百亿级市场规模：半导体材料之光刻胶行业研究
百亿级市场规模：半导体材料之光刻胶行业研究
光刻胶是半导体制造中的关键材料，其技术含量高、附加值大，是继大硅片、电子气体之后第三大IC制造材料。随着全球各大晶圆厂不断进行先进制程的产能扩张，ArF光刻胶将成为芯片制造中需要重点攻克的“卡脖子”材料。本文将围绕半导体光刻胶展开论述，分析其技术难点、市场现状、产业链分析以及竞争格局等多方面信息。
半导体材料贯穿了半导体生产的整个流程。按照应用环节半导体材料可以分为制造材料与封测材料。其中，晶圆制造材料主要包括硅片、特种气体、掩膜版、光刻胶及配套材料、湿电子化学品、靶材、CMP抛光液&抛光垫等；封装材料主要包括封装基板、引线框架、键合丝、包封材料、陶瓷基板、芯片粘接材料等。
光刻胶及其配套化学品是重要的半导体材料，在芯片制造材料成本中的占比高达12%，是继大硅片、电子气体之后第三大IC制造材料，且具有较高的盈利能力（据传某光刻胶项目的毛利率和净利率分别有望达到55%以上和40%以上）。
光刻胶按照用途可以分为半导体用光刻胶、面板显示光刻胶和PCB光刻胶；从国产化率来看，我国基本实现了PCB用光刻胶的国产替代，半导体光刻胶及面板光刻胶国产替代空间广阔，且附加值更高。半导体光刻胶在三者中属于技术难度最高的细分市场，高档光刻胶的保质期通常只有6个月左右甚至更短，这意味着存在巨大的市场需求。因此本文将主要围绕半导体光刻胶展开论述。
不同品类半导体用光刻胶应用于不同制程节点。光刻胶根据对应波长，主要品类分为紫外光谱（300-450nm）、g-line（436nm）、i-line（365nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm）和 EUV（13.5nm）。
出货量EUV光刻胶CAGR增速最快（2020-2025年CAGR中，EUV光刻胶增速最高为51.8%），KrF、ArF保持高增速。以KrF光刻胶和ArF光刻胶为代表的高端光刻胶是目前国际上使用量最高的半导体光刻胶，二者合计占比超60%，国产化率均不足5%。面向45nm以下制程工艺的ArF浸没光刻胶在国际上是主流，商业化的国产替代率为0。
ArF（193nm）光源对应曝光的是ArF光刻胶，而集成电路工艺在从90nm节点拓展到7nm节点的过程中，几乎都采用ArF工艺做为关键层工艺，以满足其对于分辨率及套刻精度的要求。
根据光刻条件下使用的折射介质的不同，ArF光刻胶可分为干法光刻胶与湿法（浸没式）光刻胶。根据刻画图案的不同，干法及湿法光刻胶可以进一步细分为Line/Space（简称L/S），CT/Hole（简称C/H）两个种类。目前，国内ArF光刻胶还处于开发或者客户试用阶段。
ArF光刻胶的研发和生产是一条艰难的道路，从研发成功到能够稳定量产供应，主要有以下4大难点：
随着全球各大晶圆厂不断进行先进制程的产能扩张，国内逻辑芯片核心制造商向14nm乃至7nm的工艺进发，ArF光刻胶将成为芯片制造中需要重点攻克的“卡脖子”材料。
KrF光刻胶就是运用KrF（248nm）曝光光源时所需要的光刻胶。KrF光刻胶主要应用于0.13μm以上线宽，包含离子注入层，抗刻蚀层等多种工艺中。KrF光刻胶由成膜树脂、光酸、溶剂及助剂等组分混合配制而成。按化学反应原理和显影方式不同，KrF光刻胶可分为正性光刻胶跟负性光刻胶（简称“正胶”和“负胶”）。正胶和负胶在光刻中所形成的图案是相反的。传统的逻辑电路KrF光刻胶主要以正胶为主，厚度为0.15~5μm。正胶和负胶两者的区别在于工艺需求的形貌角度不同。
正胶与负胶的显影过程针对不同的基材、不同应用的工艺场景，KrF光刻胶会呈现出一些细节上的差异。有时候一只胶可以覆盖很多种场景，而在一些特定场景下，KrF光刻胶需要通过调整配方来实现某些特殊性能。
