近期，專注于電子材料市場研究的TECHCET發(fā)布最新統(tǒng)計和預(yù)測數(shù)據(jù)：2021年，半導(dǎo)體制造所需的光刻膠市場規(guī)模將同比增長11％，達到19億美元。
而在全球缺貨的大環(huán)境下，芯片制造，特別是晶圓代工產(chǎn)能供不應(yīng)求，相應(yīng)的產(chǎn)能擴充一直在全球范圍內(nèi)進行當(dāng)中。這就給了半導(dǎo)體光刻膠提供了更持久的增長動力。在接下來的幾年，全球半導(dǎo)體光刻膠市場將保持穩(wěn)定的增長勢頭。如下圖所示。
圖：半導(dǎo)體光刻膠市場規(guī)模的趨勢和未來預(yù)測（來源：TECHCET）
對于在先進制程工藝中必不可少的EUV，應(yīng)用范圍正在從邏輯芯片擴展到DRAM。ASML在2020年生產(chǎn)了35臺大型NXE：3400系列光刻機，但由于提高了組裝效率，預(yù)計到2021年可以出貨50臺。與此同時，到2021年，EUV光刻膠市場將比上一年翻一番，超過2000萬美元，并且此后還將繼續(xù)增長，預(yù)計到2025年，市場規(guī)模將超過2億美元。
半導(dǎo)體光刻膠的價值
按照應(yīng)用領(lǐng)域分類，光刻膠主要包括印制電路板（PCB）光刻膠專用化學(xué)品（光引發(fā)劑和樹脂）、液晶顯示器（LCD）光刻膠光引發(fā)劑、半導(dǎo)體光刻膠光引發(fā)劑和其他用途光刻膠四大類。本文主要討論半導(dǎo)體光刻膠。
光刻工藝約占整個芯片制造成本的35%，耗時占整個芯片工藝的40%~60%，是半導(dǎo)體制造中最核心的工藝。在光刻工藝中，光刻膠被均勻涂布在襯底上，經(jīng)過曝光（改變光刻膠溶解度）、顯影（利用顯影液溶解改性后光刻膠的可溶部分）與刻蝕等工藝，將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上，形成與掩膜版完全對應(yīng)的幾何圖形。
光刻技術(shù)隨著IC集成度的提升而不斷發(fā)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(dǎo)體用光刻膠通過不斷縮短曝光波長以提高極限分辨率，世界芯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(dǎo)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(shù)基本被日本和美國企業(yè)所壟斷。
光刻膠不僅具有純度要求高、工藝復(fù)雜等特征，還需要相應(yīng)光刻機與之配對調(diào)試。一般情況下，一個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。
針對不同應(yīng)用需求，光刻膠的品種非常多，這些差異主要通過調(diào)整光刻膠的配方來實現(xiàn)。因此，通過調(diào)整光刻膠的配方，滿足差異化的應(yīng)用需求，是光刻膠制造商最核心的技術(shù)。
此外，由于光刻加工分辨率直接關(guān)系到芯片特征尺寸大小，而光刻膠的性能關(guān)系到光刻分辨率的大小。限制光刻分辨率的是光的干涉和衍射效應(yīng)。光刻分辨率與曝光波長、數(shù)值孔徑和工藝系數(shù)相關(guān)。
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分辨率不斷提高，光刻得到的線路圖案精密度更佳，而對應(yīng)的光刻膠的價格也更高。
光刻光路的設(shè)計，有利于進一步提升數(shù)值孔徑，隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值孔徑由0.35發(fā)展到大于1。相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也對光刻膠及其配套產(chǎn)品的性能要求變得愈發(fā)嚴(yán)格。
工藝系數(shù)從0.8變到0.4，其數(shù)值與光刻膠的產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)。結(jié)合雙掩膜和雙刻蝕等技術(shù)，現(xiàn)有光刻技術(shù)使得我們能夠用193nm的激光完成10nm工藝的光刻。
為了實現(xiàn)7nm、5nm制程，傳統(tǒng)光刻技術(shù)遇到瓶頸，EUV（13.5nm）光刻技術(shù)呼之欲出，臺積電、三星也在相關(guān)領(lǐng)域進行布局。EUV光刻光路基于反射設(shè)計，不同于上一代的折射，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。
市場格局
目前，全球半導(dǎo)體光刻膠市場基本被日本和美國企業(yè)所壟斷。光刻膠屬于高技術(shù)壁壘材料，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，純度要求高，需要長期的技術(shù)積累。在g/i線光刻膠領(lǐng)域，日本和美國企業(yè)合計市占率超過85%。
按照2019年的數(shù)據(jù)，前五大廠商就占據(jù)了全球光刻膠市場 87%的份額，這5家企業(yè)中，日本占有四家，分別是JSR、東京應(yīng)化（TOK）、日本信越與富士電子材料，這四家的市場份額就達到了72%，全部日本企業(yè)份額總和超過75%。在細分領(lǐng)域，日本廠商在ArF、KrF、g線/i線光刻膠市場的市占率分別為93%、80%、61%，在高端市場中展現(xiàn)出極強的控制力。
