基礎化工行業中國化工新時代系列報告之半導體光刻膠：大陸晶圓代工廠成熟制程快速擴建國產光刻膠企業迎來重大機遇-20220112（46頁）.pdf

1、 -1- 證券研究報告 2022 年 1 月 12 日 行業行業研究研究 大陸大陸晶圓晶圓代工廠代工廠成熟制程成熟制程快速擴建快速擴建，國產光刻膠企業迎來重大機遇，國產光刻膠企業迎來重大機遇 中國化工新時代系列報告之半導體光刻膠 基礎化工基礎化工 半導體工業沿摩爾定半導體工業沿摩爾定律律向向前發前發展， 光刻技展， 光刻技術是術是基石?；?。 摩爾定律的延續離不開光刻技術的進步， 目前全球最為頂尖且實現量產的光刻工藝為臺積電的 5 nm 制程工藝（2020 年），3 nm 制程工藝預計將于 2022 年正式投產。而大陸方面，最為領先的晶圓代工企業中芯國際已于 2021 年實現 7 nm 制程工

2、藝的突破，但仍與世界頂尖水平存在著約 2 代技術的差距，對應的技術研發周期約為 3-4 年。 半導體光刻膠半導體光刻膠為為晶圓制造核心材料晶圓制造核心材料， 大陸大陸產品仍存較大技術差距產品仍存較大技術差距。 在所有的晶圓制造材料中， 半導體光刻膠憑借其復雜且精準的成分組成要求而具有最高的價值含量。半導體光刻膠產品由低端到高端可分為 g 線、i 線、KrF、ArF 和 EUV 光刻膠，最高端的 EUV 光刻膠基本被日本和美國企業所壟斷。大陸方面目前僅實現了 KrF 光刻膠的量產， ArF 光刻膠產品仍處于下游客戶驗證階段并未形成實際性的量產產能，而最高端的 EUV 光刻膠的技術儲備近乎空白。

3、行業政策與行業政策與“大基金大基金”加持，助力光刻膠突破“卡脖子”加持，助力光刻膠突破“卡脖子”技術技術壁壘壁壘?！笆奈濉币巹澨岢隽恕皬娀瘒覒鹇钥萍剂α俊钡姆结?，重點強調要從“卡脖子”問題清單和國家重大需求中找出科學問題。 集成電路的產業發展一直是我國的 “卡脖子”問題之一，其中半導體光刻膠等產品領域存在有明顯的“受制于人”的問題，而突破這些“卡脖子”技術壁壘必將成為踐行“強化國家戰略科技力量”這一宏觀戰略的重點之一。 自 2014 年 6 月國務院發布 國家集成電路產業發展推進綱要以來，國家不斷地通過政策、科研專項基金、產業基金等多種形式為國內光刻膠企業的發展提供支持。 大陸晶圓代工產能

4、增速全球第一，聚焦成熟制程利好國產化推進。大陸晶圓代工產能增速全球第一，聚焦成熟制程利好國產化推進。根據 SIA 和BCG 預測，2021-2030 年期間中國大陸的晶圓代工產能增速在全球范圍內將排名第一。伴隨著大陸晶圓代工產能的快速擴張，特別是 28 nm 及以上成熟制程晶圓代工產能快速擴張，大陸市場對于光刻膠等半導體材料的需求將與日俱增。而中美貿易摩擦對于半導體材料的限制或禁運， 將加快國內已實現量產突破的產品向國內晶圓代工廠商的導入進度。同時， 半導體光刻膠企業在獲得持續訂單后有望形成正反饋循環， 依靠可持續性的資金流入， 推動現有半導體光刻膠產品的產能擴增及新一代半導體光刻膠產品的研發

5、。 投資建議：投資建議：我們重點推薦：（1）持續推進電子材料平臺化建設，布局上游光刻膠樹脂原料、實現 KrF 光刻膠量產，并持續向更高端的 ArF 光刻膠進發的彤程彤程新材新材；（2）同時布局半導體光刻膠和 G5 級濕電子化學品業務，并擁有新能源材料產品線的晶晶瑞瑞電材電材；（3）ArF 光刻膠通過客戶技術驗證的南大光電南大光電；（4）布局光刻膠關鍵原料光敏劑產能的久日新材久日新材。 建議關注半導體光刻膠產業鏈內相關公司：華懋科技、上海新陽、江化微、瑞聯新材、萬潤股份、七彩化學、百川股份、怡達股份。 風險分析：風險分析：中美貿易摩擦，行業政策落地風險，產品驗證風險，技術研發風險。 重點公司盈利

6、預測與估值表重點公司盈利預測與估值表 證券代碼證券代碼 公司名稱公司名稱 股價股價（元）（元） EPSEPS（元）（元） PEPE（X X） 投資評投資評級級 20A20A 21E21E 22E22E 20A20A 21E21E 22E22E 603650.SH 彤程新材 39.68 0.70 0.73 1.09 57 55 36 買入 300655.SZ 晶瑞電材 38.38 0.41 0.62 0.94 94 62 41 買入 300346.SZ 南大光電 45.72 0.21 0.39 0.48 214 118 95 增持 688199.SH 久日新材 41.45 1.23 1.32 2

