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半導(dǎo)體光刻膠淺析

發(fā)布時(shí)間：2019/10/28 13:29:54     瀏覽次數(shù)：963

光刻膠是由感光樹脂、增感劑和溶劑三種主要成份組成的、對光敏感的混合液體。利用光化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)曝光、顯影、刻蝕等工藝將所需要的微細(xì)圖形從掩模版轉(zhuǎn)移到待加工基片上的圖形轉(zhuǎn)移介質(zhì)，其中曝光是通過紫外光、電子束、準(zhǔn)分子激光束、X射線、離子束等曝光源的照射或輻射，從而使光刻膠的溶解度發(fā)生變化。

按照應(yīng)用領(lǐng)域分類，光刻膠主要包括印制電路板（PCB）光刻膠專用化學(xué)品（光引發(fā)劑和樹脂）、液晶顯示器（LCD）光刻膠光引發(fā)劑、半導(dǎo)體光刻膠光引發(fā)劑和其他用途光刻膠四大類。本文主要討論半導(dǎo)體光刻膠。

光刻膠自1959年被發(fā)明以來一直是半導(dǎo)體核心材料，隨后被改進(jìn)運(yùn)用到PCB板的制造，并于20世紀(jì)90年代運(yùn)用到平板顯示的加工制造。最終應(yīng)用領(lǐng)域包括消費(fèi)電子、家用電器、汽車通訊等。

光刻工藝約占整個(gè)芯片制造成本的35%，耗時(shí)占整個(gè)芯片工藝的40%~60%，是半導(dǎo)體制造中最核心的工藝。

以半導(dǎo)體光刻膠為例，在光刻工藝中，光刻膠被均勻涂布在襯底上，經(jīng)過曝光(改變光刻膠溶解度)、顯影(利用顯影液溶解改性后光刻膠的可溶部分)與刻蝕等工藝，將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上，形成與掩膜版完全對應(yīng)的幾何圖形。

光刻技術(shù)隨著IC集成度的提升而不斷發(fā)展。為了滿足集成電路對密度和集成度水平的更高要求，半導(dǎo)體用光刻膠通過不斷縮短曝光波長以提高極限分辨率，世界芯片工藝水平目前已跨入微納米級別，光刻膠的波長由紫外寬譜逐步至g線（436nm）、i線（365nm）、KrF（248nm）、 ArF（193nm）、F2（157nm），以及最先進(jìn)的EUV(<13.5nm)線水平。

目前，半導(dǎo)體市場上主要使用的光刻膠包括 g 線、i 線、KrF、ArF四類光刻膠，其中，g線和i線光刻膠是市場上使用量最大的。KrF和ArF光刻膠核心技術(shù)基本被日本和美國企業(yè)所壟斷。

光刻膠對光刻工藝的重要性

光刻膠不僅具有純度要求高、工藝復(fù)雜等特征，還需要相應(yīng)光刻機(jī)與之配對調(diào)試。一般情況下，一個(gè)芯片在制造過程中需要進(jìn)行10~50道光刻過程，由于基板不同、分辨率要求不同、蝕刻方式不同等，不同的光刻過程對光刻膠的具體要求也不一樣，即使類似的光刻過程，不同的廠商也會有不同的要求。

針對不同應(yīng)用需求，光刻膠的品種非常多，這些差異主要通過調(diào)整光刻膠的配方來實(shí)現(xiàn)。因此，通過調(diào)整光刻膠的配方，滿足差異化的應(yīng)用需求，是光刻膠制造商最核心的技術(shù)。

此外，由于光刻加工分辨率直接關(guān)系到芯片特征尺寸大小，而光刻膠的性能關(guān)系到光刻分辨率的大小。限制光刻分辨率的是光的干涉和衍射效應(yīng)。光刻分辨率與曝光波長、數(shù)值孔徑和工藝系數(shù)相關(guān)。

光刻膠的曝光波長由寬譜紫外向g線→i線→KrF→ArF→EUV(13.5nm)的方向移動。隨著曝光波長的縮短，光刻膠所能達(dá)到的極限分辨率不斷提高，光刻得到的線路圖案精密度更佳，而對應(yīng)的光刻膠的價(jià)格也更高。

光刻光路的設(shè)計(jì)，有利于進(jìn)一步提升數(shù)值孔徑，隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值孔徑由0.35發(fā)展到大于1。相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也對光刻膠及其配套產(chǎn)品的性能要求變得愈發(fā)嚴(yán)格。

工藝系數(shù)從0.8變到0.4，其數(shù)值與光刻膠的產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)。結(jié)合雙掩膜和雙刻蝕等技術(shù)，現(xiàn)有光刻技術(shù)使得我們能夠用193nm的激光完成10nm工藝的光刻。

