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申 港 证 券 股 份 有 限 公 司 证 券 研 究 报 告 敬请参阅最后一页免责声明 证券研究报告 行 业 研 究 深 度 报 告 光刻胶行业深度 : 破 壁引光 小流成海 电子 投 资摘要 ： 光刻 工艺是集成电路制造中最为关键的工序，是其他步骤能正常进行的先决条 件。 光刻工艺占整个 晶圆制造成本的 35%，耗费时间占据整个制造过程的 40%60%。 根据 SEMI相关行业报告数据，光刻胶全球市场空间约 80亿美元， 2021至 2026年 CAGR约为 6%。市场空间巨大 。 光刻胶是半导体材料中技术壁垒高。 全球范围内有能力制造符合当下制程要求， 并稳定大规模供应 的光刻胶制造商主要集中在日本与美国。其中来自日本的日本 合成橡胶（ JSR）、东京应化（ TOK） 、信越化学、富士电子、杜邦 /Dow、 AZ（ Merck 并购）。 光刻胶的技术壁垒主要体现在以下几个方面： 光刻胶中涉及到 复杂的光化学反应。光敏感成分 是光刻胶配方的核心，光敏成 分与树脂之间在光照情况下的相互作用，是光刻过程中的重要环节。早期的光 刻胶 树脂本身就是光敏试剂，但随着晶圆制造工艺的不断演进，其中对于曝光 线宽的要求越来越高，光化学反应也日益变得趋于复杂。 光刻胶必须配套不同制程中使用的设备，进行相应的演化。随着制程的推进， 光源的波长也在逐渐减小以提高光学分辨率。 由于不同感光试剂的 特征 吸收光 谱 不同，因此对应每一代光刻设备，光刻胶的配方体系都要近乎推倒重来。因 此对于光刻胶厂商的技术积淀与技术前瞻性和响应速度有着极高的要求。 光刻胶本身的物理属性也有较高的要求。 流动性，粘度的稳定性，与硅片的附 着力，在烘烤下的稳定性，抗干蚀刻的机械强度等因素，都会影响 到光刻工艺 最终的良率。 光刻胶按照应用领域可分为 PCB 用光刻胶、显示面板用光刻胶与集成电路用光 刻胶。 针对不同应用场景，光刻的过程有较大的区别，因此不存在配方通用的情 况。 国内光刻胶供应商包括雅克科技、南大光电、晶瑞 电材 、彤程新材、 飞凯材料、 容大感光、上海新阳、永太科技等。 与日本美国的行业龙头相比，国内的光刻胶 制造商仍有较大差距，体现在如下几个方面： 发展时间较短，相关技术研发积累有限。大部分美日 厂商在半导体材料领域都 有超过 30 年的研发经验，已经形成了成熟的研发体系与技术平台，且专利壁 垒极高。 供应链整合能力较弱，单体，树脂等核心原材料需要依靠从进口供应商外采。 可以覆盖的技术节 点与应用有限，由于起步较晚，国内光刻胶公司业务通常较 为单薄，只能 覆盖个别应用或者若干制程所需的相应产品。无法形成协同效应。 光刻胶的研发过程需要先进光刻设备进行配套，国内对于先进制程设备的采购 需要通过美国政府部门的审批。且复杂昂贵的光刻设备 使用和维护开支也增加 了公司的研发开支。 投资策略： 优先配置具有核心技术与半导体材料领域积累的龙头标的，研发导向 性企业在面临技术革新与工艺迭代时会表现出更强的适应能力与可持续发展的 潜力 。 风险提示 ： 研发进度不及预期， 国产替代进度不及预期， 下游 晶圆厂 扩产不及预 期导致的供需失衡， 消费电子低迷与新能源车渗透率增长不及预期带来的终端需 求萎缩， 国际贸易摩擦导致的 上游 原材料 供应 风险。 评级 增持 （ 维持 ） 2021年 09月 02日 曹旭特 分析师 SAC执业证书编号： S1660519040001 行业基本资料 股票家数 283 行业平均市盈率 35.6 市场平均市盈率 13.07 行业 表现 走势图 资料来源：申港证券研究所 相关报告 1、电子行业研究周报：行业公司中报 点评：供需持续紧张 扩产红利仍在 2021-08-30 2、电子行业研究周报：化合物半导体 蓄势待发 设备龙头走出低迷 2021-08- 23 3、电子行业研究周报：上游材料备受 关注 国产替代持续突破 2021-08-16 -15% -10% -5% 0% 5% 10% 15% 20% 电子 (申万 ) 沪深 300 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 2 / 46 证券研究报告 行业重点公司跟踪 证券 EPS(元 ) PE PB 简称 2020 2021E 2022E 2020 2021E 2022E 雅克科技 0.89 1.34 1.81 67.31 60.2 44.45 7.7 上海新阳 0.94 0.47 0.52 52.22 97.45 88.88 2.73 晶瑞电材 0.44 0.56 0.82 83.78 80.77 55 11.33 彤程新材 0.7 0.92 1.23 66.55 56.71 42.72 13.06 资料来源：公司财报、申港证券研究所 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 3 / 46 证券研究报告 内容目录 1. 