即便强大如韩国三星这样的巨头，在去年7月，日本宣布限制光刻胶、氟化聚酰亚胺和高纯度氟化氢等关键原材料对韩国的出口之后，也是被死死的“卡住了脖子”，急得如热锅上的蚂蚁，却又无可奈何。最后还是日本政府解除了部分限制之后，才得以化解了危机。

 

而在美国制裁中兴、华为，阻挠荷兰向中国出口EUV光刻机，遏制中国半导体产业发展，以及日本限制半导体原材料向韩国出口等一系列事件的影响之下，中国半导体产业的“国产替代”也正在由芯片端，深入到上游半导体材料领域。而即将开始投资的国家大基金二期也或将加大对于半导体材料领域的投资。

 

今天芯智讯就为大家来系统的介绍下，半导体制造当中所需的一种关键材料——光刻胶。

 

一、光刻胶概况

 

1、光刻胶概况

 

光刻胶又称光致抗蚀剂，是光刻工艺的关键化学品，主要利用光化学反应将所需要的微细图形从掩模版转移到待加工基片上，被广泛应用于光电信息产业的微细图形线路的加工制作，下游主要用于集成电路、面板和分立器件的微细加工，同时在 LED、光伏、磁头及精密传感器等制作过程中也有广泛应用，是微细加工技术的关键性材料。

 

 

光刻胶的主要成分为树脂、单体、光引发剂及添加助剂四类。其中，树脂约占 50%，单体约占35%，光引发剂及添加助剂约占15%。

 

 

光刻胶自 1959 年被发明以来就成为半导体工业最核心的工艺材料之一。随后光刻胶被改进运用到印制电路板的制造工艺，成为 PCB 生产的重要材料。二十世纪 90 年代，光刻胶又被运用到平板显示的加工制作，对平板显示面板的大尺寸化、高精细化、彩色化起到了重要的推动作用。在半导体制造业从微米级、亚微米级、深亚微米级进入到纳米级水平的过程中，光刻胶也起着举足轻重的作用。

 

总结来说，光刻胶产品种类多、专用性强，需要长期技术积累，对企业研发人员素质、行业经验、技术储备等都具有极高要求，企业需要具备光化学、有机合成、高分子合成、精制提纯、微量分析、性能评价等技术，具有极高的技术壁垒。

 

2、光刻胶主要用于图形化工艺

 

以半导体行业为例，光刻胶主要用于半导体图形化工艺。图形化工艺是半导体制造过程中的核心工艺。图形化可以简单理解为将设计的图像从掩模版转移到晶圆表面合适的位置。一般来讲图形化主要包括光刻和刻蚀两大步骤，分别实现了从掩模版到光刻胶以及从光刻胶到晶圆表面层的两步图形转移，流程一般分为十步：1.表面准备，2.涂胶，3.软烘焙，4.对准和曝光，5.显影，6.硬烘焙，7.显影检查，8.刻蚀，9.去除光刻胶，10.最终检查。

 

具体来说，在光刻前首先对于晶圆表面进行清洗，主要采用相关的湿化学品，包括丙酮、甲醇、异丙醇、氨水、双氧水、氢氟酸、氯化氢等。晶圆清洗以后用旋涂法在表面涂覆一层光刻胶并烘干以后传送到光刻机里。在掩模版与晶圆进行精准对准以后，光线透过掩模版把掩模版上的图形投影在光刻胶上实现曝光，这个过程中主要采用掩模版、光刻胶、光刻胶配套以及相应的气体和湿化学品。对曝光以后的光刻胶进行显影以及再次烘焙并检查以后，实现了将图形从掩模版到光刻胶的第一次图形转移。在光刻胶的保护下，对于晶圆进行刻蚀以后剥离光刻胶然后进行检查，实现了将图形从光刻胶到晶圆的第二次图形转移。目前主流的刻蚀办法是等离子体干法刻蚀，主要用到含氟和含氯气体。

 

 

