本篇文章選自梧桐樹資本半導體團隊孫季萌的《光刻膠原材料行業(yè)研究報告》。從八大層面全面分析光刻膠原材料產業(yè)鏈及產業(yè)格局。

1、光刻膠行業(yè)概述

光刻是芯片制造最核心的工藝，占據(jù)了芯片生產成本約35%，耗用時間的40%~60%。光刻膠是光刻工藝的核心材料，2020年全球光刻膠市場規(guī)模約87億美金，四大應用領域大體上各占約1/4，預計2019-2026年CAGR約6.3%；中國光刻膠市場規(guī)模為93.3億元，預計2021-2016年CAGR有望達到10.46%。光刻膠市場規(guī)模的增長必然帶來其原材料用量的增加。

全球光刻膠生產商主要以日美韓企業(yè)為主，呈現(xiàn)出集中度極高的行業(yè)特點；在半導體光刻膠市場中，目前除美國陶氏杜邦、韓國東進化學外，全球半導體光刻膠約77%市場份額被日本幾大廠商占據(jù)。在全球市場格局中，大陸企業(yè)市占率不足10%，CF彩色光刻膠、黑色光刻膠的國產化率約為5%，TFT-LCD正性光刻膠的國產化率不足5%，g線膠、i線膠的國產化率分別只有約10%，尚處于起步階段。

2、光刻膠原材料概述

光敏劑、樹脂和溶劑構成了光刻膠三大原材料。光敏劑決定了光刻膠的感光度和分辨率；樹脂由單體聚合而成，構成光刻膠的骨架；溶劑使光刻膠處于液態(tài)，另外利用不同類型的添加劑來達到特定的效果。從含量來看，根據(jù)Trendbank 數(shù)據(jù)，光刻膠主要原材料占比從大到小分別是溶劑（50%-90%）、樹脂（10%-40%）、光敏劑（1%-6%）以及添加劑（<1%）。從成本來看，高端光刻膠中樹脂占成本比重較大。

光敏劑與樹脂單體、樹脂具有一些相似的產業(yè)化難點，如合成純度要求高、金屬離子控制要求嚴格、批次之間的質量穩(wěn)定性、客戶認證流程較長等；LCD光刻膠光敏劑還需同時具備高感度和儲存穩(wěn)定性；PAG的難點主要在于控制酸的擴散；樹脂的難點主要在于如何控制分子量及其分布。

光刻膠具有很強的定制化屬性，一種光刻膠的配方里可能含有不止一種樹脂和光敏劑，需要根據(jù)所需的參數(shù)改善方向來調整原材料的型號和用量，每一種配方細微的變化都會對最終光刻膠產品性能造成很大影響。

3、光刻膠原材料產業(yè)格局

根據(jù)trendbank數(shù)據(jù)，全球光刻膠原料的主要生產企業(yè)超過40家，分別位于日本、美國、中國、韓國、英國以及荷蘭。雖然中國企業(yè)數(shù)量占比約29%，但產量和規(guī)模較小，且品種規(guī)格較為單一，主要原料仍然依賴進口，日韓及歐美廠商仍占據(jù)主要地位。

光刻膠原材料具有市場集中度高、“投入產出比”低、行業(yè)上下游關系緊密等特點，在技術、合作研發(fā)、客戶認證方面均具有極高壁壘，需要企業(yè)擁有穩(wěn)定的現(xiàn)金流業(yè)務來支撐漫長的研發(fā)周期以及對沖研發(fā)失敗的風險。我國高端光刻膠原材料尚未實現(xiàn)國產化，除了技術層面的原因之外，國內的傳統(tǒng)精細化工材料廠商也普遍缺乏商業(yè)動機去強行入局與壟斷公司展開競爭。

我國從“六五計劃” 至今都一直將光刻膠列為國家高新技術計劃、國家重大科技項目。光刻膠原材料是光刻膠的基礎，屬于國家鼓勵、重點支持和優(yōu)先發(fā)展的高新技術產品，對于促進光刻膠的國產化，提升我國微電子產業(yè)的自主配套能力具有重要意義。半導體光刻膠、LCD光刻膠及相關材料入選了工信部《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2021版）》，我國各級政府也給予集成電路產業(yè)高度重視和大力支持，但是綜合條件較為理想的化工園區(qū)場地仍然是稀缺資源。