JSR與比利時微電子研究中心（IMEC）的合資企業(yè)以及東京應(yīng)化已經(jīng)有能力供應(yīng)面向10nm以下半導(dǎo)體制程的EUV極紫外光刻膠。而主要面向45nm以下制程工藝的浸沒法ArF光刻膠在國際上已經(jīng)成主流。
中國本土光刻膠整體技術(shù)水平與國際先進水平存在較大差距，自給率僅約10%，且主要集中在技術(shù)含量較低的PCB光刻膠領(lǐng)域，半導(dǎo)體光刻膠和LCD光刻膠自給率較低。目前國內(nèi)光刻膠主要上市企業(yè)有晶瑞股份、南大光電和上海新陽、北京科華微等。
中國發(fā)力
隨著中國企業(yè)在半導(dǎo)體光刻膠關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得突破，以及中國半導(dǎo)體產(chǎn)能快速擴展和供應(yīng)鏈自主可控需求帶來的發(fā)展機遇，給了國內(nèi)半導(dǎo)體光刻膠企業(yè)發(fā)展提供了足夠的動力。
另外，政府在政策扶持方面也給國內(nèi)相關(guān)企業(yè)發(fā)展提供了保障，例如，在2020年9月，國家發(fā)改委等四部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于擴大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)投資 壯大新增長點增長極的指導(dǎo)意見》提出，加快在光刻膠、高純靶材、高溫合金、高性能纖維材料、高強高導(dǎo)耐熱材料、耐腐蝕材料、大尺寸硅片、電子封裝材料等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，以保障大飛機、微電子制造、深海采礦等重點領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈穩(wěn)定。
在政府和企業(yè)的共同努力下，近兩年，中國主要的半導(dǎo)體光刻膠企業(yè)不斷發(fā)力，并取得了歷史性的成績。
例如，晶瑞股份2020年度凈利潤約為0.69億~0.83億元，同比增長120.02%~164.08%，增幅居首。
晶瑞股份的子公司瑞紅化學(xué)是國內(nèi)半導(dǎo)體光刻膠龍頭，主要產(chǎn)品包括G 線、 I線光刻膠、LCD觸摸屏用光刻膠等。
其產(chǎn)品包含紫外負型光刻膠和寬譜正膠及部分g線，i線正膠等高端產(chǎn)品。瑞紅擁有達到國際先進水平的光刻膠生產(chǎn)線，實行符合現(xiàn)代微電子化學(xué)品要求的凈化管理，配備了一流的光刻膠檢測評價裝置，并承擔(dān)了國家重大科技項目02專項“i線光刻膠產(chǎn)品開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項目，在國內(nèi)率先實現(xiàn)了IC制造商大量使用的核心光刻膠，即i線光刻膠的量產(chǎn)，產(chǎn)品采用步進重復(fù)投影曝光技術(shù)，可實現(xiàn)高分辨率。
南大光電方面，就在2020年底，該公司自主研發(fā)的ArF光刻膠產(chǎn)品成功通過客戶認(rèn)證。認(rèn)證評估報告顯示，本次認(rèn)證選擇客戶50nm閃存產(chǎn)品中的控制柵進行驗證，南大光電的ArF 光刻膠產(chǎn)品測試各項性能滿足工藝規(guī)格要求，良率結(jié)果達標(biāo)。該產(chǎn)品通過認(rèn)證，成為通過產(chǎn)品驗證的第一家國產(chǎn)ArF光刻膠企業(yè)。
南大光電強調(diào)，ArF光刻膠產(chǎn)品的配方包括成膜樹脂、光敏劑、添加劑和溶劑等組分材料。是否能夠?qū)⒏鱾€組分的功能有效地結(jié)合在一起，關(guān)系到光刻膠配方的成敗，這是調(diào)制光刻膠配方的最大挑戰(zhàn)和難點，也是一個光刻膠公司技術(shù)能力的基本體現(xiàn)。國際上只有少數(shù)幾家光刻膠公司可以做到產(chǎn)品級ArF光刻膠配方的調(diào)制。
上海新陽則主攻KrF和干法ArF光刻膠，已經(jīng)進入產(chǎn)能建設(shè)階段。根據(jù)2020年11月3日定增預(yù)案，該公司擬定增募資不超過14.50億元，其中8.15億元擬投資于集成電路制造用高端光刻膠研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化項目，主要目標(biāo)為實現(xiàn)ArF干法工藝使用的光刻膠和面向3D NAND臺階刻蝕的KrF厚膜光刻膠的產(chǎn)業(yè)化，力爭于2023年前實現(xiàn)上述產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，填補國內(nèi)空白。
北京科華微的半導(dǎo)體光刻膠產(chǎn)品覆蓋KrF（248nm）、G/I 線（含寬譜），其中，KrF光刻膠已經(jīng)通過包括中芯國際在內(nèi)的部分客戶認(rèn)證，并實現(xiàn)批量供貨，G線、i線光刻膠已實現(xiàn)量產(chǎn)供貨。
結(jié)語
當(dāng)下，全球芯片制造業(yè)都在擴產(chǎn)，無論是先進制程，還是成熟制程，都進入了一段高速發(fā)展時期。這些給以光刻膠為代表的半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了難得的機遇。特別是對于中國相關(guān)企業(yè)來說，具有了更廣闊的提升空間。根據(jù)2020年10月宣布的中國第14個五年計劃，要實現(xiàn)半導(dǎo)體制造供應(yīng)鏈的本土化，其中就包括正在花費大量資金的光刻膠研發(fā)（不包括EUV），且一些中國本土電子材料制造商已經(jīng)開始送樣光刻膠和輔助材料。這些使得這一市場更加值得關(guān)注。