当前位置： 股权生态圈 半导体光刻胶基础知识及国产化进展概览
光刻胶是一种对光敏感的混合液体，其能够最终靠光化学反应，经曝光、显影等光刻工序将所需要的微型图形从光罩（掩模版）转移到待加工基片上。光刻胶的性能决定了集成电路的集成度，进而决定了芯片的核心性能，其是IC制造工艺中最关键的耗材。制备光刻胶所用原材料的技术壁垒极高，原材料金属杂质需控制在5个ppb以下（十亿分之五，等同于一个泳池里不超过5滴水是杂质），与此同时，分子结构设计、化学合成一致性、配方工艺设计等原材料制备核心技术也仅被少数厂商拥有，因此导致全球光刻胶市场极度集中。QYResearch （恒州博智）预计全球半导体光刻胶市场2024年将同比增长7%，市场规模达到26亿美元，2024-2030年复合年增长率将接近8%。根据TrendBank（势银）的数据，2023年中国半导体光刻胶市场规模约为34亿元，同比下滑 13.98%。随着下游客户库存的持续改善和产能利用率逐步恢复，以及AI、智能汽车等应用的发展，预计 2024年中国半导体光刻胶市场有望恢复至38亿元，同比增长14.01%。
光刻技术的原理起源于印刷技术中的照相制版，即在一个平面上加工形成微图形，随着器件尺寸的不断缩小，光刻技术也从最初的接触式、接近式曝光发展到目前广泛使用的投影式曝光。
光刻工艺是半导体制造中的核心工艺步骤之一。最大的作用是将掩膜板上的图形转移到硅片上，为后续进行刻蚀或离子注入工序准备好。一般的光刻工艺要经历硅片表面清理洗涤并且烘干（前处理）、涂胶、软烘、对准曝光、后烘（PEB）、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。
作者调研了解到，光刻工艺在芯片制造中不仅是技术难度最高的步骤，也是成本占比最高的环节：其耗时占比40-50%，所以对质量控制的要求很严格，考虑到光刻机折旧，光刻工艺的成本占芯片制造成本的35%。其中，光刻胶的成本占芯片制造成本的5.4%。
光刻工艺中最为关键的两步为曝光和显影，光刻胶曝光后基片将被泡入显影溶液中进行显影，显影过程中，一类光刻胶被曝光过的区域溶解速度要快得多，而未曝光的区域溶解度保持不变，这类光刻胶为正性胶。与正胶相反，一类光刻胶在显影剂中未曝光的区域将被溶解，而曝光的区域将留下，这类光刻胶为负性胶，目前，光刻工艺中所采用的光刻胶绝大部分为正性胶。
当前，IC制造用光刻胶配方主要有以下成分：成膜树脂、光致产酸剂、其他添加剂（溶剂+助剂）。具体来看，成膜树脂占光刻胶内部的10%-40%,主要为惰性的化学聚合物，决定光刻胶的在硅片上的附着；光致产酸剂（PAG）为光刻胶的核心部分，其在光照后将改变成膜树脂在显影液中的溶剂度，占比在1%-6%；其他添加剂如溶剂（占50%-90%）、助剂（占比＜1%）将起到溶解、调节作用，改善了光刻胶的整体性能。
芯片工艺制程历经70年发展已实现μm级到nm级的突破，随着工艺制程的不断的提高对应的光刻胶产品也在逐渐升级迭代，根据芯片不同制程，光刻胶可依次分为G线、I线、KrF光刻胶、ArF光刻胶、EUV光刻胶。
G&I线光刻胶（光源波段：G线nm）也是型号最早的光刻胶产品。G线与I线光刻胶均使用线性酚醛作为树脂主体，重氮萘醌成分（DQN体系）作为感光剂，可以十倍或者更大的倍数降低光刻胶在显影液中的溶解速度。
