1. 材料層面的挑戰
光刻膠并不是單一化合物,而是一個復雜的多組分體系,包括:
樹脂(Polymer):決定成膜性、分辨率、刻蝕抗性;
光敏劑(Photoacid Generator, PAG):吸收光能并生成酸,啟動化學反應;
抑制劑/堿(Quencher/Base):控制酸擴散和反應速率,保證對比度;
溶劑/添加劑:影響旋涂均勻性、膜厚和表面性質。
難點在于:
各組分必須同時滿足分辨率、靈敏度、抗刻蝕性三大指標,而這三者通常相互矛盾。
化學反應的時間尺度在 納秒級(曝光吸光)到秒級(退火擴散),要求分子結構設計極其精細。
光刻膠需要在 亞納米量級的表面與光學/等離子體環境交互(EUV反射鏡、刻蝕等離子體),材料必須兼顧高能光子響應與化學穩定性。
波長與能量要求:
i-line(365 nm)、KrF(248 nm)、ArF(193 nm)、EUV(13.5 nm)對材料的吸收曲線完全不同。
DUV和EUV光子能量差距極大(幾 eV vs. 92 eV),導致分子鍵斷裂機理完全不同。
工藝窗口很窄:
曝光劑量 (Dose)、后烘溫度 (PEB)、顯影液濃度 (TMAH %) 的工藝窗口必須穩定在 ±幾 % 的范圍內。
光刻膠材料要能容忍這種狹窄窗口,否則量產無法穩定。
疊加與多重曝光需求:
先進工藝 (7nm以下) 需要多重曝光(LELE、SAQP、EUV+DUV混合),光刻膠必須兼容不同工藝步驟和熱預算,不能發生交互污染或性能退化。
缺陷控制:任何亞微米顆粒或殘膠都可能造成致命缺陷 (Kill Defect),要求光刻膠在純度、配方穩定性上接近“零缺陷”。
批次一致性:光刻膠是化學品,但半導體制造要求 ppm級別的成分穩定性,遠超化工/涂料行業。
環境敏感性:EUV光刻膠研發尤其困難:
Outgassing(析氣) 會污染昂貴的EUV反射鏡;
Stochastic effect(隨機效應) 由光子數不足引發,會導致隨機缺陷 (Missing Hole/Bridge)。
研發光刻膠的難度來源于以下三重耦合:
分子化學設計難度極高(需要兼顧多指標,還要可量產);
工藝集成窗口極窄(必須適應光學、顯影、刻蝕等全流程);
量產可靠性要求苛刻(穩定性、純度、環境相容性都要極限化)。
這就是為什么目前全球能量產供應先進節點光刻膠的廠商寥寥無幾(日本的 JSR、TOK,美國的 DuPont,部分韓國廠商),且EUV光刻膠至今仍然是產業瓶頸。
總結:光刻膠研發難,不僅是化學材料科學的挑戰,更是一個跨學科(化學-物理-工藝集成-設備)的系統性難題。
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