光刻膠又名"光致抗蝕劑"，它是一種在紫外光等光照或輻射下，溶解度會發生變化的薄膜材料。
具體來說，它的工作機制是這樣的：
在光刻圖案化工藝中，首先將光刻膠塗在硅片上形成一層薄膜。接著在複雜的曝光裝置中，光線通過一個具有特定圖案的掩模投射到光刻膠上。
曝光區域的光刻膠發生化學變化，在隨後的化學顯影過程中被去除。最後掩模的圖案就被轉移到了光刻膠膜上。而在隨後的蝕刻 或離子注入工藝中，會對沒有光刻膠保護的硅片部分進行刻蝕，最後洗去剩餘光刻膠。
這時光刻膠的圖案就被轉移到下層的薄膜上，這種薄膜圖案化的過程經過多次迭代，聯同其他多個物理過程，便產生集成電路。
光刻膠是光刻工藝中最關鍵材料，國產替代需求緊迫。光刻工藝是指在光照作用下，藉助光刻膠將掩膜版上的圖形轉移到基片上的技術，在半導體制造領域，隨著集成電路線寬縮小、集成度大為提升，光刻工藝技術難度大幅提升，成為延續摩爾定律的關鍵技術之一。
同時，器件和走線的複雜度和密集度大幅度提升，高端製程關鍵層次需要兩次甚至多次曝光來實現。
其中，光刻膠的質量和性能是影響集成電路性能、成品率及可靠性的關鍵因素。
目前，日本和美國光刻膠巨頭完全主導了高端光刻膠市場。2019 年 7 月的日韓貿易摩擦中，日本通過限制對韓出口光刻膠，引發韓國半導體產業鏈震盪。中美貿易摩擦大背景下，光刻膠也成為深刻影響中國半導體產業鏈安全的關鍵材料。
光刻膠經過幾十年不斷的發展和進步，應用領域不斷擴大，衍生出非常多的種類。不同用途的光刻膠曝光光源、反應機理、製造工藝、成膜特性、加工圖形線路的精度等性能要求不同，導致對於材料的溶解性、耐蝕刻性、感光性能、耐熱性等要求不同。
因此每一類光刻膠使用的原料在化學結構、性能上都比較特殊，要求使用不同品質等級的光刻膠專用化學品。1959 年光刻膠被髮明以來，被廣泛運用在加工製作廣電信息產業的微細圖形路線。
作為光刻工藝的關鍵性材料，其在 PCB、TFT-LCD 和半導體光刻工序中起到重要作用。
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光刻膠是光刻工藝的核心材料
光刻膠又稱光致抗蝕劑，它是指由感光樹脂、增感劑和溶劑三種主要成分構成的對光敏感的混合液體。在紫外光、電子束、離子束、X 射線等輻射的作用下，其感光樹脂的溶解度及親和性由於光固化反應而發生變化，經適當溶劑處理，溶去可溶部分可獲得所需圖像。
生產光刻膠的原料包括光引發劑（包括光增感劑、光致產酸劑）、光刻膠樹脂、單體及其他助劑等。
根據 2020 年前瞻產業研究院報告《2020-2025 年中國光刻膠行業市場前瞻與投資規劃分析報告》數據顯示，樹脂佔光刻膠總成本的 50%，在光刻膠各成分的中佔比最大，其次是佔 35%的單體和佔 15%的光引發劑及其他助體。
光刻膠主要技術參數決定了圖形工藝的精密程度和良率
光刻膠作為光刻曝光的核心材料，其分辨率是光刻膠實現器件的關鍵尺寸（如器件線寬）的衡量值，光刻膠分辨率越高形成的圖形關鍵尺寸越小。對比度是指光刻膠從曝光區到非曝光區過渡的陡度，對比度越高，形成圖形的側壁越陡峭，圖形完成度更好。
敏感度決定了光刻膠上產生一個良好的圖形所需一定波長光的最小能量值。抗蝕性決定了光刻膠作為覆蓋物在後續刻蝕或離子注入工藝中，不被刻蝕或抗擊離子轟擊，從而保護被覆蓋的襯底。
光刻膠依據不同的產品標準進行分類
按照化學反應和顯影的原理，光刻膠可分為正性光刻膠和負性光刻膠。如果顯影時未曝光部分溶解於顯影液，形成的圖形與掩膜版相反，稱為負性光刻膠；如果顯影時曝光部分溶解於顯影液，形成的圖形與掩膜版相同，稱為正性光刻膠。
在實際運用過程中，由於負性光刻膠在顯影時容易發生變形和膨脹的情況，一般情況下分辨率只能達到 2 微米，因此正性光刻膠的應用更為廣泛。
