1：工艺的难易程度，k1 通常在 0.25~1 之间；λ：光源的波长；NA：投 影透镜的数值孔径）。所以线宽和波长正相关，在其他条件不变下，光源波长越短，线宽越小。 而光刻胶树脂在对应波长下需要满足透光、低吸收等要求，曝光波长越短，对树脂的性能要 求越高。例如，ArF 光刻胶树脂的要求条件为：在 193nm 处具有低吸收，较高的光学透明性； 具有较高的热稳定性能，且 Tg 温度介于 130-170℃；由于膜厚的不断减小，需要具有较高的 抗蚀刻性能；具有酸敏感基团，可以运用化学增幅技术以降低曝光能量等等。因此，线宽越 小，曝光波长越短，对应的光刻胶及树脂性能要求越高。 酚醛树脂适用于 G 线和 I 线，其曝光波长为 G 线 436nm、I 线 365nm,但在 KrF 适用的 248nm 曝光光源处不透明，与产酸剂存在竞争吸收关系，光敏性较差； 聚甲基丙烯酸甲酯和聚对羟基苯乙烯则在 248nm 处具有较高的光透过性和分辨率，因此 被适用作 KrF 光刻胶树脂。 类似地，KrF 光刻胶树脂在 ArF 的 193nm 曝光光源下具有较高的吸收性，也无法达到 ArF 光 刻胶树脂的要求条件，不同曝光波长对应的光刻胶品类之间，树脂也需一一对应，难以通用。

光刻胶树脂单体用于合成光刻胶树脂，高端光刻胶树脂的对应单体成本更高。 光刻胶制备链条顺序：①光刻胶树脂单体合成光刻胶树脂，②树脂和感光剂等光刻胶原 料再加工，形成光刻胶。不同光刻胶类型都有相应的光刻胶单体，传统 I 线单体主要是 甲基酚和甲醛，属于大宗化学品；KrF 单体主要是苯乙烯类单体，性状是液体；ArF 单体 主要是甲基丙烯酸酯类单体，性状有固体也有液体。 光刻胶单体的性能指标：包括纯度，水份，酸值，单杂，金属离子含量等指标。 光刻胶单体和树脂的对应关系：不同光刻胶单体做成树脂的收率不同（收率:单位数量单 体最终聚合而成的树脂数量）。高端光刻胶单体对应的单位树脂产能少。根据半导体产业 网的数据，1 吨 KrF 单体大约会做出 0.8-0.9 吨 KrF 树脂；大约 1 吨 ArF 单体产生 0.5- 0.6 吨 ArF 树脂，而且 ArF 树脂需要多种单体聚合而成，每种单体的性能和价格存在差 异。

半导体光刻胶单体合成技术难度大，稳定性、纯度要求高，价格贵。单体的合成工艺包括前 道合成和后道提纯两道工艺。其中前道合成反应阶段的主要原料除主原料外还有甲醇、乙醇、 二甲基甲酰胺等溶剂；后道纯化处理阶段的原料包括乙酸乙酯，甲基叔丁基醚等，这些材料 国内有大量的供应商，量多且价格不高。半导体级光刻胶单体的合成具有一定的特殊性，与 一般类单体差异体现在三方面： ① 半导体级光刻胶单体的合成技术难度更大。 ② 半导体级光刻胶单体要求质量更稳定，金属离子杂质更少。例如，半导体级单体纯度要求 达到 99.5%，金属离子含量小于 1ppb（即 10 亿分之一）；而面板级别的单体结构是环氧乙烷 类，纯度要求或仅 99.0%，金属离子含量最少小于 100ppb 即可。 ③ 半导体级光刻胶单体的价格远高于一般类单体。根据徐州博康公众号 2022 年发布的数据， 普通 I 线单体 100-200 元/公斤，KrF 单体 500-1000 元/公斤，ArF 单体价格在 3000-10000 元 /公斤不等。