在目前比较主流的半导体制造工艺中，一般需要 40 步以上独立的光刻步骤，贯穿了半导体制造的整个流程，光刻工艺的先进程度决定了半导体制造工艺的先进程度。光刻过程中所用到的光刻机是半导体制造中的核心设备。目前，ASML 最新的EUV光刻机NXE3400B 售价在一亿欧元以上，媲美一架 F35 战斗机。

 

 

二、光刻胶分类

 

1、正性光刻胶和负性光刻胶

 

光刻胶可依据不同的产品标准进行分类。按照化学反应和显影的原理，光刻胶可分为正性光刻胶和负性光刻胶。如果显影时未曝光部分溶解于显影液，形成的图形与掩膜版相反，称为负性光刻胶；如果显影时曝光部分溶解于显影液，形成的图形与掩膜版相同，称为正性光刻胶。

 

 

在实际运用过程中，由于负性光刻胶在显影时容易发生变形和膨胀的情况，一般情况下分辨率只能达到 2 微米，因此正性光刻胶的应用更为广泛。

 

2、按用途分类

 

光刻胶经过几十年不断的发展和进步，应用领域不断扩大，衍生出非常多的种类，按照应用领域，光刻胶可以划分为印刷电路板（PCB）用光刻胶、液晶显示(LCD）用光刻胶、半导体用光刻胶和其他用途光刻胶。其中，PCB 光刻胶技术壁垒相对其他两类较低，而半导体光刻胶代表着光刻胶技术最先进水平。

 

 

(1)半导体用光刻胶

 

在半导体用光刻胶领域，光刻技术经历了紫外全谱（300～450nm）、g 线（436nm）、i线 （365nm）、深紫外（DUV,包括 248nm 和 193nm）和极紫外（EUV）六个阶段。相对应于各曝光波长的光刻胶也应运而生，光刻胶中的关键配方成份，如成膜树脂、光引发剂、添加剂也随之发生变化，使光刻胶的综合性能更好地满足工艺要求。

 

g 线光刻胶对应曝光波长为 436nm 的 g 线，制作 0.5 µm 以上的集成电路。

 

i 线光刻胶对应曝光波长为 365nm 的 i 线，制作 0.5-0.35 µ m 的集成电路。

 

g线和 i 线光刻胶是目前市场上使用量最大的光刻胶，都以正胶为主，主要原料为酚醛树脂和重氮萘醌化合物。

 

KrF 光刻胶对应曝光波长为 248nm 的 KrF 激光光源，制作 0.25-0.15µ m 的集成电路，正胶和负胶都有，主要原料为聚对羟基苯乙烯及其衍生物和光致产酸剂。KrF 光刻胶市场今后将逐渐扩大。

 

ArF光刻胶对应曝光波长为193nm的ArF激光光源，ArF干法制作 65-130 nm的集成电路，ArF 浸湿法可以对应 45nm 以下集成电路制作。ArF 光刻胶是正胶，主要原料是聚脂环族丙烯酸酯及其共聚物和光致产酸剂。ArF 光刻胶市场今后将快速成长。

 

 

根据SEMI的数据，2018年全球半导体用光刻胶市场，G线&I线、KrF、ArF&液浸ArF三分天下，占比分别达到了24%、22%和42%。其中，ArF/液浸ArF 光刻胶主要对应目前的先进 IC 制程，随着双/多重曝光技术的使用，光刻胶的使用次数增加，ArF 光刻胶的市场需求将加速扩大。在 EUV 技术成熟之前，ArF 光刻胶仍将是主流。未来，随着功率半导、传感器、LED 市场的持续扩大，i 线光刻胶市场将保持持续增长。随着精细化需求增加，使用 i 线光刻胶的应用将被 KrF 光刻胶替代，KrF 光刻胶市场需求将不断增加。

 

 

（2）LCD光刻胶

 

