我国光刻胶的现状及近期发展趋势-郑金红
郑金红
(北京科华微电子材料有限公司)
光刻胶（又称光致抗蚀剂）是指通过紫外光、准分子激光、电子束、离子束、
Ｘ射线等光源的照射或辐射，其溶解度发生变化的耐蚀刻薄膜材料。根据曝光前
后胶膜溶解性质的变化又可分为正型光刻胶和负型光刻胶，曝光后溶解度增大的
为正型光刻胶，溶解度减小的为负型光刻胶。光刻胶主要用于半导体集成电路和
分立器件的微细加工，液晶显示面板的制作，同时在LED、封装、磁头及精密传感
器等制作过程中也有着广泛的应用。由于光刻胶具有光化学敏感性，可利用其进
行光化学反应，将光刻胶涂覆半导体、导体和绝缘体上，经曝光、显影后留下的
部分对底层起保护作用，然后采用蚀刻剂进行蚀刻就可将所需要的微细图形从掩
模版转移到待加工的衬底上。因此光刻胶是微细加工技术中的关键性化工材料。
现代微电子技术仍按照摩尔定律在不断的发展，即集成电路的集成度平均每
隔18个月翻一番，芯片的特征尺寸每3年缩小倍，芯片面积增加1.5倍，芯片中的晶体管数增加约4倍，即每过3年便有一代新的集成电路产品问世。 现在
世界集成电路水平已由微米级（1.0μm ）、亚微米级(1.0～0.35μm)、深亚微米级(0.35μm以下)进入到纳米级（90～45nm）阶段。
投影式光刻工艺的分辨率是通过以下的瑞利（Rayleigh）公式计算：
R为分辨率，λ为曝光波长，k为工艺因子,NA为透镜的数值孔径。 1
从上式可以看出，要提高光刻的分辨率，主要有以下3条途径：?使用更短波长光源，缩短曝光波长；?采用分辨率增强技术将K因子逐步降低，如采用相1
移掩膜技术（PSM）、离轴照明技术（OAI）等，可以使K从0.6降低至0.4；?增1
加透镜的数值孔径，如发展更高NA值的透镜组，可以使NA从0.35提高到0.7，
甚至0.8，但提高NA值会减小焦深（DOF）。
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因为缩短曝光波长可以提高光刻分辨率，随着集成电路的发展，光刻技术也
经历了从G线（436nm），I线（365nm），到深紫外248nm，及目前的193nm光刻的发展历程，相对应于各曝光波长的光刻胶也应运而生。
图1 光刻技术及光刻胶的发展趋势
随着曝光波长的变化，光刻胶中的关键组分，如成膜树脂、感光剂、添加剂
也随之发生变化，使光刻胶的综合性能能更好地集成工艺制程要求。
表1 目前集成电路制作中使用的主要光刻胶
光刻胶体系 成膜树脂 感光剂 曝光波长 主要用途 环化橡胶—双叠氮双叠氮化紫外全谱 2μm以上集成电路及半导体分立环化橡胶 负胶 合物 300～450nm 器件的制作
G线，436nm 0.5以上集成电路制作 酚醛树脂—重氮萘重氮萘醌酚醛树脂 醌正胶 化合物 I线，365nm 0.35～0.5μm集成电路制作
聚对羟基苯乙烯及光致产酸248nm光刻胶 KrF,248nm 0.25～0.15μm集成电路制作 其衍生物 剂
ArF,193nm 130nm～65nm集成电路制作 dry 聚脂环族丙烯酸酯光致产酸193nm光刻胶 及其共聚物 剂 ArF,193nm 45nm～？ 集成电路制作 immersion
甲基丙烯酸酯及其光致产酸电子束光刻胶 e-beam 掩模版制作 共聚物 剂
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在2007年的的国际半导体技术线路图中，对32nm的下一代光刻技术提出了
五种可能方案：193nm浸没式光刻+双重曝光/双重图形，EUV光刻，193nm浸没式光刻+高折射率浸没流体+高折射率透镜，无掩膜电子束光刻，纳米压印。