光刻技术：集成电路制造皇冠上的明珠 . 6 1.1 光刻工艺历史：传承与革新并存的光影游戏 . 6 1.2 光刻工艺流程 . 9 1.3 光刻工艺窗口及其评价方法 . 15 2. 光刻胶：流动的黄金 . 17 2.1 光刻胶分类：紧贴应用 配方多样 . 17 2.2 光刻胶的演化：光线书写的编年史 . 20 2.3 光刻胶的应用场景 . 25 3. 光刻胶全球竞争格局：群雄争霸 实力说话 . 26 3.1 JSR：橡胶起家的光刻胶巨头 . 27 3.2 东京应化 TOK：专注半导体材料的光刻胶巨头 . 29 3.3 信越化学 ：半导体材料多面手 . 31 3.4 富士胶片：专注感光化学八十年 . 32 4. 国内光刻胶格局：技术代差今仍在 打铁还需自身硬 . 35 4.1 彤程新材：参股核心企业 面板晶圆两手抓 . 35 4.2 晶瑞电材：双轮驱动 平台化初显 . 37 4.3 上海新阳：植根表面处 理工艺 外延 KrF光刻胶 . 41 4.4 雅克科技：并购整合 平台效应初现 . 43 图表目录 图 1： ASML 浸没式 DUV 光刻系统 TWINSCAN 2050i 使用的 Carl Zeiss 光学镜组 Startlith 1982i . 6 图 2： 光刻工艺中主流曝光方式光路示意图 . 7 图 3： 光谱波长频段对应关系 . 8 图 4： 光刻光源随晶圆制程的演进过程 . 8 图 5： 干式光刻与浸入式光刻光路原理图 . 9 图 6： ASML 浸入式光刻系 统 . 9 图 7： ASML NXE3400 EUV 光刻系统光路示意图 . 9 图 8： HMDS 作用下硅表面亲水基团疏水化过程示意图 . 10 图 9： 晶圆疏水预处理设备基本结构图 . 10 图 10： HMDS 处理前（左）后（右）水在 TEOS 表面的接触角 . 10 图 11： 光刻胶旋涂设备结构示意简图 .11 图 12： 光刻胶成膜厚度与转速关系图 .11 图 13： 光刻胶旋涂过程中胶膜形态的变化 .11 图 14： 前烘温度与分解速率的对应关系 .11 图 15： 盛美半导体 Ultra C 湿法去胶工艺设备 . 13 图 16： 屹唐半 导体 Suprema 干法去胶设备 . 13 图 17： 左：扫描电子显微镜（ CD-SEM）测得的关键尺寸数据 右：套刻精度测量的结果 . 13 图 18： 典型光刻工艺的 8 道核心流程 . 14 图 19： TFT-LCD 光刻工艺示意图 . 14 图 20： 多晶硅刻蚀、光刻与离子注入工艺流程 . 15 图 21： 不同曝光能 量下线宽随焦距的变化（泊松图） . 16 图 22： 光刻胶断面形貌随曝光能量和和焦距的变化示意图 . 16 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 4 / 46 证券研究报告 图 23： 使用负胶时的曝光过程示意简图 . 18 图 24： 使用正胶时的曝光过程示意简图 . 18 图 25： William Shockley等人制作的世界上第一块集成电路 . 20 图 26： KTFR 光刻胶在光照下分解反应 . 20 图 27： KTFR 光刻胶中环化聚戊二烯橡胶的交联反应 . 20 图 28： 基于 Novalac 与 DNQ 的 AZ 系列正胶原理示意简图 . 21 图 29： 3M 公司提出的首个化学放大型光刻胶体系 . 22 图 30： PBOCST 体系光刻胶在光致产酸剂催化下的作用机理图 . 23 图 31： 光刻机 top3 供应商市占率变化趋势 . 23 图 32： 甲基丙烯酸共聚物光刻胶体系中常用的奈蚀刻保护集团 . 24 图 33： 化学修饰顶部涂层缩小图样尺寸的作用机理 . 24 图 34： 使用了 CTO 顶部涂层后器件 CD 以及均一度的改善 . 24 图 35： 不同种类面板使用的光刻胶应用场景 . 25 图 36： 2019 年全球光刻胶按应用分类占比（按用途） . 25 图 37： 全球半导体光刻胶占比（按光源） . 25 图 38： 中国光刻胶市场规模（亿元） . 