光刻膠是整個光刻工藝中最為核心的一類材料

近日，光刻膠產能緊缺的新聞見諸報端。上游芯片材料供應緊張引發(fā)全球“缺芯”，使得核心材料光刻膠靠“搶”才能獲得。這種情況對于光刻膠對外依存度高達90%的我國來說，堪稱雪上加霜。

“我國長期依賴國外膠的參數(shù)和工藝，不愿或沒有條件調整工藝使用國產膠，這是當下最大的問題。”浙江大學高分子科學與工程學系研究員伍廣朋在接受《中國科學報》采訪時直言。

實際上，光刻膠研產并非一蹴而就。作為一個勞動、資本和技術高度密集型產業(yè)，它需要科研人員無數(shù)次驗證各種參數(shù)，并且需要上游研發(fā)和下游芯片制造業(yè)進行共同驗證。

伍廣朋強調，“國產膠要打入市場，需要我國芯片制造商徹底調變光刻參數(shù)，使用新工藝。”

高度依賴進口

從智能手機到超級計算機，從汽車導航到航空航天，新型顯示和集成電路的應用已“飛入尋常百姓家”。新型顯示與集成電路并稱“一屏一芯”，是先進制造和新一代電子信息領域的核心基礎產業(yè)。

作為液晶電視的一種，量子點電視被認為是代替OLED的產品，其核心部件是量子點顯示器。南京大學化學化工學院教授王元元介紹，這種新型顯示器利用半導體納米晶體在受到光電刺激后激發(fā)出不同顏色單色光的特性構建而成。由于量子點無法像OLED中有機物那樣通過蒸鍍法實現(xiàn)像素分離，因此將不同顏色量子點沉積在特定區(qū)域，構建紅、綠、藍3色像素矩陣就需要用到光刻膠和光刻技術。

光刻膠又稱光致抗蝕劑，是整個光刻工藝中最核心的一類材料。無論在新型顯示器的組裝還是集成電路或芯片制造工藝中，光刻膠的作用有兩種，一是將掩膜板圖形轉移到基片上，二是保護底層材料不被后續(xù)工藝刻蝕。

“我們通常通過分辨率、對比度、敏感度、黏度和抗蝕性等幾個方面評判光刻膠質量高低。”王元元告訴《中國科學報》。

以分辨率為例，光的波長對圖形精細化轉移至關重要，波長越短分辨率越高。為適應集成電路線寬不斷縮小的要求，光刻膠的波長由紫外寬譜向G線（436nm）、I線（365nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm）、F2（157nm）、EUV（<13.5nm）的方向轉移。

近年來，我國新型顯示和集成電路產業(yè)進入快速發(fā)展期。例如，國產邏輯電路進入14nm工藝節(jié)點，閃存芯片進入128層工藝制程，與國際先進水平的差距逐步縮小。但北京科華微電子材料有限公司（北京科華）技術副總李冰表示，國內集成電路制造用的光刻膠仍依賴進口，特別是8英寸和12英寸產線用的先進光刻膠有90%以上依賴進口。

“光刻膠雖然在國內有大量應用，但專利技術大部分為國外公司所有。”王元元表示，根據(jù)公開數(shù)據(jù)，德國、日本、美國等公司占據(jù)全球光刻膠市場份額的80%以上。“我國目前的光刻膠研發(fā)與世界先進水平仍有2至3代差距，且主要集中在低端印刷電路板光刻膠。”

存在壁壘是必然

正如伍廣朋所說，光刻膠是一種勞動、資本和技術密集型產業(yè)，對后發(fā)國家而言，需要多年積累。

例如，一臺配套EUV光刻技術研發(fā)的高端EUV光刻機價值1.5億美元。除了光刻膠本身外，其輔助材料、專用試劑也具有較高的技術壁壘，相關技術基本都掌握在國外光刻膠巨頭手中。

值得一提的是，光刻膠并不是這些國外光刻膠巨頭的主營業(yè)務。以日本信越化學為例，其2019年營收約為147億美元，而當年全球半導體光刻膠市場規(guī)模也只有約13億美元。然而，國內光刻膠企業(yè)無論從技術還是規(guī)模上，都與國際巨頭差距較大。例如，國內光刻膠龍頭企業(yè)之一蘇州晶瑞化學股份有限公司（晶瑞股份）2019年營收為7.6億元，凈利潤0.31億元。