7、.14 34 31 19 增持 資料來源：Wind，光大證券研究所預測，股價時間為 2022-01-11 增持（維持）增持（維持） 作者作者 行業與滬深行業與滬深 300300 指數對比圖指數對比圖 -10%8%26%45%63%12/2003/2106/2109/21基礎化工滬深300 資料來源：Wind 相關研報相關研報 新能源產業步入快車道， 化工材料迎來發展新動能中國化工新時代系列報告之新能源化工材料（2021-08-18） 六氟磷酸鋰持續景氣， 新型鋰鹽迎來新機遇中 國 化 工 新 時 代 系 列 報 告 之 電 解 液（2021-06-24） 要點要點 -2- 證券研究報告 基礎化

8、工基礎化工 投資聚焦投資聚焦 集成電路的產業發展一直是我國的“卡脖子”問題之一，在集成電路全產業鏈中的大多數領域， 大陸企業與全球頂尖水平都存在著或大或小的差距。 從半導體光刻膠的角度來看，大陸的半導體光刻膠企業在最高端的 EUV 光刻膠研發方面近乎空白，在次高端的 ArF 光刻膠方面也暫未形成實質性的量產產能。 我們深知半導體光刻膠等高精尖材料研發的不易， 以及國內半導體行業在尖端材料、工藝、設備方面的難點。因此，我們認為并不應該追求在“一夕之間”對尖端半導體技術的“一蹴而就”。同時結合半導體材料發展歷史，我們也不認為當前存在 “另辟蹊徑” 的可能。 對于國產半導體光刻膠企業而言， “腳踏實

9、地” 、“循序漸進”才是企業發展良策。恰好的是，當前機遇已經來臨。 我們我們區別于區別于市場市場的觀點的觀點 市場往往更為關注相關半導體材料企業， 特別是光刻膠企業在高端產品方面的技術突破。 但我們認為對于國產企業而言，從企業穩健發展和國內晶圓代工產能發展的角度出發， 我們更應該關注光刻膠企業在非尖端產品方面的布局。 在當前大陸晶圓代工產能快速增長且主要集中于 28 nm 及以上成熟制程產能的趨勢下，非尖端半導體材料的市場需求將大幅提升。這與國內半導體光刻膠企業在 g線、 i 線、 KrF、 ArF 光刻膠等產品端的產能投放節奏和產品研發進度是相匹配的。在因中美貿易摩擦導致進口半導體材料存在明

10、顯限制的背景下， 下游晶圓代工廠對于國產半導體光刻膠的驗證進度明顯加快， 國產半導體光刻膠也正在持續地獲得下游晶圓代工廠的新增訂單，半導體光刻膠國產化率也隨之明顯提升。 國產半導體光刻膠企業在成功實現現有產品的導入、 獲得穩定且可持續的產品訂單后， 就可以進入業務發展的正反饋循環中。 擁有持續且可觀的現金流入后，才有足夠的資金去進一步推動更高端產品的研發， 才有希望憑借自主研發能力突破尖端技術壁壘。 股價上漲的催化因素股價上漲的催化因素 國家進一步推出并落地半導體材料行業利好政策； 相關企業建成光刻膠產品量產線；相關企業成功導入國內頭部晶圓代工廠光刻膠供應鏈中。 投資投資建議建議 根據 SIA

11、 和 BCG 的預測，2021-2030 年期間中國大陸的晶圓代工產能增速在全球范圍內將排名第一。 伴隨著大陸晶圓代工產能的快速擴張， 特別是 28 nm及以上成熟制程晶圓代工產能快速擴張， 大陸市場對于光刻膠等半導體材料的需求將與日俱增。 而中美貿易摩擦所帶來的對高端半導體材料及設備進口的限制或禁運， 將加快國內已實現量產突破的相關半導體材料產品向國內晶圓代工廠商的導入進度，進而加快光刻膠等關鍵半導體材料的國產化進程。 在此背景下，我們重點推薦：（1）持續推進電子材料平臺化建設，布局上游光刻膠樹脂原料、實現 KrF 光刻膠量產，并持續向更高端的 ArF 光刻膠進發的彤程新材彤程新材；（2）同

12、時布局半導體光刻膠和 G5 級濕電子化學品業務，并擁有新能源材料產品線的晶瑞晶瑞電材電材；（3）ArF 光刻膠通過客戶技術驗證的南大光電南大光電；（4）布局光刻膠關鍵原料光敏劑產能的久日新材久日新材。建議關注半導體光刻膠產業鏈內相關公司：華懋科技、上海新陽、江化微、瑞聯新材、萬潤股份、七彩化學、百川股份、怡達股份。 rQtNpNoQrNxPmOpMyRuMuN6M8QaQoMpPnPsQjMnNnMeRrQmP7NoOwPNZoPpQwMnOmQ -3- 證券研究報告 基基礎化工礎化工 目目 錄錄 1、 半導體工業發展的基半導體工業發展的基石石光刻技術光刻技術 . 6 6 1.1、 集成電路的