感光剂（光敏剂、光引发剂）是影响光刻胶性能的重要原料，不同品类的光刻胶用感光剂价 差达数十倍。 光分解型光刻胶（g 线、i 线）：采用含有重氮醌类化合物材料(PAC)作为光引发剂，经光 照后发生光分解反应，用于制成正性光刻胶。光交联型光刻胶采用聚乙烯醇月桂酸酯等 作为光引发剂，经光照后形成不溶性的网状结构，起到抗蚀作用，用于制成负性光刻胶。 化学放大光刻胶（KrF 光刻胶、ArF 光刻胶、EUV 光刻胶、电子束光刻胶）：采用光致酸 剂（PAG）作为光引发剂，经光照后光致酸剂产生酸酸在后烘中作为催化剂，可以移除树 脂的保护基因使树脂变得易于溶解。 根据徐州博康公众号，PAC 在 i 线光刻胶原料占比为 1%-6%，单价在 600-700 元/kg。PAG 在 化学放大型光刻胶（主要是 KrF 光刻胶、ArF 光刻胶）中占总成本的 10%-20%。KrF 光刻胶用 PAG 单价在 0.5-1.5 万元/kg，ArF 光刻胶用 PAG 单价约 1.5-30 万元/kg，价差可达 20 倍。


2.原材料依赖进口，国产供应商亟待突破

高端光刻胶原料进口难度高，国产替代需求紧迫。全球范围内光刻胶原料大厂主要来自日本， 一类是自产树脂的光刻胶厂商，如信越化学、杜邦；另一类是专门生产原料的生产商，如光 刻胶树脂厂商：东洋合成、住友电木、三菱化学等。光刻胶光引发剂厂商包括：巴斯夫、黑 金化成、台湾优禘、国内的强力新材等。因此对于国内光刻胶厂商，实现高端光刻胶突破， 需先解决原料稳定供应难题。 KrF 光刻胶树脂基本依赖进口：KrF 用聚对羟基苯乙烯类树脂，单体为对羟基苯乙烯的 衍生物单体，此类树脂目前基本依赖进口，原因一是国产化难度高，生产树脂需要的单 体国内只有很少厂家供应，同时光刻胶生产商和原材料供应商之间的业务关系一旦建立， 就会在相当长的时间内保持稳定,供应链切换难；原因二是树脂的生产工艺有一定难度。 ArF 光刻胶树脂难以进口：根据徐州博康公众号，ArF 的树脂由几种单体共聚而成，定 制化程度比较高，国际市场上能够买到部分普通款的 ArF 树脂，但高端的 ArF 树脂几乎 没有购买渠道。

超净高纯试剂国产化率低，国内精细化工水平与海外差距较大。合成光刻胶过程中，需要丙 二醇甲醚醋酸酯、乳酸乙酯等高纯试剂。目前国际上公认的湿电子化学品杂质含量标准是 SEMI 国际标准，共分为五个等级。集成电路制造对于材料品质有较高要求，g/i 线光刻胶需 要 G1 至 G3 SEMI 等级的超净高纯试剂，KrF 光刻胶需要 G3 至 G4 SEMI 等级的超净高纯试剂， ArF 光刻胶则需要 G4 SEMI 等级以上的超净高纯试剂。中国大陆大多数企业湿电子化学品产 品等级在 SEMI G1 至 G2，部分企业在单一产品上达到 SEMI G3 级别，只有极少数企业个别产 品达到 SEMI G4 以上级别，与世界领先水平还有较大差距。根据亚化咨询 2022 年公布数据， 湿电子化学品的高端产品国产化率仅 10%左右。