26 图 39： 中国光刻胶生产企业类型占比情况统计 . 26 图 40： 2019 全 球半导体光刻胶市场占有率情况 . 26 图 41： JSR 近 10 年经营情况（亿元） . 27 图 42： 2019 年 JSR 各业务营收结构 . 28 图 43： JSR 全球范围内分支机构 . 28 图 44： TOK 公司产品线发展历程 . 29 图 45： 东京应化营收构成 -按产 品类别（单位：百万日元） . 30 图 46： 东京应化营收来源 -按地区（单位：百万日元） . 30 图 47： 2019 年东京应化 EUV、 ArF、 KrF、 G-line/I-line 光刻胶产品全球市场份额 . 30 图 48： 信越化学公司发展历程 . 31 图 49： 信越化学近 5 年主要业务营业 收入（ Net Sales） . 31 图 50： 信越化学近 5 年主要业务林润（ Operating Income） . 31 图 51： 富士胶片业务全景及其终端应用一览 . 32 图 52： 2019 年富士胶片营收贡献分布 . 34 图 53： 富士胶片医疗与材料解决方案子业务营收结构 . 34 图 54： 彤程新 材 20162020 营收与营业利润变化情况（单位：亿元） . 35 图 55： 彤程新材费用化研发费用及其在总营收中占比 . 36 图 56： 彤程新材研发人员变动趋势 . 36 图 57： 彤程新材已公开专利情况 . 36 图 58： 已公开专利检索结果分类 . 36 图 59： 半导体制程用超高纯试剂 分类 . 38 图 60： 晶瑞超高纯试剂产品线 . 38 图 61： 晶瑞电材锂电材料产品线 . 38 图 62： 晶瑞电材 20162021 年营收结构（单位：亿元） . 39 图 63： 20162019 晶瑞电材光刻胶销售额与利润 . 39 图 64： 晶 瑞电材光刻胶销量（吨） . 39 图 65： 晶瑞电材光刻胶产品收入与产品单价 . 40 图 66： 晶瑞电材专利历年公开专利 . 40 图 67： 晶瑞电材光刻胶相关专利占比 . 40 图 68： 晶瑞电材 20182020 研发投入占比（单位：万元） . 41 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 5 / 46 证券研究报告 图 69： 晶瑞电材研发团队变化情况 . 41 图 70： 20162021H1 上海新阳主营业务营收（单位：亿元） . 42 图 71： 上海新阳历年专利申请数 . 42 图 72： 上海新阳光刻胶相关专利占比 . 42 图 73： 上海新阳 2018-2020 研发开支情况（单位：万元） . 42 图 74： 上海新阳技术技术人员人数与占比情况 . 42 图 75： 雅克科技营收结构按业务分类（单位：亿元） . 44 表 1： 光刻机发展历程及其应用制程简述 . 8 表 2： 涂胶过程中造成缺陷升高的因素 . 10 表 3： 晶圆曝光后显影的核心工序 . 12 表 4： 常用刻蚀后的光刻胶去除工艺 . 13 表 5： 不同技术节点上的典型对焦深度要求 . 15 表 6： 光刻胶相关因素导致的线宽均匀性 . 16 表 7： 评价光刻胶的核心性能 特性 . 17 表 8： 光刻胶各组分理化性质对光刻胶性能的影响 . 17 表 9： 正胶与负胶特性对比 . 18 表 10： 按照适用光源的光刻胶分类及各体系组分 . 19 表 11： 按照化学反 应体系划分的光刻胶类型 . 19 表 12： 主流 EUV 光刻胶体系及其性能特点 . 24 表 13： 光刻胶在不同应用场景中的分类 . 25 表 14： 日本主要光刻胶企业专利申请统计表 . 27 表 15： JSR 旗下主要业务一览 . 27 表 16： JSR 光刻胶产品线 . 29 表 17： 东京应化（ TOK）产品线简介 . 30 表 18： Fujifilm 电子材料产品线 . 33 表 19： 北京科华光刻胶产品线 . 35 表 20： 北京科华主要光刻工艺设备 . 36 表 21： 晶瑞电材正性光刻胶产品 . 37 表 22： 晶瑞电材负性光刻胶产品 . 38 表 23： 上海新阳产品线 . 41 表 24： 重点跟踪公司 . 错误 !未定义书签。 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 6 / 46 证券研究报告 1. 光刻技术 ： 集成电路制造皇冠上的明珠 1.1 光刻工艺历史：传承与革新并存的光影游戏 光刻是集成电路制造的核心环节，现代光刻的 核心理念 源自于经典的多重套刻。 