在LCD 面板制造领域，光刻胶也是极其关键的材料。根据使用对象的不同，可分为 RGB 胶（彩色胶）、BM胶（黑色胶）、OC 胶、PS 胶、TFT 胶等。光刻工艺包含表面准备、涂覆光刻胶、前烘、对准曝光、显影、坚膜、显影检查、刻蚀、剥离、最终检查等步骤，以实现图形的复制转移，制造特定的微结构。

 

 

由于LCD是非主动发光器件，其色彩显示必须由本身的背光系统或外部的环境光提供光源，通过驱动器与控制器形成灰阶显示，再利用彩色滤光片产生红、绿、蓝三基色，依据混色原理形成彩色显示画面。然而，彩色滤光片的产生，必须由光刻胶来完成。

 

彩色滤光片是由玻璃基板、黑色矩阵、颜色层、保护层及 ITO 导电膜构成。其中，颜色层（Color）主要由三原色光刻胶分别经涂布、曝光、显影形成，是彩色滤光片最主要的部分。黑色矩阵（Black Matrix，简称 BM）是由黑色光刻胶作用形成的模型，作用为防止漏光。

 

 

从成本方面来看，彩色滤光片占面板总成本的 14%-16%，而彩色和黑色光刻胶占彩色滤光片成本的 27%左右，其中黑色光刻胶占比 6%-8%，光刻胶质量的好坏将直接影响到滤光片的显色性能。

 

除了RGB光刻胶和黑色光刻胶之外，TFT Array 正性光刻胶也非常重要，其主要用于 TFT-LCD 制程中的 Array 段，主导 TFT 设计的图形转移，其解析度、热稳定性、剥膜性、抗蚀刻能力都优于负性光刻胶。

 

 

三、光刻胶市场空间

 

1、全球光刻胶需求不断增长

 

在半导体、LCD、PCB 等行业需求持续扩大的拉动下，光刻胶市场将持续扩大。2018 年全球光刻胶市场规模为 85 亿美元，2014-2018 年复合增速约 5%。据 IHS数据，未来光刻胶复合增速有望维持 5%。

 

 

按照下游应用领域来看，根据前瞻产业研究院的数据显示，目前半导体光刻胶占比 24.1%，LCD 光刻胶占比 26.6%， PCB 光刻胶占比 24.5%，其他类光刻胶占比 24.8%。

 

 

伴随着全球半导体、液晶面板以及消费电子等产业向国内转移，国内对光刻胶需求量迅速增量。2011-2017 年，国内光刻胶需求复合增速达 14.69%，至 2017 年底已达7.99 万吨；国内光刻胶市场规模复合增速达 11.59%，至 2017 年底已达 58.7 亿元。从产量来看，2017 年我国光刻胶产量达到 7.56 万吨，2011-2017 年复合增速 15.83%；本土光刻胶产量达到 4.41 万吨，2011-2017 年复合增速 11.87%。国内目前光刻胶主要集中在 PCB 领域，高技术壁垒的 LCD 和半导体光刻胶主要依赖进口。

 

 

2、半导体市场需求快速增长

 

全球半导体市场规模近年来增速平稳，2012-2018 年复合增速 8.23%。其中，中国大陆集成电路销售规模从 2158 亿元迅速增长到 2018 年的 6531 亿元，复合增速为20.27%，远超全球其他地区，全球半导体产业加速向大陆转移。集成电路一般分为设计、制造和封测三个子行业，在制造和封测行业中，均需要大量的半导体新材料支持。

 

 

2018 年全球半导体材料市场产值为 519.4 亿美元，同比增长 10.68%。其中晶圆制造材料和封装材料分别为 322 亿美元和 197.4 亿美元，同比 15.83%和 3.30%。2018年，在市场产值为 322 亿美金的半导体制造材料中，大硅片、特种气体、光掩模、CMP材料、光刻胶、光刻胶配套、湿化学品、靶材分别占比 33%、14%、13%、7%、6%、7%、4%、3%。分地区来看，目前大陆半导体材料市场规模 83 亿美元，全球占比 16%，仅次于中国台湾和韩国，为全球第三大半导体材料区域。

