光致抗蝕劑標準需求和發展建議

曹可慰 吳怡然 趙俊莎 李其聰

關鍵詞：光致抗蝕劑，光引發劑，標準，標準體系

0 引言

光致抗蝕劑細分種類多、體系復雜屬于典型的交叉學科，按光刻類型可分為正性膠和負性膠；按原材料光化學反應類型可分為光聚合型、光分解型和光交聯型；按波長和對應線寬分類，光致抗蝕劑可分為g線（436nm）、i線（365nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm），以及最先進的EUV（<13.5nm），光致抗蝕劑的分類見表1[1，2]。

按應用領域分類，再按曝光波長和工藝節點分類是行業內最普遍使用的產品分類方式，相應的標準體系設計也應按照應用領域和工藝節點展開，標準對象設置也應符合產業體系的劃分。

1 國內外產業現狀和趨勢

1.1 穩固的國際市場競爭格局

光刻工藝是半導體制造的核心工藝，成本約占整個集成電路制程的35%，耗時占整個集成電路制程的40%～60%[1]。光致抗蝕劑及配套試劑占集成電路前道制造材料總成本的約12%。光刻工藝是制造業高精尖的制高點，標志集成電路制程先進水平的就是光刻工藝的特征尺寸CD值。而特征尺寸及關鍵圖形精度又決定于光刻設備（曝光機等）、光刻材料（光致抗蝕劑、掩模版、配套試劑等）和光刻工藝水平。為不斷突破高精尖的極限，需要不斷優化光致抗蝕劑的配方體系、潔凈度和批次穩定性。近三年，雖然全球集成電路行業發展經歷波峰波谷的變動，但光致抗蝕劑的市場保持5%左右的增長率穩固發展，全球市場總額維持在20億美元以上。隨著先進封裝的快速發展、高端印制電路板和封裝基板電互聯精度的不斷提升，光致抗蝕劑在電子信息制造各領域的應用還將不斷擴展，市場也將保持穩步增長。

隨著集成電路制程工藝發展到10nm以下，器件結構設計也越來越復雜，為實現更高的集成度，所需的光刻次數也越來越多，尤其是多此曝光工藝廣泛應用后，光致抗蝕劑的用量也越來越大。由于光刻環節在整個制造工序的特殊性，替換材料帶來的成本收益較低，而可能引起的產線穩定性風險較大，全球光致抗蝕劑市場較為穩固，日美企業的先發優勢較為明顯[3]，全球光致抗蝕劑市場占比如圖1所示。

1.2 我國產業發展現狀

在需求側快速發展的引導下，我國光致抗蝕劑企業通過技術引進加自主研發已在多個領域實現量產供貨；在“02專項”等國家科研專項的支持下，部分高端光致抗蝕劑已實現實驗室研發突破并開始產業化發展；在資本市場的推動下，部分企業通過并購和引進快速進入光致抗蝕劑領域，市場主體明顯增多。我國光致抗蝕劑行業整體發展較快，不同領域主要情況如下。

PCB用膠國產化率較高，在全球市場占比也超過50%，容大、飛凱、廣信等是代表性企業。三類產品干膜膠、濕膜膠和光成像阻焊油墨中，高端干膜膠仍需向住友進口，但國內已有突破。

新型顯示用膠短板產品突破較快，國產化率快速增長。顯示面板行業存量競爭帶來巨大的降本需求，復雜的國際貿易形勢促進行業加強底線思維和風險意識，再加上主管部門的指導和財關稅政策的引導，面板企業對光致抗蝕劑國產化替代的意愿有所提高。2019年綠色彩膠和BM通過更多客戶驗證，柔性OLED用減反射膠完成實驗室開發，博硯、鼎材、欣奕華、北旭等企業均有擴產投資計劃，雅克通過并購LG化學光致抗蝕劑業務的方式進入市場，預計國產化率將快速提升至15%以上。目前顯示用PSPI膠、彩膠用顏料液等還需加強產業化引導。

MEMS用膠市場前景良好，通信、汽車電子、醫療和物聯網等產業發展帶來重要需求。MEMS器件由于尺寸較大對抗蝕性和深寬比等性能要求較高，代表性的產品是SU-8厚膠，主要由美國Microchem占據市場，國內博康實現量產突破。

集成電路用膠市場中g線/i線膠占四分之一，KrF膠占四分之一，ArF膠（干法和浸沒式）占近一半。目前集成電路用光致抗蝕劑領域國內能夠實現量產穩定供應的僅北京科華、蘇州瑞紅等個別幾家，且集中在中低端市場。南大光電、徐州博康、上海新陽等企業也進入光致抗蝕劑市場，并布局ArF光致抗蝕劑等高端領域。南大光電的ArF光致抗蝕劑已通過存儲客戶的驗證，距離量產穩定供應（噸或百加侖級）又進了一步。恒坤等企業在BARC等小品種膠上表現突出。EUV光致抗蝕劑國內還缺乏有效的驗證檢測手段[4]。光致抗蝕劑用樹脂、光引發劑、包裝瓶等原輔材料也處于研發待量產階段[5]。

2 光致抗蝕劑國內外標準現狀

2.1 標準體系現狀

按照GB/T 4754-2017的分類方式，光致抗蝕劑屬于C3985電子專用材料制造，其中的工藝及輔助材料和電子化工材料。光致抗蝕劑與掩模版、包裝及原輔材料等共同組成微光刻材料標準體系，體系框圖如圖2所示。

