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光刻胶的分类和技术趋势

2021年1月3日，华懋科技（603306.SH）发布旗下产业基金东阳凯阳科技创新发展合伙企业（有限合伙）（以下简称“东阳凯阳”）对外投资公告称，东阳凯阳于2020年12月30日，与傅志伟、上海博康、徐州博康签署了《投资协议》及其附属文件 。
华懋科技通过东阳凯阳对徐州博康进行投资，将切入半导体关键材料光刻胶领域 。此次交易分为首次增资、转股权以及追加投资权三个部分 。
具体来看，东阳凯阳出资3000万元人民币向徐州博康增资，增资完成后将持有徐州博康1.186%股权；东阳凯阳向标的公司实控人傅志伟提供共计人民币5.5亿元的可转股借款，东阳凯阳获得无条件的转股权，有权（但无义务）按照协议约定的条件，向傅志伟购买其持有的徐州博康股权；东阳凯阳在行使转股权的同时，有权（但无义务）按股权转让协议约定的条件，以2.2亿元的投资款受让傅志伟持有的徐州博康股权 。
徐州博康全称为徐州博康信息化学品有限公司，成立于2010年，实控人为傅志伟 。公司主要从事光刻材料领域中的中高端化学品的研发、生产、销售 。目前主要产品包括高端光刻单体、树脂系列产品，光刻胶系列产品、添加剂及电子级溶剂、医药中间体等，是国内领先的电子化学品高新技术企业 。
【光刻胶的分类和技术趋势】光刻胶是微电子技术中微细图形加工的关键材料之一，特别是近年来大规模和超大规模集成电路的发展，更是大大促进了光刻胶的研究开发和应用 。光刻胶已经成为半导体领域的关键材料之一 。我国自主的光刻胶产业发展，也是我国芯片产业自强打破国外垄断征程上的重要一环 。目的费用对净利润造成的影响）孰低的原则计算 。
什么是光刻胶？
光刻胶也叫光阻或光阻剂，顾名思义，是用来挡光的，它是一种对光敏感的物质，通过特定光源（如紫外光、离子束等）照射，会发生局部溶解度的变化 。光刻胶分为负性胶和正性胶，光照过后变得不可溶的是负胶，反之叫正胶，正胶相对普及一些 。
鉴于光刻胶的这种特性，可以用来在纳米级的芯片上蚀刻线路图 。我们可以在硅晶圆片上布置一层仅几纳米厚的金属层，然后在上面涂一层光刻胶 。然后我们可以用光把掩膜板，也就是类似“底片”上的电路图，照射到光刻胶上，让需要蚀刻的部位受光，需要保留的部位不受光，这就是所谓的“光刻”工艺 。
接着，用显影液把受光的区域洗掉，掩膜板上设计好的线路图就这么“复制”到硅晶圆片上了 。那些暴露出来的金属层就可以继续用来加工处理，而未溶解的光刻胶则保护其他部分不受影响 。
所以，要把纳米级的精细电路图“画”到硅片上，就离不开光刻工艺，更离不开光刻胶材料 。光刻工艺耗费的成本占总成本的35%，和硅片本身的成本比例（38%）差不多，耗费的时间更是达到总工艺的一半，是半导体生产的最关键环节 。
光刻胶的分类和技术趋势
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其中，光刻胶及其辅助材料耗费的成本占比并不高，分别是5%和7%，但其中的关键性、重要性，不能用材料价值来衡量 。其技术难点在于精密度，比如在晶圆片上涂胶时，误差不能超过0.01微米（约10纳米），胶体每升含有的金属杂质必须少于0.1微克，颗粒个数更是几乎不能有 。
而且光刻胶的研究需要昂贵的曝光机，光刻过程需要光刻机等设备，荷兰ASML光刻机一台高达1亿美元，1年仅能制作20几台 。光刻胶的分类和技术趋势光刻胶的分类很多，按照显示效果，可分为前面提到的正性和负性光刻胶；按照化学结构分类，可分为光聚合型、光分解型、光交联型和化学放大型 。
但笔者认为，比较重要的是按曝光波长分类，因为这体现了加工的分辨率，也反映出未来光刻胶的技术趋势 。按照曝光波长分类，可分为：紫外光刻胶（300~450nm）深紫外光刻胶（160~280nm）极紫外光刻胶（EUV，13.5nm）电子束光刻胶离子束光刻胶X射线光刻胶通常来说，波长越短，加工分辨率越佳，所以随着芯片制程工艺的不断进步，对光刻胶分辨率的要求也越来越高，从微米级到现在纳米级的蚀刻，甚至将来可能到原子级的蚀刻 。
总体上，光刻胶的技术发展趋势是波长越来越短 。因此，我们可以对光刻胶的分类做个总结 。
光刻胶的分类和技术趋势
