光刻胶属于半导体八大重要材料之一,根据全球半导体行业协会(SEMI)近期数据,光刻胶在半导体晶圆制造材料价值占比5%,光刻胶辅助材料占比7%,二者合计占比12%,光刻胶及辅助材料是继硅片、电子特气和光掩模之后的第四大半导体材料。光刻胶又称光致抗蚀剂,是指通过紫外光、电子束、离子束、X射线等照射或辐射,其溶解度发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料,目前被用于光电信息产业的微细图形线路加工制作环节。光刻胶由增感剂(光引发剂)、感光树脂(聚合剂)、溶剂与助剂构成。聚合度越小,发生微相分离的尺寸越小,对应的光刻图形越小。浦东光交联型光刻胶曝光
在半导体集成电路光刻技术开始使用深紫外(DUV)光源以后,化学放大(CAR)技术逐渐成为行业应用的主流。在化学放大光刻胶技术中,树脂是具有化学基团保护因而难以溶解的聚乙烯。化学放大光刻胶使用光致酸剂(PAG)作为光引发剂。当光刻胶曝光后,曝光区域的光致酸剂(PAG)将会产生一种酸。这种酸在后热烘培工序期间作为催化剂,将会移除树脂的保护基团从而使得树脂变得易于溶解。化学放大光刻胶曝光速递是DQN光刻胶的10倍,对深紫外光源具有良好的光学敏感性,同时具有高对比度,对高分辨率等优点。按照曝光波长分类;光刻胶可分为紫外光刻胶(300~450nm)、深紫外光刻胶(160~280nm)、极紫外光刻胶(EUV,13.5nm)、电子束光刻胶、离子束光刻胶、X射线光刻胶等。不同曝光波长的光刻胶,其适用的光刻极限分辨率不同。通常来说,在使用工艺方法一致的情况下,波长越短,加工分辨率越佳。上海i线光刻胶目前,我国光刻胶自给率较低,生产也主要集中在中低端产品,国产替代的空间广阔。
受制于国内光刻胶技术发展水平,目前我国前沿光刻胶的自给率仍然保持较低水平。尽管国内光刻胶市场保持良好的增长趋势,但以KrF、ArF光刻胶为主的半导体光刻胶领域国内市场份额仍然较小,前沿光刻胶市场长期为国外巨头所垄断。从技术水平来看,目前中国本土光刻胶的整体技术水平与国际先进水平存在明显差距,且主要集中在技术含量较低的PCB光刻胶领域,而在半导体光刻胶和LCD光刻胶方面自给率较低。具体而言,半导体光刻胶中g线/i线光刻胶国产化率为10%,而ArF/KrF光刻胶的国产化率为1%,对于前沿的EUV光刻胶目前仍处于研发阶段。
离子束光刻技术可分为聚焦离子束光刻、离子束投影式光刻。聚焦离子束光刻用途较多,常以镓离子修补传统及相位转移掩膜板;离子束投影式光刻主要使用150 keV的H+、H2+、H3+、He+,以镂空式模板,缩小投影(4~5倍) 。离子束光刻与电子束直写光刻技术类似,不需要掩膜板,应用高能离子束直写。离子束的散射没有电子束那么强,因此具有更好的分辨率。液态金属离子源为较简单的曝光源:在钨针或钼针的顶端附上镓或金硅合金,加热融化后经由外层为液态金属表面产生的场使离子发射,其发射面积很小(<10 nm),因此利用离子光学系统可较容易地将发射的离子聚焦成细微离子束,从而进行高分辨率的离子束曝光。光刻胶按应用领域分类,可分为 PCB 光刻胶、显示面板光刻胶、半导体光刻胶及其他光刻胶。
美国能源部布鲁克海文国家实验室的研究人员采用原子层沉积(ALD)系统,将有机聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与氧化铝结合起来,创造了杂化有机-无机光刻胶。他们在将涂有PMMA薄膜的衬底放到ALD反应室中之后,引入了铝前驱物蒸汽。这个蒸汽通过PMMA基质内部的微小分子孔扩散,与聚合物链内部的化学物质结合到一起。然后,他们引入了另一种前驱物(例如水),与前驱物反应形成PMMA基体内部的氧化铝。该杂化光刻胶的蚀刻选择比远远高于ZEP(一种昂贵的光刻胶)和二氧化硅。经过多年技术积累,国内已形成一定光刻胶用电子化学品产能,国内公司市场份额逐步提升,国产替代正在进行。华东光分解型光刻胶树脂
半导体光刻胶的涂敷方法主要是旋转涂胶法,具体可以分为静态旋转法和动态喷洒法。浦东光交联型光刻胶曝光
从90年代后半期开始,光刻光源就开始采用248nm的KrF激光;而从2000年代开始,光刻就进一步转向使用193nm波长的ArF准分子激光作为光源。在那之后一直到目前的约20年里,193nm波长的ArF准分子激光一直是半导体制程领域性能可靠,使用较多的光刻光源。一般而言,KrF(248nm)光刻胶使用聚对羟基苯乙烯及其衍生物作为成膜树脂,使用磺酸碘鎓盐和硫鎓盐作为光致酸剂;而ArF(193nm)光刻胶则多使用聚甲基丙烯酸酯衍生物,环烯烃-马来酸酐共聚物,环形聚合物等作为成膜树脂;由于化学结构上的原因,Arf(193nm)光刻胶需要比KrF(248nm)光刻胶更加敏感的光致酸剂。浦东光交联型光刻胶曝光
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