我国光刻胶的现状及近期发展趋势-郑金红

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