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从上图可以看出，光刻胶的三大应用场景是PCB、面板和半导体 。用于PCB、显示面板的光刻胶，分辨率要求并不高，紫外全谱即可搞定 。“卡脖子”的地方在半导体领域，g线、i线光刻胶用于350纳米以上的波长，属于紫外光刻胶；ArF、KrF光刻胶用于22-150纳米波长；22纳米以下要用到EUV，属于极紫外光刻胶 。
以上的g线、i线、ArF、KrF等，是光刻胶不同产品类型的名称，无需对名称意义做过多深究，只需记住它们的名字，即可对照各企业的产品线，了解它们的技术水平 。接下来重点讲一下半导体领域要用到的光刻胶产品类型 。
（1）g线、i线光刻胶g线、i线光刻胶诞生于20世纪80年代，由近代德国科学家约瑟夫·弗劳恩霍夫命名 。
当时的半导体制程还不那么先进，主流工艺在800-1200纳米之间，波长436纳米的光刻光源即够用 。到了90年代，制程进步到350-500纳米，相应地要用到更短的波长，即365纳米的光源 。
刚好，436纳米和365纳米分别是高压汞灯中能量最高、波长最短的两个谱线，而高压汞灯的技术已经成熟 。
所以，用于500纳米以上尺寸半导体工艺的g线，以及用于350-500纳米之间工艺的i线光刻胶，被广泛应用，因为分辨率要求不高，这两种光刻胶都可用于6寸晶圆片，以及平板显示等较大面积的电子产品的制作 。
因为i线光刻胶还可以用于8寸晶圆片，所以目前市场需求依然旺盛 。
（2）ArF、KrF光刻胶到了90年代末，半导体制程工艺发展到350纳米以下，g线和i线光刻胶已经无法满足这样的需求，于是出现了适用于248纳米波长光源的KrF光刻胶，和193纳米波长光源的ArF光刻胶 。
它们都属于深紫外光刻胶，和g线、i线有质的区别 。随后的20年里，ArF光刻胶一直是半导体制程领域性能最可靠，使用最广泛的光刻光源 。在21世纪以后，在浸没光刻、多重光刻等新技术的辅助下，ArF光刻系统突破了此前65nm分辨率的瓶颈，在45nm到10nm之间的半导体制程工艺中，ArF光刻技术仍然得到了最广泛的应用 。
目前，境外晶圆厂主流工艺是14纳米，中国大陆晶圆代工龙头中芯国际的制程是28纳米，虽然三星和台积电已有10纳米以下工艺技术，但尚未大规模应用 。
因为可以面向当前主流的制程工艺，可用于8寸和12寸晶圆片，ArF光刻胶是市场需求的主流，占比约45% 。KrF则多用于8寸晶圆片 。
（3）EUV也就是极紫外光刻胶，使用波长为13.5纳米的紫外光，可以用于10纳米以下的先进制程，但目前EUV光刻机只有荷兰ASML能制造 。
在当下这个2020年，正处于EUV光刻技术诞生，已经流行20年之久的KrF、ArF光刻胶即将面临技术变革的时期 。当前，富士胶片、信越化学、住友化学3家日本龙头公司合计申请了EUV光刻胶80%以上的专利，其中，JSR和东京TOK有向市场供货的能力 。
市场规模及未来前景2019年全球光刻胶市场规模预计近90亿美元，自2010年至今CAGR约5.4% 。预计该市场未来3年仍将以年均5%的速度增长，至2022年全球光刻胶市场规模将超过100亿美元 。
其中，按下游用途不同，可分为面板光刻胶、PCB光刻胶、半导体光刻胶和其他光刻胶，这4种分类的市场占比几乎相同，平分各约25%的市场份额 。
从中国大陆的角度看，本土光刻胶供应规模年化增长率11%，高于全球平均5%的增速 。2019年中国光刻胶市场本土企业销售规模约70亿元，全球占比约10%，但仍然以低端的PCB光刻胶为主（占比94%），平板显示、半导体用光刻胶占比极低（分别是3%、2%），供给需求失衡严重 。
在以下3种动力的驱使下，光刻胶还会继续保持高速增长：市场因素：5G、新能源汽车等新兴产业本身的需求拉动 。政治因素：国产替代势在必行 。产业链因素：晶圆制造产能持续向中国大陆转移，目前中国大陆是仅次于中国台湾、韩国的第三大生产基地，但增长率远超前两者 。
在以上3种力量的叠加下，国内光刻胶市场规模将于2020年达到176亿元，增速在10-15% 。
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责任编辑：lq
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