13、夕與今 . 6 1.2、 摩爾定律與光刻工藝 . 7 1.3、 光刻工藝的影響因素 . 8 1.4、 誤區糾正：光刻工藝分辨率技術節點 . 10 2、 “半導體材料皇冠上的明珠半導體材料皇冠上的明珠”光刻膠光刻膠 . 1111 2.1、 負性光刻膠最傳統的光刻膠 . 12 2.2、 非化學放大型正性光刻膠重氮萘醌/酚醛樹脂體系光刻膠（DNQ-Novolac） . 13 2.2.1、 重氮萘醌型感光化合物（PAC） . 13 2.2.2、 酚醛樹脂及其它組成成分 . 15 2.3、 DUV 光刻膠化學放大型 KrF & ArF 光刻膠 . 15 2.3.1、 光致產酸劑（Photo-Acid G

14、enerator，PAG） . 16 2.3.2、 DUV 光刻膠的樹脂 . 16 2.3.3、 浸沒式 ArF 光刻膠的額外組分表面隔水涂層 . 18 2.4、 EUV 光刻膠 . 19 2.5、 光刻膠的生產與驗證流程 . 20 3、 為什么我們看好大陸半導體光刻膠產業？為什么我們看好大陸半導體光刻膠產業？ . 2222 3.1、 政策端“強化國家戰略科技力量”，行業政策與“大基金”助力突破“卡脖子”領域 . 22 3.2、 市場端乘國內成熟制程產能增長東風，從中低端產品開始發力 . 24 3.3、 日本光刻膠廠商給予我們的啟發 . 28 4、 投資建議投資建議 . 3131 4.1、 彤

15、程新材：光刻膠業務持續放量，布局 ArF 項目推動公司電子材料平臺建設 . 31 4.2、 晶瑞電材：光刻膠與濕電子化學品同步推進，半導體材料國產替代進程加速 . 34 4.3、 南大光電：ArF 光刻膠通過客戶技術驗證，研發進度處于行業領先地位 . 36 4.4、 久日新材：國內光引發劑行業龍頭，進軍光刻膠產業布局關鍵光敏劑原料 . 39 5、 風險分析風險分析 . 4646 -4- 證券研究報告 基基礎化工礎化工 圖目錄圖目錄 圖 1：1946 年世界第一臺通用電子計算機 ENIAC . 6 圖 2：1954 年世界第一臺晶體管化計算機 TRADIC . 6 圖 3：華為麒麟 9000 芯

16、片 . 6 圖 4：搭載有麒麟 9000 芯片的華為 Mate 40 Pro 手機 . 6 圖 5：摩爾定律提出者 & Intel 公司聯合創始人：戈登 摩爾 . 7 圖 6：光刻工藝示意圖 . 8 圖 7：光刻技術分辨率隨著曝光光源波長的縮短而不斷提升 . 9 圖 8：浸沒式光刻能夠以更大的角度在光刻膠中成像示意圖 . 10 圖 9：鰭式場效應晶體管（FinFET）結構示意圖 . 10 圖 10：臺積電技術節點與柵周期和金屬周期的對應關系 . 10 圖 11：半導體光刻膠的分類 . 11 圖 12：正性光刻膠與負性光刻膠曝光結果對比示意圖 . 12 圖 13：聚乙烯醇肉桂酸酯的二聚反應. 1

17、2 圖 14：環化橡膠-雙疊氮系負性光刻膠光聚合反應機理 . 12 圖 15：典型負性光刻膠 SU-8 的溶脹現象示意圖 . 13 圖 16：重氮萘醌磺酸酯的光解反應歷程 . 14 圖 17：基于氫鍵作用的溶解抑制機理. 14 圖 18：基于堿催化偶聯反應的溶解抑制機理 . 14 圖 19：部分高性能感光化合物 PAC 中用到的骨架化合物 . 14 圖 20：非化學放大型光刻膠（左）和化學放大型光刻膠（右）在 DUV 條件下的斷面形貌 . 15 圖 21：部分具有代表性的用于 ArF 光刻膠的光致產酸劑 . 16 圖 22：用于 ArF 光刻膠的聚甲基丙烯酸酯類樹脂體系的常見側鏈基團 . 18

18、 圖 23：顯影液可溶性表面隔水涂層和光刻膠自生成表面隔水涂層的使用示意圖 . 19 圖 24：光刻膠的生產工藝流程 . 20 圖 25：光刻膠的驗證流程 . 21 圖 26：國家大基金一期股東結構 . 24 圖 27：國家大基金二期股東結構 . 24 圖 28：2007-2021 年晶圓制造與封裝材料市場規模(十億美元) . 25 圖 29：2016-2021 年全球半導體材料市場分布(十億美元) . 25 圖 30：2021 年不同晶圓制造材料的市場規模占比 . 25 圖 31：2014 至 2025 年國內半導體光刻膠市場規模. 25 圖 32：ASML TWINSCAN NXE:360

19、0D 型 EUV 光刻機 . 26 圖 33：ASML TWINSCAN XT:400L 型 i 線光刻機 . 26 圖 34：2019 年全球不同結構芯片的產能占比 . 26 圖 35：2019 年各國各地區在不同制程邏輯芯片中的產能占比 . 26 圖 36：全球各國各地區晶圓代工產能（折算 8 英寸片產能，百萬片/月） . 27 圖 37：兩種預測口徑下 2030 年中國大陸晶圓代工產能都將位居世界第一 . 27 圖 38：20 世紀 80 年代日本半導體市場規模占比躍居全球第一 . 28 圖 39：2020FY TOK 的主營業務收入構成 . 29 -5- 證券研究報告 基基礎化工礎化工

