光刻是半導體制造微圖形工藝的核心，光刻膠是關鍵材料 

 

光刻膠是光刻工藝中最關鍵材料，國產替代需求緊迫。光刻工藝是指在光照作用下，借助光刻膠將掩膜版上的圖形轉移到基片上的技術，在半導體制造領域，隨著集成電路線寬縮小、集成度大為提升，光刻工藝技術難度大幅提升，成為延續摩爾定律的關鍵技術之一。同時，器件和走線的復雜度和密集度大幅度提升，高端制程關鍵層次需要兩次甚至多次曝光來實現。其中，光刻膠的質量和性能是影響集成電路性能、成品率及可靠性的關鍵因素。目前，日本和美國光刻膠巨頭完全主導了高端光刻膠市場。2019 年 7 月的日韓貿易摩擦中，日本通過限制對韓出口光刻膠，引發韓國半導體產業鏈震蕩。中美貿易摩擦大背景下，光刻膠也成為深刻影響中國半導體產業鏈安全的關鍵材料。

 

光刻膠經過幾十年不斷的發展和進步，應用領域不斷擴大，衍生出非常多的種類。不同用途的光刻膠曝光光源、反應機理、制造工藝、成膜特性、加工圖形線路的精度等性能要求不同，導致對于材料的溶解性、耐蝕刻性、感光性能、耐熱性等要求不同。因此每一類光刻膠使用的原料在化學結構、性能上都比較特殊，要求使用不同品質等級的光刻膠專用化學品。1959 年光刻膠被發明以來，被廣泛運用在加工制作廣電信息產業的微細圖形路線。作為光刻工藝的關鍵性材料，其在 PCB、TFT-LCD 和半導體光刻工序中起到重要作用。

 

 

光刻膠又稱光致抗蝕劑，它是指由感光樹脂、增感劑和溶劑三種主要成分構成的對光敏感的混合液體。在紫外光、電子束、離子束、X 射線等輻射的作用下，其感光樹脂的溶解度及親和性由于光固化反應而發生變化，經適當溶劑處理，溶去可溶部分可獲得所需圖像。

 

 

按照化學反應和顯影的原理，光刻膠可分為正性光刻膠和負性光刻膠。如果顯影時未曝光部分溶解于顯影液，形成的圖形與掩膜版相反，稱為負性光刻膠；如果顯影時曝光部分溶解于顯影液，形成的圖形與掩膜版相同，稱為正性光刻膠。在實際運用過程中，由于負性光刻膠在顯影時容易發生變形和膨脹的情況，一般情況下分辨率只能達到 2 微米，因此正性光刻膠的應用更為廣泛。生產光刻膠的原料包括光引發劑（包括光增感劑、光致產酸劑）、光刻膠樹脂、單體及其他助劑等。根據 2020 年前瞻產業研究院報告《2020-2025 年中國光刻膠行業市場前瞻與投資規劃分析報告》數據顯示，樹脂占光刻膠總成本的 50%，在光刻膠各成分的中占比最大，其次是占35%的單體和占 15%的光引發劑及其他助體。

 

光刻膠主要技術參數決定了圖形工藝的精密程度和良率光刻膠作為光刻曝光的核心材料，其分辨率是光刻膠實現器件的關鍵尺寸（如器件線寬）的衡量值，光刻膠分辨率越高形成的圖形關鍵尺寸越小。對比度是指光刻膠從曝光區到非曝光區過渡的陡度， 對比度越高，形成圖形的側壁越陡峭，圖形完成度更好。敏感度決定了光刻膠上產生一個良好的圖形所需一定波長光的最小能量值。抗蝕性決定了光刻膠作為覆蓋物在后續刻蝕或離子注入工藝中，不被刻蝕或抗擊離子轟擊，從而保護被覆蓋的襯底。

 

根據感光樹脂的化學結構來分類，光刻膠可以分為光聚合型、光分解型和光交聯型三種類別。光聚合型，可形成正性光刻膠，是通過采用了烯類單體，在光作用下生成自由基從而進一步引發單體聚合，最后生成聚合物的過程；光分解型光刻膠可以制成正性膠，通過采用含有疊氮醌類化合物的材料在經過光照后,發生光分解反應的過程。光交聯型，即采用聚乙烯醇月桂酸酯等作為光敏材料，在光的作用下，其分子中的雙鍵被打開，并使鏈與鏈之間發生交聯，形成一種不溶性的網狀結構，從而起到抗蝕作用，是一種典型的負性光刻膠。按照應用領域的不同，光刻膠又可以分為印刷電路板（PCB）用光刻膠、液晶顯示(LCD）用光刻膠、半導體用光刻膠和其他用途光刻膠。PCB 光刻膠技術壁壘相對其他兩類較低，而半導體光刻膠代表著光刻膠技術最先進水平。

 

 

依照曝光波長分類，光刻膠可分為紫外光刻膠（300~450nm）、深紫外光刻膠（160~280nm）、極紫外光刻膠（EUV，13.5nm）、電子束光刻膠、離子束光刻膠、X 射線光刻膠等。光刻膠在不同曝光波長的情況下，適用的光刻極限分辨率也不盡相同，在加工方法一致時，波長越小加工分辨率更佳。因此，不同波長光源的光刻機需要搭配相應波長的光刻膠進去光刻。目前半導體光刻膠最常使用曝光波長分類，主要有 g 線、i 線、KrF、ArF 和最先進的 EUV光刻膠，其中 DUV 光刻機分為干法和浸潤式，因此 ArF 光刻膠也對應分為干法和浸潤式兩類。越先進制程相應需要使用越短曝光波長光刻膠，以達到特征尺寸微小化。