集 成电路 诞生于 20世纪 60年代的美国，经过 50余年的发展，如今制程节点早已 从 最初的 20 微米左右， 跨过微米 时代 ，进入纳米与亚纳米时代。 以 光刻技术 使用的 光学镜头为例，从最初使用照相设备类似的放大镜头，到如今直径可达半米，重达 数百公斤的巨型镜头组 。 图 1： ASML 浸没式 DUV 光刻系统 TWINSCAN 2050i 使用的 Carl Zeiss 光学镜组 Startlith 1982i 资料来源： ASML 公司官网， 申港证券研究所 光刻流程的核心思想是将掩模版 上承载的集成电路的图案信息转移到载体晶圆上。 这一过程的思想来源于历史悠久的印刷术，但是与印刷术不同，光刻工艺并非使用 油墨为介质，而是借助光敏物质在受到光照（曝光）后发生的化学变化，完成这一 信息的转移。现代意义上的光刻（ photolithography），最早起始于 1798 年的德国 慕尼黑，当时阿罗约 塞内菲德勒（ Alois Senefedler）在发行出版自己的作品过程 中发现，如果使用油性铅笔将插图画在多孔的石灰石上，并且将没有画到的地方用 水浸湿，由于油性墨水不溶于水的特性，会与水相互排斥，后续墨水只会吸附在油 性铅笔画过的地方。这种技术被叫做 lithography，它成为了后来现代多重套印的基 本思路，并一直传承至今。 在集成电路制造业中， 光代替上述过程中的油性铅笔，就像油性的墨水会选择性沉 积在石灰石上，光智能透过掩模 版 上的透明区域。 光是光刻工艺的重要媒介，它自 身的物理性质决定了工艺所能达到的极限分辨率。 按照光路的不同，主流曝光方式 可以分为三种，接触式曝光、接近式曝光以及投影式曝光。最早出现的方式是投影 式与接近式曝光，二者没有本质的区别，并且在 DUV 出现之前，一直是晶圆制造 业的主流。 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 7 / 46 证券研究报告 图 2： 光刻工艺中主流曝光方式光路示意图 资料来源： ECE 730 at Univ of Waterloo, 申港证券研究所 对于接触式曝光而言，由于掩模版和和硅片上部界面之间没有间隙，因而不存在分 辨率的的问题。然而接触会引发掩模版和光刻胶的磨损， 增加缺陷发生的可能， 因 此产生了接近式曝光。接近式曝光避免了磨损 带来的缺陷 ，但是由于空隙和光散射 的存在，接近式曝光的分辨率在当时条件下被限制在了 3 m以上。接近式曝光的 理论分辨率极限是 CD = k( +2) 其中 k代表光刻胶参数，通常取值在 12之间。 CD（ Critical Dimension）代表最 小尺寸，一般对应最小能够分辨的周期线宽。 是曝光使用的光源的波长。掩模版 到光刻胶表面的距离用 g表示，通常大于 10 m。从公式可知，在使用当时主流的 450nm光源下，极限分辨率在 3 m，而接触式曝光下，这一极限为 0.7 m。 当前主流的投影式曝光的诞生，弥补了接触式曝光与接近式曝光的不足，突破缺陷 与分辨率的双重限制。 光学透镜组被引入到光刻胶与掩模版之间，这种情况下， 投 影式曝光方式中，光学分辨率可以有著名的瑞利公式决定： CD = 1 其中 CD与 和上文公式中对应的变量意义相同； k1是一个与光刻过程本身相关的 系数，业内目前关于 k1 可以达到的极小值是 0.25； NA 是 投影 /扫描装置的数值孔 径，如果介质是空气或者真空，那么 NA 在数值上就等于其物镜在像空间的最大半 张角的正弦值。 NA反映了光学组件对光的收集能力。 NA = nsin 提高系统分辨率的方式有三种，使用波长更短的光源，增大数值孔径，以及减小工 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 8 / 46 证券研究报告 艺系数 k1。 其中改变光源的波长最为容易 ，随着制程的推进，光刻系统的光源从高 压汞灯，演进为准分子激光光源 （ KrF、 ArF）与最新的基于激光诱导等离子 （ LPP） 极深紫外光源（ EUV）。增大数值孔径通常需要改变光学组件的直径或者改变介质 的折射率。 