20、 圖 40：2020FY 信越化學的主營業務收入構成 . 29 圖 41：2011FY-2020FY TOK 的營收情況及增長率 . 29 圖 42：2011FY-2020FY 信越化學的營收情況及增長率 . 29 圖 43：2020 年不同行業資本支出占銷售額比重 . 30 圖 44：TOK 與國內光刻膠企業經營性現金流比較（億元） . 30 圖 45：TOK 與國內光刻膠企業資本開支比較（億元） . 30 圖 46：TOK 與國內光刻膠企業研發投入比較（億元） . 30 圖 47：國內半導體光刻膠產業鏈相關標的 . 31 圖 48：彤程新材 2016-2021 前三季度營業收入及歸母凈利潤

21、 . 32 圖 49：2021 年 11 月北京科華與杜邦公司戰略合作簽約現場 . 33 圖 50：晶瑞電材 2016-2021 前三季度營業收入及歸母凈利潤 . 34 圖 51：晶瑞電材 ASML1900 Gi 型光刻機于 2021 年年初正式搬入實驗室 . 35 圖 52：南大光電 2016-2021 前三季度營業收入及歸母凈利潤 . 36 圖 53：南大光電 2021H1 營收和毛利結構 . 36 圖 54：久日新材 2016-2021 前三季度營業收入及歸母凈利潤 . 40 圖 55：久日新材 2020 年營收結構 . 40 表目錄表目錄 表 1：不同類型的曝光光源所對應的制程工藝 .

22、 9 表 2：不同曝光光源分類下半導體光刻膠的典型組成成分（樹脂與光敏劑） . 11 表 3：重氮萘醌-酚醛樹脂體系光刻膠的主要組成成分 . 15 表 4：擁有不同酸致脫保護基團的 KrF 化學放大型光刻膠的特征及優缺點 . 17 表 5：用于 ArF 浸沒式光刻的表面隔水涂層的種類與優缺點 . 19 表 6：2021 年全球主要企業半導體光刻膠發展情況. 22 表 7：半導體產業發展相關的國家政策 . 23 表 8：彤程新材盈利預測與估值簡表 . 33 表 9：晶瑞電材盈利預測與估值簡表 . 35 表 10：南大光電主營業務及所屬相關公司 . 37 表 11：南大光電關鍵項目預測（萬元） .

23、 38 表 12：南大光電可比公司估值 . 39 表 13：南大光電盈利預測與估值簡表. 39 表 14：久日新材產能規劃情況 . 41 表 15：久日新材關鍵項目預測（萬元） . 42 表 16：久日新材絕對估值核心假設表. 43 表 17：久日新材現金流折現及估值表. 44 表 18：久日新材敏感性分析表（單位：元） . 44 表 19：久日新材盈利預測與估值簡表. 45 -6- 證券研究報告 基礎化基礎化工工 1 1、 半導體工業發展的基石半導體工業發展的基石光刻技術光刻技術 1.11.1、 集成電路集成電路的夕與今的夕與今 1904 年英國物理學家弗萊明發明了二級檢波管（弗萊明管），1

24、907 年美國發明家弗雷斯特發明了第一只真空三極管，而世界上第一臺通用電子計算機ENIAC 則于 1946 年由約翰馮諾依曼等人在美國發明完成。ENIAC 由 17,468個電子管和 7,200 根晶體二極管構成，重量高達 30 英噸，占地達 170 平方米。1947 年 12 月， 美國貝爾實驗室正式成功演示了第一個基于鍺半導體的具有放大功能的點接觸式晶體管， 并于 1954 年開發出了第一臺晶體管化計算機 TRADIC。TRADIC 由 700 個晶體管和 10,000 個鍺二極管構成。 圖圖 1 1：19461946 年世界第一年世界第一臺臺通通用用電子電子計算機計算機 ENIACENI

25、AC 圖圖 2 2：1 1954954 年世界第一臺晶體管化計算機年世界第一臺晶體管化計算機 T TRADICRADIC 資料來源： 光刻技術的歷史與現狀 （樓祺洪） ，光大證券研究所整理 資料來源： 集成電路發展歷程、現狀和建議 （王小強） ，光大證券研究所整理 現如今已經來到 21 世紀 20 年代， 在 ENIAC 和 TRADIC 發布大半個世紀后，華為公司于 2020 年 10 月 22 日發布了截至當時全球最為先進的芯片產品之一基于 5 nm 工藝制程的手機 SoC 芯片麒麟 9000。麒麟 9000 集成了多達15,300,000,000 個晶體管，將手機所需的 CPU、GPU、

