一文看懂：光刻膠的創(chuàng)新應(yīng)用與國產(chǎn)替代機(jī)會

引言

光刻膠又稱“光致抗蝕劑”或“光阻劑”，被廣泛應(yīng)用于光電信息產(chǎn)業(yè)的微細(xì)圖形線路的加工制作，是微納制造技術(shù)的關(guān)鍵性材料。

光刻膠是光刻工藝最重要的耗材，其性能決定了加工成品的精密程度和良品率，而光刻工藝又是精密電子元器件制造的關(guān)鍵流程，這使得光刻膠在整個電子元器件加工產(chǎn)業(yè)，都有著至關(guān)重要的地位。

本文簡要介紹幾種代表性光刻膠的成分和機(jī)理，重點是光刻膠的新技術(shù)應(yīng)用，以及國產(chǎn)化機(jī)會。

光刻膠主要成分

光刻膠的基本原理是作為光刻成像的承載介質(zhì)，利用光化學(xué)反應(yīng)將光刻系統(tǒng)中經(jīng)過衍射、濾波后的光信息轉(zhuǎn)化為化學(xué)能量，從而把微細(xì)圖形從掩模版轉(zhuǎn)移到待加工基片上。

光刻膠由樹脂、感光劑、溶劑、添加劑等成分類別組成，其中樹脂和感光劑是最核心的部分。

樹脂（高分子聚合物）：在光照下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，主要作用是保證光刻膠薄膜的附著性和抗腐蝕性，也決定了一些其他特性如膜厚、彈性、熱穩(wěn)定性等。

感光劑：受特定波長光照后在曝光區(qū)發(fā)生光固化反應(yīng)，使得材料的物理特性，尤其是溶解性發(fā)生顯著變化。

溶劑：為了方便涂覆，要將溶質(zhì)加入溶劑進(jìn)行溶解，形成液態(tài)物質(zhì)。

添加劑：用以改變光刻膠的某些特性，如為改善發(fā)生反射而添加染色劑等。

其它：個別光刻膠類別會因為需要膠體本身實現(xiàn)專用功能，會帶有功能成分。

▲ 光刻膠成分（來源：信達(dá)證券研報）

光刻膠應(yīng)用分類

光刻膠按照下游應(yīng)用領(lǐng)域劃分，主要可分為PCB、面板、半導(dǎo)體及其他類別光刻膠，每一類光刻膠又有各自細(xì)分品類。因光刻材料的研發(fā)難度極高，達(dá)到量產(chǎn)使用水平需要大量的研發(fā)投入。目前，除PCB外產(chǎn)業(yè)外，其他類別的光刻膠國產(chǎn)化率均低于10%，整體嚴(yán)重依賴進(jìn)口，其中半導(dǎo)體光刻膠技術(shù)門檻最高，按照光源波長的從大到小，可分為紫外寬譜（300-450nm)、g線（436nm)、i線（365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)、EUV(13.5nm）等主要品類，每一種品類的組分、適用的產(chǎn)業(yè)和制程技術(shù)節(jié)點也不盡相同。

▲ 光刻膠分類

以下介紹幾種代表性光刻膠的細(xì)分品類：

干膜及阻焊

干膜主要是PCB行業(yè)使用的光刻膠類別，在電路板和軟板電路的加工過程中起主要作用。干膜基本都是負(fù)膠（Negative）類型，施工方式主要為熱壓，成分以丙烯酸樹脂為主。

下圖為干膜的主體高分子結(jié)構(gòu)和相關(guān)光刻反應(yīng)機(jī)理。感光劑通過UV引發(fā)的雙鍵聚合反應(yīng)使高分子膜層產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使膜層在顯影液中產(chǎn)生不同的反應(yīng)表現(xiàn)。

▲ 干膜光刻膠樹脂及反應(yīng)機(jī)理

g線/i線

這一類光刻膠常用于微米及以下的光刻工藝，高分子結(jié)構(gòu)主要是酚醛樹脂，具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性及耐酸堿性。感光劑主要是重氮萘醌磺酸鹽（DNQ）為主，根據(jù)不同的波長，有不同的改性結(jié)構(gòu)。DNQ的化學(xué)特性是經(jīng)固定波長的UV光輻照后會產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，因此也稱為光致產(chǎn)酸劑（PAG）。由這樣的反應(yīng)機(jī)理我們可以發(fā)現(xiàn)，這一類光刻膠主要是正膠（Postive）。

▲ 酚醛樹脂和DNQ感光劑

KrF（248nm）

隨著光刻分辨率進(jìn)一步提升，光源的波長更短，原有的光刻膠成分已經(jīng)不適用于新的光源波長范圍，因此，業(yè)內(nèi)開發(fā)了新的光刻反應(yīng)路徑。這一反應(yīng)過程中，光致產(chǎn)酸劑（PAG）主要為硫鎓鹽類的強(qiáng)酸產(chǎn)生劑，配合主樹脂的PHS和PHS-t-BOC的共聚結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高分辨的光刻效果。