 

 

伴随着全球半导体行业的快速发展，全球半导体光刻胶市场持续增长。2018 年全球半导体光刻胶市场规模 20.29 亿美元，同比增长 15.83%。其中，中国半导体光刻胶规模占全球比重最大，达到 32%。其次是美洲地区，其光刻胶市场规模占全球比重为21%。亚太地区紧跟其后，光刻胶市场规模占全球比重为 20%。欧洲、日本地区所占比重较低，大约均为 9%。

 

 

3、LCD光刻胶需求快速增长

 

全球面板市场稳步上升，产能向大陆转移，催生 LCD 光刻胶需求增长。据 IHS 2019年 6 月发布的数据，2019 年全球 TFT-LCD 和 OLED 整体平板显示容量约为 3.34 亿平方米，2023 年有望上升至 3.75 亿平方米，其中，TFT-LCD 面板市场容量约为 3.09 亿平方米，未来需求将稳步增长。

 

全球 LCD 面板产业经历了“美国研发—日本发展—韩国超越—台湾崛起—大陆发力”的过程，美国最早研发出 LCD 技术后，80 年代后期由日本厂商将 LCD 技术产业化，全球面板产业几乎被日本企业垄断。90 年代后，韩国和中国台湾面板厂快速崛起，开始长时间主导市场，大陆面板自 2009 年开始发力，以京东方为首的大陆面板厂商产能持续翻倍增长。据 IHS 数据，2018 年大陆 LCD 产能占有率已达到 39%，预计 2023 年大陆产能将占全球总产能的 55%。

 

 

面板产能扩张促进 LCD 光刻胶需求增长。随着全球面板产能向中国大陆转移，LCD光刻胶需求量呈现快速增长的态势。据 CINNO Research 预估，2022 年大陆 TFT Array正性光刻胶（包含 LTPS 基板）需求量将达到 1.8 万吨，彩色光刻胶需求量为 1.9 万吨，黑色光刻胶需求量为 4100 吨，光刻胶总产值预计高达 15.6 亿美金。

 

 

四、光刻胶市场竞争格局

 

光刻胶行业由于技术壁垒高并且要与光刻设备协同研发，呈现出寡头竞争的格局。根据 《现代化工》的 数据，目前全球前五大光刻胶厂商占据全球市场约 87%的市场份额。其中，日本的光刻胶行业形成龙头领跑的状态，日本 JSR、东京应化、日本信越与富士电子材料市占率合计达到 72%。大陆内资企业所占市场份额不足 10%。

 

 

目前，在全球半导体光刻胶领域，也主要被日本合成橡胶（JSR）、东京应化（TOK）、罗门哈斯、日本信越和富士材料等头部厂商所垄断。

 

其中，在高端半导体光刻胶市场上，全球的 EUV 和 ArF i 光刻胶主要是 JSR、陶氏和信越化学等供应商，占有份额最大的是 JSR、信越化学，TOK 也有研发。

 

每家的竞争优势有所不同：

 

1) JSR：全球最大的，技术是最领先的，客户服务的对象主要倾向于三大家：Intel、三星和台积电。JSR 以技术引领整个光刻胶技术发展。产品跨度非常大，从现有的 I-line、KrF、ArF、ArF i、EUV光刻胶，都有产品。下游行业也不仅限于 IC，如封装行业、其他的行业。

 

2) TOK：专注于做光刻胶及配套试剂，目前在行业里 G、I 线，KrF 和 ArF 都有些市场份额，但是在高端技术上落后于 JSR、陶氏和信越化学。

 

3) 陶氏：光刻胶事业部已经并到杜邦，光刻胶只是杜邦的一种产品。客户是 Intel、 IBM 体系，在美国和新加坡、中国台湾地区的占有率高，但在大陆市场占有率不是很高。在低端的 6 寸市场的份额较大。

 