26、NPU、ISP、安全系統和5G 通信基帶等計算單元都集成于一體。與 ENIAC 和 TRADIC 相比，麒麟 9000的電子元器件數量增加了約 100 萬倍，但整體的器件體積和質量卻有了極大程度的縮小，搭載有麒麟 9000 芯片的華為 Mate 40 Pro 手機的重量僅為 212 克。 從 ENIAC 和 TRADIC 到麒麟 9000，這反映了全球科技的高速發展，而更確切地說這代表著全球半導體集成電路全球半導體集成電路（ICIC）工藝工藝的飛躍。 圖圖 3 3：華為麒麟華為麒麟 9 9000000 芯片芯片 圖圖 4 4：搭載有麒麟搭載有麒麟 9 9000000 芯片的華為芯片的華為 Ma

27、teMate 40 P40 Proro 手機手機 資料來源：中華網，光大證券研究所整理 資料來源：華為官網，光大證券研究所整理 -7- 證券研究報告 基礎化基礎化工工 1.21.2、 摩爾定律與光刻工藝摩爾定律與光刻工藝 過去數十年間，半導體過去數十年間，半導體工工業始終沿著摩爾定律向前業始終沿著摩爾定律向前發發展展 19 世紀 50 年代末，仙童（Fairchild）半導體公司發明了基于掩膜版的曝光和刻蝕技術，極大地推動了半導體技術革命，該技術也一直沿用至今。1965 年，時任仙童半導體公司研究開發實驗室主任的戈登摩爾 （GordonMoore） 在 電子學（ Electronics ） 上

28、發表了題為 讓集成電路填滿更多的元件（ Cramming More Components Onto Intergrated Circuits）的文章，并首次提出了被后世奉為“計算機第一定律”的經驗性規律摩爾定律：當價格不變時，當價格不變時，集集成成電電路上可以容納的元器路上可以容納的元器件的數目，每隔件的數目，每隔 1818- -2424 個月便個月便會增加一倍，會增加一倍，性能也將提升性能也將提升一倍一倍。 在過去的數十年間，整個半導體工業都始終遵循著摩爾定律向前不斷發展?；诂F有的晶圓制造工藝規劃情況，摩爾定律在未來至少 5-10 年內仍將保持著“生命力”。 圖圖 5 5：摩爾定律提出者：

29、摩爾定律提出者 & Intel& Intel 公司聯合創始人：戈登摩爾公司聯合創始人：戈登摩爾 資料來源：搜狐網，光大證券研究所整理 光刻技術的進步是摩爾定律保持“生命力”的基石之一光刻技術的進步是摩爾定律保持“生命力”的基石之一 半導體工業能夠沿著摩爾定律向前發展離不開光刻工藝的不斷進步， 在光刻領域，對于摩爾定律其實還存在另外一種解讀：每 18-24 個月，利用光刻工藝在集成電路板上所能形成的最小圖案的特征尺寸將縮小 30%。 光刻光刻工藝工藝是半導體制造中通過化是半導體制造中通過化學或物學或物理方法進行圖案轉移的技術。理方法進行圖案轉移的技術。 現代光刻工藝通過光學成像系統將掩膜版上的電

30、路設計圖樣， 使用特定波長的光投影到涂覆有光刻膠的硅片上， 使其感光并發生化學性質及溶解性的轉變， 而后再通過顯影、 刻蝕、 去膠等步驟將原掩膜版上的圖案信息轉移到帶有電介質或者金屬層的硅片上。 在整個芯片制造過程中可能需要進行數十次的光刻， 光刻工藝的成本約為整個芯片制造工藝的 30%，耗時約占整個芯片生產環節的 40%-50%。光刻工藝的精密度決定了集成電路的關鍵尺寸， 奠定了器件微縮的基礎， 即得到更短的溝道長度和實現更低的工作電壓。 -8- 證券研究報告 基礎化基礎化工工 圖圖 6 6：光光刻刻工工藝藝示意圖示意圖 資料來源： Pushing the limits of lithogr

31、aphy （Nature，2 2000000，406(6799)，1027） ，光大證券研究所整理 1.31.3、 光刻工藝的影響因素光刻工藝的影響因素 光刻工藝的分辨率（R，Resolution）是光刻工藝的重要參數之一，其主要由光源波長（光源波長（ ）、數值孔）、數值孔徑（徑（NANA）以及工藝難度系數（以及工藝難度系數（k k）三個因素決定。分辨率 R 與其它三個影響因素之間的關系可以用經典的瑞利散射公式表示， 其中 R越小代表光刻工藝的分辨率越高： 由上述公式可以看出，可以通過縮短光源波長、提高數據孔徑、降低工藝難度系數（注：工藝難度系數越低代表工藝難度越高）的方式來提高光刻工藝的分辨

32、率，以滿足更先進的晶圓制造工藝的需求。 光源波長光源波長的逐步縮短的逐步縮短：從：從 g g 線到線到 E EUVUV 在現代半導體光刻工藝中，光源從紫外寬譜（300-450 nm）向特定波長光源發展，從 436 nm 的汞燈 g 線可見光發展到 365 nm 的汞燈 i 線中的紫外光，再發展到 248 nm 的氟化氪（KrF）及 193 nm 的氟化氬（ArF）準分子激光。在KrF 和 ArF 準分子激光光源后，還曾有對于以氟氣分子（F2）為激光媒介的準分子激光器作為光源的探究，該光源的波長為 157 nm，但由于浸沒式 193 nm 光刻技術研發的成功，157 nm 光刻技術很快就被拋棄。