G&I线nm)及其以上尺寸的集成电路制作，主要使用在在6/8英寸的晶圆上，同时应用于液晶平板显示等较大面积电子科技类产品的制作。2020年我国半导体光刻胶细分市场需求中，G&I线%。
作者调研了解到，G&I线%以下，国内出货量较大的厂商包括北京科华（上市公司彤程新材子公司）与苏州瑞红（上市公司晶瑞电材子公司）。
KrF光刻胶（光源波段：248nm）使用聚对羟基苯乙烯及其衍生物作为成膜树脂，使用磺酸碘鎓盐和硫鎓盐作为光致产酸剂；KrF光刻胶曝光后，曝光区域的光致酸剂（PAG）将会产生一种酸，这种酸在后热烘培工序间作为催化剂使得树脂在显影液中变得易于溶解。KrF光刻胶的曝光速递是G&I线倍，对深紫外光源拥有非常良好的光学敏感性，同时具有高对比度，对高分辨率等优点。
KrF光刻胶适用0.15um（150nm）-0.25um(200nm)及其以上尺寸的集成电路制作，主要使用在在8/12英寸的晶圆上。2020年我国半导体光刻胶细分市场需求中，KrF光刻胶的占比约为37%。
作者调研了解到，KrF光刻胶国产化率在5%以下，主要依赖从东京应化等日系厂家进口，国内量产出货的厂商主要是北京科华（上市公司彤程新材的子公司）。
ArF光刻胶（光源波段：193nm）多使用聚甲基丙烯酸酯衍生物，环烯烃-马来酸酐共聚物等作为成膜树脂，由于化学结构的缘故ArF光刻胶需要有比KrF光刻胶更加敏感的光产致酸剂。
ArF光刻胶为第四代光刻胶，对应芯片制程在7nm-0.13um（130nm）及其以上尺寸的集成电路制作，主要使用在在12英寸的晶圆上。ArF光刻胶在行业中属于高端光刻胶，下游应用基本属于高端芯片领域。2020年我国半导体光刻胶细分市场需求中，ArF线%。
作者调研了解到，ArF光刻胶整体国产化率在1%以下，基本上全部依赖于进口，国内只有上市公司南大光电能生产出样品并给下游客户送样。
EUV光刻胶（光源波段：13.5nm）属于尖端芯片制造化学材料，目前仅有日本东京应化、合成橡胶（JSR）、信越等3-4家厂商具备该项光刻胶的制备技术。EUV光刻胶对应市面最尖端的极紫外（EUV）光刻机，我国由于EUV光刻机受到美国禁运（2018年中芯国际下单的机台仍未到货），所以暂未开展EUV光刻胶的研发工作。
EUV光刻胶主要是针对7nm及其以下超高制程芯片的生产，技术壁垒极高，EUV光刻胶下游应用包括5G技术、人工智能等尖端领域。IPhone 14 Pro搭载的A16仿生芯片就是由台积电4nm的EUV产线生产。
一是半导体光刻胶制备对原材料的技术方面的要求极高,以成膜树脂、产酸剂为例，其在金属杂质、晶杂质点、稳定性上要求极高，国内鲜有公司能供。究其原因主要在于有机化学在最终化学品的合成上存在极大的不确定性，需要运用先进的设计手段、工艺设备水平来确保合成化学品的一致性与优良性能。举例说明，半导体光刻胶所用树脂单体的金属杂质要求在1ppb（十亿分之一），而面板所用树脂单体对该指标的要求是100ppb。
二是半导体光刻工业是芯片制造的核心工艺，会影响后续其他工艺。晶圆厂每一批次25片只抽检2片，如果光刻胶出问题，后续会导致严重的连锁反应，台积电历史上出现过几万片晶圆报废的事件，每一片14nm制程晶圆的成本约为7,000美元。新的光刻胶的测试不仅需要晶圆厂的同意，也需要芯片设计客户的同意。举例说明，中芯国际想测试新的光刻胶需要作为客户的华为同意，但华为希望其他公司先尝试，其他公司则希望华为先试用，所以半导体光刻胶新供应商的验证常常要2-3年。
