光刻胶是什么?芯片材料光刻胶为什么重要?

序言

这是一颗华为麒麟990 5G芯片,它的芯片面积约为113平方毫米,大概也就是咱们指甲盖大小,而它的上面却集成了103亿晶体管。

90%市场被国外垄断,半导体材料光刻胶为何如此重要?

那么工程师们,是如何在这么小的地方上集成这么多晶体管?在芯片制造时都用到了哪些高精尖的技术?

我知道你们想说光刻机,光刻机确实很重要!但是还有很多核心材料也是需要的。

这一期小鲸给大家介绍一种材料,它就是光刻胶!

光刻胶

光刻胶又名”光致抗蚀剂”,它是一种在紫外光等光照或辐射下,溶解度会发生变化的薄膜材料。

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具体来说,它的工作机制是这样的:

在光刻图案化工艺中,首先将光刻胶涂在硅片上形成一层薄膜。接着在复杂的曝光装置中,光线通过一个具有特定图案的掩模投射到光刻胶上。

曝光区域的光刻胶发生化学变化,在随后的化学显影过程中被去除。最后掩模的图案就被转移到了光刻胶膜上。而在随后的蚀刻 或离子注入工艺中,会对没有光刻胶保护的硅片部分进行刻蚀。

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最后洗去剩余光刻胶。

这时光刻胶的图案就被转移到下层的薄膜上,这种薄膜图案化的过程经过多次迭代,联同其他多个物理过程,便产生集成电路。

有同学会问了,那光刻机和光刻胶之间是啥关系呢?

小鲸来给大家科普下:

光刻机是设备,光刻胶是材料。它们两者共同点,都是芯片生产过程中不可缺少的东西。

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举个形象的比喻:

如果说光刻机是推动制程技术进步的“引擎”,那么光刻胶就是这部“引擎”的“燃料”。

大家可千万别小看它哦,它可是光刻技术中,涉及到最关键的功能性化学材料!

光刻胶分类

在芯片制造工艺中有40-50%的时间是在光刻过程中,这个过程不光需要光刻机,还要在硅片上涂一层光刻胶,光刻胶的质量决定了光刻精度。

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简单的说,你就算有最牛的极紫外光EUV光刻机,没有好的光刻胶,你的光刻精度还是不行。可以说它直接影响集成电路的性能、成品率以及可靠性。

所以光刻胶是至关重要的。

按照曝光波长分类,光刻胶可分为 :

UV: i/g型光刻胶,也就是波长大于300nm。

DUV: KrF型光刻胶,也就是波长248nm, 和ArF型光刻胶,也就是波长193nm。

极紫外: EUV光刻胶,也就是波长进一步降低至28纳米以下。

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不同曝光波长的光刻胶,其适用的光刻极限分辨率也不同,通常来说,在使用工艺方法一致的情况下,波长越小,加工分辨率越佳。

对于半导体领域来说,再好的创意,再牛的设计。到了制造阶段,都逃不过工艺设备和材料。

设备方面大家都知道的,诸如光刻机,蚀刻机等等。

那么材料方面呢?

半导体材料它包含硅片、光刻胶、光掩膜、溅射靶材、CMP 材料、电子特气、湿化学品 、石英 等 细分子领域。

而根据全球半导体行业协会数据,光刻胶在半导体材料价值中占比近6%,光刻辅助试剂占比7.4%,二者共占13.4%。继硅片和电子气体之外的第三大半导体材料。

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光刻胶广泛用于印刷电路和集成电路的制造,以及半导体分立器件的微细加工等过程。

光刻胶工作流程

那么光刻胶的生产工艺,具体是怎么样呢?

它的主要过程是将感光材料、树脂、溶剂等主要原料在恒温恒湿1000级的黄光区洁净房进行混合,在氮气气体保护下充分搅拌,使其充分混合形成均相液体。

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经过多次过滤,并通过中间过程控制和检验,使其达到工艺技术和质量要求,最后做产品检验,合格后在氮气气体保护下包装、打标、入库。

而且单单装光刻胶的箱子也要做定制,确保箱子材料不会影响光刻胶。这个要做很多实验,而且反复验证才可以,每开发一个试验品都要保存样本和实验材料,结果是需要很大的特殊的仓库来保存这些样品才可以。

光刻机核心技术

光刻胶的核心技术有哪些呢?

