半导体光刻是晶圆制造中实现纳米级图案转移的核心工艺,完整流程分为晶圆预处理、光刻胶涂布、前烘、对准曝光、后烘、显影、坚膜、图形检测及后续制程适配共8个核心环节,深紫外(DUV)与极紫外(EUV)光刻的流程细节存在小幅差异
1.采用湿法清洗(SC1、SC2标准清洗液)或干法等离子体清洗,去除晶圆表面的颗粒、有机物与金属杂质,保障光刻胶与晶圆的附着力;
2.部分先进制程会通过等离子体改性调整晶圆表面能,匹配光刻胶涂布需求。
1.旋涂六甲基二硅氮烷(HMDS)黏附剂,随后通过热板烘烤形成单分子层,解决光刻胶与晶圆基底的黏附不良问题,防止后续制程中图形脱落。
1.将清洁完成的晶圆固定在匀胶机的真空吸盘上,先滴加定量光刻胶(正胶或负胶,正胶受光照后可溶于显影液,负胶反之);
2.先以500-1000rpm低速旋转让光刻胶均匀铺展晶圆表面,再以3000-6000rpm高速旋转控制胶层厚度,常规制程胶厚为0.5-2μm,先进7nm以下制程胶厚可降至0.2μm以下;
3.涂布完成后静置10-30秒,让胶层自然流平。
1.将涂布光刻胶的晶圆送入热板或烘箱,在80-120℃下烘烤30-90秒;
2.核心作用是蒸发光刻胶中的大部分溶剂,提升胶层机械强度,同时抑制后续曝光过程中的驻波效应,保证图案边缘清晰度。
1.晶圆被送入光刻机,通过高精度对准系统匹配晶圆上的对准标记与掩膜版(光罩)标记,实现多层图案间的套刻精度,当前量产EUV光刻机套刻精度可优于1nm;
2.光源照射掩膜版,将掩膜版上的预制图案投射/反射到晶圆表面的光刻胶层:DUV采用193nm ArF准分子激光投射式曝光,EUV采用13.5nm激光反射式曝光;
3.曝光剂量根据光刻胶类型与制程节点调整,EUV常规曝光剂量为10-50mJ/cm²。
1.曝光完成后立即将晶圆送入热板烘烤,温度设定为90-130℃,烘烤时长30-60秒;
2.针对化学放大光刻胶(先进制程主流选择),后烘可催化光酸产生剂分解的酸扩散,实现图案化学放大,进一步提升分辨率与对比度。
1.将晶圆送入显影设备,采用喷雾式或浸泡式显影,正胶使用0.26mol/L浓度的四甲基氢氧化铵(TMAH)显影液;
2.光照区域的正胶会被显影液溶解,未光照区域的光刻胶保留,形成与掩膜版对应的反向图案;负胶制程则保留光照区域的光刻胶;
3.显影时长控制在30-60秒,随后用去离子水冲洗晶圆并通过高速甩干去除残留液体。
1.将显影完成的晶圆送入热板或烘箱,在120-180℃下烘烤60-120秒;
2.彻底蒸发光刻胶中的残留溶剂,增强光刻胶的附着力与抗刻蚀能力,为后续刻蚀或离子注入制程提供稳定的图形掩膜。
1.通过光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)及套刻检测设备,检查图形线宽、套刻精度与表面缺陷,不合格晶圆将进入返工或报废流程;
2.合格晶圆将进入后续制程:若为刻蚀制程,以光刻胶图形为掩膜将图案转移至晶圆基底;若为离子注入制程,光刻胶将保护无需掺杂的区域。
1、半导体光刻相关材料中,光掩模供需紧张且中高端市场被国外厂商占据,光刻胶国产替代验证正在加速推进。具体分析如下:
2、光掩模供需紧张且价格持续上涨供需现状:半导体加工所需的光掩模供需已告急,来自Phototronics、Toppan、DNP等公司的订单大量堆积,产品出现供不应求的局面。价格趋势:光掩模价格快速上涨,根据韩国ETNews,2023年光掩膜价格与2022年的价格高点相比,或将再涨10%- 25%,且可能持续供不应求。数据来源:专用化学品研究中心公众号、天风证券研究所、贝哲斯咨询
3、光掩模中高端市场被国外厂商占据国外厂商主导:制程进步推动光掩模价值量增加、需求提升,同时平均成本也在上升。光掩模主要供应商以美日大厂为主,日本凸版印刷、大日本印刷、美国Photronics三家就占了80%以上的市占率,其他还有日本豪雅HOYA、日本SK电子、中国台湾光罩等。国内厂商差距:目前我国芯片制造能力与国际先进水平仍有差距,半导体领域用掩膜版行业的中高端市场仍主要由国外掩膜版厂商占据。国内掩膜版厂商的技术能力主要集中在芯片封测用掩膜版以及100nm节点以上的晶圆制造用掩膜版,与国际领先企业存在较为明显的差距。光刻胶国产替代验证加速推进国产供应商追赶:国产光刻胶供应商正在全力追赶,仍有很大提升空间。经过国内晶圆厂过去一段时间持续积极推动国产半导体材料验证,各细分材料领域均已涌现一批优秀的国产企业,光刻胶领域也不例外。