33、在通過浸沒式光刻和多重曝光技術將 193 nm 光刻推向極致后，13.5 nm 極紫外（EUV）光刻技術的到來又進一步使得更高的分辨率成為可能。 另外除可見光及紫外光以外，電子束、X 射線、離子束等也都可作為曝光光源進行使用， 目前利用 X 射線和離子束作為曝光光源的技術還處于研究階段， 未 -9- 證券研究報告 基礎化基礎化工工 能得到商用。 電子束光刻雖然能夠得到極高的分辨率， 但是該技術由于自身工藝的限制等原因無法高效地進行大規模量產， 因而通常被用來制作光刻工藝中所需的掩膜版。 表表 1 1：不：不同同類類型的曝光光源所對應的制程工藝型的曝光光源所對應的制程工藝 曝光光源曝光光源 光源

34、類型光源類型 波長波長 制程工藝制程工藝 紫外寬譜 / 280-460 nm 2 m 以上 g-line 汞燈可見光 436 nm 0.5 m 以上 i-line 汞燈中紫外光 365 nm 0.5 m 350 nm KrF KrF 準分子激光 248 nm 250 nm 150 nm ArF ArF 準分子激光 193 nm 130 nm 7 nm F2 F2準分子激光 157 nm （未大規模商用） EUV 激光激發等離子體（LPP） 13.5 nm 7 nm 及以下 資料來源： 先進光刻膠材料的研究進展 （許箭） ，中國產業信息網，光大證券研究所整理 圖圖 7 7：光刻技術分辨率隨著曝光

35、光源波長的縮短而不斷提升：光刻技術分辨率隨著曝光光源波長的縮短而不斷提升 資料來源：ASML， High NA EUV Lithography：Next Step in EUV Imaging （Proc. of SPIE，2 2019019，Vol. 10957，1095709） ，光大證券研究所整理 通過通過水介質水介質提提升升數數值孔徑值孔徑 N NA A浸沒式光刻浸沒式光刻 在傳統的干法光刻工藝中，光在光刻鏡頭與光刻膠之間的傳播介質是空氣，因此最大的數值孔徑為 1.0，也就是光線和光軸的最大張角為 90，分辨率在NA=1.0 時就達到了極限。而浸沒式光刻（也稱為濕法光刻）其光刻鏡頭和光

36、刻膠之間被填充了水 （折射率大于空氣） ， 因此光能夠以更大角度在光刻膠中成像，也就是等效于更加大的數值孔徑，由此進一步提高了光刻工藝的分辨率。 其實浸沒式成像技術最早于 19 世紀就被提出來了，其目的是提高光學顯微鏡的分辨率。而這項技術真正大規模應用到現代光刻工藝中是在 2007-2009 年間，隨著荷蘭 ASML 公司推出數值孔徑為 1.35NA 的 XT 1900i 系列光刻機，193 nm 浸沒式光刻才真正地接替 193 nm 干法光刻。隨后，再疊加一些輔助的光刻技術，比如分辨率增強技術（RET）、偏振照明、自定義照明、雙/多重曝光（多重圖案化技術）、自對準空間頻率倍增、單方向布線設計

37、等技術，一同推動 193 nm 浸沒式光刻技術一直延續到了 10 nm、7 nm 的半導體工藝節點。 -10- 證券研究報告 基礎化基礎化工工 圖圖 8 8：浸沒式光刻能夠以浸沒式光刻能夠以更大的更大的角度在光刻膠中成像示意角度在光刻膠中成像示意圖圖 資料來源： 納米集成電路制造工藝 （張汝京） ，光大證券研究所整理 1.41.4、 誤區糾正：誤區糾正：光刻工藝光刻工藝分分辨率辨率技術節點技術節點 目前全球范圍內，已實現大規模量產（HVM）的光刻工藝中最為先進的是臺積電 TSMC 于 2020 年宣告實現量產的 5 nm 工藝節點，同時其也宣布 3 nm工藝將于 2022 年下半年實現量產，2

38、 nm 工藝也在持續規劃中。不過需要明確的是，在此處所提到的“在此處所提到的“5 5 nmnm”、“”、“3 3 nmnm”及“”及“2 2 nmnm”并不代表通過光刻工藝并不代表通過光刻工藝所能得到所能得到的特征尺寸，即技術工藝節點與光刻工藝分辨率并不一一對應。的特征尺寸，即技術工藝節點與光刻工藝分辨率并不一一對應。 圖圖 9 9：鰭式場效應晶體管（：鰭式場效應晶體管（FinFinFETFET）結構示意圖）結構示意圖 圖圖 1010：臺積電技術節點與柵周期和金屬周期的對應關系：臺積電技術節點與柵周期和金屬周期的對應關系 資料來源：中國電子網，光大證券研究所整理 資料來源： 下一代半導體芯片制

39、造用 5 納米超高分辨率快速圖形化光刻材料的設計與合成 （李雪苗） ，光大證券研究所整理 在鰭式場效應晶體管（FinFET）問世之前，國際半導體技術藍圖（ITRS）對于技術節點的傳統定義是源極（Source）和漏極（Drain）之間最小金屬間距的一半（Half Pitch，HP）。然而當 20/22 nm 節點引入了 FinFET 以后，HP的減少開始變得緩慢。不過由于三維立體晶體管結構的 FinFET 的引入，晶體管數量仍然可以沿著摩爾定律增長。以臺積電的技術藍圖為例，其 5 nm 技術工藝所對應的柵周期為 48 nm，金屬周期為 32 nm（即 HP 為 16 nm），并非 5 nm分辨率