它包括配方技术,质量控制技术和原材料技术。

其中配方技术是光刻胶实现功能的核心,就像咱们做菜,要有食谱配方一样。

高品质的原材料则是光刻胶性能的基础。就像咱们食谱有了,下一步是啥,对,就是要有新鲜的蔬菜材料嘛。

而质量控制技术能够保证光刻胶性能的稳定性。就像咱们食谱有了,蔬菜也有了,还缺调味料。只有放入适量的调味料,才可以保证做出来的菜色香味俱全嘛。

同时光刻胶按应用领域分类,可分为 低端PCB 光刻胶、中端LCD显示面板光刻胶、高端半导体光刻胶

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最低端的光刻胶,国内已经占了全球70%的市场了,中端主要用在面板生产领域,这个国内才起步,国产化率不足5%。

我举个例子:

咱们日常使用的电子设备,其显示器之所以能展现色彩斑斓的画面。主要就是因为其面板之中有一层彩色薄膜,而这片厚度仅仅2微米的薄膜,就必须要由光刻胶来实现色彩画面。

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而高端光刻胶主要用在芯片制造的,国内目前最高水平是193纳米,和国外差距40年。

中高端目前主要是美国日本公司垄断,它们占据市场将近90%的份额。比如日本合成橡胶、东京应化、美国陶氏、住友化学、富士胶片等等

而国内半导体光刻胶生产和研发企业仅有五家,分别为苏州瑞红、北京科华、南大光电、容大感光、上海新阳。

国产化率方面:

较低端的 i/g 型光刻胶国产化率很低 ,目前国内仅有晶瑞股份的苏州瑞红子公司和北京科华微电子公司可实现量产。

其中晶瑞股份拥有 每年100 吨 的 i 线光刻胶生产线,科华微电子拥有 每年500 吨 的 i/g 线光刻胶生产线,此外,容大感光公司也可小批量,低于每年 100 吨 ,生产 i 线光刻胶。

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对于较高端的KrF 、 ArF 型光刻胶,目前国内基本依靠进口。

KrF 型光刻胶仅北京科华微电子拥有一条每年 10 吨 生产线。产品现已通过中芯国际认证获得商业订单,但所占市场份额极低。晶瑞股份于 2018 年建成了一条KrF 248nm 深紫外光刻胶中试示范线,现在尚未实现正式批量生产。

ArF 型光刻胶目前南大光电在建一条 每年25 吨 的生产线,科华微电子和上海新阳也在进行产品的研发和产业化项目。

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咱们在材料方面除了国产化率较低外,技术水平与半导体最先进制程对应要求也存在一定差距。

而随着半导体制程不断提高,所需曝光所用光线波长不断缩短,对光刻胶的分辨率、敏感度、对比度等也提出了更高的要求。

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其中分辨率是图形描述形成的关键尺寸,对比度是描述光刻胶从曝光区到非曝光区的陡度;敏感度是光刻胶上产生一个良好的图形所需一定波长光的最小能量值。

所以你看,诸多技术参数限制构成了光刻胶的技术壁垒。

感悟

最后小鲸想说:

常常有人把半导体研究与“两弹一星”做比较,认为咱们能做出“两弹一星”这样的尖端科技,半导体也不成问题。但是却忽视了,”两弹一星”技术一旦掌握,自我更新速度较慢。

而半导体是按照摩尔定律高速发展的,单位芯片晶体管数量每18个月增长一倍。在半导体领域,落后一年都不行。

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而像光刻胶这样的材料,有效期为三个月,咱们想囤货都不行。

而光刻胶看似简单,其实需要大量投入和产业配合,需要反复的实验和工业化制备。

无论是从实验室到量产,还是从1微米到几十纳米几纳米,都存在非常大的鸿沟需要逾越。同时光刻胶作为一种半导体化学材料,还需要半导体的大牛团队和化学化工的大牛团队精诚合作才行。

咱们想要发展半导体,没有捷径可走。

关键设备跟材料被卡着脖子,在逆全球化的浪潮之中,国产替代一定是大势所趋。而这需要各行各业的理解和支持,特别是学科设置、人才培养、经费投入等等方面。

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半导体研发是一个完整的技术层级体系。

咱们只有夯实基础,掌握了半导体现有的技术体系,并在有潜力的环节奋起攻关,形成自己的技术突破,获得一定的技术话语权,才可能在国际竞争中有立足之地。

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