圖： PHS共聚物及光刻反應(yīng)機(jī)理

ArF（193nm

這一類光刻膠的光刻反應(yīng)原理和248nm光刻膠基本一致，但成分區(qū)別較大，為了和UV光波長較好的匹配，高分子主要選用丙烯樹脂。

▲ 193nm光刻膠反應(yīng)機(jī)理

功能化光刻膠

常見的光刻膠作為“光致抗蝕劑”起到在后期電路加工過程的蝕刻保護(hù)作用，在電路加工結(jié)束后，光刻膠將被剝離，不會保留在產(chǎn)品上?！肮δ芑饪棠z”是一個較特殊的類別，顧名思義是光刻膠本身帶有一定的功能性，如光學(xué)功能、光電功能、導(dǎo)電或?qū)峁δ艿?。另外，與常見的光刻膠不同的是，這一類膠體需要保留在產(chǎn)品上，成為產(chǎn)品的一個組成部分。

功能成分添加到光刻膠之中，不是一個簡單的“1+1=2”的過程，化學(xué)成分之間的相互制約和影響往往是需要重新設(shè)計材料的構(gòu)成框架和反應(yīng)機(jī)理，這會造本就不簡單的光刻膠材料體系，變得更加復(fù)雜。

以上這些特性，也使功能化光刻膠天然具有極高的技術(shù)壁壘。這一類別的光刻膠商用化較多的包括幾大類，比如，顯示面板用彩色光刻膠、BM黑色光阻、感光型電子漿料、量子點光刻膠等。

RGB彩膠/BM

這一類別的光刻膠是用于量產(chǎn)TFT-LCD的彩色濾光片（CF）的一套光刻膠組合，包括紅綠藍(lán)三原色及黑色光阻，起到過濾顏色及遮擋光線的作用。也是以BOE、華星光電為代表的面板企業(yè)的必備物料之一。

▲ 彩色濾光片

從成分上看，這一類別的光刻膠除了光刻膠本身的樹脂感光劑等成分外，還有專門為了顯色而添加的不同顏色的色漿填料。這也為膠體材料研發(fā)增加了不少的難度。

量子點光刻膠QDPR

量子點顯示技術(shù)作為顯示面板產(chǎn)業(yè)的新興技術(shù)之一，也是各大面板企業(yè)深入研究的方向。目前QDPR是量子點材料應(yīng)用的一個比較好的方法，這一類別的光刻膠，是在光刻膠體系內(nèi)引入光致發(fā)光特性，混入量子點材料制成的。主要是為了解決量子點顯示的工藝技術(shù)瓶頸。
這一方案是量子點像素圖案化應(yīng)用的重要途徑，通過采用高精度廣泛使用的光刻技術(shù)，將紅、綠量子點結(jié)合光刻膠，制備成高分辨率圖案化的光轉(zhuǎn)換像素薄膜層，再耦合藍(lán)光LED微芯片或是藍(lán)光OLED像素陣列。

▲ 量子點顯示材料與器件

感光型漿料（photosensitive paste）

相比與前面兩類與光學(xué)及光電相關(guān)的光刻材料，感光型電子漿料（以“感光銀漿”為代表）則是一個獨(dú)立的功能化光刻膠類別，主要是為了實現(xiàn)高精度電路的量產(chǎn)化和無源器件小型化等工作。近年來村田制作所（Murata）及順絡(luò)電子等無源器件龍頭企業(yè)，在大范圍進(jìn)行這一工藝技術(shù)的商用化，村田稱之為“Thick Flim lithography”中文譯為“厚膜光刻”或“厚膜光蝕”，也有人稱之為“Photoimageable Thick Film technology，PITF”。

與前面兩類膠體不同，感光型漿料引入的是導(dǎo)電納米材料等有電子功能的填料，大大縮減了光刻電路的生產(chǎn)和制造流程，提升了工藝可控度。目前，了解到這一類別主要是用于無源器件量產(chǎn)化過程，也是目前無源器件產(chǎn)業(yè)大范圍推動的最新技術(shù)，可以實現(xiàn)30um以下的超細(xì)線路量產(chǎn)化。目前，這一類別的功能型光刻膠材料也是處于國外壟斷狀態(tài)，國內(nèi)器件商在生產(chǎn)過程中需要大量進(jìn)口，屬于無源器件產(chǎn)業(yè)的“卡脖子”材料之一。

高深寬比光刻膠SU-8

SU-8是環(huán)氧樹脂的一種，其特性是高透光性，因此，用來制造超過深寬比（深寬比大于1）圖形化結(jié)構(gòu)，常用于MEMS加工，在近年來開始大面積產(chǎn)業(yè)化的納米壓印工藝中，SU-8也是重要材料。

▲ SU-8制備的微結(jié)構(gòu)和MEMS器件

關(guān)于光刻膠國產(chǎn)化的問題

光刻膠是電子化學(xué)品中技術(shù)壁壘最高的材料，具有純度要求高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)及檢測等設(shè)備投資大、技術(shù)積累期長等特征。全球市場基本被日本、美國、臺灣等國家與地區(qū)的幾家大型企業(yè)所壟斷，如日本合成橡膠（JSR）、東京應(yīng)化（TOK）、住友化學(xué)、美國杜邦、臺灣長興等，市場集中度非常高。