40、。而其 3 nm 技術節點所對應的柵周期為 39 nm，金屬周期為 26 nm。不同晶圓制造廠商在同樣命名的節點工藝中， 其對應的柵周期和金屬周期也存在著區別，并不完全等同。因此相關廠商也決定不再將 HP 與技術節點相對應，而是采用乘以 0.7 的理想計算得到下一個技術節點的名稱，這也是 20/22 nm 節點之后，14 nm、10 nm、7 nm、5 nm 等一系列技術節點的由來。 -11- 證券研究報告 基礎化基礎化工工 2 2、 “半導體材料皇冠上的明珠半導體材料皇冠上的明珠” 光刻膠光刻膠 伴隨著光刻工藝的不斷發展， 光刻用化學品也在飛速發展， 主要的光刻用化學品包括有光刻膠、抗反射層

41、、溶劑、顯影液、清洗液等。在這些化學品中，光刻膠憑借其復雜且精準的成分組成具有最高的價值， 也是整個半導體制造工藝中最為關鍵的材料之一，有著“半導體材料皇冠上的明珠”之稱。 組成成組成成分分： 光刻膠主要由成膜樹脂、 溶劑、 感光劑 （光引發劑、 光致產酸劑） 、添加劑 （表面活性劑、 勻染劑等）等部分組成。典型的光刻膠成分中， 50%90%是溶劑，10%40%是樹脂，感光劑占 1%8%，表面活性劑、勻染劑及其他添加劑占比則不到 1%。 分類標準：分類標準：對于半導體光刻膠的分類有多種標準，常用的分類標準包括有：（1）以曝光后光刻膠在顯影液中的溶解度變化分為正性光刻膠和負性光刻膠；（2）針對正

42、性光刻膠以是否使用化學放大（Chemically Amplified）機制可分為化學放大型光刻膠和非化學放大型光刻膠；（3）以所使用的光刻工藝可分為紫外寬譜光刻膠、g 線光刻膠、i 線光刻膠、KrF 光刻膠、ArF 光刻膠、EUV 光刻膠、電子束光刻膠等。 圖圖 1111：半導體光刻膠的分類：半導體光刻膠的分類 資料來源：光大證券研究所整理并繪制 表表 2 2：不同曝光：不同曝光光源分類下半導體光刻膠的光源分類下半導體光刻膠的典型典型組成成分（樹脂與組成成分（樹脂與光敏劑光敏劑） 半導體光刻膠半導體光刻膠 曝光光源曝光光源 樹脂樹脂 光敏劑光敏劑 紫外寬譜光刻膠 寬譜紫外光 環化橡膠 芳香族雙

43、疊氮化合物 g 線光刻膠 436 nm 酚醛樹脂 重氮萘醌 i 線光刻膠 365 nm 酚醛樹脂 重氮萘醌 KrF 光刻膠 248 nm 聚 4-羥基苯乙烯樹脂（PHOST） 光致產酸劑（鎓鹽） ArF 光刻膠 193 nm 聚甲基丙烯酸酯類樹脂（PMA） 光致產酸劑（鎓鹽） EUV 光刻膠 13.5 nm 聚甲基丙烯酸酯類樹脂（PMA） 聚合物鍵合型光致產酸劑 電子束光刻膠 電子束 PMMA/HSQ（類似聚硅氧烷）/其它 / 資料來源：光大證券研究所整理 -12- 證券研究報告 基礎化基礎化工工 2.12.1、 負性負性光刻光刻膠膠最傳統的光刻膠最傳統的光刻膠 光刻膠在經過曝光后， 被光刻膠

44、在經過曝光后， 被曝光曝光區域區域變得可溶于顯影變得可溶于顯影劑的為正性光刻膠， 反之劑的為正性光刻膠， 反之被曝光區域變得不被曝光區域變得不溶溶于于顯影劑的則被稱為負性光刻膠。顯影劑的則被稱為負性光刻膠。 早期的光刻膠材料， 如猶太瀝青、重鉻明膠及其他重鉻酸鹽膠，都是負性光刻膠。在早期的接觸式光刻時代， 負性光刻膠因其較高的化學穩定性和較好的成像能力， 廣泛應用于集成電路板和微電子器件的制造領域。 圖圖 1212：正性光刻膠與負性光刻膠曝光結果對比示意圖：正性光刻膠與負性光刻膠曝光結果對比示意圖 資料來源： 化學增幅型光刻膠成膜樹脂的合成及性能研究 （鄭祥飛） ，光大證券研究所整理 最早的用