图2 下一代光刻技术的可能路线
曝光机的数值孔径 NA=n?sinθ,n为透镜与基片之间介质的折射率，θ为平行激光通过透镜后聚焦成一直径有限的光点时，最外光线与光轴间的夹角，又称
孔径角。由于孔径角的增大是有限的，Sinθ＜1(θ＜60?)。在干法曝光中，透max
镜与基片之间介质为空气，n等于1，所以当NA值为0.85时就几乎接近极限值。
增大透镜与基片之间介质的折射率，可以提高NA值。基于这一原理，在2002年
193nm浸没式光刻技术应运而生。它采用高纯水作为透镜与基片之间填充介质，由
于水的折射率为1.44,比空气大，一方面提高了透镜的NA值，另一方面是光通过
水介质后，波长变短，由193nm变成193nm/1.44=134nm，双重作用使分辨率提高。
图3 浸没式光刻系统，其中投影透镜和晶片之间充满了水
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浸没式光刻早期存在的水印、气泡和残余物等缺陷问题已解决，已成为一种主流性的光刻技术。水为介质的浸没式光刻技术在2008年已用于45nm技术节点的量产。采用的光刻胶大多为93nm干法光刻胶加顶部涂层，顶部涂料（topcoat）是涂制在光刻胶膜表面的一层材料，在光刻胶膜上形成一层保护层，避免光刻胶
与浸没液体的直接接触，是解决光刻胶组分在浸没液体中的浸出及污染等系列问
题的有效手段。
随着浸没式光刻技术的发展，以水为浸没介质的193nm浸没式光刻技术，其
数值孔径达到了理论极限1.35，这项技术的下一个发展方向是使用高折射率的浸
没液体和镜头材料。而通过采用第二代浸没液体（折射率～1.65），其NA能够达到1.45，如果再配合使用高折射率镜头材料（镥铝石榴石），其NA就可以增加到1.55。采用第三代折射率达到～1.8的浸没液体及高折射率镜头材料，NA就可以增加到1.70，这时需要具有近似折射率的高折射率光刻胶(目前光刻胶的折射率
1.6～1.7)。
一开始，半导体业界普遍相信曝光波长为13nm的极紫外光刻技术（EUV）将在2009-2010进入市场，满足32nm节点的需求。然而事与愿违，在过去的几年中
这项技术进展缓慢，相反，得益于双重成像技术（double patterning，DP）的ArF浸没式光刻技术已经成为联系193nm光刻技术和EUV之间的纽带。DP的原理是通过将密集的电路图形一分为二，从而降低图形密度，再依次印制到硅片表面。
对于DP技术而言，图形线宽的均匀性和套准是尤为关键的两个技术指标。至
于需要它们达到哪种程度，那就得取决于所采用的DP方案了。目前已有多种不同
的双重曝光技术，但仍然还没有一套符合大规模量产要求的切实可行的操作方案。
双重成像技术需要使用额外的掩膜板，需要增加更多的工艺步骤，需要更长
的工艺周期，这些都会大幅度地增光刻成本。
图4 DP成像原理
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浸没式光刻和双重成像技术是目前能获得最高分辨率的光刻技术。
NAND芯片的制造商认为在32nm技术节点中将采用双重成像加上基于水的浸没
式光刻技术。IBM公司坚信193nm浸没式光刻技术肯定可以用于32nm制程的芯片生产,如此可降低更换新设备所需的成本。
采用第二代浸没液体（折射率～1.65），再结合使用高折射率透镜（LuAG透镜，折射率～2.1），NA就可以增加到1.55，如果再结合使用双重曝光技术，那
么可成为对半节距为22nm技术节点的理想解决方案。
采用第三代折射率达到～1.8的浸没液体及高折射率透镜，NA就可以增加到1.70，再结合使用高折射率光刻胶（折射率大于1.9）和其他光刻技术，可能成功