目前我國對高端光刻膠產(chǎn)品的進(jìn)口依賴度較高，而在政府的大力支持下，我國光刻膠內(nèi)資企業(yè)不斷加大研發(fā)投入，但是行業(yè)發(fā)展需要克服以下問題：

1、硬件問題：在光刻膠的研發(fā)階段，企業(yè)需要利用光刻機(jī)等整套裝備來驗證產(chǎn)品以及配套化學(xué)試劑性能。在量產(chǎn)過程中，也需要通過光刻機(jī)等作為檢測設(shè)備，實現(xiàn)穩(wěn)定的品控。

2、供應(yīng)鏈問題：國內(nèi)也不只是無法生產(chǎn)光刻膠，樹脂、單體等上游核心原材料的國產(chǎn)化率也并不高。光刻膠的上游原材料端集中度同樣很高，相關(guān)技術(shù)長期被少數(shù)幾家企業(yè)掌控。以電子級酚醛樹脂為例，由于量產(chǎn)的需求，在生產(chǎn)樹脂中需要保證不同批次的高分子樹脂的分子量分布和性能基本一致，導(dǎo)致成膜樹脂的合成難度驚人，主導(dǎo)地位由日韓化工企業(yè)把持。

3、市場結(jié)構(gòu)：在技術(shù)發(fā)展以及加速升級的驅(qū)動下，當(dāng)前光刻膠下游的終端應(yīng)用產(chǎn)品，表現(xiàn)出了趨向定制化和多樣化的特征：下游不同客戶的需求差異明顯，即使同一客戶的不同應(yīng)用需求也不一致。這就導(dǎo)致光刻膠的整體生產(chǎn)缺乏統(tǒng)一的工藝，每一類光刻膠使用的原料在化學(xué)結(jié)構(gòu)、性能上均有所區(qū)別。這就迫使制造商需要有能力設(shè)計出符合不同需求設(shè)計不同分子架構(gòu)和配方，并有相應(yīng)的生產(chǎn)工藝完成生產(chǎn)。這屬于行業(yè)的核心技術(shù)之一，對企業(yè)的技術(shù)能力要求比較高，目前本土企業(yè)極度欠缺。

4、商務(wù)門檻：前期的高額研發(fā)投入只是敲門磚，光刻膠還要面對漫長的客戶驗證周期。由于光刻膠的功能性和質(zhì)量對下游電子元器件的產(chǎn)品質(zhì)量有著極為直接的影響，任何質(zhì)量問題都有可能給下游企業(yè)造成極其嚴(yán)重的損失。例如在2019年，臺積電就曾因光阻（臺灣地區(qū)對光刻膠的稱呼）原料污染導(dǎo)致上萬片12英寸晶圓報廢，直接損失達(dá)5.5億美元。
所以下游客戶，對光刻膠此類專用化學(xué)品的采購非常謹(jǐn)慎，這就帶來了漫長的認(rèn)證流程。數(shù)據(jù)顯示，即使是面板光刻膠這樣相對低端的產(chǎn)品，驗證周期往往也要有1~2年，而關(guān)鍵的半導(dǎo)體光刻膠更是需要2~3年，這也帶來了下游企業(yè)更換供應(yīng)商的動機(jī)很弱，上下游深度綁定的現(xiàn)象。同時由于光刻膠自身高度多樣化的產(chǎn)品特征，不同客戶的測試要求與驗證流程也不一致，帶來了更為復(fù)雜的不確定性。

5、自身風(fēng)險：作為高精尖行業(yè)，永遠(yuǎn)都要面臨一個最基本的風(fēng)險，就是研發(fā)失敗。如光刻膠般的尖端材料產(chǎn)品的研發(fā)工作，成功率并不是100%，大筆資金投入有去無回，項目未能取得預(yù)期成果都是再正常不過的事。極高的失敗率及高昂的機(jī)會成本也造成了大范圍的勸退效應(yīng)。

小結(jié)

光刻膠是電子化學(xué)品中技術(shù)壁壘最高的材料，屬于資本技術(shù)雙密集型產(chǎn)業(yè)。行業(yè)具有市場整體規(guī)模較小、行業(yè)高度壟斷、上游產(chǎn)品為高度特化的專用產(chǎn)品，應(yīng)用面狹窄、技術(shù)門檻高、研發(fā)成本高、失敗風(fēng)險高、投資回收周期長等特征，因此勸退了很多研發(fā)者和投資者，國內(nèi)的光刻膠從業(yè)者少之又少。

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)朝著微型化、集成化、輕量化、定制化方向發(fā)展，納米壓印、微納3D打印等新型微納制造工藝得以應(yīng)用發(fā)展，對光刻膠材料產(chǎn)生了新的技術(shù)需求，這不乏是光刻膠領(lǐng)域的后來者彎道超車的機(jī)會。前途是光明的，道路是曲折的。雖然光刻膠行業(yè)存在諸多困難，但是隨著我國科研實力的快速發(fā)展，半導(dǎo)體市場快速擴(kuò)張，光刻膠行業(yè)還有新的機(jī)會，國產(chǎn)替代也還有機(jī)會。