光刻技术--光刻胶的关键参数

行业研究笔记 2025年06月01日 18:01 上海

在光刻胶研发领域，终极目标是全方位提升光刻工艺性能，这涉及到众多关键指标，如分辨率、灵敏度、粗糙度、对比度、黏滞性 / 黏度、黏附性、抗蚀性、表面张力、针孔情况以及热流程等。而在这些指标之中，分辨率、灵敏度和粗糙度脱颖而出，成为衡量关键光刻性能的核心要素。对于半导体光刻胶而言，通常采用 RLS 特性来概括其主要的工艺性能，即分辨率（R）、线边缘粗糙度 / 线宽粗糙度（line edge roughness，LER/line width roughness，LWR）以及灵敏度（S）。在工业生产的严苛要求下，EUV 光刻胶的研发方向明确指向实现高分辨率、高灵敏度以及低 LWR。

随着 EUV 光刻波长急剧缩短，光刻胶材料遭遇了前所未有的严峻挑战。在此波长下，光致抗蚀剂所吸收的 EUV 光子数量，相较于 193 nm 波长时仅剩 1/14，而要进一步增强 EUV 光源强度，面临着极大困难。因此，开发超灵敏度的 EUV 光刻胶成为满足 EUV 光刻需求的关键所在。目前，聚合物基化学放大光刻胶（chemically amplified photoresist，CAR）凭借酸催化反应实现 EUV 光刻快速响应的特性，成为提升灵敏度的研究热点。然而，灵敏度过高会导致酸扩散长度增加，进而降低光刻胶图形分辨率，提升粗糙度。此外，随着分辨率不断提高，CAR 的灵敏度显著下降，光刻胶厚度也逐渐减薄，这便要求增强 EUV 的抗蚀刻性能。

分辨率（Resolution）

分辨率定义为光刻工艺中能够形成的最小尺寸有用图像，反映的是区分硅片表面相邻图形特征的能力。芯片上的物理尺寸特征称为特征尺寸，其中最小的特征尺寸即关键尺寸（critical dimension，CD），其尺寸大小直接代表着半导体制造工艺的复杂程度。为了在单位面积内集成更多晶体管，减小结构尺寸、提升分辨率成为半导体制造的关键追求。通常以关键尺寸来评估光刻胶的分辨率，关键尺寸越小，表明光刻胶的分辨率越高。

从理论角度分析，光刻所能产生的关键尺寸的分辨率与瑞利公式（Rayleigh equation）紧密相关，即 CD = k1 ×（λ/NA），其中 λ 表示光源波长，k1 为工艺相关参数，一般介于 0.25～0.4 之间，NA（numerical aperture）即数值孔径，是光学镜头的重要指标，光刻机设备通常会明确标注该数值。为了降低 CD，实现更精细的加工尺寸，可行的方法有三种：一是降低光源波长 λ，二是提高镜头的 NA，三是降低综合因素 k1。在光刻胶研发进程中，常见策略是减小曝光光源波长，光刻曝光源已从 g 线（436 nm）历经多次演变，发展到如今的极紫外（13.5 nm）。在研发过程中，需高度关注光刻胶中过量的酸扩散以及图案纵横比过大引发坍塌造成模糊等问题，这些因素均限制了光刻胶的分辨率提升。分辨率受光刻胶材质本身物理化学性质的深刻影响，必须确保光刻胶材料在显影过程中不发生收缩、在硬烤过程中不出现流动现象。因此，要使光刻材料具备良好的分辨能力，务必谨慎挑选光刻胶组成材料以及所用的显影剂。

粗糙度（LER）

粗糙度用于描述光刻图案边缘的粗糙程度，通常通过 LER 或 LWR 来表征。CAR 作为 EUV 光刻胶中常见的类型之一，其工作原理是在曝光步骤中，部分光刻胶暴露于 EUV 光线，电子被激发和发射，在基质中发生弹性或非弹性散射过程中，这些电子会与次级电子相互作用并作用于 PAG 分子，从而产生酸。随后，经 PEB 工艺步骤升温，使 CAR 产生的酸在聚合物中扩散，催化树脂的脱保护反应，将聚合物基质的疏水保护官能团转化为可溶于水性显影剂的亲水官能团，进而在显影步骤中溶解形成最终所需的图案。显影后，图案边缘线存在的空间波动即为 LER。LER 是光刻过程中光刻材料成分之间发生的各种物理现象和化学反应的综合结果，受到诸如不同工艺参数、掩膜版图像质量、PEB 和显影条件等众多复杂因素的影响。为了优化光刻胶侧壁形貌的垂直性，需要对工艺和光刻胶材料进行协同优化。当前，减少 EUV 光刻胶最终图案的 LER，同时兼顾高分辨率和灵敏度，已成为一项关键挑战。ITRS 明确指出，LER 和 LWR 应控制在临界尺寸的 8% 以内。光刻胶显影后的 LER 进一步影响蚀刻基底生成 CD 的变化程度，随着设计图案尺寸不断缩小，对 LER 的要求愈发严格。