4、投資邏輯

未來五年內隨著光刻膠用量的增加以及光刻膠研發(fā)投入的加大，光刻膠原材料市場的增長可期；但光刻膠原材料更適合已有成熟業(yè)務支撐的大企業(yè)進行布局，主營產品下游應用領域以光刻膠為主且已經具備一定規(guī)模的投資標的具有稀缺性；初創(chuàng)企業(yè)若沒有穩(wěn)定的現(xiàn)金流作為支撐，抗風險能力會相對較弱。已經通過下游關鍵客戶驗證但營收規(guī)模尚不足以獨立上市的“小而美”企業(yè)具有較大的被并購潛力，技術積累較深但整體規(guī)模難以做大的海外企業(yè)也可作為潛在的并購標的。

光刻膠整體情況概述

1、光刻工藝步驟

光刻工藝是芯片制造的的根基，一顆芯片制造的過程中需要經過少則十幾次多則幾十次甚至上百次的光刻，每一次的刻蝕、沉積和離子注入，幾乎都需要以光刻作為前提。因此，在芯片制造的所有過程當中，光刻是最核心的工藝，占據(jù)了芯片生產成本約35%，耗用時間的40%d~60%。

以集成電路光刻為例，光刻的步驟如下：在曝光前，首先對硅片進行濕法清洗和去離子水沖洗，再通入氣體（如六甲基二硅氨烷）進行增粘處理；接下來將光刻膠均勻旋涂在硅片表面，去邊處理后進行曝光前烘焙（溫度通常在100度左右，時間通常為一分鐘），再對準掩膜板上的圖形進行曝光，曝光完成后進行后烘，光刻膠中的光敏成分會在曝光和加熱的過程中發(fā)生化學反應并且進行擴散，使曝光區(qū)域和未曝光區(qū)域的溶解性發(fā)生改變，通入顯影液后溶解對應的區(qū)域，得到與掩膜板一致的圖形；完成后還需用儀器測量光刻膠的膜厚套刻精度以及關鍵尺寸。

2、光刻膠的分類

光刻膠也稱光致抗蝕劑，是光刻工藝的核心材料，是影響芯片性能、成品率和可靠性的關鍵因素。感光性是光刻膠的核心性能，在相應波長光束（如X射線、離子束、電子束、紫外光等）照射或輻射下，其溶解度會發(fā)生變化，再用相應溶劑“洗”去可溶性部分，便可實現(xiàn)圖形從掩模版到待加工基片上的轉移，形成后續(xù)沉積或刻蝕等工序的基礎。光刻膠按照不同的標準可作如下分類：

根據(jù)應用領域的不同，光刻膠可分為印刷電路板（PCB）用光刻膠、液晶顯示（LCD）用光刻膠、半導體用光刻膠和其他用途光刻膠。

半導體光刻膠可根據(jù)曝光波長不同分為g線（436nm）、i線（365nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm）以及EUV光刻膠5大類，等級越往上其極限分辨率越高，同一面積的硅晶圓布線密度越大，性能越好。整體上，KrF與ArF基本覆蓋主流芯片制程和應用需求，且在單芯片制作過程中用量相對更多。ArF光刻膠是集成電路制造需求金額最大的光刻膠產品，ArF濕法光刻膠（ArFi）則主要應用于先進制程中的多重曝光過程，需求比ArF干法更多。KrF光刻膠主要應用于3D NAND堆疊架構中，隨著堆疊層數(shù)的增加，用量將大幅提升。此外，EUV光刻膠的應用范圍也正在從邏輯芯片擴展到存儲芯片中。

按顯影過程中曝光區(qū)域的去除或保留分，分成正性光刻膠（正膠）和負性光刻膠（負膠），正負膠各有優(yōu)勢，但正膠分辨率更高，不易產生溶脹現(xiàn)象，是主流光刻膠，應用比負膠更為普及。負膠占總體光刻膠比重較小，由于耐熱性強，多應用于高壓功率器件、高耗能器件等；也因為負膠難以去除的特性，在芯片最后的封裝階段可以使用負膠，能起到絕緣、保護芯片的作用。負性光刻膠顯影時易變形和膨脹，分辨率通常只能達到2微米，因此正性光刻膠的應用更為普及，占光刻膠總量80%以上。