图 3： 光谱波长频段对应关系 图 4： 光刻光源随晶圆制程的演进过程 资料来源： ASML 公司官网，申港证券研究所 资料来源： 纳米集成电路制造工艺 申港证券研究所 表 1： 光刻机发展历程及其应用制程简述 光源 波长 /nm 曝光类型 制程 汞灯 （ g-line） 436 接触 /接近式 3.0-0.6 m 汞灯（ i-line） 365 接触 /接近式 0.6-0.25 m KrF 248 扫描投影式 0.18-0.13 m ArF 193 步进投影式 -干式 130-65nm 浸没步进式 45-7nm EUV (LPP) 13.5 反射扫描步进式 Sub 7nm 资料来源：纳米集成电路制造工艺，申港证券研究所 摩尔定律描述的晶圆制造工艺是持续迭代演进的过程，而演进中技术路线的分歧点 会催生新的行业龙头。 光刻工艺的演进并不是一帆风顺的，对行业影响最深远的一 次技术分歧是 DUV时代中 157nm 干法光刻与 193nm 浸没式光刻的岔路口。 基于 分子激光的光源微缩至 ArF的 193nm 时，尼康为首的光刻机制造商主推基于 F2的 157nm光源。这种光源可以提高 20%左右的分辨率，但是 存在下列缺点 镜组使用的光学材料在 157nm 时均为高吸收态，吸收激光辐射后升温膨胀，产 生形变造成球面像差。因此必须使用 CaF2 制造镜组。然而 CaF2 镜组 使用寿命 短，且核心技术在尼康手中，产能较低 ，无法满足大规模应用的要求 。 由于 ArF 的使用的光刻胶 在 157nm 均有强吸收，光刻胶需要重新进行开发，投 入产出比较低。 此时，台积电工程师 林本坚提出 基于现有 193nm ArF浸入式光刻的概念。 由于这一 理念是基于现有设备 加以改造 ，对于光源与透镜组系统的改动较小， ASML第一 个 响应了林本坚与台积电的这一提案 。 ASML的这一决定为其在 45nm 以下时代取得 了市场先发优势，为期在先进制程的统治地位奠定了基础。 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 9 / 46 证券研究报告 图 5： 干式光刻与浸入式光刻光路原理图 图 6： ASML 浸入式光刻系统 资料来源：微信公众号 Optical Note，申港证券研究所 资料来源： ASML 公司官网，申港证券研究所 随着制程推进至 7nm 以下，伴随 EUV 时代的来临，已知光学材料对极深紫外均有 强吸收。 EUV光刻机中光学组件不再使用基于透射式的光路设计，而是改为使用反 射镜搭建光路。 图 7： ASML NXE3400 EUV 光刻系统光路示意图 资料来源： ASML 公司官方网站，申港证券研究所 1.2 光刻工艺流程 光刻工艺在集成电路、 显示面板 、 PCB制造 等 微图纹结构的形成中有着广泛的应用， 典型的光刻工艺核心步骤包括：表面处理、涂胶、曝光前烘焙、对准和曝光、曝光 后烘焙、显影、显影后烘焙、测量。 气体硅片表面预处理： 光刻前， 硅片会经历湿法清洗与去离子水淋洗，以去除表 面污染物。在湿法清洗的过程中使用的清洗液中添加的亲水表面活性剂会使硅片 表面变为亲水，同时硅片在湿法过程中表面羟基数量增加后也将变得更为亲水。 大部分基于树脂 /有机高分子聚合物的光刻胶在亲水表面的附着力较差，所以晶圆 表面需要使用六甲基二硅胺烷（ Hexamethyl Disilazane, HMDS）进行疏水化处 理，硅表面的亲水基团 Si-OH在这一过程中被置换为疏水的 -OSi(CH3)3。 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 10 / 46 证券研究报告 图 8： HMDS 作用下硅表面亲水基团疏水化过程示意图 资料来源： 智于博客， 申港证券研究所 图 9： 晶圆疏水预处理设备基本结构图 图 10： HMDS 处理前 （左） 后 （右 ） 水在 TEOS 表面的接触 角 资料来源： 纳米集成电路制造工艺 P152， 申港证券研究所 资料来源： Energy Procedia 69:226-232， 申港证券研究所 旋涂光刻胶、抗反射层： 气体预处理后，光刻胶 将被均匀的涂布在晶圆表面。涂 胶最常用的工艺为旋涂法。体积为几毫升的光刻胶 通过专用的管路，输运到晶圆 中心。 之后硅片会按照设定的程序加速旋转到预定转速。 光刻胶在晶圆表面形成 的覆膜厚度取决于光刻胶本身的流动特性与最终旋转速度有关。 涂胶过程中， 膜 厚的均匀度与涂胶相关的缺陷数是该工序中最为关心的两个问题。由于光刻胶的 粘度会随着温度而变化，可以通过 分区 改变光刻胶或者晶圆表面的温度 ，实现晶 圆表面不同区域中可变调节光刻胶膜的厚度。通过线宽随光刻胶厚度的规律，可 以确定光刻胶图层的最佳厚度，以节省机时与原料。 