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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、準分子激光束、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(fā)生變化。

按照應用領域分類，光刻膠主要包括印制電路板（PCB）光刻膠專用化學品（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。本文主要討論半導體光刻膠。

光刻膠自1959年被發(fā)明以來一直是半導體核心材料，隨后被改進運用到PCB板的制造，并于20世紀90年代運用到平板顯示的加工制造。最終應用領域包括消費電子、家用電器、汽車通訊等。

光刻工藝約占整個芯片制造成本的35%，耗時占整個芯片工藝的40%~60%，是半導體制造中最核心的工藝。

以半導體光刻膠為例，在光刻工藝中，光刻膠被均勻涂布在襯底上，經過曝光(改變光刻膠溶解度)、顯影(利用顯影液溶解改性后光刻膠的可溶部分)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(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(yè)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、工藝復雜等特征，還需要相應光刻機與之配對調試。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。

此外，由于光刻加工分辨率直接關系到芯片特征尺寸大小，而光刻膠的性能關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。光刻分辨率與曝光波長、數值孔徑和工藝系數相關。

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分辨率不斷提高，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，有利于進一步提升數值孔徑，隨著技術的發(fā)展，數值孔徑由0.35發(fā)展到大于1。相關技術的發(fā)展也對光刻膠及其配套產品的性能要求變得愈發(fā)嚴格。

工藝系數從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的激光完成10nm工藝的光刻。

為了實現7nm、5nm制程，傳統光刻技術遇到瓶頸，EUV(13.5nm)光刻技術呼之欲出，臺積電、三星也在相關領域進行布局。EUV光刻光路基于反射設計，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。

全球市場格局

目前，光刻膠單一產品市場規(guī)模與海外巨頭公司營收規(guī)模相比較小，光刻膠僅為大型材料廠商的子業(yè)務。但由于光刻膠技術門檻高，就某一光刻膠子行業(yè)而言，僅有少數幾家供應商有產品供應。

由于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(yè)占據，國內企業(yè)市場份額不足40%，高分辨率的KrF和ArF光刻膠，其核心技術基本被日本和美國企業(yè)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(yè)、Fujifilm，以及韓國東進等企業(yè)。

而細化到半導體用光刻膠市場，國內企業(yè)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(fā)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(fā)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(fā)中。

中國市場

據統計資料顯示，2017年中國光刻膠行業(yè)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(yè)的光刻膠產品目前還主要用于PCB領域，代表企業(yè)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(fā)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(yè)。預計G線正膠今后將占據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。

結語

光刻膠雖然在半導體材料領域里所占比重并不高，但因為與光刻工藝緊密相關，所以其重要性十分突出，對于我國半導體產業(yè)來說，是必須花大力氣發(fā)展下去的。

轉自：中科院微電子研究所

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