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光刻胶——高精度光刻的关键
发布时间:2020-10-23

在半导体制造领域,上游微电子材料和设备是支撑该行业的关键部分。上游微电子材料包括半导体制造过程中用到的所有化学材料,包括硅片、光刻胶及辅助材料、光掩模、CMP 抛光材料、工艺化学品、溅射靶材、特种气体等。其中,光刻胶是占据极其重要地位的关键原材料。由于中高端光刻胶的相关生产技术目前主要掌握在日本手中,我国已加大政策扶持力度,力求加速在光刻胶领域的国产替代进程。

光刻是将电路图形由掩膜版转移到硅片上,为后续刻蚀工艺做准备的过程。光刻是 IC制造过程中耗时最长、难度最大的工艺之一,耗时占 IC 制造 50%,成本占 IC 制造 1/3。在一次芯片制造中,往往要对硅片进行上十次光刻,其主要流程为清洗、涂胶、前烘、对准、曝光、后烘、显影、刻蚀、光刻胶剥离、离子注入等。在光刻过程中,需在硅片上涂一层光刻胶,经紫外线曝光后,光刻胶的化学性质发生变化,通过显影后,被曝光的光刻胶将被去除,电路图形由掩膜版转移到光刻胶上,再经过刻蚀工艺,实现电路图形由光刻胶转移到硅片上。


光刻胶是光刻工艺最重要的耗材,光刻胶的质量对光刻精度至关重要。光刻胶是指通过紫外光、准分子激 光、电子束、离子束、X 射线等光源的照射或辐射,其溶解度发生变化的耐蚀刻材料。由于光刻胶具有光化学 敏感性和防腐蚀的保护作用,因此经过曝光、显影、刻蚀等工艺,可以将微细电路图形从掩膜版转移到硅片。虽然光刻胶制造成本低,但是技术壁垒高,不可替代,难以保存。

光刻胶最为重要的技术指标包括分辨度、对比度、敏感度。优秀的光刻胶必须具备高分辨度、高敏感度和高对比度,以保证能将精密的图像从掩模版转移到硅片上。另外,光刻胶的技术要求高,所有的技术指标都必 须达标,因此除上述三个硬性指标外,好的光刻胶还必须具有强蚀刻阻抗性、高纯度、低溶解度、高粘附性、小的表面张力、低成本、长寿命周期以及较高的玻璃化转换温度。

半导体光刻胶根据曝光光源波长的不同来分类。常用曝光光源一共有六种,分别是紫外全谱(300~450nm)、G 线(436nm)、I 线(365nm)、深紫外(DUV,包括 48 nm 和193 nm)和极紫外(EUV),相对应于各曝光波 长的光刻胶也应运而生。不同的光刻胶中,根据不同的需求,关键配方成份如成膜树脂、光引发剂、添加剂等 也有所不同,使得光刻胶有不同的性能,进而能够满足相应的需求。

为满足更高集成度更精密的集成电路制造,必须采用更短波长的光源,半导体光刻胶也需做出适应性改变。随着 IC 集成度的提高,世界集成电路的制程工艺水平已由微米级、亚微米级、深亚微米级进入到纳米级阶段。光的波长对图形精细化转移有着至关重要的作用,因为它会影响感光材料分辨率。波长越短,则分辨率越高。为适应集成电路线宽不断缩小的要求,光刻胶的波长由紫外宽谱向 G 线(436nm)→I 线(365nm)→KrF(248nm)→ ArF(193nm)→F2(157nm)→EUV(<13.5nm)的方向转移,并通过分辨率增强技术不断提升光刻分辨率。

I 线光刻胶和 ArF 光刻胶市场仍将保持增长。根据 SEMI 数据,2018 年全球半导体用光刻胶市场,G 线&I 线、KrF、ArF&液浸 ArF 三类光刻胶三分天下,占比分别占 24%、22%、42%。其中,ArF/液浸 ArF 光刻胶主 要对应目前先进 IC 制程。随着双/多重曝光技术的使用,光刻胶使用次数增加,ArF 光刻胶市场需求将加速扩大。 在 EUV 技术成熟之前,ArF 光刻胶仍将是主流。未来,随着功率半导体、传感器、LED 市场的持续扩大,I 线市场将持续增长。而随着精细化需求增加,I 线光刻胶将被 KrF 光刻胶替代,KrF 光刻胶市场需求将不断增加。

高端光刻胶亟待国产化。目前市场上正在使用的 KrF 和 ArF 光刻胶基本被日本和美国企业所垄断,包括陶 氏化学、JSR、信越化学、东京应化等企业。目前 ArF 还未在我国实现量产。

产业地位至关重要,光刻胶国产化势在必行。参考 2019 年 7 月份日韩贸易冲突事件,日本在 2019 年 7 月 1 日突然宣布限制向韩国出口包括光刻胶在内的半导体材料。这三种原材料很难短时间在其他国家找到替代供应商,但同时又是面板、存储器生产中极其关键的材料,韩国面临的窘迫处境使人深思,更应该激发我国对光 刻胶等关键原材料独立自主开发的重要性的认知。光刻胶技术在半导体制造中至关重要,国产替代势在必行。

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