到2023年底，ASML在中国的光刻机加上量测的机台装机量已接近1400台。目前，全球有且仅有荷兰ASML一家生产EUV光刻机，据ASML财报测算，2022年单台EUV价格约1.8亿欧元。这为EUV光刻胶的研发和生产树立了极高的成本壁垒。
从专利申请量的前十名来看，日本就占据了七席，专利申请数量占比高达90%，富士胶片以422件的绝对优势排在第一，在前十名中，只有美国的罗姆哈斯和陶氏化学，以及韩国的三星电子3家非日本企业。EUV光刻胶中国还处于刚刚入局的情形。
尽管制程的提高催生了ArF、ArF浸没式甚至EUV的光刻技术，但是KrF光刻胶仍然在集成电路制造中占据非常大的份额。
我们知道，光刻胶主要是由光引发剂（包括光增感剂、光致产酸剂）、光刻胶树脂、单体（活性稀释剂）、溶剂和其他助剂组成的对光敏感的混合液体。树脂是光刻胶最重要的组成部分，占光刻胶总成本的50%，在光刻胶原料中占比最大；其次是占35%的单体（也称活性稀释剂，区别于树脂的原料单体）和占15%的光引发剂及其他助剂。对于高端光刻胶来说，一般树脂所占成本比例会更高：根据南大光电公告，ArF树脂以丙二醇甲醚醋酸酯为主，质量占比仅5%-10%，但成本占光刻胶原材料总成本的97%以上。
我国光刻胶核心原材料依旧严重依赖进口，供应链风险极大
树脂：光刻胶最重要的原料，IC级树脂依赖进口
光刻胶树脂是高分子聚合物，具有高分子的一些物理特性，如成膜特性、Tg（玻璃化温度）。光刻胶的树脂也有一定的化学特点，它必须可以与在光照下光致产酸剂产生的酸反应，或发生脱保护（化学放大型光刻胶），或与其他组分结合(传统G/I线光刻胶)，或发生交联(负胶），从而发生在显影液中溶解度的变化。国内企业纷纷布局光刻胶树脂，近些年也陆续却得了部分成果。
目前，所谓半导体光刻胶卡脖子，主要也是在高端的KrF和ArF领域卡脖子，当然就包括对应的树脂。与非电子级树脂相比，半导体光刻胶树脂的主要区别如下：
①要做到质量更一致，即分子量和分子量分布每批都要很接近，而且越是高级的树脂，越要做到质量一致；
②越高级树脂的分子量分布越小越好（理论值是1.0），EUV光刻胶树脂分子量分布都是接近1.02-1.05左右；
③金属离子要求，也是越高级要求越高，现在大部分要求小于1ppb, 甚至将来要到ppt级。打个比方，与PCB的树脂相比，后者的合成对分子量和分子量分布没有很高的要求，金属离子也没要求。
单体：用于合成树脂，纯度尤为重要，依旧依赖进口
光刻胶单体是合成树脂的原料。单体的性能和质量稳定性决定着树脂的性能和质量稳定性，最终直接影响光刻胶的品质。对光刻胶来说，纯度是其最核心的指标之一。相关资料表明，目前国外先进企业光刻胶阻抗可达10^15，国产光刻胶基本上停留在10^10（阻抗越高说明纯度越高）；光刻胶纯度不足会造成芯片良率下降，甚至污染事故。
不同光刻胶类型都有相应的光刻胶单体，光刻胶单体合成树脂收率有差异。光刻胶单体的性能指标包括纯度、水份、酸值、杂质、金属离子含量等指标。同时，不同光刻胶单体做成树脂的收率是不一样的（所谓收率就是单位数量单体最终聚合而成的树脂数量）。一般KrF与ArF光刻胶中的树脂含量是10%-20%。
半导体光刻胶单体壁垒极高，半导体级光刻胶单体的合成具有一定的特殊性。
单体价格差异巨大。据徐州博康公众号显示：半导体级光刻胶单体的市场售价，一般的I线单体100-200元/公斤，KrF单体500-1000元/公斤，ArF干法和湿法的单体价格在3000-10000元/公斤不等，看使用量和纯化难度。但级别越高的单体越难买到。目前，徐州博康研发储备全球80%的光刻胶单体产品技术，其中KrF光刻胶单体占全球份额超过20%。
日本大阪有机化工作为全球光刻胶单体材料的主要供应商，掌握着全球丙烯酸酯（ArF）单体材料高达70%的市场份额。
光敏材料：光刻胶中的重要添加物质，属于卡脖子产品
光敏材料包括光引发剂、光致产酸剂，是光刻胶成分中真正“对光敏感”的化合物，是光刻胶的重要组成成分。半导体光刻胶用光敏材料主要分为PAG（光致产酸剂，简称光酸）和PAC（感光化合物）。