3.制造端：高端光刻胶产品配方技术复杂，研发投入大，制备要求高

光刻胶由分辨率、对比度、敏感度、粘滞性黏度、粘附性、抗蚀性和表面张力等参数指标评 估。 ①分辨率：是指区别硅片表面相邻图形特征的能力，在光刻胶上形成图案的关键尺寸越小， 光刻胶的分辨率越好； ②对比度：指光刻胶发生光化学反应时，从曝光区到非曝光区过渡的侧壁陡度，侧壁越陡， 对比度越好； ③敏感度：指在光刻胶上形成一个良好图形所需一定波长光的最小曝光量，对于波长更短的 深紫外光和极紫外光，光刻胶的敏感度更为重要； ④粘滞性：黏度用来衡量光刻胶流动特性，光刻胶中溶剂越少，粘滞性越高； ⑤粘附性：指光刻胶粘着于衬底的强度，粘附性需要经受住后续的刻蚀、离子注入等艺，以 保证硅片表面的图形不会变形； ⑥抗蚀性：指光刻胶的耐热稳定性、抗刻蚀能力和抗离子轰击能力，以保证在后续刻蚀工序 中能够保护衬底表面； ⑦表面张力：指液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间吸引力，光刻胶基于流动性和覆 盖的考虑，要求具有比较小的表面张力。

壁垒一：配方复杂，无法通过现有产品反推配方，不同光刻胶配方差异大。光刻胶是一种经 过严格设计的复杂、精密的配方产品，由成膜剂、光敏剂、溶剂和添加剂等不同性质的原料， 通过不同的排列组合，经过复杂、精密的加工工艺而制成，是一项经验型学科，无法通过现 有产品反向推断原材料配方。以 EUV 光刻胶为例，EUV 光刻胶有多种技术方向，如有机无机 杂化体系、将酸敏感基团引入聚合物主链等。国内目前能同时达到具有高灵敏度、高分辨率、 低 LWR（线宽粗糙度）且成本较低、易于工业化生产的 EUV 光刻胶体系还在研究阶段，未量 化生产。

壁垒二：前期研发投入高昂，高端光刻机设备进口受限。光刻胶研发费用高，设备支出投入 巨大。光刻胶厂商需要购买光刻机用于内部配方测试，根据验证结果调整配方。根据 2021 年 晶瑞电材公告，单一台 ArF 光刻机需支出 1.5 亿元，设备总支出为 3.4 亿元。根据国际光刻 机巨头 ASML 公告，2022 年 ASML 公司单台 EUV 光刻机平均售价在 1.76 亿欧元，ArFi 浸没式 光刻机平均售价在 0.65 亿欧元。另一方面，高端光刻机依赖进口，影响产品研发进度。自 2019 年 12 月瓦森纳协议修订以来，美国、日本等成员国对我国半导体出口一般按照 N-2 原 则审批，即比最先进的技术晚两代。根据半导体产业纵横的数据，光刻机国外厂商的交期是 3～5 年，不确定性增加。国内进口高端光刻机受限，阻碍了和光刻机相配套光刻胶的研发突 破。

壁垒三：产品稳定性难控制和洁净度要求高。高端光刻胶的制备过程需要严格控制产品稳定 和金属杂质含量。光刻胶生产工艺采用分步法以保证各生产批次间的稳定性。主要制造流程 为： ①分别生产高感度光刻胶半成品和低感度光刻胶半成品。 ②取样检测后进行配合比试验。 ③针对不同树脂原料进行配方调整以保证产品的感度稳定，同时调整溶剂配比以保证产品的 膜厚稳定，当产品达到相应的感度和动粘度规格后，配方调整结束。 ④产品调整结束后，进行循环过滤，以保证产品的洁净度（控制产品中的粒子数），并得到最 终产品。