根据SEMI对全球光刻胶市场的测算：2015年全球半导体光刻胶（不含EUV光刻胶）约有13亿美元的市场规模，至2020年，该市场规模已经增长到约21亿美元，且2019年至2020年增速超20%。
EUV光刻胶现阶段用量较少，2021年用量不超过0.5亿美元，预计到2025年将接近2亿美元。
国内来看，半导体光刻胶市场规模在2015年约为1.3亿美元，2020年，中国半导体光刻胶市场整体已经增长至约3.5亿美元，且2019年至2020年中国市场的增速约为40%，远超全球光刻胶市场的增速。
市场占比格局来看，15-20年，先进制程的逐步普及大大拉动了以KrF光刻胶、ArF光刻胶、EUV光刻胶为代表的高尖端光刻胶产品份额。根据IC Insights测算，2024年20nm以下制程占比将达50%（其中10nm以下制程占比接近30%），高端光刻胶市场将进一步得到释放。
就行业趋势而言，总体上全球半导体行业还在有序扩张，且从更长期范围来看半导体市场尚处于婴儿期，在此大背景下行业内的投资仍在不断加速，未来市场规模提升的确定性仍然显著。
高德纳咨询2020年发布的预测分析显示，全球半导体市场规模到2026年将增长26.3%，其中10%的增长来自于包括汽车、智能手机、数据中心等终端智能设备的需求推动，作为芯片制备最重要的原材料光刻胶也将势必跟随行业休戚与共，一同发展。
国内市场来看，光刻胶领域主要玩家包括：晶瑞电材、南大光电、上海新阳、北京科华、徐州博康等企业，国内目前在低端的G&I线光刻胶里实现量产，中高端的KrF、ArF光刻胶还在逐步研发中，大部分尚在量产认证，目前国内还没有能力研发实验室阶段最高端的EUV光刻胶。
晶瑞电材的全资子公司苏州瑞红是国内半导体光刻胶龙头，拥有紫外宽谱系列光刻胶、g线系列光刻胶、i线系列光刻胶等近百种型号光刻胶量产供应市场。在DUV高端光刻胶方面，已有多款KrF光刻胶量产，ArF光刻胶多款产品已向客户送样。
技术突破：（1）KrF光刻胶已通过国内头部芯片制造商的量产验证。（2）ArF光刻胶（适用于7nm-28nm）完成客户导入测试，商业化进度领先国内同行。
客户合作：与中芯国际共建“光刻胶联合实验室”，实现缺陷率实时反馈优化（迭代速度快于同行30%）。
业绩情况：根据上市公司公告，2024上半年苏州瑞红实现营业收入1.41亿元，净利润987万元。
作者调研了解到，苏州瑞红起步时间较早，拥有紫外宽谱、g线、i线、KrF、ArF全系列光刻机以及配套测试实验设备，研发团队经验比较丰富且人员充足。紫外宽谱系列光刻胶多年来稳居国内市占率第一；i线光刻胶系列新产品在完成国家重大科学技术项目02专项项目后规模化向中芯国际、长鑫存储、华虹半导体、晶合集成等国内知名半导体企业供货；在DUV光刻胶方面和中国石化集团全面合作，多款KrF光刻胶已量产出货；ArF高端光刻胶研发工作加速进行中，多款产品已向客户送样并开展验证。
南大光电是国内ArF光刻胶领先的公司，公司立项的国家重大科学技术02专项《高分辨率光刻胶与先进封装光刻胶产品关键研发技术》和《ArF光刻胶产品的开发和产业化》项目均已经通过验收。2020年，南大光电自主研发的ArF光刻胶产品成功通过客户50nm闪存中的控制栅认证。根据认证评估报告，南大光电的ArF光刻胶产品测试各项性能满足工艺规格要求，良率结果达标，公司成为通过产品验证的第一家国产ArF光刻胶企业，目前公司ArF设计产能25吨。