3、光刻膠市場規(guī)模

? 全球市場規(guī)模

作為集成電路制造關鍵原材料，未來全球光刻膠市場規(guī)模將有望持續(xù)增長。2020年全球光刻膠市場規(guī)模約87億美金，四大應用領域大體上各占約1/4；半導體光刻膠市場規(guī)模合計為23.49億美金，其中KrF光刻膠和ArF光刻膠合計占比近80%，成為集成電路制造需求金額最大的兩類光刻膠產品。

此外，根據(jù) Reportlinker 數(shù)據(jù)，預計 2019-2026 年全球光刻膠市場CAGR有望達到 6.3%， 2022年預計超90億美金，至 2023 年突破 100億美金，到2026年超過120億美金。光刻膠市場規(guī)模的增長必然帶來其原材料用量的增加。

? 國內市場規(guī)模

疊加產業(yè)轉移因素，中國光刻膠市場增速超過了全球平均水平。根據(jù)中商產業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2016-2021年中國光刻膠市場CAGR約為11.9%，2021 年同比增長 11.7%，高于同期全球光刻膠增速 5.75%。2021年中國光刻膠市場規(guī)模為 93.3 億元，隨著未來 PCB、LCD 和半導體產業(yè)持續(xù)向中國轉移，預計2021-2016年，中國光刻膠市場規(guī)模將以10.46%的復合增長率增加，預計2026年超過153億元，占全球光刻膠市場的比例也有望從2019 年的15%左右提升到19.3%。

4、 競爭格局

全球光刻膠競爭格局：全球光刻膠生產商主要以日美韓企業(yè)為主，無論是PCB、LCD還是半導體應用領域，都呈現(xiàn)出集中度極高的行業(yè)特點；在半導體光刻膠市場中，目前除美國陶氏杜邦、韓國東進化學外，全球半導體光刻膠約77%市場份額被日本幾大廠商占據(jù)。

國產化進程：整體而言，在全球市場格局中，大陸企業(yè)市占率不足10%，尚處于起步階段。目前，我國實現(xiàn)國產化率最高的是PCB光刻膠，濕膜膠和阻焊油墨的自給率達到約46%，但干膜膠仍幾乎全部依賴進口；在LCD光刻膠中，CF彩色光刻膠、黑色光刻膠的國產化率約為5%，TFT-LCD正性光刻膠的國產化率不足5%；在半導體光刻膠當中，g線膠、i線膠的國產化率分別只有約10%，具備量產能力的廠商主要有晶瑞電材、北京科華；KrF光刻膠僅有北京科華具備量產能力（2021年銷售額約2000萬元）；ArF光刻膠大都處于研發(fā)或送樣階段，僅南大光電有幾款產品通過驗證，目前處于小批量供應；EUV 光刻膠尚處于早期研發(fā)階段。

光刻膠原材料概述

1、光刻膠原材料組成

光刻膠是定制化開發(fā)的產品，不同工藝節(jié)點對光刻膠性能的要求也不盡相同，需要光刻膠具有特定熱流程特點，用特定的方法配制而成，與特定的表面結合。這些屬性由光刻膠里不同化學成分的類型、數(shù)量、混合過程決定。光敏劑、樹脂和溶劑構成了光刻膠三大原材料，此外還會添加其他輔助添加劑。

光敏劑在經過特定波長的曝光后產生或控制聚合物產生特定反應，改變樹脂在顯影液中的溶解度，對光刻膠的感光度、分辨率起著決定性作用。

樹脂由單體聚合而成，用于將光刻膠中不同材料聚合在一起，構成光刻膠的骨架，是光刻膠的關鍵成分，決定光刻膠的硬度、柔韌性、附著力、曝光前和曝光后對特定溶劑的溶解度產生變化、光學性能、耐老化性、耐蝕刻、熱穩(wěn)定性等基本屬性。