根據感光樹脂的化學結構來分類，光刻膠可以分為光聚合型、光分解型和光交聯型三種類別。
光聚合型，可形成正性光刻膠，是通過採用了烯類單體，在光作用下生成自由基從而進一步引發單體聚合，最後生成聚合物的過程；光分解型光刻膠可以製成正性膠，通過採用含有疊氮醌類化合物的材料在經過光照後,發生光分解反應的過程。
光交聯型，即採用聚乙烯醇月桂酸酯等作為光敏材料，在光的作用下，其分子中的雙鍵被打開，並使鏈與鏈之間發生交聯，形成一種不溶性的網狀結構，從而起到抗蝕作用，是一種典型的負性光刻膠。
按照應用領域的不同，光刻膠又可以分為印刷電路板（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。PCB 光刻膠技術壁壘相對其他兩類較低，而半導體光刻膠代表著光刻膠技術最先進水平。
曝光波長是半導體光刻膠最常見的分類依據
依照曝光波長分類，光刻膠可分為紫外光刻膠（300~450nm）、深紫外光刻膠（160~280nm）、極紫外光刻膠（EUV，13.5nm）、電子束光刻膠、離子束光刻膠、X 射線光刻膠等。
光刻膠在不同曝光波長的情況下，適用的光刻極限分辨率也不盡相同，在加工方法一致時，波長越小加工分辨率更佳。因此，不同波長光源的光刻機需要搭配相應波長的光刻膠進去光刻。
目前半導體光刻膠最常使用曝光波長分類，主要有 g 線、i 線、KrF、ArF 和最先進的 EUV光刻膠，其中 DUV 光刻機分為幹法和浸潤式，因此 ArF 光刻膠也對應分為幹法和浸潤式兩類。
越先進製程相應需要使用越短曝光波長光刻膠，以達到特徵尺寸微小化。
光刻是半導體制造關鍵工藝，光刻膠通過曝光顯影實現圖形轉移
芯片製造又稱晶圓製造，是通過物理、化學工藝步驟在晶圓表面形成器件，並生成金屬導線將器件相互連接形成集成電路的過程。
晶圓製造可分為前道工藝線（FEOL）和後道工藝線（BEOL）工藝，前道工藝是在晶圓上形成晶體管和其他器件，而後道工藝是形成金屬線並在每層之前加上絕緣層。
依次通過光刻（lithography）、刻蝕（etch）、離子注入（ implantation ）、擴散（disposition）、化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）、化學機械研磨等工序（CMP）形成一層電路，通過循環重複上述工藝，最終在晶圓表面形成立體的多層結構，實現整個集成電路的製造。
由於製程提升，晶圓上集成的器件和電路複雜度和密度隨之提升，需要上千道工序去完成芯片的製造。
光刻工藝是半導體集成電路製造的核心工藝。光刻的基本原理是將對光敏感的光刻膠旋塗在晶圓上，在表面形成一層薄膜，光源透過光罩（掩模版）照射在光刻膠上，使得光刻膠選擇性的曝光，接著對光刻膠顯影，完成光罩上電路特定層的圖形的轉移。
剩餘的光刻膠在接下來的刻蝕或離子注入工藝中充當掩蓋層，然後通過刻蝕工藝將光掩模上的圖形轉移到所在襯底上。根據產業鏈調研反饋，在集成電路製造工藝中，光刻工藝的成本約為整個芯片製造工藝的 35%，並且耗費時間約佔整個芯片工藝的 40%-60%。
半導體光刻製程通常遵循八步基本工藝
典型的集成電路製造光刻製程的八步基本工藝包括襯底的準備、光刻膠塗覆、軟烘焙、曝光、曝光後烘培、顯影、硬烘焙和顯影檢測。襯底準備主要是在塗抹光刻膠之前，對硅襯底進行預處理。
一般情況下，襯底表面上的水分需要蒸發掉，這一步在帶有抽氣的密閉腔體內通過脫水烘焙來完成。此外，為了提高光刻膠在襯底表面的附著能力，還會在襯底表面塗抹化合物。
光刻膠塗覆是將光刻膠均勻、平整地分佈在襯底表面上，當前塗膠方式一般是旋塗。首先將光刻膠溶液噴灑在硅片表面，將硅片放在一個平整的金屬託盤上，加速旋轉託盤，直到達到所需的旋轉速度。