4) 富士电子材料在主流的 IC 的份额不是很大，其实是在 OLED，包括平板显示部分的市占份额很大。

 

5) 信越化学也是跟 JSR、陶氏一样，都是大化工企业，不光供应光刻胶，也供应 Wafer，供应其他这些材料，主要产品包括 KrF、ArF，ArF immersion 光刻胶，EUV 也在开发。

 

 

而在全球LCD光刻胶市场，RGB和BM光刻胶核心技术则由日韩企业垄断。LCD 光刻胶的核心技术在于高分子颜料的制备和生产，目前该技术主要掌握在 Ciba 等日本颜料厂商手中。其中RGB光刻胶的主要生产商有 JSR 、住友化学、三菱化学、LG 化学等公司；黑色光刻胶的主要生产商有东京应化、新日铁化学、三菱化学、CHEIL、ADEKA等公司，几家占到全球总产量的 90%；TFT Array正性光刻胶供应商主要有日本东京应化（TOK）、美国罗门哈斯(Rohm&Haas)、德国默克公司、韩国 AZ、DONGJINSEMICHEM和台湾永光化学；OC 光刻胶主要供应商包括 JSR、JNC、LGC、三星、科隆等；PS 光刻胶主要供应商包括 JSR、CMC、三星、LGC、TNP 等。

 

 

六、国产光刻胶急需提速

 

虽然，近几年全球光电产业、消费电子产业、半导体产业向我国转移的趋势愈加明显，随着下游产品 PCB、LCD、半导体等产业迅速发展，国内市场对于LCD、半导体的需求量迅猛增加。但是，我国光刻胶行业发展和起步时间较晚，应用结构较为单一，主要集中于 PCB 光刻胶，相关企业包括广信材料，容大感光等。但是在LCD和半导体光刻胶领域，国内生产企业和国外差距仍然较大，严重依赖进口。

 

1、国内竞争格局

 

根据信越官网的数据显示，国内光刻胶产值当中，PCB光刻胶的占比高达95%，半导体光刻胶和LCD光刻胶产值占比都仅有2%。

 

 

根据中国产业信息网数据也显示，我国 PCB光刻胶产值占比为94.4%， 而 LCD 和半导体用光刻胶产值占比分别仅为 2.7%和 1.6%。

 

2015年中国光刻胶行业前五大外资厂商市占率已达到 89.7%，分别为台湾长兴化学、日立化成、日本旭化成、美国杜邦及台湾长春化工。相较之下，中国企业市场份额不足10%，主要有晶瑞股份、北京科华、飞凯材料、广信材料、容大感光等。

 

在国内存储厂商的光刻胶供应方面， TOK 份额是很高的，陶氏也有相对应的一些份额；在国内晶圆代工厂方面，信越化学和 TOK 份额最大，JSR 和陶氏份额很少。

 

2、光刻胶的国产化

 

目前国内在半导体光刻胶领域有布局的国产厂商主要有北京科华微电子、晶瑞股份（子公司苏州瑞红）、南大光电、上海新阳、江苏汉拓、厦门恒坤等。

 

其中：

 

1) 北京科华：6 寸的 G 线、I 线市场份额较高；8 寸、12 寸里面 I-line、KrF 都有突破，目前份额较小；ArF干法光刻胶已经处于研发及客户认证阶段。

 

2) 晶瑞股份：子公司瑞红在光刻胶领域深耕多年，率先实现了 i 线光刻胶的量产，可以实现 0.35μm 的分辨率。目前光刻胶产品已有几家 6 寸客户使用，2018 年进入中芯国际天津工厂 8 寸线测试并获批量使用；公司未来重点发展 248nm，将着力发展相关业务。

 

3) 南大光电：于 2017 年开始研发“193nm 光刻胶项目”，并承担“ArF 光刻胶产品的开发和产业化”02 专项项目。公司已在宁波经济开发区建设 25 吨 KrF 光刻胶生产线，预计三年达产销售。

 