溶劑是光刻膠中用量最大的成分，使光刻膠處于液態(tài)，并使光刻膠能通過旋轉涂在晶圓表面形成薄層。但溶劑本身對光刻膠的化學性質幾乎沒影響。

此外，光刻膠中還含有添加劑。不同類型的添加劑和光刻膠混合在一起來達到某種特定的效果。添加劑包括單體和其他助劑等，單體是含有可聚合官能團的小分子，也稱之為活性稀釋劑，一般參加光固化反應，降低光固化體系黏度，對光引發(fā)劑的光化學反應有調節(jié)作用；助劑主要是特定化學添加劑，如染色劑、固化劑、分散劑等，添加后可改變光刻膠特定化學性質，如增加曝光區(qū)的溶解速率、增加曝光圖形輪廓的清晰度等，從而適配特定的用途。

部分負膠包含染色劑，功能是在光刻膠薄膜中用來吸收和控制光線。正膠可能含有化學的抗溶解系統(tǒng)，可以阻止光刻膠沒有被曝光的部分在顯影過程中被溶解。此外，LCD光刻膠當中還需添加顏料，高分子顏料的制備和生產是LCD光刻膠的核心。

從含量來看，根據(jù)Trendbank 數(shù)據(jù)，光刻膠主要原材料占比從大到小分別是溶劑（50%-90%）、樹脂（10%-40%）、光敏劑（1%-6%）以及添加劑（<1%）。從成本來看，高端光刻膠中樹脂占成本比重較大。根據(jù)南大光電公告，ArF光刻膠樹脂以丙二醇甲醚醋酸酯為主，質量占比僅5%-10%，但成本占光刻膠原材料總成本的97%以上。

 一般而言，KrF（248nm）光刻膠使用聚對羥基苯乙烯及其衍生物作為成膜樹脂，使用磺酸碘鎓鹽和硫鎓鹽作為光致酸劑；而ArF（193nm）光刻膠則多使用聚甲基丙烯酸酯衍生物、環(huán)烯烴-馬來酸酐共聚物、環(huán)形聚合物等作為成膜樹脂；由于化學結構上的原因，Arf(193nm)光刻膠需要比KrF（248nm）光刻膠更加敏感的光致酸劑。 

2、產業(yè)鏈上下游分析

光刻膠產業(yè)鏈覆蓋范圍廣，最上游為基礎化工原材料，如苯甲醛、鄰氯苯甲醛、三羥甲基丙烷等，原料市場供應充足；對基礎化工原材料進行提純、合成等系列加工后得到上游原料，主要包括樹脂、光敏劑、溶劑和單體等；上游原料是光刻膠產業(yè)的重要環(huán)節(jié)，原料的品質決定了光刻膠產品品質。產業(yè)鏈中游為各類型的光刻膠，主要分為PCB光刻膠、LCD光刻膠、半導體光刻膠；下游為應用領域，光刻膠主要用來制造印刷電路板、平板顯示屏、集成電路芯片制造等。

3、光刻膠配方開發(fā)及認證過程

? 配方開發(fā)過程

光刻膠需要具備特定的分辨率、敏感度、工藝窗口（曝光寬容度、焦深等）。降低曝光波長可以有效提高光刻膠的分辨率，但對應的成膜樹脂性能要求也相應提高；敏感度越大，單位時間內芯片的產出越高，但過快的敏感度對工藝的穩(wěn)定性有所影響；此外，光刻膠還需要具備耐熱性（在高溫下不發(fā)生形變）、抗刻蝕性（在刻蝕過程中，光刻膠的損失較小，有較大的刻蝕選擇比）、抗離子注入能力（在一定厚度下對離子注入的抵抗，確保不被所注入的離子擊穿的能力）等，還需要考慮線寬受工藝波動的影響。一款光刻膠產品的研制通常包括主體樹脂結構、單體結構的確定、主體樹脂合成工藝、單體合成工藝的研究、光敏劑的研究、配方的研究等等工作，過程如下：