产能进展：（1）宁波基地（主力产线nm制程），满载运行，供应中芯国际/华虹集团。（2）衢州基地（混合产线nm + ArF混合产线投产，聚焦CIS/功率器件市场。（3）南通基地（研发试验线nm以下制程），实验级。
技术突破：（1）ArF光刻胶突破：193nm ArF光刻胶通过中芯国际14nm制程全流程验证，2025年Q2起订单交付。（2）EUV里程碑：首款EUV光刻胶（13.5nm）完成实验室配方定型，进入客户送样前测试阶段。
客户合作：（1）14nm逻辑芯片：通过中芯国际FINFET工艺全流程验证（2024年Q4），良率对标信越化学差距缩至5%以内。（2）存储芯片适配：长江存储128层3D NAND用KrF胶缺陷率降至0.03/㎡，达行业一线/㎡）。
业绩情况：根据上市公司公告，2024上半年南大光电（含光刻胶业务）实现营业收入11.22亿元，净利润2.38亿元。
作者调研了解到，南大光电光刻胶业务由子公司宁波南大光电承接，南大自身投资3亿元，国家补贴6亿元，国家大基金投资1.8亿元，南大光电是国内为数不多有着先进ArF浸润式光刻机的厂商，公司着重发展ArF光刻胶产品，目前专注于突破ArF光刻胶的湿法制备技术。
上海新阳主打KrF和ArF光刻胶，相关产线定增预案，公司拟定增募资不超过14.50亿元，其中8.15亿元拟投资于集成电路制造用高端光刻胶研发、产业化项目，主要目标为实现ArF干法工艺使用的光刻胶和面向3DNAND台阶刻蚀的KrF厚膜光刻胶的产业化，上述产品预计在2023年批产。
产能进展：（1）宁波基地（主力产线吨/年） + ArF 193nm（450吨/年），2024年Q4完成14nm工艺验证，良率突破85%（目标2025年Q2量产）。（2）合肥基地（EUV试验线吨/年。
业绩情况：根据上市公司公告，2024上半年上海新阳半导体业务（含光刻胶业务）实现营业收入4.63亿元，同比增长36.44%。
作者调研了解到，上海新阳的KrF光刻胶和干法制备ArF光刻胶仍处于中试阶段。新阳的优点是资金实力强，已经购买了生产KrF光刻胶的生产设备，还有别的产品的销售已经建立良好的客户关系，公司生产的光刻后续工艺PVD/CMP所需的研磨液商品市场反响较好。
作者调研了解到，北京科华是国内销售额最高的半导体光刻胶公司，之前与美国杜邦合作光刻胶原材料树脂的开发。I线光刻胶已经获得华虹半导体、合肥长鑫的订单。2024年上半年公司已导入多款高分辨KrF、ArF光刻胶(含干式和浸润式)和BARC底部抗反射涂层等产品在客户端验证，并陆续通过客户产品认证，其中ArF光刻胶已开始形成销售。
作者调研了解到，徐州博康的优势是产业链比较完整，也是华为投资的根本原因。公司过去为日本合成橡胶（JSR）提供代工服务，由JSR提供化学式。目前公司有3款KrF光刻胶产品处于客户早期验证阶段，潜在客户包括上海华力和中芯北方。
光刻胶作为半导体制造环节中的关键材料，国内经过多年的发展已有突破性进展。在国家出台相关利好政策的背景下，中国光刻胶制造商在光刻胶研发技术上积极性革新，当前中国光刻胶的研发技术水平逐渐提高，在制造工艺技术和配方工艺领域积累了丰富经验，中国光刻胶行业正加速发展。未来，随着中国光刻胶企业对光刻胶的研发投入持续上升，光刻胶企业的技术水平将逐步的提升，中国有望打破国外企业在光刻胶市场的垄断格局，国产光刻胶有望迎来发展新机遇。