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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)有不同的要求,。
針對(duì)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(dòng),。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(duì)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(duì)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(tái)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(huì)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(huì)在一定程度上增加對(duì)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(huì),。
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(píng)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(duì)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。