半導體光刻膠淺析｜半導體行業觀察

來源：內容由公眾號 半導體行業觀察（ID：icbank） 張健 原創，謝謝。

光刻膠是由感光樹脂、增感劑和溶劑三種主要成份組成的、對光敏感的混合液體。

利用光化學反應，經曝光、顯影、刻蝕等工藝將所需要的微細圖形從掩模版轉移到待加工基片上的圖形轉移介質，其中曝光是通過紫外光、電子束、準分子雷射束、X射線、離子束等曝光源的照射或輻射，從而使光刻膠的溶解度發生變化。

按照應用領域分類，光刻膠主要包括印製電路板（PCB）光刻膠專用化學品（光引發劑和樹脂）、液晶顯示器（LCD）光刻膠光引發劑、半導體光刻膠光引發劑和其他用途光刻膠四大類。

本文主要討論半導體光刻膠。

光刻膠自1959年被發明以來一直是半導體核心材料，隨後被改進運用到PCB板的製造，並於20世紀90年代運用到平板顯示的加工製造。

最終應用領域包括消費電子、家用電器、汽車通訊等。

光刻工藝約占整個晶片製造成本的35%，耗時占整個晶片工藝的40%~60%，是半導體製造中最核心的工藝。

以半導體光刻膠為例，在光刻工藝中，光刻膠被均勻塗布在襯底上，經過曝光(改變光刻膠溶解度)、顯影(利用顯影液溶解改性後光刻膠的可溶部分)與刻蝕等工藝，將掩膜版上的圖形轉移到襯底上，形成與掩膜版完全對應的幾何圖形。

光刻技術隨著IC集成度的提升而不斷發展。

為了滿足集成電路對密度和集成度水平的更高要求，半導體用光刻膠通過不斷縮短曝光波長以提高極限解析度，世界晶片工藝水平目前已跨入微納米級別，光刻膠的波長由紫外寬譜逐步至g線（436nm）、i線（365nm）、KrF（248nm）、 ArF（193nm）、F2（157nm），以及最先進的EUV(<13.5nm)線水平。

目前，半導體市場上主要使用的光刻膠包括 g 線、i 線、KrF、ArF四類光刻膠，其中，g線和i線光刻膠是市場上使用量最大的。

KrF和ArF光刻膠核心技術基本被日本和美國企業所壟斷。

光刻膠對光刻工藝的重要性

光刻膠不僅具有純度要求高、工藝複雜等特徵，還需要相應光刻機與之配對調試。

一般情況下，一個晶片在製造過程中需要進行10~50道光刻過程，由於基板不同、解析度要求不同、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。

針對不同應用需求，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，是光刻膠製造商最核心的技術。

此外，由於光刻加工解析度直接關係到晶片特徵尺寸大小，而光刻膠的性能關係到光刻解析度的大小。

限制光刻解析度的是光的干涉和衍射效應。

光刻解析度與曝光波長、數值孔徑和工藝係數相關。

光刻膠的曝光波長由寬譜紫外向g線→i線→KrF→ArF→EUV(13.5nm)的方向移動。

隨著曝光波長的縮短，光刻膠所能達到的極限解析度不斷提高，光刻得到的線路圖案精密度更佳，而對應的光刻膠的價格也更高。

光刻光路的設計，有利於進一步提升數值孔徑，隨著技術的發展，數值孔徑由0.35發展到大於1。

相關技術的發展也對光刻膠及其配套產品的性能要求變得愈發嚴格。

工藝係數從0.8變到0.4，其數值與光刻膠的產品質量有關。

結合雙掩膜和雙刻蝕等技術，現有光刻技術使得我們能夠用193nm的雷射完成10nm工藝的光刻。

為了實現7nm、5nm製程，傳統光刻技術遇到瓶頸，EUV(13.5nm)光刻技術呼之欲出，台積電、三星也在相關領域進行布局。

EUV光刻光路基於反射設計，不同於上一代的折射，其所需光刻膠主要以無機光刻膠為主，如金屬氧化物光刻膠。

全球市場格局

目前，光刻膠單一產品市場規模與海外巨頭公司營收規模相比較小，光刻膠僅為大型材料廠商的子業務。

但由於光刻膠技術門檻高，就某一光刻膠子行業而言，僅有少數幾家供應商有產品供應。

由於光刻膠產品技術要求較高，中國光刻膠市場基本由外資企業占據，國內企業市場份額不足40%，高解析度的KrF和ArF光刻膠，其核心技術基本被日本和美國企業所壟斷，產品也基本出自日本和美國公司，包括陶氏化學、JSR株式會社、信越化學、東京應化工業、Fujifilm，以及韓國東進等企業。

而細化到半導體用光刻膠市場，國內企業份額不足30%，與國際先進水平存在較大差距。

超過80%市場份額掌握在日本住友、TOK、美國陶氏等公司手中，國內公司中，蘇州瑞紅與北京科華實現了部分品種的國產化，但是整體技術水平較低，僅能進入8英寸集成電路生產線與LED等產線。

據悉，蘇州瑞紅已經研發出g線與i線光刻膠，其中i線已經成功實現量產；北京科華正開發KrF (248nm)光刻膠，目前已經通過中芯國際認證，ArF(193nm)光刻膠也在積極研發中。

中國市場

據統計資料顯示，2017年中國光刻膠行業產量達到7.56萬噸，較2016年增加0.29萬噸，其中，中國本土光刻膠產量為4.41萬噸，與7.99萬噸的需求量差異較大，說明我國供給能力還需提升。

國內企業的光刻膠產品目前還主要用於PCB領域，代表企業有晶瑞股份、科華微電子。

在半導體應用領域，隨著汽車電子、物聯網等發展，會在一定程度上增加對G線、I線的需求，利好G線、I線等生產企業。

預計G線正膠今後將占據50%以上市場份額，I線正膠將占據40%左右的市場份額，DUV等其他光刻膠約占10%市場份額，給予北京科華、蘇州瑞紅等國內公司較大市場機會。

政策扶持及進展

為促進我國光刻膠產業的發展，國家02重大專項給予了大力支持。

今年5月，02重大專項實施管理辦公室組織任務驗收專家組、財務驗收專家組通過了「極紫外光刻膠材料與實驗室檢測技術研究」項目的任務驗收和財務驗收。

據悉，經過項目組全體成員的努力攻關，完成了EUV光刻膠關鍵材料的設計、製備和合成工藝研究、配方組成和光刻膠製備、實驗室光刻膠性能的初步評價裝備的研發，達到了任務書中規定的材料和裝備的考核指標。

項目共申請發明專利15項（包括國際專利5項），截止到目前，共獲得授權專利10項（包括國際專利授權3項）；培養了博士研究生9名，碩士研究生1名。

結語

光刻膠雖然在半導體材料領域裡所占比重並不高，但因為與光刻工藝緊密相關，所以其重要性十分突出，對於我國半導體產業來說，是必須花大力氣發展下去的。