表 2： 涂胶过程中造成缺陷升高的因素 环节 缺陷升高的影响因素 光刻胶自 身属性 不含颗粒性物质，光刻胶需要进行过滤 光刻胶不得混入空气，气泡会影响曝光时的光路，造成缺陷 涂胶设备 涂胶碗的结构必须防止甩出的光刻胶溅回 光刻胶的泵运系统必须能在输送完成后将喷口多余的光刻胶吸回，避免光刻胶 凝固后在下一次涂胶中产生颗粒缺陷 其他试剂 的使用 硅片边缘去胶所使用的溶剂需要加以控制。硅片旋涂过程中，由于光刻胶的表 面张力， 会在硅片边缘形成一圈圆珠型光刻胶残留，又称边缘胶滴。胶滴干了 后会 剥离形成颗粒掉落在设备中引起缺陷升高。同时进入硅片背面的光刻胶会 污染硅片平台，导致硅片吸附不良。 相关数据表面， 90%以上的光刻胶都在旋涂中被甩出晶圆。丙二醇甲醚醋酸酯 的加入会在光刻胶界面产生化学冲击，使用不当也会导致缺陷升高。 其他环节 保持显影模块的排风压力，防止显影过程中显影液回溅造成缺陷。 资料来源：纳米集成电路制造工艺，申港证券研究所 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 11 / 46 证券研究报告 图 11： 光刻胶旋涂设备结构示意简图 图 12： 光刻胶成膜厚度与转速关系图 资料来源： imicromaterials，申港证券研究所 资料来源： imicromaterials，申港证券研究所 图 13： 光刻胶旋涂过程中胶膜形态的变化 资料来源： Dr. R.B. Darling: Photolithography lecture notes，申港证券研究所 曝光前烘焙 ： 光刻胶旋涂在晶圆表面之后，需要经过前烘，又称为软烘。这一步 的目的 在于去除光刻胶中易挥发的部分溶剂，同时使得旋涂后的光刻胶更加致密。 通常使用的温度在 80100 oC，持续时间为 3045s。前烘结束后， 晶圆将会从热 板上转移至冷板上，降温到环境温度后再进行后续工序。 图 14： 前烘温度 与分解速率的对应关系 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 12 / 46 证券研究报告 资料来源： Dr. R.B. Darling: Photolithography lecture notes， 申港证券研究所 对准与曝光： 这一过程是光刻工艺的核心环节，掩模版 将被移动到硅片上预先定 义的大致位置，或者相对于上一道光罩已形成的图形上确定的位置。在第二层及 以后的曝光过程中 光刻机需要 对准前一层曝光所留下的对准记号，将本层的掩模 版套印在已有的图形上。套刻精度通常为最小期器件尺寸的 30%左右，以 65nm 节点为例，套刻精度通常为 1620nm。 曝光后烘焙 : 曝光完成之后，涂有光刻胶的晶圆需要再次进行烘焙（ Post Exposure Baking, PEB）。这一烘焙工序的目的是利用加热的方式，加快化学反 应的进行。 曝光过程中光敏组分的引发的化学反应会在加热条件下发生扩散，与 光刻胶发生反应后，形成可溶于显影液与不溶于显影液的组分。 由于曝光后形成 的图形与掩模版上的图形一致，但是没有显现出来，因此这些图形又被称为潜像 （ Latent Image） 显影： 后烘之后的晶圆会经过显影步骤去除指定区域 中已产生化学反应的光刻胶。 光化学反应后的光刻胶通常显酸性，因此显影液的基础 配方通产显碱性， 早期显 影液会使用钾或者钠的氢氧化物溶液或者对应的硼酸、碳酸盐，但由于金属离子 的残留会影响到器件本身的电性能，现在显影液 一般使用体积比为 2.38%的 四甲 基氢氧化铵溶液（ TMAH）。 表 3： 晶圆曝光后显影的核心工序 显影步骤 工序过程 预喷淋（ pre-wet） 晶圆表面喷淋去离子水，以改善显影液在晶圆表面的附着能力 显 影 喷 淋 （ developer dispense） 将显影液输运 到晶圆表面， 使得硅片表面尽可能接触到相同量的 显影液。 显影液表面停留（ puddle） 喷淋后的显影液需要在晶圆表面停留一段时间，通常为几十秒到一两分钟，以保证反应完全。 去除显影液并清洗（ rinse） 显影液与曝光后的光刻胶反应完全 后，显影液将被高速旋转的晶圆甩出，同时晶圆表面将通过去离子水淋进行冲淋 甩干（ spin dry） 硅片高速旋转甩干残留去离子水。 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 13 / 46 证券研究报告 资料来源：申港证券研究所 显影后烘焙 ，坚膜 ： 显影过后，掩模版上的图形基本已经转移到了晶圆表面， 坚 膜的目的是 为了 使 光刻胶的性质更加稳定 ，同时由于显影这一湿法过程中，光刻 胶会接触到大量的水，这一步骤对于后续的湿法蚀刻产生不利影响，因此需要通 过烘焙的方式将光刻胶中吸收的水分移除。 