光刻胶产业链的三个环节都存在较高 壁垒。
光刻胶由树脂、光致产酸剂、溶剂和添加剂等混合而成。 树脂是光刻胶最核心的部分,是光刻胶的骨架。光刻胶树脂是一种惰性聚合物,可 以将光刻胶中的不同材料聚合在一起,同时在光照下会与光敏材料发生反应,使光 刻胶在显影液中的溶解度发生变化。光刻胶树脂决定曝光后光刻胶的基本性能,如 能达到的线宽、胶膜厚度、耐刻蚀性、附着力等。
光敏材料是光刻胶成分中的光敏感化合物,是光刻胶的重要组成部分。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,Photo-Acid Generator)和 PAC(感光化合物,Photo-Active Compound)。PAG 在吸收光之后产生酸,因此被 称为“光酸”;在曝光后烘烤(PEB)过程中,这些酸会作为催化剂使树脂上悬挂的酸 不稳定基团脱落,从而改变树脂的碱溶解性;PAG 主要运用于在化学放大型体光刻 胶中,包括 KrF、ArF、EUV 光刻胶。PAC 是重氮萘醌酯化合物,在光作用下从溶 解抑制剂转变为溶解促进剂,主要用于线性酚醛树脂体系光刻胶中,如 g 线/i 线光 刻胶。
溶剂主要用于将光刻胶的各组分分散其中,使光刻胶具备良好的流动性,目前半导 体光刻胶所用的溶剂主要是 PGEMA(丙二醇甲醚醋酸酯,即 PMA)。添加剂包括 活性剂、稳定剂等,用于控制和调节光刻胶的性能。

不同波长的半导体光刻胶组分存在较大差异。波长越短的光刻胶树脂含量越低,溶剂的 含量越高。G/I 线光刻胶中树脂的含量通常在 10-20%,KrF 光刻胶中为 7-10%,ArF、 EUV 光刻胶中树脂含量通常在 5%以下。
我国半导体光刻胶的上游核心原材料仍被国外厂商垄断。半导体光刻胶树脂通常为电子 级树脂,目前我国半导体光刻胶树脂特别是高端产品,基本依赖进口。如 KrF 光刻胶所 用的聚对羟基苯乙烯类树脂,国内厂商较少供应生产该类树脂的单体,同时树脂本身的 合成工艺也具有较大难度;ArF 树脂定制化程度较高,国际市场上仅能买到部分标准款 树脂,无法买到高端的 ArF 树脂。另外,由于高端光酸的合成和纯化难度较大,国内的 光酸厂商在质量稳定性等方面仍与国外存在差距,目前国内主要的光刻胶公司大多还是 使用进口的光酸。
除上游原材料壁垒外,半导体光刻胶国产化还具有配方、设备、客户验证等多重壁垒:
1)配方壁垒:配方是光刻胶的核心技术。各厂商的配方难以通过分析市场上的成品来 获得。为实现与已有供应商产品的性能和参数的完全匹配,光刻胶厂商首先需要对成百 上千个树脂、光酸和添加剂进行排列组合,其次还要不断对各成分的比例进行调整,以 实现和现有产品关键参数的完全匹配,这需要足够的研发资源、经验积累。
2)配套光刻机:光刻胶需要通过相应的光刻机进行测试和调整,目前国际光刻机龙头 厂商所在地区对我国实施技术封锁,国产光刻机产品较少,且技术水准与海外龙头有较 大差距,可供光刻胶厂商测试的资源较少。此外光刻机的购置和测试成本高昂,资金投 入要求极高。
3)量产稳定性:光刻胶的稳定性对下游晶圆厂极为重要。从实验室产品到量产,每批 次光刻胶产品间金属离子含量、分子量分布等都必须实现稳定一致。这其中的难点,一 是原材料的稳定供应,尤其是对于 KrF、ArF 等高端品种,其所需的单体、树脂种类较 多,并且在国际市场中仅能购买到基础款,因此能否稳定获取质量合格的光刻胶树脂具 有较大难度。二是在放大量产过程中金属离子的控制,由于存在环境控制效果不一样、 树脂后处理产品量不同、配胶时混合速度不一样且均匀度也不一样等问题,需要更高水 平的提纯技术和经验。
4)下游客户认证壁垒:由于光刻胶的品质会直接影响芯片性能、良率等,试错成本高, 客户验证需要经过 PRS(基础工艺考核)、STR(小批量试产)、MSTR(中批量试产)、 RELEASE(量产)四个阶段,验证周期在两年以上;此外光刻胶厂商的原材料供应商 也必须得到下游晶圆厂的认可,因此下游晶圆厂与光刻胶供应厂商的粘性较强,光刻胶 产品替代验证的时间成本极高。