托盤內有小孔與真空管相連，由於大氣壓力的作用，硅片可以被“吸附”在托盤上，這樣硅片就可以與托盤一起旋轉。
達到所需的旋轉速度之後，以這一速度保持一段時間，以旋轉的托盤為參考系，光刻膠在隨之旋轉受到離心力，使得光刻膠向著硅片外圍移動。
軟烘焙是完成光刻膠的塗抹之後進行的烘乾操作。軟烘焙主要目的是將硅片上覆蓋的光刻膠溶劑揮發出來，降低灰塵的沾汙。此外，該步驟也緩和在旋轉過程中光刻膠膠膜內的應力，從而增強光刻膠的粘附性。
在旋塗之前，光刻膠包含 65%至 85%的溶劑，而旋塗後的溶劑比例會下降到 10%至 20%，軟烘焙的目標是將溶劑比例下降到 4%至 7%。
曝光是光刻工藝中最要的工序，曝光使用特定波長的光經過光罩的覆蓋在襯底的光刻膠進行照射，實現圖形轉移。照明光源發出的光線經匯聚透鏡照射在光罩上，透過光罩產生衍射的光束攜帶了光罩的圖形信息。透過光罩的光束再經過投影透鏡聚焦到晶圓或襯底表面。
在晶圓或襯底表面形成掩模圖形的，光刻膠中的感光劑被光束照射的區域會發生光化學反應，即使正光刻膠被照射區域（感光區域）、負光刻膠未被照射的區域（非感光區）化學成分發生變化。
這些化學成分發生變化的區域，在下一步顯影工藝中能夠溶解於特定的顯影液中。
曝光後烘培（後烘焙）是曝光後非常重要的一步，在 I-line 光刻機中，後烘焙的目的是消除光阻層側壁的駐波效應，使側壁平整豎直；
而在 DUV 光刻機中後烘焙的目的則是起化學放大反應，DUV 設備曝光時，光刻膠不會完全反應，只是產生部分反應生成少量 H+離子，而在這一步烘烤中 H+離子起到類似催化劑的作用，使感光區光刻膠完全反應。
後烘焙主要控制的是烘焙溫度與時間，此外對於溫度的均勻性要求也非常高，通常 DUV 的光阻要求熱板內溫度偏差小於 0.3℃。
後烘焙過程完成後加入顯影液進行顯影，將光刻膠曝光後可溶部分除去，正光刻膠的感光區和負光刻膠的非感光區，會溶解於顯影液中。這一步完成後，光刻膠層中的圖形就可以顯現出來。
為了提高分辨率，幾乎每一種光刻膠都有專門的顯影液，以保證高質量的顯影效果。一般來說正膠可以得到更高的分辨率，而負膠則更耐腐蝕。顯影和清洗都在顯影槽中完成，每一步的轉速和時間都至為重要，對最後圖形的均勻性和質量影響很大。
硬烘焙又稱顯影后烘焙，為接下來刻蝕或者離子注入工藝做準備。其主要目的是蒸發光刻膠中的溶劑，提高抗刻蝕和抗離子注入性，提高光刻膠的粘附性，聚合化並穩定光刻膠以及光刻膠流動填平針孔。
最後進行顯影檢測後，進行下一步刻蝕或者離子注入工藝。
常常有人把半導體研究與“兩彈一星”做比較，認為咱們能做出“兩彈一星”這樣的尖端科技，半導體也不成問題。但是卻忽視了，"兩彈一星"技術一旦掌握，自我更新速度較慢。
而半導體是按照摩爾定律高速發展的，單位芯片晶體管數量每18個月增長一倍。在半導體領域，落後一年都不行。
而像光刻膠這樣的材料，有效期為三個月，咱們想囤貨都不行。
而光刻膠看似簡單，其實需要大量投入和產業配合，需要反覆的實驗和工業化製備。
無論是從實驗室到量產，還是從1微米到幾十納米幾納米，都存在非常大的鴻溝需要逾越。同時光刻膠作為一種半導體化學材料，還需要半導體的大牛團隊和化學化工的大牛團隊精誠合作才行。
咱們想要發展半導體，沒有捷徑可走。
關鍵設備跟材料被卡著脖子，在逆全球化的浪潮之中，國產替代一定是大勢所趨。而這需要各行各業的理解和支持，特別是學科設置、人才培養、經費投入等等方面。
半導體研發是一個完整的技術層級體系。
咱們只有夯實基礎，掌握了半導體現有的技術體系，並在有潛力的環節奮起攻關，形成自己的技術突破，獲得一定的技術話語權，才可能在國際競爭中有立足之地。
注：本文內容主要摘自華泰證券研究所，中外行業研究整理推送
