进入任何一家芯片工厂的黄光区，几乎每个人都会立刻闻到一股浓烈的化学品味道，继而看到的是操作工的净化服上沾满颜色，这也许就是光刻胶留给大家的最初直观印象。光刻胶作为光刻工艺中必不可少的基本要素，它与光刻技术的发展密不可分。中国有句古诗：“倾国宜通体，谁来独赏眉。”的确，在半导体制造中，没有哪个环节可以独善其身。所以在浸入式光刻、双重图形技术和EUV的讨论不绝于耳的时候，与之对应的光刻胶材料的研究也应引起人们的重视。

谁在左右光刻胶的选择？
如果要问半导体制造中最昂贵的化学品是什么，光刻胶、抗反射涂层（ARC）和聚酰亚胺(polymide)是当之无愧的前三名。的确，在成本效益地位愈发突出的今天，挑选到价廉物美的光刻胶是光刻工程师的一项重要技术活。那么到底是哪些因素在左右着光刻胶的选择呢？

众所周知，光刻机的曝光波长由紫外谱G线 (436纳米)、I线(365纳米)发展至248纳米、193纳米、极紫外光（EUV）甚至X射线，非光学光刻如电子束曝光、离子束曝光等技术也已出现在人们的视野之中，光刻胶产品的综合性能也必须随之提高，这样才能符合集成工艺制程的要求。光刻胶成分性能及发展趋势见表1。

Rohm & Haas电子材料（上海）有限公司微电子技术部亚洲区总经理丁术季认为，判断光刻胶最重要的几个因素是：涂布均匀性、灵敏度、分辨率、工艺窗口大小以及缺陷问题。在光刻中，对图像质量起关键作用的两个因素分别是分辨率（R）和焦深（DOF）。
R=kλ/NA   DOF=λ/2(NA)²
其中λ为波长，NA为光学系统的数值孔径。显而易见，减小曝光光源的波长并增加投影透镜的NA都可以提高分辨率。对于焦深来说，数值孔径增加后透镜就可以捕获更多的光学细节。所以在光刻中既要获得更好的分辨率来形成关键尺寸图形，又要保持合适的焦深是如影随形的矛盾综合体。虽然分辨率极大的依赖于曝光设备，但是高性能的曝光工具需要与之相配套的高性能的光刻胶才能真正获得高分辨率的加工能力。

灵敏度可以体现在光刻胶的对比度曲线上，对比度定义如下

γ=[log₁₀(D₁₀₀/D₁₀)]^-1

其中，D100为所有光刻胶被去掉所需的最低能量剂量，即灵敏度，也称之为曝光阈值；D0为光刻胶开始进行光化学反应作用的最低能量。对比度可以被认为是光刻胶区分掩模版上亮区和暗区能力的衡量标准，且辐照强度在光刻胶线条和间距的边缘附近平滑地变化。光刻胶的对比度越大，线条边缘越陡，典型的光刻胶对比度为2～4。对于理想光刻胶来说，如果受到该阈值以上的曝光剂量，则光刻胶完全感光；反之，完全不感光。而实际光刻胶的曝光阈值存在一个分布，该分布范围越窄，光刻胶的性能越好。

除了分辨率和灵敏度以外，光刻胶还需要具有优异的抗等离子体性能、耐化学腐蚀以及抗刻蚀性能。集成电路工艺中在进行阱区和源漏区离子注入时，需要有较好的保护电路图形的能力，否则光刻胶会因在注入环境中挥发从而影响到注入腔的真空度。此时注入的离子将不会起到其在电路制造工艺中应起到的性能，器件的电路性能受阻。耐化学腐蚀性也是极其重要的一点。光刻胶在印制各层电路图形到硅片及其它薄膜层上时需把图形保留下来，并把印有电路图形的光刻胶连同硅片一起置入化学刻蚀液中，进行很多次的湿法腐蚀。只有当光刻胶具有很强的抗蚀性，才能保证刻蚀液按照所希望的选择比刻蚀出曝光所得图形，更好地体现器件性能。抗等离子刻蚀能力也是评价光刻胶的重要指标之一。干法刻蚀因其优良的各向异性而广泛应用于线宽小于3μm的工艺过程中。与此同时，光刻胶对处于刻蚀腔中等离子态的气态分子需要有一定的抗蚀性能，否则将会破坏所需电路的完整性，刻蚀效果也受到影响。