为半节距为22nm、甚至是16nm技术节点提供光刻的解决方案。但这些解决方案不
是天上掉馅饼，还存在很多问题，需要进行不断研发才能将其变为现实。
JSR和DuPont都成功实现了第二代浸没液体（折射率～1.65）。Schott
Lithotec在镥铝石榴石（LuAG）高折射率镜头材料方面取得重大进展
JSR宣布开发出对应32nm级工艺的ArF浸没光刻的无顶涂层光刻胶，并且同
尼康及东京电子共同进行了光刻性能、缺陷、生产性等方面的评估，评估显示可
用于先进内存及32nm半导体量产。
SEMATECH进行了高折射率光刻胶材料的开发，目标是使光刻胶的折射率能够
大于1.9，并取得了很大进展。但只有在采用第三代浸没流体材料时才会需要使用
高折射率的光刻胶。
由于高折射率透镜材料的吸光率问题还没有得到完全解决，目前还没有一家
光刻设备制造商开发出整合有第二代流体材料，具有高NA投影光路的全尺寸、高NA的浸没式光刻设备。
由于对高折射率技术成功与否存在疑虑，在浸没式光刻技术发展的同时，业
界也在不断推动EUV技术。在32nm技术以下，EUV光刻技术最有可能取代ArF浸没式光刻技术，进而成为主流的生产技术解决方案。为达成这一目标，就需要在
2009年前完成EUV光刻系统的研发工作并将其引入生产。EUV光刻技术中最为关键、紧迫的难题是光源的功率和使用寿命、光刻胶的分辨率和敏感度以及光掩膜
版的缺陷密度及保存。
高能光源是实现大规模量产并降低成本的前提和保障。根据预测，功率>115W
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2的光源可以确保涂有敏感度为5 mJ/cm光刻胶的硅片的产能>100片/h，对于敏感
22度达到10 mJ/cm的光刻胶就需要180W的光源，而敏感度高于20 mJ/cm的光刻胶甚至需要200W以上的光源以满足量产需求。目前EUV光源的功率可达到100～115
2W，而化学增幅型光刻胶的敏感度大多在10～50 mJ/cm。EUV光源的功率与大规模量产要求（产能>100片/h）还有距离。
业界大多认为EUV的机会在22nm或16nm之后。
Sematech宣布通过与主要的光刻胶供应商的合作，开发出了化学特性放大的
EUV光刻胶，可支持22nm半节距分辨率。Rohm & Haas声称其EUV光刻胶研发也已经达到25nm的技术水平。
德州大学奥斯汀分校Rashid Engineering董事会主席Grant Willson认为纳米压印光刻被用于32nm节点的可能性很低。存在的最大问题是需要1：1的无缺陷的模板。
无掩膜电子束光刻胶由于曝光区域小，生产效率低，不适合大规模生产。 MIT的Smith认为电子束光刻用于32nm节点的可能性实际上等于零。
2007年年底初步统计，我国已投产的芯片生产线超过50条，其中12英寸线3条，8英寸线12条，6英寸线12条，5英寸及以下23条。从数量上看,国内8/12英寸芯片生产线已经占国内芯片生产线总数的1/4，从产能上看,8/12英寸芯片生产线产能占国内芯片总产能2/3。可以说,8英寸以上的高端生产线已经开始成为
国内芯片制造行业的主体,国内芯片制造行业开始迈向高端。
‘十一五’期间重点发展12英寸集成电路生产线，建设5条以上12英寸芯片生产线；建设10条8英寸芯片生产线。
2007年英特尔在大连建立12英寸芯片厂，这不但是英特尔进入中国市场的里
程碑，也是世界半导体制造业向中国转移的里程碑。未来3-5年之后中国半导体业将拥有全球IDM首位的英特尓大连厂、全球存储器大厂苏州尔必达及无锡海力