4)上海新阳：在已立项研发用于逻辑与模拟芯片 ArF 光刻胶基础上，增加用于存储器芯片的半导体厚膜光刻胶（KrF）的研发立项；

 

5) 江苏汉拓：公司致力于高端光刻胶产品及其材料的自主研发，生产及销售,已经形成了电子束光刻胶和DUV光刻胶的系列产品，同时开发生产出了相应的光刻胶的关键材料-光刻胶专用树脂。

 

6) 厦门恒坤：主攻 DRAM 市场，2018年成功导入IC大厂并批量供货。2019年初，公司宣布投资4.5亿在福建漳州高新区建设年产120吨的光刻胶工厂，分两期建设，其中一期投资1.5亿元，先行生产非感光光刻胶，二期用地100亩，主要生产Arf、Krf光刻胶及配套材料。

 

与此同时，中国企业也积极布局 LCD 光刻胶领域。相关企业主要有：雅克科技、容大感光、飞凯材料、永太科技、北旭电子、中国电子彩虹集团、江苏博砚电子等。

 

其中：

 

1）雅克科技：子公司斯洋国际与 LG 化学签署《业务转让协议》，拟购买 LG 化学下属的彩色光刻胶事业部的部分经营性资产，包括与彩色光刻胶业务相关的部分生产机器设备、存货、知识产权类无形资产、经营性应收账款等，并在交割后于韩国投资建设彩色光刻胶工厂，成为 LG Display Co.,的长期供应商。

 

2）容大感光：公司原规划于2018年年底建成1000吨的光刻胶生产线，但直至2019年底仍未实现。2019年12月，容大感光对外表示，已经建立了基本的光刻胶研发、测试平台。未来将会进一步加大对研发的投入，扩大平板显示、发光二极管（LED）、集成电路芯片领域光刻胶的生产产能，实现公司大亚湾工厂千吨级TFT、OLED、mini-LED、micro-LED、IC用光刻胶产品的量产。

 

3）飞凯材料：飞凯材料子公司和成显示是国产高端 TFT 及中端 TN/STN 液晶材料的重要供应商，下游客户包括京东方、华星光电以及中电熊猫等大中型面板厂商。同时公司也在持续推进 TFT 光刻胶项目，截至 2019 年半年报已经累计投入 5407 万元，工程进度达 93.22%。

 

4）北旭电子：是京东方全资子公司，2019 年计划在葛店投资 5 亿元建设光刻胶项目，第一期将年产3000吨TFT-LCD用光刻胶生产线整体搬迁，同时扩产到年产5000吨，第二期主要建设半导体用光刻胶、PI 液、有机绝缘膜等生产线。

 

5）中国电子彩虹集团：2017年5月，中国电子彩虹集团与德国默克公司达成合作，投资5800万元建设彩虹正性光刻胶项目。项目于2018年6月30日完成设备调试及试生产，7月17日正式投产。项目投产后，可年产液晶正性光刻胶1800吨。

 

6）江苏博砚电子：自2014 年起就与北化成立联合研究中心，推进黑色光刻胶的研发与产业化，现已拥有 1000 吨/年黑色光刻胶产能，成功打破国外垄断。2018年底已被上海新阳收购。

 

 

虽然目前光刻胶的国产化正在加速，但是在半导体和LCD所需高端光刻胶上与国外仍有较大差距。并且，目前的国产光刻胶的很多原材料也主要依赖于进口。

 

前面提到，光刻胶主要由树脂、溶剂（单体）、感光剂、添加剂四种成分组成，其中：树脂基本上都从美、日、韩进口；感光剂从日本进口为主，因此国内光刻胶产业链布局还很少。不过，强力新材与北京科华有一些原材料方面的合作，但还没有做到量产阶段。目前国内仅济南圣泉能供应 I-line 树脂，但是仅限于低端产品。

 

总的来说，光刻胶的国产化仍任重道远！

 

来源：本文由芯智讯独家整理

 

 

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