灵敏度（Sensitivity）

灵敏度是指光刻胶生成良好图形所需特定波长光的最小能量值（或最小曝光量），其单位为 mJ/cm²，通常以曝光剂量作为衡量光刻胶灵敏度的指标，曝光剂量值越小，意味着光刻胶的灵敏度越高。灵敏度反映了光刻胶在特定波长光线照射下的反应程度，不同光刻胶在不同波长光线中展现出选择性的反应特性，从而诞生了多种类型的光刻胶。由于光源的最大输出功率是恒定的，曝光剂量可通过调整曝光时间来控制。非常灵敏的光刻胶因只需极小曝光剂量即可引发充分的光反应，使得暴露和未暴露区域之间的溶解度差异显著。因此，降低曝光时间对于提升生产效率具有重要意义。EUV 光源具有波长短、功率输出低的特点，使得研制高灵敏度的光刻胶变得尤为关键。例如，光源在 248 nm（i 线）处的光强度仅为 365 nm（DUV）处光强度的 1/30，这促使人们要么在 248 nm 处创造出极为明亮的光源，要么发明超灵敏的光刻胶。在此背景下，IBM 学者率先提出 CAR 的概念，其基本原理是光刻胶中的光产酸剂（photo acid generator，PAG）发生光化学反应产生酸分子，这些酸分子作为催化剂，能促进光刻胶膜中大量连续的化学转化反应，只需微量酸即可通过化学反应放大曝光效果，从而显著提高光刻胶的灵敏度。从 193 nm ArF 光刻发展至 EUV 光刻，面临着类似的挑战，即在相同吸收系数与剂量条件下，光刻胶中 EUV 光子吸收量仅为 193 nm 波长处的 1/14。为了实现高灵敏度，EUV 光刻胶需要具备尽可能多地吸收光子，并高效利用所吸收光子的能力。目前，EUV 光刻胶正专门针对高灵敏度进行设计，以应对极紫外波长急剧下降以及与长波光刻曝光机制截然不同的挑战。

其他特征参数

除 RLS 特性外，光刻胶使用者还会关注图像对比度、黏附性、抗刻蚀能力、表面张力等众多工艺参数。

对比度（contrast）

反映的是光刻胶材料曝光前后化学物质（例如溶解度）改变的速率。它可以作为衡量光刻胶分辨掩膜版亮区与暗区能力的指标。当辐照强度沿光刻胶线条及间距边缘平滑变化时，从曝光区到非曝光区过渡的侧壁陡度能够体现对比度，侧壁越陡峭，对比度越高。光刻胶对比度越高，线条边缘就越锐利，其典型反差范围在 2～4 之间。对于理想光刻胶而言，一旦曝光剂量超过阈值，光刻胶应完全感光；反之，则完全不感光。在实际应用中，光刻胶的曝光阈值存在一个分布区间，该区间越窄，光刻胶的性能就越优异。

黏附性（adherence）

用于表征光刻胶黏附于衬底的强度。这不仅取决于光刻胶自身的特性，还与衬底及其表面状况密切相关。作为刻蚀阻挡层，光刻胶层必须与晶圆表面保持良好的黏结，才能将光刻层图形精准地传递到晶圆表面层上。而且，光刻胶的黏附性需要能够承受后续工艺过程（例如刻蚀、离子注入等），若光刻胶黏附性不足，将导致硅片表面图形发生变形。通常，不同衬底表面对光刻胶的黏结能力存在差异，负胶的黏结能力普遍优于正胶。

抗蚀性（anti-etching）

是指光刻胶材料抵御刻蚀的能力，从而保护底层结构。在将图形从光刻胶转移到芯片的过程中，光刻胶材料必须能够在高能和高温（超过 150 ℃）条件下维持其原有性能，并在后续工序中对表面起到防护作用，具备良好的耐热稳定性和抗刻蚀能力，同时能够抵抗离子轰击。在湿法刻蚀过程中，印有电路图形的光刻胶需与硅片一同置于化学刻蚀液中，并经历多次湿法刻蚀。只有光刻胶的抗蚀性足够强大，才能确保刻蚀液按照预期的选择比例对曝光后得到的图形进行刻蚀，进而提高精密制造的良品率。在干法刻蚀过程中，例如集成电路工艺中的阱区与源漏区离子注入环节，光刻胶必须具备出色的电路图形保护能力。否则，光刻胶在注入环境下蒸发将影响注入腔的真空度，导致注入的离子无法发挥应有的作用，最终影响器件电路的性能。

表面张力（surface tension）

是指液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间吸引力。光刻胶需要具备较低的表面张力，以确保其具有良好的流动性和覆盖性，从而有利于在晶圆片上涂覆一层光滑、均匀的耐蚀刻保护薄膜。