一種光刻膠等配方里可能含有不止一種樹脂和光敏劑，需要根據(jù)所需的參數(shù)改善方向來調整原材料的型號和用量；此外，還有一些含量甚至低于1%的添加劑需要精確控制其添加量，每一個步驟的可變因素都很多，每一種配方細微的變化都會對最終光刻膠產品性能造成很大影響。因此，化學反應的連鎖型、步驟繁瑣性以及要求嚴苛性共同導致了光刻膠配方設計的高難度，和對研發(fā)人員長期經驗積累的依賴。

光刻膠認證流程及周期如下：

光刻膠的驗證包括產品驗證和產能驗證。產品驗證要經歷送樣性能測試、小試、中試、批量驗證幾個階段直至及通過驗證；產能主要在質量體系、供貨穩(wěn)定性、工廠（產線）產能等幾方面進行驗證，通過后可實現(xiàn)對客戶的正式供貨。

光刻膠驗證的過程也是對其配方和原材料進行驗證的過程，驗證周期通常為6－24 個月，研發(fā)周期大約需要3-5年，原材料廠商會在整個過程中與光刻膠廠商進行緊密合作；一款光刻膠通過驗證之后，下游晶圓廠不會輕易更換光刻膠的供應商；由于要求產品批次之間具有穩(wěn)定性，光刻膠廠商也不會輕易更換原材料供應商。

光敏劑

1、光敏劑主要類別

光敏劑是光刻膠成分中“對光敏感”的化合物，在特定波長光的輻射下會產生光化學反應，改變成膜樹脂在顯影液中的溶解度，是光刻膠的重要組成成分。光敏劑包括光引發(fā)劑（Photo Initiator，簡稱PI）、感光化合物（Photo-Active Compound ，簡稱PAC）和光致產酸劑（Photo-Acid Generator ，簡稱PAG）。

?? 光引發(fā)劑PI

凡經光照能產生自由基并進一步引發(fā)聚合的物質統(tǒng)稱光引發(fā)劑（PI）。PI品類豐富，不僅可以用于光刻膠，還是光固化材料（主要包括 UV 涂料、UV 油墨、UV 膠粘劑等）的核心原材料。光引發(fā)劑在直接或間接吸收光能后，本身發(fā)生化學變化，產生能夠引發(fā)預聚體聚合的活性碎片（自由基、陽離子、陰離子等），從而引發(fā)預聚體聚合交聯(lián)固化。

由于光固化材料是光固化成膜的材料，光刻膠是光成像的材料，二者用途不同，使用的曝光光源和光能不同，反應機理存在差異，對于產品的溶解性、耐蝕刻性、感光性能、耐熱性等要求不同，光刻膠使用的光引發(fā)劑、樹脂、單體等化學品的化學結構、性能與光固化材料所使用的化學品有很大區(qū)別。PCB干膜光刻膠及油墨常用的光引發(fā)劑有：BCIM雙咪唑光引發(fā)劑、907（C13H17NO2S，2-甲基-1-(4-甲硫基苯基 )-2-嗎啉基-1-丙酮）、 ITX（C15H13OS，2異丙基硫雜蒽酮）以及DETX （C17H16OS，2,4-二乙基硫雜蒽酮）等型號。LCD光刻膠采用的光引發(fā)劑包括肟脂類等，典型工藝流程如下：

?? 感光化合物PAC

PAC用于TFT光刻膠及g線/i線光刻膠。最常用的PAC是重氮萘醌酯（DNQ）化合物，主要作為感光材料搭配線性酚醛樹脂。但當曝光波長從g線發(fā)展到i線時，為適應對應的曝光波長以及對高分辨率的追求，重氮萘醌光敏劑及酚醛樹脂的微觀結構均有變化。

曝光時，重氮萘醌基團轉變成烯酮，與水接觸時，進一步轉變成茚羧酸，從而使曝光區(qū)在用稀堿水顯影時被除去，顯影后得到的圖形與掩膜版一樣，故酚醛樹脂-重氮萘醌光刻膠屬于正型光刻膠。此類正膠用稀堿水顯影時不存在膠膜溶脹問題，因此分辨率較高，且抗干法蝕刻性較強，能滿足大規(guī)模集成電路及超大規(guī)模集成電路的制作。

文章來源：梧桐樹資本PTCG；

編輯：云朵匠|數(shù)商云（微信公眾號名稱：“數(shù)商云”）