工程师在选择光刻胶时，一般会从以上的性能结果来进行评价，同时会兼顾现有的产品要求、设备能力及光刻胶成本等进行综合考量。光刻胶一旦选定，在较短时间内很难进行频繁更换，这也是各大光刻胶制造商经常主动在第一时间将新产品交与工程师进行评价的原因。

面对后45纳米时代，光刻胶准备好了吗？
每年的ITRS都会更新修正半导体的发展趋势，其中光刻部分往往是业内人士关注的热点，图1是ITRS 2007年的光刻胶发展趋势。图中红色标注的是仍然未解的难题，红色区域范围之大让大家都不敢掉以轻心。从ITRS2007中可以看到，随着技术节点的减小，光刻胶的厚度、缺陷以及灵敏度等还有很多悬而未决的难题，这些将是未来业内人士努力的重点。

随着45纳米的量产，32纳米正走入人们的视野。但是对于32纳米以下技术节点光刻技术的选择方案，业界尚无统一的看法。

目前大多数研发机构和公司都青睐于继续拓展ArF浸入式光刻和双重图形技术。因为采用这两种方法都不必大规模更换光刻基础设备，这是半导体制造业最划算的选择。中芯国际研发总监吴汉明博士指出：“在45纳米阶段，浸入式光刻将占主导地位。进入32纳米以后，EUV、双重图形和更高NA值的浸入液将会是光刻的解决方案。”EUV的主要挑战包括过高的光源能量、过短的光学器件寿命及缺乏光刻胶和掩膜版等。由于EUV技术具有较高的研发成本和技术壁垒，因此众多fab还是相对保守，仍寄希望于延续现有的光刻技术。

光刻设备公司曾经有说法认为，进入后45纳米时代，光刻胶发展的滞后在某种程度上阻碍了光刻的发展，Kempur Microelectronics的CEO Cindy Chen却不这样认为。她坦陈：“光刻胶和光刻设备的发展是相辅相成的。可能在某一时期光刻胶遇到比较大的困难，但是在另一发展阶段，光刻设备甚至设备与材料之间的融合会成为发展的焦点。”

对于光刻胶而言，目前业内的研究方向是193纳米光刻胶与EUV光刻胶双管齐下。丁术季认为，目前光刻胶发展的难点主要有光刻胶的灵敏度和分辨率不够、厚度和均匀性难以控制、缺陷过多、掩膜版误差增强因子（MEEF）以及边缘粗糙等问题。在大规模集成电路的发展过程中，由G线光刻发展为I线光刻比较顺利，而从I线光刻发展为DUV 248纳米KrF激光光刻时，光刻胶中采用了化学增幅抗蚀剂作为一种新型光致抗蚀剂，问题也得以顺利解决。继续向193纳米进军的过程中，新的难题摆在了大家的面前。由于248纳米光致抗蚀剂的主体树脂中存在苯环结构，它们对193纳米波长的光吸收很强，不透明。因此，在发展193纳米光致抗蚀剂时树脂的主体必须进行改变，主要是发展新的、具有高光敏性的光敏产酸物。目前193纳米光刻胶成膜树脂的研究已进入实用阶段，主要为脂环类聚合物。193纳米单层光刻分辨率可达0.15μm，采用OPC技术和多层光刻胶技术分辨率可达0.1μm。在浸入式光刻技术中，由于光刻胶中的小分子易溶于水，因此往往会添加一层覆盖层以便使光刻胶在水中稳定。丁术季说：“这种方法虽然有效，但是会增加工艺步骤及成本。目前Rohm & Haas已研发出EBL光刻胶，它可产生in-situ分层效果，不用再增加覆盖层，该技术已经可应用于45甚至32纳米技术节点中。”

