光刻膠解讀（上）

光刻膠又稱光致抗蝕劑，是一種對光敏感的混合液體。其組成部分包括：光引發(fā)劑(包括光增感劑、光致產(chǎn)酸劑)、光刻膠樹脂、單體、溶劑和其他助劑。光刻膠可以通過光化學反應(yīng)，經(jīng)曝光、顯影等光刻工序?qū)⑺枰奈⒓殘D形從光罩(掩模版)轉(zhuǎn)移到待加工基片上。依據(jù)使用場景，這里的待加工基片可以是集成電路材料，顯示面板材料或者印刷電路板。

據(jù)第三方機構(gòu)智研咨詢統(tǒng)計，2019年全球光刻膠市場規(guī)模預計近90億美元，自 2010年至今CAGR約5.4%。預計該市場未來3年仍將以年均5%的速度增長，至2022年全球光刻膠市場規(guī)模將超過100億美元。光刻膠按應(yīng)用領(lǐng)域分類，可分為 PCB 光刻膠、顯示面板光刻膠、半導體光刻膠及其他光刻膠。全球市場上不同種類光刻膠的市場結(jié)構(gòu)較為均衡，具體占比可以如下圖所示。

(全球光刻膠市場結(jié)構(gòu))

智研咨詢的數(shù)據(jù)還顯示，受益于半導體、顯示面板、PCB產(chǎn)業(yè)東移的趨勢，自 2011年至今，光刻膠中國本土供應(yīng)規(guī)模年增長率達到11%，高于全球平均 5%的增速。2019年中國光刻膠市場本土企業(yè)銷售規(guī)模約70億元，全球占比約10%，發(fā)展空間巨大。目前，中國本土光刻膠以PCB用光刻膠為主，平板顯示、半導體用光刻膠供應(yīng)量占比極低。中國本土光刻膠企業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)可以如圖所示。

(中國本土光刻膠企業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu))

光刻膠是半導體制程技術(shù)進步的“燃料”

在集成電路制造領(lǐng)域，如果說光刻機是推動制程技術(shù)進步的“引擎”，光刻膠就是這部“引擎”的“燃料”。下圖展示了光刻膠如何在一個NMOS三極管的制造工藝中發(fā)揮作用。NMOS三級管是半導體制程工藝中最常用的集成電路結(jié)構(gòu)之一。

(一種 NMOS 三極管集成電路結(jié)構(gòu)的制造過程)

在這樣一個典型例子中，步驟1中的綠色部分代表紅色部分多晶硅材料被涂上了一層光刻膠。在步驟2的光刻曝光過程中，黑色的掩膜遮擋范圍之外的光刻膠被都被光刻光源照射，發(fā)生了化學性質(zhì)的改變，在步驟3中表現(xiàn)為變成了墨綠色。在步驟4里，經(jīng)過顯影之后，紅色表征的多晶硅材料上方只有之前被光罩遮擋的地方留下了光刻膠材料。

于是，光罩(掩模版)上的圖形就被轉(zhuǎn)移到了多晶硅材料上，完成了“光刻”的過程。在此后的步驟5到步驟7里，基于“光刻”過程在多晶硅材料上留下的光刻膠圖形，“多晶硅層刻蝕”、“光刻膠清洗”和“N+離子注入”工藝共同完成了一個NMOS 三極管的構(gòu)造。

上圖步驟1中的光刻膠涂膠過程也是一種重要的半導體工藝。其目的就是在晶圓表面建立輕薄，均勻且沒有缺陷的光刻膠膜。一般來說，光刻膠膜厚度從0.5um到1.5um 不等，厚度的誤差需要在正負0.01um以內(nèi)。半導體光刻膠的涂敷方法主要是旋轉(zhuǎn)涂膠法，具體可以分為靜態(tài)旋轉(zhuǎn)法和動態(tài)噴灑法。

光刻膠材料制備壁壘高

光刻膠所屬的微電子化學品是電子行業(yè)與化工行業(yè)交叉的領(lǐng)域，是典型的技術(shù)密集行業(yè)。從事微電子化學品業(yè)務(wù)需要具備與電子產(chǎn)業(yè)前沿發(fā)展相匹配的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)，如混配技術(shù)、分離技術(shù)、純化技術(shù)以及與生產(chǎn)過程相配套的分析檢驗技術(shù)、環(huán)境處理與監(jiān)測技術(shù)等。同時，下游電子產(chǎn)業(yè)多樣化的使用場景要求微電子化學品生產(chǎn)企業(yè)有較強的配套能力，以及時研發(fā)和改進產(chǎn)品工藝來滿足客戶的個性化需求。

光刻膠的生產(chǎn)工藝主要過程是將感光材料、樹脂、溶劑等主要原料在恒溫恒濕 1000 級的黃光區(qū)潔凈房進行混合，在氮氣氣體保護下充分攪拌，使其充分混合形成均相液體，經(jīng)過多次過濾，并通過中間過程控制和檢驗，使其達到工藝技術(shù)和質(zhì)量要求，最后做產(chǎn)品檢驗，合格后在氮氣氣體保護下包裝、打標、入庫。整個工藝流程可以如下圖所示：

(光刻膠的生產(chǎn)工藝簡要流程)

光刻膠的技術(shù)壁壘包括配方技術(shù)，質(zhì)量控制技術(shù)和原材料技術(shù)。配方技術(shù)是光刻膠實現(xiàn)功能的核心，質(zhì)量控制技術(shù)能夠保證光刻膠性能的穩(wěn)定性而高品質(zhì)的原材料則是光刻膠性能的基礎(chǔ)。

配方技術(shù)：由于光刻膠的下游用戶是IC芯片和FPD面板制造商，不同的客戶會有不同的應(yīng)用需求，同一個客戶也有不同的光刻應(yīng)用需求。一般一塊半導體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。針對以上不同的應(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)。

質(zhì)量控制技術(shù)：由于用戶對光刻膠的穩(wěn)定性、一致性要求高，包括不同批次間的一致性，通常希望對感光靈敏度、膜厚的一致性保持在較高水平，因此，光刻膠生產(chǎn)商不僅僅要配臵齊全的測試儀器，還需要建立一套嚴格的QA體系以保證產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定。

原材料技術(shù)：光刻膠是一種經(jīng)過嚴格設(shè)計的復雜、精密的配方產(chǎn)品，由成膜劑、光敏劑、溶劑和添加劑等不同性質(zhì)的原料，通過不同的排列組合，經(jīng)過復雜、精密的加工工藝而制成。因此，光刻膠原材料的品質(zhì)對光刻膠的質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。對于半導體化學化學試劑的純度，國際半導體設(shè)備和材料組織(SEMI)制定了國際統(tǒng)一標準，如下表中所示。

(SEMI 超凈高純試劑標準)