另一种情况是显影后在胶 -基板界面会 存在残留的聚合物薄层，可以使用 O2 等离子气体对样品进行处理以去除非期望 的聚合物残留 （ descumming）。 刻蚀（ etching）： 刻蚀是晶圆制造领域最常见也最核心的步骤之一，刻蚀可分为 使用化学作用的湿法蚀刻与使用低压等离子气体的干法蚀刻，通常我们所说的光 刻中实际上发生的材料去除，并非使用光之一媒介自身实现，而是蚀刻过程中加 以完成。 光刻胶去除（ PR Strip）： 光刻胶的作用是在蚀刻工艺中保护相应的 区域不被去 除，但是在 相应的工序结束后，光刻胶最终需要被移除以保证后续工序的正常进 行。这一过程通常被称作去胶。 表 4： 常用刻蚀后的光刻胶去除工艺 去 胶方式 工艺 干法去胶 通过超声波，臭氧或者氧等离子气体进行去 除 湿法去胶 使用专用的光刻胶去除剂，通常可分为胺类 光刻胶去除剂，含有有机溶剂的半水性光刻 胶去除剂以及借助氧化作用的水性光刻胶去 除剂。 资料来源：申港证券研究所 图 15： 盛美半导体 Ultra C 湿法去胶工艺设备 图 16： 屹唐半导体 Suprema 干法去胶设备 资料来源：盛美半导体官网，申港证券研究所 资料来源：屹唐半导体官网，申港证券研究所 测量： 曝光完成后，需要对光刻形成的关键尺寸（ CD）以及套刻精度进行量测 。 关键尺寸的测量通常借助扫描电子显微镜，而套刻精度则使用光学显微镜和 CCD 结合的方式加以确定。 图 17： 左：扫描电子显微镜（ CD-SEM）测得的关键尺寸数据 右： 套刻 精度 测量的结果 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 14 / 46 证券研究报告 资料来源： 纳米集成电路制造工艺， 申港证券研究所 图 18： 典型光刻工艺的 8 道核心流程 资料来源：纳米集成电路制造工艺 P151，申港证券研究所 平板显示阵列的制造： 在该过程中， 光刻胶涂敷于晶体薄膜表面，经过曝光、显影 和蚀刻等工序，将掩模版上的图形转移到薄膜上， 形成与掩模版对应的几何图形。 图 19： TFT-LCD 光刻工艺示意图 资料来源：晶瑞电材招股说明书，申港证券研究所 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 15 / 46 证券研究报告 图 20： 多晶硅刻蚀、光刻与离子注入工艺流程 资料来源：晶瑞电材 招股说明书 ， 申港证券研究所 1.3 光刻工艺窗口及其评价方法 光刻工艺是复杂的物理化学过程，现代晶圆代工中对于光刻工序的精度与可复现性 要求极高，是人类工业成果的集大成者。通常光刻工艺的参数窗口与评价指标从以 下几个维度出发： 曝光能量宽裕度（ EL）： 这一概念是指在线宽允许变化范围内， 对于曝光能量允 许的最大偏差。 通常 EL 使用曝光结果检测线宽全部允许范围的 10%来确定。 曝光能量宽裕度可以通过下面的表达式计算： EL = ( ) 100% 对于线宽 90nm 的工艺，假定曝光能量的变化斜率为 6nm/(mJ/cm2)，最佳曝光能 量为 20mJ/cm2, 则 EL 的值为 (（ 90*20%） /6)/20=15%。通常来说，对于 90nm， 65nm， 45nm 以及 32nm节点， gate栅极光刻的 EL为 15%20%，金属线互连 EL 的要求为 13%15%。曝光容忍深度 还同对比度直接相关， 光刻胶对光的吸收，以 及发生 光化学反应需要光敏成分在光刻胶薄膜内扩散 ，这种化学反应伴随的扩散会 降低对象的对比度。 对焦深度（ Depth of Focus, DoF） :是指在线宽允许的 变化范围内，焦距的最大 可变化范围。随着焦距的变化，光刻胶线宽与形貌均会发生变化。 在实际生产中， 能量和焦距都是在时刻变化的，需要在能量有漂移的情况下 ，确认焦距的最大允 许变化范围。 表 5： 不同技术节点上的典型对焦深度要求 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 16 / 46 证券研究报告 对焦深度 / m 技术节点 250 180 120 90 65 45 32 波长 /nm 248 248 248 193 193 193i 193i 前道 0.5-0.6 0.45 0.35 0.35 0.25 0.15 0.1 后道 0.6-0.8 0.6 0.45 0.45 0.3 0.2 0.12 资料来源：纳米集成电路制造工艺，申港证券研究所 图 21： 不同曝光能量下线宽随焦距的变化（泊松图） 图 22： 光刻胶断面形貌随曝光能量和和焦距的变化示意图 资料来源：纳米集成电路制造工艺，申港证券研究所 资料来源：纳米集成电路制造工艺，申港证券研究所 掩模版误差因子 ：掩模版误差因子主要由光学系统的衍射造成，其定义为在硅片 上曝出的线宽与掩模版上线宽的偏导数。