為了實(shí)現(xiàn)7nm、5nm制程，傳統(tǒng)光刻技術(shù)遇到瓶頸，EUV(13.5nm)光刻技術(shù)呼之欲出，臺積電、三星也在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行布局。EUV光刻光路基于反射設(shè)計(jì)，不同于上一代的折射，其所需光刻膠主要以無機(jī)光刻膠為主，如金屬氧化物光刻膠。

全球市場格局

目前，光刻膠單一產(chǎn)品市場規(guī)模與海外巨頭公司營收規(guī)模相比較小，光刻膠僅為大型材料廠商的子業(yè)務(wù)。但由于光刻膠技術(shù)門檻高，就某一光刻膠子行業(yè)而言，僅有少數(shù)幾家供應(yīng)商有產(chǎn)品供應(yīng)。

由于光刻膠產(chǎn)品技術(shù)要求較高，中國光刻膠市場基本由外資企業(yè)占據(jù)，國內(nèi)企業(yè)市場份額不足40%，高分辨率的KrF和ArF光刻膠，其核心技術(shù)基本被日本和美國企業(yè)所壟斷，產(chǎn)品也基本出自日本和美國公司，包括陶氏化學(xué)、JSR株式會社、信越化學(xué)、東京應(yīng)化工業(yè)、Fujifilm，以及韓國東進(jìn)等企業(yè)。

而細(xì)化到半導(dǎo)體用光刻膠市場，國內(nèi)企業(yè)份額不足30%，與國際先進(jìn)水平存在較大差距。超過80%市場份額掌握在日本住友、TOK、美國陶氏等公司手中，國內(nèi)公司中，蘇州瑞紅與北京科華實(shí)現(xiàn)了部分品種的國產(chǎn)化，但是整體技術(shù)水平較低，僅能進(jìn)入8英寸集成電路生產(chǎn)線與LED等產(chǎn)線。

據(jù)悉，蘇州瑞紅已經(jīng)研發(fā)出g線與i線光刻膠，其中i線已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；北京科華正開發(fā)KrF (248nm)光刻膠，目前已經(jīng)通過中芯國際認(rèn)證，ArF(193nm)光刻膠也在積極研發(fā)中。

中國市場

據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，2017年中國光刻膠行業(yè)產(chǎn)量達(dá)到7.56萬噸，較2016年增加0.29萬噸，其中，中國本土光刻膠產(chǎn)量為4.41萬噸，與7.99萬噸的需求量差異較大，說明我國供給能力還需提升。

國內(nèi)企業(yè)的光刻膠產(chǎn)品目前還主要用于PCB領(lǐng)域，代表企業(yè)有晶瑞股份、科華微電子。

在半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域，隨著汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)等發(fā)展，會在一定程度上增加對G線、I線的需求，利好G線、I線等生產(chǎn)企業(yè)。預(yù)計(jì)G線正膠今后將占據(jù)50%以上市場份額，I線正膠將占據(jù)40%左右的市場份額，DUV等其他光刻膠約占10%市場份額，給予北京科華、蘇州瑞紅等國內(nèi)公司較大市場機(jī)會。

政策扶持及進(jìn)展

為促進(jìn)我國光刻膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家02重大專項(xiàng)給予了大力支持。今年5月，02重大專項(xiàng)實(shí)施管理辦公室組織任務(wù)驗(yàn)收專家組、財(cái)務(wù)驗(yàn)收專家組通過了“極紫外光刻膠材料與實(shí)驗(yàn)室檢測技術(shù)研究”項(xiàng)目的任務(wù)驗(yàn)收和財(cái)務(wù)驗(yàn)收。

據(jù)悉，經(jīng)過項(xiàng)目組全體成員的努力攻關(guān)，完成了EUV光刻膠關(guān)鍵材料的設(shè)計(jì)、制備和合成工藝研究、配方組成和光刻膠制備、實(shí)驗(yàn)室光刻膠性能的初步評價(jià)裝備的研發(fā)，達(dá)到了任務(wù)書中規(guī)定的材料和裝備的考核指標(biāo)。項(xiàng)目共申請發(fā)明專利15項(xiàng)（包括國際專利5項(xiàng)），截止到目前，共獲得授權(quán)專利10項(xiàng)（包括國際專利授權(quán)3項(xiàng)）；培養(yǎng)了博士研究生9名，碩士研究生1名。

結(jié)語

光刻膠雖然在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域里所占比重并不高，但因?yàn)榕c光刻工藝緊密相關(guān)，所以其重要性十分突出，對于我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，是必須花大力氣發(fā)展下去的。