2.2 國內外標準現狀

光致抗蝕劑沒有對應的國際標準化組織，IEC等國際標準化組織也沒有發布掩模版相關標準。在國際上影響力較大的是定位為國外先進團體標準的國際半導體設備和材料協會（SEMI）標準。SEMI標準中，光致抗蝕劑相關標準共11項，其中產品標準3項，方法標準8項。

國內標準目前僅有GB/T 16527-1996 《硬面感光板中光致抗蝕劑和電子束抗蝕劑》1項產品標準，且標齡較長，標準對象涵蓋紫外和電子束兩類光致抗蝕劑。國內標準較少反映出此前我國產業發展較為滯后，且光致抗蝕劑定制化程度較高，研制標準的技術基礎不成熟。

2.3 我國產業重點標準需求

光致抗蝕劑的性能一定程度上決定了晶圓圖形加工的精度、效率和穩定性。光致抗蝕劑性能的表征包括基本性能、工藝性能和質量穩定性性能等?；拘阅馨ǎ汉哿拷饘匐s質、陰離子雜質含量、水分、顆粒數、粘度、密度、濃度、浸出速率等材料理化性能。工藝性能需要規定基本工藝程序，在驗證典型工藝試樣的性能?；竟に嚦绦虬ㄔ诠杵闲靠狗瓷鋵?、堅膜成膜，再進行光致抗蝕劑旋涂、烘烤、曝光、顯影、清洗等系列工藝步驟。與工藝程序對應的工藝性能包括，殘膜率、膜厚均勻性、附著力、蝕刻抗性等成膜性能，曝光劑量、感光度、對比度、窗口（EL）、焦深（DOF）等感光性能，以及特征尺寸CD、形貌等光刻圖形性能。決定國產材料是否滿足使用需求和能否保障長期穩定供應的關鍵是材料的工藝匹配性和質量可靠性，也即對材料工藝性能的驗證?？己嗽u估和提升材料工藝匹配性和質量可靠性的關鍵就在于驗證導入環節。驗證導入環節是目前國產材料發展的關鍵環節，也是標準的重要應用場景。驗證導入環節通常包括4個階段。

（1）技術指標驗證（靜態驗證），指產品的基本性能測試，通常納入產品規范類標準的指標主要是此類技術指標，供需雙方或第三方實驗室均可檢測。

（2）PRS（Process Release Sheet）工藝匹配性驗證。需要協調產線某個工序環節，一定時間內停止正常生產，而專門針對某類材料進行工藝匹配性驗證，在材料所需應用的工序，進行流片后，測試工藝指標。

（3）STR（Special Test Request）全流程小批量試驗，一般為10～20片，在單個工序驗證通過后，開始小批量的全流程驗證。需要協調產線的生產安排，重點驗證除材料使用工序外，與材料性能密切相關的其他工序，在正常流片后，測試工藝指標。

（4）MSTR（Mass Special Test Request）全流程大批量試驗。在小批量試驗通過后，進行對量產導入具有參考價值的大批量試驗。大批量試驗同樣是全工序流片，通過大批量試驗，既可能繼續挖掘材料替換對各個工序可能造成的影響，也對材料的質量穩定性進行初步檢驗。

其中第一個階段為靜態驗證，后3個階段為動態驗證。第二個階段為單一流程的產線驗證，后兩個階段為全流程產線驗證。產品通過MSTR驗證說明產品質量較好，但仍可能存在穩定性問題。MSTR檢驗通過后芯片制造企業會去審廠，檢驗材料企業的質量管理水平和產品穩定性。

3 標準化發展建議

3.1 圍繞重點場景補齊標準短板

目前我國光致抗蝕劑市場主體增多，均處于研發攻關的關鍵階段，基于我國材料企業體量小、起步晚的現狀，分散研究并不利于快速實現技術攻關。為實現產業鏈協同攻關，促進研發形成合力，應建立統一的測試評價標尺，使各方按照一致的標尺進行研發。研制材料潔凈度、核心功能和加工精度的測試評價標準體系，補齊研發技術基礎。方法標準也是國內標準對比國外標準缺項較多的類別，對于光致抗蝕劑主要測試項，國內外測試方法標準對比見表2[6-8]。

對比國外標準，在雜質含量、成膜性能、工藝性能等方面缺失標準較多，需要加快補齊測試方法標準，形成全面的測試方法標準體系，服務材料靜態檢驗。

應用驗證是關鍵標準應用場景。應建立以國產材料研發和示范應用平臺為基礎，研制重點驗證程序導則標準，明確工藝匹配性和批次穩定性驗證要求等。驗證導則標準將對材料驗證結果的推廣示范起到重要促進作用。

3.2 加強標準化與科研協同效能

光致抗蝕劑的難點攻關和產業化突破，離不開如：“02專項”“戰略性先進電子材料”“強基工程”等國家科研和產業化專項的支持，取得了重要的基礎突破。在國家科研與產業化專項開展的同時，組織產學研用各方，積極開展測試評價方法體系與驗證導則的關鍵標準研制，將科研創新成果固化為標準，加以實施推廣，有效地提升標準化工作與科研創新的協同發展水平，及時提高標準的技術先進性和適用性。重點開展先進制程用光致抗蝕劑，以及包裝和原輔材料等標準研制。