45、于電子工業上的光刻膠是由 Eastman-Kodak 公司于 1954 年生產出來的聚乙烯醇肉桂酸酯系負性光刻膠， 而負性光刻膠中應用最為廣泛的則是環化橡膠-雙疊氮系負性光刻膠。環化橡膠-雙疊氮系負性光刻膠由 Kodak 公司于1958 年研發成功，其感光范圍為 280460 nm。該類光刻膠在硅片上具有良好的粘附性，同時具有感光速度快、感光范圍寬、抗濕法刻蝕能力強等優點。該類光刻膠以環化橡膠為成膜樹脂， 以芳香族雙疊氮化合物作為交聯劑， 在紫外光照射下，交聯劑發生光化學反應產生自由基使得不同成膜聚合物分子間發生交聯，從而變為具有不溶性的聚合物，展現出負性光刻膠的特質。 圖圖 1313：聚：聚

46、乙烯醇肉桂酸酯的二聚反應乙烯醇肉桂酸酯的二聚反應 圖圖 1414：環化橡膠：環化橡膠- -雙疊氮系負性光刻膠光聚合反應機理雙疊氮系負性光刻膠光聚合反應機理 資料來源： 光刻材料的發展及應用 （龐玉蓮） ，光大證券研究所整理 資料來源： 光刻材料的發展及應用 （龐玉蓮） ，光大證券研究所整理 -13- 證券研究報告 基礎化基礎化工工 雖然我們在此處稱負性光刻膠的曝光區具有“不溶性”、非曝光區具有“可溶性” ， 但是實際上通過曝光引起的化學交聯作用不足以完全抑制曝光區光刻膠與溶劑之間的相互作用， 曝光區光刻膠在顯影過程中會發生溶脹現象。 由于溶脹現象的產生， 導致光刻膠對于襯底的附著力降低， 同時

47、也會使得曝光區光刻膠的圖案變形。 在微米級別的光刻工藝中， 溶脹現象所導致的圖案變形問題可以通過選擇合適的顯影液或其他手段來進行控制， 對于整體微觀圖案的尺寸影響程度不大。然而隨著然而隨著光刻工光刻工藝分辨藝分辨率需求的不斷提升，特征尺寸在不斷縮小，負性光刻率需求的不斷提升，特征尺寸在不斷縮小，負性光刻膠的溶脹問題的膠的溶脹問題的負面負面影響更加凸顯，導致其難以應用于分辨率在影響更加凸顯，導致其難以應用于分辨率在 2 2 mm 以下的以下的光刻工光刻工藝中。藝中。 圖圖 1515：典型負性光刻膠：典型負性光刻膠 S SU U- -8 8 的溶脹現象示意圖的溶脹現象示意圖 資料來源： 超聲改變

48、SU-8 膠溶脹性的機理及試驗研究 （劉亞萍） ，光大證券研究所整理 2.22.2、 非化學放大型正性光刻膠非化學放大型正性光刻膠重氮萘醌重氮萘醌/ /酚醛樹脂酚醛樹脂體系光刻膠（體系光刻膠（D DNQNQ- -N Novolacovolac） 正性光刻膠可分為非化學放大型與化學放大型光刻膠兩大類， 其中非化學放大型光刻膠主要以重氮萘醌（DNQ）-酚醛樹脂（Novolac）光刻膠為主，并主要應用于 g 線和 i 線光刻工藝中。 重氮萘醌-酚醛樹脂體系光刻膠的起源可追溯至 1917 年， 而其在半導體領域的應用則是隨著 20 世紀 70 年代投影光刻技術的引入迅速擴展， 并于 1972 年開始逐

49、漸取代環化橡膠-疊氮化物負性光刻膠。相較于環化橡膠-疊氮化物負性光刻膠而言，重氮萘醌-酚醛樹脂體系光刻膠擁有更高的對比度、成像能力、抗刻蝕能力，同時也不具有溶脹性，這都促使了當時 IC 產業光刻膠從環化橡膠-疊氮化物體系向重氮萘醌-酚醛樹脂體系的大規模轉變。 2.2.12.2.1、重氮萘醌重氮萘醌型感光化合物（型感光化合物（P PACAC） 重氮萘醌-酚醛樹脂體系光刻膠的主要成分是重氮萘醌和酚醛樹脂，其中含有重氮萘醌的組分被稱為感光化合物（Photo-Active Compound，PAC）。在重氮萘醌的衍生物中，光化學活性較高的主要是 5-位取代和 4-位取代的重氮萘醌磺酸酯類衍生物。由于重

50、氮萘醌屬于重氮類化合物，其在吸收 365 nm（i 線）或 436 nm（g 線）波長的光后，重氮官能團將脫去并發生結構重排，鄰位的羰基遇熱水解后變成羧酸，可溶解于堿性溶液中。因此對于重氮萘醌-酚醛樹脂體系光刻膠而言，其顯影液主要為水相堿性溶液（如 TMAH）。 在重氮萘醌-酚醛樹脂體系光刻膠中，對于未曝光區域重氮萘醌的存在可以抑制酚醛樹脂在堿性顯影液中的溶解， 而曝光區域內重氮萘醌結構轉變為茚酸結 -14- 證券研究報告 基礎化基礎化工工 構可溶于堿性溶液，由此重氮萘醌-酚醛樹脂體系光刻膠展現出了正性光刻膠的特點。而針對重氮萘醌對于酚醛樹脂的溶解抑制作用，則存在著氫鍵作用、堿催化偶聯反應等不