 

 

芯片制造又稱晶圓制造，是通過物理、化學工藝步驟在晶圓表面形成器件，并生成金屬導線將器件相互連接形成集成電路的過程。晶圓制造可分為前道工藝線（FEOL）和后道工藝線（BEOL）工藝，前道工藝是在晶圓上形成晶體管和其他器件，而后道工藝是形成金屬線并在每層之前加上絕緣層。依次通過光刻（lithography）、刻蝕（etch）、離子注入（ implantation ）、擴散（disposition）、化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）、化學機械研磨等工序（CMP）形成一層電路，通過循環重復上述工藝，最終在晶圓表面形成立體的多層結構，實現整個集成電路的制造。由于制程提升，晶圓上集成的器件和電路復雜度和密度隨之提升，需要上千道工序去完成芯片的制造。

 

光刻工藝是半導體集成電路制造的核心工藝。光刻的基本原理是將對光敏感的光刻膠旋涂在晶圓上，在表面形成一層薄膜，光源透過光罩（掩模版）照射在光刻膠上，使得光刻膠選擇性的曝光，接著對光刻膠顯影，完成光罩上電路特定層的圖形的轉移。剩余的光刻膠在接下來的刻蝕或離子注入工藝中充當掩蓋層，然后通過刻蝕工藝將光掩模上的圖形轉移到所在襯底上。根據產業鏈調研反饋，在集成電路制造工藝中，光刻工藝的成本約為整個芯片制造工藝的 35%，并且耗費時間約占整個芯片工藝的 40%-60%。

 

 

典型的集成電路制造光刻制程的八步基本工藝包括襯底的準備、光刻膠涂覆、軟烘焙、曝光、曝光后烘培、顯影、硬烘焙和顯影檢測。襯底準備主要是在涂抹光刻膠之前，對硅襯底進行預處理。一般情況下，襯底表面上的水分需要蒸發掉，這一步在帶有抽氣的密閉腔體內通過脫水烘焙來完成。此外，為了提高光刻膠在襯底表面的附著能力，還會在襯底表面涂抹化合物。

 

光刻膠涂覆是將光刻膠均勻、平整地分布在襯底表面上，當前涂膠方式一般是旋涂。首先將光刻膠溶液噴灑在硅片表面，將硅片放在一個平整的金屬托盤上，加速旋轉托盤，直到達到所需的旋轉速度。托盤內有小孔與真空管相連，由于大氣壓力的作用，硅片可以被“吸附”在托盤上，這樣硅片就可以與托盤一起旋轉。達到所需的旋轉速度之后，以這一速度保持一段時間，以旋轉的托盤為參考系，光刻膠在隨之旋轉受到離心力，使得光刻膠向著硅片外圍移動。

 

軟烘焙是完成光刻膠的涂抹之后進行的烘干操作。軟烘焙主要目的是將硅片上覆蓋的光刻膠溶劑揮發出來，降低灰塵的沾污。此外，該步驟也緩和在旋轉過程中光刻膠膠膜內的應力，從而增強光刻膠的粘附性。在旋涂之前，光刻膠包含 65%至 85%的溶劑，而旋涂后的溶劑比例會下降到 10%至 20%，軟烘焙的目標是將溶劑比例下降到 4%至 7%。

 

曝光是光刻工藝中最要的工序，曝光使用特定波長的光經過光罩的覆蓋在襯底的光刻膠進行照射，實現圖形轉移。照明光源發出的光線經匯聚透鏡照射在光罩上，透過光罩產生衍射的光束攜帶了光罩的圖形信息。透過光罩的光束再經過投影透鏡聚焦到晶圓或襯底表面，在晶圓或襯底表面形成掩模圖形的，光刻膠中的感光劑被光束照射的區域會發生光化學反應，即使正光刻膠被照射區域（感光區域）、負光刻膠未被照射的區域（非感光區）化學成分發生變化。這些化學成分發生變化的區域，在下一步顯影工藝中能夠溶解于特定的顯影液中。

 

曝光后烘培（后烘焙）是曝光后非常重要的一步，在 I-line 光刻機中，后烘焙的目的是消除光阻層側壁的駐波效應，使側壁平整豎直；而在 DUV 光刻機中后烘焙的目的則是起化學放大反應，DUV 設備曝光時，光刻膠不會完全反應，只是產生部分反應生成少量 H+離子，而在這一步烘烤中 H+離子起到類似催化劑的作用，使感光區光刻膠完全反應。后烘焙主要控制的是烘焙溫度與時間，此外對于溫度的均勻性要求也非常高，通常 DUV 的光阻要求熱板內溫度偏差小于 0.3℃。

 

后烘焙過程完成后加入顯影液進行顯影，將光刻膠曝光后可溶部分除去，正光刻膠的感光區和負光刻膠的非感光區，會溶解于顯影液中。這一步完成后，光刻膠層中的圖形就可以顯現出來。為了提高分辨率，幾乎每一種光刻膠都有專門的顯影液，以保證高質量的顯影效果。一般來說正膠可以得到更高的分辨率，而負膠則更耐腐蝕。顯影和清洗都在顯影槽中完成，每一步的轉速和時間都至為重要，對最后圖形的均勻性和質量影響很大。

 

硬烘焙又稱顯影后烘焙，為接下來刻蝕或者離子注入工藝做準備。其主要目的是蒸發光刻膠中的溶劑，提高抗刻蝕和抗離子注入性，提高光刻膠的粘附性，聚合化并穩定光刻膠以及光刻膠流動填平針孔。最后進行顯影檢測后，進行下一步刻蝕或者離子注入工藝。