4.需求端：半导体光刻胶品类需求多，导入认证周期长

芯片制程越高，所使用的光刻胶品类越多。集成电路为多层结构，相同层的工艺方案没有规 定一致，因此不同的制造厂会采用不同的光刻方案。以鳍式场效应晶体管（FinFET）的半导 体逻辑器件为例，从下到上每一层的图形实现都需要依赖不同的光刻技术，从而需要不同的 光刻胶： ①前道工艺关键层鳍式（Fin）和栅（Gate）采用氟化氩（ArF）浸没式（波长 193nm）双重投 影光刻技术实现，对应使用 ArF 浸没式光刻胶； ②如需进行切割，切割层（Cut Layer）采用极紫外（EUV，波长 13.5nm）光刻技术实现，对 应使用 EUV 光刻胶； ③中道工艺（MOL）连接层 C（Contact Layer）采用 ArF 浸没式三重投影光刻技术或极紫外 光刻技术实现，对应使用 ArF 浸没式光刻胶或 EUV 光刻胶； ④后道工艺（BEOL）。一是关键层的 V1/V2（通孔）和 M1/M2（金属）采用 ArF 浸没式双重投 影光刻或 EUV 光刻技术实现，对应 ArF 浸没式光刻胶和 EUV 光刻胶。二是后道工艺非关键层 分别采用 ArF 干法、氟化氪（KrF，波长 248nm）和 i 线（I-line，波长 365nm）等光刻技术 实现，分别对应 ArF 干法光刻胶、KrF 光刻胶和 i 线光刻胶等。

先进封装 g/i 线光刻胶、PSPI 光刻胶用于 Bumping、RDL、TSV 等先进封装工艺环节。与 IC 制造时使用的 g/i 线光刻胶相比,大多数封装技术中所用到的光刻胶层要厚很多，一方面是 由于先进封装对精度要求相对晶圆制造环节低，另一方面是由于凸块需要厚涂。根据中国电 子材料行业协会的数据，2022 年中国集成电路 g/i 线光刻胶市场规模总计 9.14 亿元，预计 2025 年将增长至 10.09 亿元；其中集成电路封装用 g/i 线光刻胶市场规模 5.47 亿元，预计 2025 年将增长至 5.95 亿元。先进封装 g/i 线正性光刻胶可用于先进封装 Bumping 工艺中图 形转移、线路重排（RDL）、TSV 技术；先进封装 g/i 线负性光刻胶用于先进封装 Bumping 工 艺中。凸块制作封装光刻胶 PSPI 是一种光敏性聚酰亚胺材料，兼具光刻胶的图案化和树脂 薄膜的应力缓冲、介电层等功能，类似于有图案的介电薄膜，可用于 Bumping 和 RDL 等先进 封装工艺流程中。根据中国电子材料行业协会数据，2021 年中国集成电路晶圆制造用 PSPI 市场规模 7.12 亿元，预计到 2025 年将增长至 9.67 亿元。

下游客户端导入及验证周期长，国产头部厂商具有自主替代先发优势。由于光刻胶的质量稳 定直接影响芯片良率，集成电路制造企业对光刻胶的使用谨慎，从实验室样品到产线样品都 需要在客户端进行反复多次的测试验证，才能确定光刻胶产品的基本配方，验证周期一般在 2-3 年。客户产品验证过程需要经过四个阶段：PRS（基础工艺考核）、STR（小批量试产）、 MSTR（中批量试产）、RELEASE（量产）。在四个阶段的测试验证都顺利通过的前提下，才有机会获得芯片生产公司的订单。因此，对光刻胶厂商来讲，验证周期长，会光刻胶研发项目开 始产生销售回报的时间变长，变相增加前期投入成本，并且存在产品开发出来但客户认证计 划拖后、无法实行客户认证计划或无法通过客户认证的风险。因而我们认为，率先成功在客 户端导入并形成量产突破的国内光刻胶厂商，有望在国产化过程中占据先发主导地位，保证 相对较高的客户端份额。


影响光刻胶用量的因素

光刻胶的用量，即体积，体积越大，则用量越大。而留存在晶圆上的光刻胶体积可以近似等于晶圆的面积x光刻胶厚度。那么直观影响因素是晶圆的尺寸与光刻胶的胶厚。

匀胶方式：目前流行的匀胶有静态旋转法和动态喷洒法。静态旋转法是指在开始旋转晶圆之前，将一定量的光刻胶滴在静止的晶圆中心。然后启动旋转，利用离心力将光刻胶均匀铺展到整个晶圆表面。动态喷洒法指的是在晶圆旋转的同时，通过喷嘴动态地喷洒光刻胶到旋转中的晶圆上。喷洒的位置和速率可以精确控制，以实现匀胶的均匀性。动态喷洒法的光刻胶使用效率更高，所需的光刻胶更少。