另一個問題也引起伍廣朋的注意。“光刻膠和光刻機往往是結盟售賣。”他表示，企業(yè)對光刻膠和光刻機有著同樣迫切的需求，沒有光刻膠，光刻機就變成一堆價值高昂的廢鐵。《中國科學報》了解到，由于需要加速追趕，國內光刻膠企業(yè)近年來相繼斥資購買光刻機來驗證產品性能。

實際上，光刻膠應用環(huán)境復雜多樣，有時甚至需要針對每個廠商進行個性化定制，很難標準化和模塊化，從研發(fā)成功到進入客戶驗證階段再到大規(guī)模使用，所需時間都是以年為單位計算。因此，客戶并不愿意輕易更換光刻膠供應商。

光刻膠國產化面臨的挑戰(zhàn)并不只有這些。在王元元看來，除了需要解決傳統(tǒng)光刻膠的缺陷外，更需要研發(fā)新的光刻膠材料，建立新的光刻工藝，提出精細圖案化的新思路。

在接受《中國科學報》采訪時，王元元將設計研發(fā)一類新型光刻膠分為三步：第一步，設計材料并驗證其光敏性；第二步，探究光刻過程中光刻膠對被圖案化材料性能的影響；第三步，將光刻膠應用到器件構建中，通過實際測試優(yōu)化，評價新的光刻膠體系。

協(xié)同配合才有出路

就光刻膠國產化而言，據(jù)李冰介紹，Ｉ線光刻膠和KrF光刻膠中8英寸和12英寸用產品已出現(xiàn)少量替代產品，而先進工藝制程的ArF光刻膠和EUV光刻膠的12英寸用產品仍在研發(fā)階段。

例如，2020年底，江蘇南大光電材料股份有限公司自主研發(fā)的ArF光刻膠產品成功通過客戶認證，成為國內通過產品驗證的第一款國產ArF光刻膠；晶瑞股份在國內率先研發(fā)IC制造商大量使用的核心光刻膠；上海新陽半導體材料股份有限公司主攻KrF光刻膠和ArF光刻膠，目前已進入產能建設階段。

當集成電路進入7nm工藝節(jié)點后，更多的是對EUV光刻膠的迫切需求。王元元表示，如何找到合適的光源和設備提升光刻膠研發(fā)的效率，是目前最需要解決的問題。

包括伍廣朋、王元元在內的專家都在開展EUV光刻膠研發(fā)。

早在2018年5月，由中國科學院化學研究所、中國科學院理化技術研究所及北京科華等單位承擔的EUV光刻膠研發(fā)項目通過驗收，并取得突破性進展。今年4月29日，相關項目在山東濱州試產。

不過，在EUV光刻膠技術成熟前，ArF光刻膠仍是主流。

從事光刻膠及配套試劑研發(fā)的李冰坦承，光刻膠是一個復雜系統(tǒng)，單靠企業(yè)的力量往往不能對技術進行持續(xù)深入的投入，需要與高校、研究院所合作進行光刻膠反應機理研究，并以此為基礎進行材料創(chuàng)新。

“由于阿貝極限的存在，制約光刻分辨率的光源波長也在不斷被刷新。”王元元進一步補充道，不僅KrF和ArF產生的深紫外光被充分利用，近10年開發(fā)出的EUV光刻更是創(chuàng)造分辨率個位納米數(shù)的新紀錄。在此期間，化學家與產業(yè)界聯(lián)合開發(fā)出與各種光源相適應的光刻膠，每一代新型光刻工藝的推出都離不開新型光刻膠的開發(fā)。

建立光刻膠驗證公共平臺則是另一個急迫工作。

“光刻膠配方的驗證成本太高，特別是對ArF光刻膠與EUV光刻膠的開發(fā)，僅曝光機的價格就達數(shù)億元。”李冰表示，這是單個企業(yè)或科研院校無法承擔的，需要產業(yè)合作建立共同的驗證平臺以降低研發(fā)成本。

“國產膠的研產需要上下游協(xié)同推進才有出路。”伍廣朋告訴《中國科學報》，好在，這樣的局面已逐漸形成。秦志偉