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半导体光刻胶浅析

2018-10-19
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光刻胶是由感光树脂、增感剂和溶剂三种主要成份组成的、对光敏感的混合液体。利用光化学反应,经曝光、显影、刻蚀等工艺将所需要的微细图形从掩模版转移到待加工基片上的图形转移介质,其中曝光是通过紫外光、电子束、准分子激光束、X射线、离子束等曝光源的照射或辐射,从而使光刻胶的溶解度发生变化。


按照应用领域分类,光刻胶主要包括印制电路板(PCB)光刻胶专用化学品(光引发剂和树脂)、液晶显示器(LCD)光刻胶光引发剂、半导体光刻胶光引发剂和其他用途光刻胶四大类。本文主要讨论半导体光刻胶。


光刻胶自1959年被发明以来一直是半导体核心材料,随后被改进运用到PCB板的制造,并于20世纪90年代运用到平板显示的加工制造。最终应用领域包括消费电子、家用电器、汽车通讯等。 


光刻工艺约占整个芯片制造成本的35%,耗时占整个芯片工艺的40%~60%,是半导体制造中最核心的工艺。


以半导体光刻胶为例,在光刻工艺中,光刻胶被均匀涂布在衬底上,经过曝光(改变光刻胶溶解度)、显影(利用显影液溶解改性后光刻胶的可溶部分)与刻蚀等工艺,将掩膜版上的图形转移到衬底上,形成与掩膜版完全对应的几何图形。


光刻技术随着IC集成度的提升而不断发展。为了满足集成电路对密度和集成度水平的更高要求,半导体用光刻胶通过不断缩短曝光波长以提高极限分辨率,世界芯片工艺水平目前已跨入微纳米级别,光刻胶的波长由紫外宽谱逐步至g线(436nm)、i线(365nm)、KrF(248nm)、 ArF(193nm)、F2(157nm),以及最先进的EUV(<13.5nm)线水平。


目前,半导体市场上主要使用的光刻胶包括 g 线、i 线、KrF、ArF四类光刻胶,其中,g线和i线光刻胶是市场上使用量最大的。KrF和ArF光刻胶核心技术基本被日本和美国企业所垄断。


光刻胶对光刻工艺的重要性


光刻胶不仅具有纯度要求高、工艺复杂等特征,还需要相应光刻机与之配对调试。一般情况下,一个芯片在制造过程中需要进行10~50道光刻过程,由于基板不同、分辨率要求不同、蚀刻方式不同等,不同的光刻过程对光刻胶的具体要求也不一样,即使类似的光刻过程,不同的厂商也会有不同的要求。


针对不同应用需求,光刻胶的品种非常多,这些差异主要通过调整光刻胶的配方来实现。因此,通过调整光刻胶的配方,满足差异化的应用需求,是光刻胶制造商最核心的技术。


此外,由于光刻加工分辨率直接关系到芯片特征尺寸大小,而光刻胶的性能关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应。光刻分辨率与曝光波长、数值孔径和工艺系数相关。


光刻胶的曝光波长由宽谱紫外向g线→i线→KrF→ArF→EUV(13.5nm)的方向移动。随着曝光波长的缩短,光刻胶所能达到的极限分辨率不断提高,光刻得到的线路图案精密度更佳,而对应的光刻胶的价格也更高。


光刻光路的设计,有利于进一步提升数值孔径,随着技术的发展,数值孔径由0.35发展到大于1。相关技术的发展也对光刻胶及其配套产品的性能要求变得愈发严格。


工艺系数从0.8变到0.4,其数值与光刻胶的产品质量有关。结合双掩膜和双刻蚀等技术,现有光刻技术使得我们能够用193nm的激光完成10nm工艺的光刻。


为了实现7nm、5nm制程,传统光刻技术遇到瓶颈,EUV(13.5nm)光刻技术呼之欲出,台积电、三星也在相关领域进行布局。EUV光刻光路基于反射设计,不同于上一代的折射,其所需光刻胶主要以无机光刻胶为主,如金属氧化物光刻胶。


全球市场格局


目前,光刻胶单一产品市场规模与海外巨头公司营收规模相比较小,光刻胶仅为大型材料厂商的子业务。但由于光刻胶技术门槛高,就某一光刻胶子行业而言,仅有少数几家供应商有产品供应。


由于光刻胶产品技术要求较高,中国光刻胶市场基本由外资企业占据,国内企业市场份额不足40%,高分辨率的KrF和ArF光刻胶,其核心技术基本被日本和美国企业所垄断,产品也基本出自日本和美国公司,包括陶氏化学、JSR株式会社、信越化学、东京应化工业、Fujifilm,以及韩国东进等企业。


而细化到半导体用光刻胶市场,国内企业份额不足30%,与国际先进水平存在较大差距。超过80%市场份额掌握在日本住友、TOK、美国陶氏等公司手中,国内公司中,苏州瑞红与北京科华实现了部分品种的国产化,但是整体技术水平较低,仅能进入8英寸集成电路生产线与LED等产线。


据悉,苏州瑞红已经研发出g线与i线光刻胶,其中i线已经成功实现量产;北京科华正开发KrF (248nm)光刻胶,目前已经通过中芯国际认证,ArF(193nm)光刻胶也在积极研发中。


中国市场


据统计资料显示,2017年中国光刻胶行业产量达到7.56万吨,较2016年增加0.29万吨,其中,中国本土光刻胶产量为4.41万吨,与7.99万吨的需求量差异较大,说明我国供给能力还需提升。


国内企业的光刻胶产品目前还主要用于PCB领域,代表企业有晶瑞股份、科华微电子。


在半导体应用领域,随着汽车电子、物联网等发展,会在一定程度上增加对G线、I线的需求,利好G线、I线等生产企业。预计G线正胶今后将占据50%以上市场份额,I线正胶将占据40%左右的市场份额,DUV等其他光刻胶约占10%市场份额,给予北京科华、苏州瑞红等国内公司较大市场机会。


政策扶持及进展


为促进我国光刻胶产业的发展,国家02重大专项给予了大力支持。今年5月,02重大专项实施管理办公室组织任务验收专家组、财务验收专家组通过了“极紫外光刻胶材料与实验室检测技术研究”项目的任务验收和财务验收。


据悉,经过项目组全体成员的努力攻关,完成了EUV光刻胶关键材料的设计、制备和合成工艺研究、配方组成和光刻胶制备、实验室光刻胶性能的初步评价装备的研发,达到了任务书中规定的材料和装备的考核指标。项目共申请发明专利15项(包括国际专利5项),截止到目前,共获得授权专利10项(包括国际专利授权3项);培养了博士研究生9名,硕士研究生1名。


结语


光刻胶虽然在半导体材料领域里所占比重并不高,但因为与光刻工艺紧密相关,所以其重要性十分突出,对于我国半导体产业来说,是必须花大力气发展下去的。


文/半导体行业观察 张健



*本文由 公众号 半导体行业观察(ID:icbank)原创。如需转载请加微信号:icbank_kf01,或在公众号后台回复关键词“转载”,谢谢。


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