传统的光引发剂是光固化体系中的关键材料，由光引发剂、活性稀释剂、预聚体、助剂等原材料构成。光引发剂在直接或间接吸收光能后，本身发生化学变化，产生能够引发预聚体聚合的活性碎片（自由基、阳离子、阴离子等），从而引发预聚体聚合交联固化。但用于半导体光刻胶配置环节的光敏材料依然属于急需国产化的“卡脖子”产品。
目前，半导体光刻胶用的光敏材料主要还是依赖于海外进口，不同品质的光敏材料的价格差异巨大。以国内PAG对应的化学放大型光刻胶（主要是KrF光刻胶、ArF光刻胶）来看，树脂在光刻胶中的固含量占比约10%-15%，对应的PAG用量为一般按树脂重量的6%-8%添加，最终PAG的成本占光刻胶总成本的10%-20%。
在用量上，与KrF光刻胶相比，ArF光刻胶的PAG用量更少。和PAG相比，PAC在光刻胶中的用量大且价格低，一般来看，其在光刻胶中的使用量与对应树脂使用量差不多。
溶剂：含量占比最高，但成本较低，完成国产替代
光刻胶溶剂是一种用于微电子加工中的溶剂，其作用是将光刻胶涂层溶解，并在制程中起到保护和清洗的作用。据势银TrendBank调研统计分析，溶剂在半导体光刻胶中占比均在80%以上，含量水平极高。
目前光刻胶溶剂主要为PGMEA（丙二醇甲醚酸醋酯）。我国是全球最大的PGMEA生产国家，产能占据全球总产量的35%左右，大陆自给率较高。据势银（TrendBank）调研统计分析，2021年-2023年PGMEA在不同种类的显示用光刻胶溶剂和半导体用溶剂市场需求量中一骑绝尘，占总体85%-90%，并且保持稳步增长的态势。除3MBA外几乎所有溶剂已实现本土化供应。
显示与半导体光刻胶市场重回上升通道，国内光刻胶市场规模将达150亿元
据势银（TrendBank）调研统计分析，2023年中国大陆显示用光刻胶市场规模预计达到106.2亿元，同比增长10.29%；2023年中国大陆半导体光刻胶市场规模预计达到42.02亿元，同比增长7.23%。
光刻胶评价技术指标
光刻胶本身性能对IC图形化工艺质量影响较大，并将进一步影响电子器件的性能。光刻胶性能主要由其化学结构决定，不同结构的光刻胶在性能上差异较大，评价光刻胶性能的指标主要有分辨度、感光性能（敏感度、感光速度、对比度）、粘滞性和粘附性等关键指标，此外还有表面张力、保护能力、存储和运输可靠性等指标。
最后从光刻胶的壁垒来看，在上游原材料环节，存在原材料壁垒；在中游光刻胶制备环节，存在配方壁垒、品质管控壁垒以及设备壁垒，光刻胶制备完成之后，还面临着下游客户认证壁垒；光刻胶需要通过相应的光刻机进行测试和调整。
竞争格局分析
半导体用光刻胶随着曝光波长的缩短，分辨率逐渐提升，适用的IC制程工艺越先进，极紫外EUV光刻工艺是当前可达的最精密工艺。随着需求向高端光刻胶转移，KrF、ArF半导体光刻胶为短期竞争焦点。基于摩尔定律趋近极限，半导体制造制程进步使得所对应的光刻加工特征尺寸（CD）不断缩小，光刻胶转移发展方向为：“G线(436nm)→I线(365nm)→KrF(248nm)→ArF(193nm)→F2(157nm)”，从而满足IC制造更高集成度的要求。据晶瑞股份公告数据显示，适用于6英寸晶圆的g/i线光刻胶自给率为20%；适用于8英寸晶圆的KrF光刻胶自给率小于5%，整体国产化率不足 2%；适用于12英寸晶圆的ArF光刻胶目前基本靠进口，总体国产自给率仅为1%；EUV光刻胶国产自给率为0%。
2021年彤程新材的G线光刻胶市占率达60%，i线胶已接近国际先进水平，种类涵盖国内14nm以上大部分工艺需求。一众国产厂商在快速实现对相对低端的光刻胶的国产替代，与此同时积极展开上中游产业链布局，奋力实现光刻胶原料自给，打造产业链协同。随着光刻工艺的快速演进，在国产替代、卡脖子背景之下，高端光刻胶对于国产半导体材料厂商具有广阔的增长前景，均在积极布局攻关，但也需要业内生态企业携手并进，毕竟其壁垒远非其他大多数行业可比。