“业界正在努力将浸入式光刻和双版图形技术延伸至32纳米以下，但是当进入15纳米节点后，EUV和无掩模光刻技术被采用的可能性极大，”丁术季在谈到光刻发展的另一条道路时坦陈，“EUV光刻技术的发展目前在设备方面，如能量和光源强度等问题上取得一些新进展。Rohm & Haas的EUV光刻胶研发也已经达到25纳米的技术水平，未来还有很大的发展空间。”目前EUV光刻胶的困难与挑战是分辨率、线宽粗糙度（LER）以及敏感度，其中LER与敏感度是一个相互竞争的关系。对于化学放大型光刻胶而言，它的机理是通过光照产生酸性基团进而发生反应。如果在其中添加较多的有机碱，就会中和光照产生的酸性基团，也就是意味着需要更多的光照来获得足够数量的酸性基团。提高有机碱的浓度，LER能够得到改善，图形更为光滑。相反，如果减少有机碱，光刻胶的敏感度会得到提升，但这会牺牲LER。

随着45纳米光刻技术的尘埃落定，光刻在下一个技术节点的竞争已进入白热化阶段，谁都想拔得头筹。光刻胶作为光刻材料的主力，饱受诸多问题的困扰，前方的路似乎并不好走。不过换一个角度想，这些挑战岂不正是光刻技术突破的新契机？那么拦路虎变成纸老虎也指日可待。

认识光刻胶

光刻胶是一种有机物，它受紫外光曝光后，在显影液中的溶解度会发生变化。它在硅片制造中的主要作用是将掩膜版图案转移到硅片表面的光刻胶中，在后续工艺中起到保护下面材料的作用，如刻蚀或离子注入阻挡层。在各种工艺，如涂胶、显影、烘焙、离子注入和刻蚀中，光刻胶都必须具备良好的性能。由于光刻胶是将掩膜版上的图形转移到硅片表面材料上的媒介，因此从某种意义上说光刻胶是下一代光刻技术继续前进的关键。

光刻胶在半导体制造业经历了两个基本转折点：一个是正性光刻胶的使用，另一个是化学放大深紫外线光刻胶的使用。所谓光刻胶的正负之分主要是基于光刻胶材料如何相应紫外光。负性光刻胶经过紫外光曝光的区域会硬化，硬化的部分难于溶解于显影液溶剂中，因此无法在显影液中除去。这样一种负相的，即与原先掩膜版图形相反的掩膜图形形成在光刻胶上。正性光刻胶刚好与之相反，经过曝光的区域变得更容易溶解于显影液中，与掩膜版图形相一致的图形即可形成。

在半导体光刻技术中，最早使用的主要是负性光刻胶，这种情况一直持续到20世纪70年代中期。这是因为负性光刻胶显示出对硅片良好的粘附性以及对刻蚀良好的阻挡作用。然而由于显影时的变形和膨胀，负性光刻胶的分辨率通常只能达到2μm。随着技术节点的不断减小，负性光刻胶逐渐被正性光刻胶所取代。这种转换是光刻工艺中的一次根本改变。它需要改变光刻掩膜版的极性，即亮场区变成不透明的暗场区，而暗场区要变成透明的。在掩膜版制造工艺中，除了明暗场需要改变外，尺寸调节量也需要相应的变化。如今，正性光刻胶仍然是占主导地位的光刻胶。

对于最理想的图形分辨率，光刻的目标是曝光光线的波长与关键尺寸成比例。20世纪90年代中期，采用波长365nm的I线曝光即可得到0.35μm的关键尺寸。而随着技术节点的减小，标准I线光刻胶由于缺乏对更小波长的敏感性，不能被用于制造0.25μm及以下节点的深紫外（DUV）波长所接受。因此，基于化学放大（CA）的DUV波长光刻胶被引入势在必行。这被认为是光刻胶发展的第二个转折点。

20世纪80年代，IBM已经开发并使用CA DUV光刻技术生产DRAM。CA DUV光刻胶的主要优点是曝光速度快。CA化学试剂与DNQ线性酚醛树脂光刻胶相比可提高曝光速度高达10倍，而且对于任何光刻胶没有不良影响。但DUV光刻胶对于沾污非常敏感。当周围环境中哪怕只有十亿分之几的胺，曝光后都会在光刻胶顶端侧面引起不良的关键尺寸变化。CA DUV光刻胶目前已被广泛应用于芯片制造。DUV曝光进行酸致催化反应从而加速反映速率。这个过程是通过采用一种称之为光酸产生剂(PAG)的感光剂增加光刻胶的敏感性而完成的。