影响光刻胶厚度的因素

设计的要求：光刻胶不能太厚或太薄，需要按制程需求来定。比如对于需要长时间蚀刻以形成深孔的应用场景，较厚的光刻胶层能提供更长的耐蚀刻时间；对于线宽较小的图形，过厚的光刻胶则会影响制程的精度。

旋涂速度和时间：旋涂速度增加使离心力变大，多余的胶液被甩出晶圆边缘，光刻胶的厚度会变薄。延长旋涂时间可以使光刻胶层更平整，但对厚度的影响相对有限，因为一旦达到稳定状态，胶层厚度基本不再改变。

光刻胶黏度：随着光刻胶黏度的增加，其流动性降低，使得在旋涂过程中较难被离心力甩出晶圆边缘。结果是在给定的旋涂条件下，较高黏度的光刻胶会形成较厚的胶层。


如何减少光刻胶用量？

设计合理的胶厚；

选择合适的光刻胶种类，黏度等；

选择临界的均胶转速，在保证质量的前提下，适当降低匀胶速度。低转速少量滴胶就可以达到高转速大量滴胶的厚度；

找到临界的滴胶量与滴胶速率，在晶圆转速固定的情况下，提⾼滴胶速率可以显着减少光刻胶的使⽤量；

优化涂胶方式，运用动态喷洒法进行匀胶


光刻胶黏度如何测量？

刻胶在未曝光之前是一种黏性流体，不同种类的光刻胶具有不同的黏度。黏度是光刻胶的一项重要指标。那么光刻胶的黏度为什么重要？黏度用什么表征？哪些光刻胶算高黏度，哪些算低黏度呢？

需要注意的是cP和cSt并非国际单位，换算时，先换算为国际单位制，再将运动粘度乘以介质所在温度下的密度kg/m³即可得到对应的动力粘度。

动力粘度单位：1cP（厘泊）=0.01P(泊)=1mPa·s=0.001Pa·s=1kg/（m*s）。

运动粘度单位：1cSt（厘斯）=0.01St(斯)=1m㎡/s=0.000001㎡/s=0.0036㎡/h。

以甘油为例，20℃时粘度1500cp左右，密度为1261kg/m³，换算为St（斯）。

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


粘度影响因素：

对于气液相，温度升高，粘度会下降；对于气体，压力升高，分子间力增大，粘度也会升高。溶液浓度越高，粘度越大！所以部分高粘度液体输送时需要加热，降低粘度和管道阻力，便于输送。


光刻胶黏度的重要性？

光刻胶的黏度会影响到涂层的厚度和均匀性。不同的产品应用需要不同厚度的光刻胶涂层。

半导体制造中，当特征尺寸进入亚微米或纳米级别时，需要使用低粘度的光刻胶。低黏度光刻胶在晶圆上流动性强，旋涂时，低黏度光刻胶能够迅速铺展，形成较薄且均匀的涂层。薄胶能够减少光学衍射效应，有利于高分辨率的图案制作。 在微机电系统（MEMS）、微流体器件等中，需要使用高黏度的光刻胶，一般可以达到几微米到几十微米厚。在干湿法刻蚀中，厚的光刻胶层可以作为掩膜，保护下方的材料不被蚀刻剂侵蚀。但是，随之而来的问题是，旋涂时间，曝光时间，显影时间都在相应增加，控制难度变大，而膜层的均匀性却在下降。


光刻胶黏度如何测量？

光刻胶供应商一般会要求晶圆厂在生产过程中多次测量流体粘度，以确保产品质量。我们会使用在线的黏度计持续地对光刻胶的黏度进行测量。为什么不是将样品采集出来离线测量？为了进行离线测量，需要从生产过程中提取样品，这导致生产的暂时中断。且由于处理和分析时间的延迟，离线测量无法提供即时的反馈。