影响掩模版误差因子的条件有很多，包 括照明条件、 光刻胶性能、 光刻机透镜像差 、后烘温度等。对于远大于曝光波长 的图形，即处于线性范围的情况下，掩模版误差因子通常非常接近 1。除开个别 特殊情况，掩模版误差因子一般不会小于 1。 线宽均匀性： 晶圆制造中的线宽均匀性一般分为：芯片区域内（ within chip）、曝 光区域内（ within shot）、硅片内（ within wafer, WIW）、批次内（ within lot）、批 次间 （ lot to lot）。 表 6： 光刻胶相关因素导致的线宽均匀性 因素 芯片区域内 曝光区域内 硅片内 批次内 批次间 涂胶厚度均匀 性 是 光刻胶厚度的 漂移 是 是 曝光后烘焙维 度均匀性 是 曝光前烘焙温 度均匀性 是 抗反射层厚度 漂移 是 是 是 抗反射层厚度 均匀性 是 资料来源： 纳米集成电路制造工艺， 港证券研究所 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 17 / 46 证券研究报告 表 7： 评价光刻胶的核心性能特性 性能特性 相关指标要求 灵敏度 衡量曝光速度的指标。光刻胶的灵敏度越高，所需的曝光剂量越小。曝光剂量以毫焦耳每平方厘米 （ mJ/cm2）为单位，电子束光刻的剂量单位为 uC/cm2.光刻胶聚合物 分子的解链或者交联是通过吸收 特定波长的光辐射能量完成的。 对比度 由对比度高的光刻胶所得到的的曝光图形具有陡直的边壁和较高的图形深宽比。对比度直接影响到胶的 分辨能力。通过比较了不同的对比度的胶所形成的图形轮廓 抗刻蚀比 光刻后道工艺是干法刻蚀，光刻胶作为刻蚀掩膜，就需要光刻胶具有较高的抗刻蚀性。 分辨能力 影响分辨能力的因素有 3 个方面：曝光系 统的分辨率；光刻胶的相对分子质量、分子平均分布、对 比度与胶厚；显影条件与前后烘烤温度。 曝光宽容度 如果光刻时使用的曝光剂量偏离了最佳曝光剂量，仍能获得较好的图形，说明这款光刻胶具有较大的曝 光宽容度 工艺宽容度 先后烘烤的温度、显影时间、显影液浓度与温度都会对最后的光刻胶图形产生影响。每一套工艺都有相 应的最佳工艺条件。但当这些条件偏离最佳值时，要求光刻胶的性能变化尽可能小。 热流动性 每种胶都有一个玻璃态转化温度 Tg。超过这一温度，胶就会呈熔融状态。 膨胀效应 负胶在显影过程中会发生膨胀现象（ swelling）。这主要是由于显影液分子进入胶的分子链。使胶的体积 增加，从而使胶的图形变形。 黏度 而不同的黏度决定了该胶的不同涂覆厚度。这在厚胶工艺中非常明显 保证期限 每一款胶都有一定的保值期限（ shelf life）。这是因为光刻胶中含有光敏物质，存放时间过久会失去光活 性、溶剂挥发。 资料来源： Litho Wiki, 申港证券研究所 2. 光刻胶 ：流动的黄金 2.1 光刻胶 分类： 紧贴应用 配方多样 历经几十年的持续演进，光 刻胶的 核心组分也在不断的创新与改进，以应对新工艺 中不断出现的新挑战。 光刻胶的几大组成成分包括：主干聚合物（ backbone polymer）、光敏感成分（ Photoactive Compound, PAC）、刻蚀阻挡基团（ Etching Resistant Group）、保护基团（ Protecting Group） 、溶剂（ Solvent）构成。 光刻胶 中各个组分的性质，最终会影响到光刻胶在曝光显影过程中的实际性能。 表 8： 光刻胶各组分理化性质对光刻胶性能的影响 光刻胶性能 光刻胶组分的理化性质 聚合物特性 粘度 含水量 增感剂浓度 金属离子含量 溶剂组成 粘附性 分辨率 抗蚀性 图像稳定性 针孔 光敏性 涂层厚度 资料来源： 苏州汶灏官网， 申港证券研究所 光刻胶的分类方式众多， 按照光照后 显影时与显影液产生的化学反应，最终形成的 图形与掩模版图形的对应关系划分，可以分为 正胶与负胶 。 电子 行业深度研究 敬请参阅最后一页免责声明 18 / 46 证券研究报告 正胶的 光敏成分 在光照下会分解成为短链结构，从而在显影环节中会被显影液去 除，因此在光线照到的区域，会被显影液去除，在蚀刻过程中光照到的区域会被 等离子化气体蚀刻去除，