一线工程师眼中的国产光刻胶
第一部分：专业人士眼中的光刻工艺与技术难点
光刻，顾名思义，用光进行雕刻，以光为工具将光罩（mask）上的图案转移到晶圆上的过程。听起来很简单，但要想实现这个图形的转移，过程很复杂，技术难点也很多。
从结果导向来看，主要做好三件事：CD（critical dimension：关键尺寸），OVL（overlay：套刻精度）和defect（图形缺陷）。
（1）要做好CD，需要通过光罩设计和工艺制程两步去实现它。
先讲一下光罩设计与OPC。要想在晶圆上最终得到所需要大小的图形，首先应该在光罩上的对应位置上定义好相应大小的图形，再通过一定比例的转换转移到晶圆上。理论上，光罩设计的图形是什么样，通过一定比例转印到晶圆上，就应该得到什么样的图形，但实际情况更复杂。
随着摩尔定律的不断演进，芯片制造所需目标图形的尺寸不断变小，干涉和衍射现象就会更加明显，而这将直接影响图形的转印。所以，为了使光刻后晶圆上的图形与设计图形一致，需要对光罩上的图形进行修正，而这就是光刻的兄弟部门——OPC（光学临近修正）。
解决了OPC的问题，接下来就是工艺制程。在此之前，先来了解一下整个光刻工艺流程，光刻制程的机台包括匀胶显影机（track）和我们熟知的光刻机（scanner），track负责涂胶和显影，scanner负责曝光。
以正胶为例，wafer首先进到track里面涂覆一层光刻胶，PAB（Post Apply Bake，后烤工序。用来升温蒸发大部分光刻胶中的溶剂，固化光刻胶，提高粘附性）冷却到室温后，移动到光刻机进行曝光，后面再回到track进行显影，最后PEB（Post Exposure Bake，曝光后烘烤）让显影过程完全。然后，晶圆离开光刻室，进入刻蚀或离子注入的工艺。
整个光刻过程，单从CD角度考虑，就有很多前期工作要做。
首先，光刻胶的选择与评估。从研发的角度来看，要先评估这支光刻胶是否能满足工艺需求。以Krf光刻胶为例：
第一步要做的是调节光刻胶的喷量，一般来说光刻胶单次喷量要控制在1.0cc～2.0cc左右，光刻胶量过少容易产生poor coating（即常硅片边缘曝光中出现的PR涂覆不完全的情况），直接影响整个光刻过程。
第二步，要控制光刻胶膜厚，膜厚要考虑的是整个光刻胶的profile，不同的fab厂要求不一样，大部分要求光刻胶膜厚的范围控制在目标膜厚的1%以内，比如膜厚目标值是2800A，膜厚变动范围要卡在28A以下,有些则会要求膜厚的3sigma值是否在target 1.5%以下等。
第三步，是看这只光刻胶的工艺参数是否达标（一般是和对标的光刻胶进行比较）。其中，包括DOF（Depth of Focus，在聚焦深度范围内，曝光成像的质量是可以保证的，曝光时候的DOF必须远大于晶圆表面的不平整度，这样才能保证光刻工艺的良率。也就是说，要保证焦距的工艺窗口是否能cover晶圆表面高低差的最大值），EL（Exposure Latitude曝光宽容度，也可以叫能量窗口，曝光容忍度大的胶受曝光能量浮动或不均匀的影响较小。一般是在满足DOF的前提下保证EL达标，比如Krf光刻胶一般要满足DOF大于150nm时，同时要让EL达到10%），CD uniformity（保证晶圆不同shot里的相同位置的CD的均一性，主要是看CDU的3simga值是否in spec），CD LWR（Line Width Roughness，光刻胶的线宽粗糙度，指由于边缘粗糙导致的光刻胶线宽相对于目标值的偏离）等等。
（2）OVL是除CD以外另外一项重要的量测指标。OVL简单来说就是当层的图形和前层的图形对的是否准不准，技术工艺越先进，对OVL的要求就越高。
因为随着节点的不断做小，留给OVL的窗口也越来越小，OVL势必会越来越难做。OVL的量测模式业界一般有两种，IBO（Image Based Overlay）和DBO（Diffraction Based Overlay）。IBO顾名思义，就是对当层和前层的量测Mark拍照，看叠的到位不到位，而DBO是通过收集当层和前层的量测Mark的衍射光，将光信号转换成数字信号而反映出来。
（3）整个光刻过程的Defect（图形缺陷）主要是由设备和工艺上原因导致的。设备导致的图型缺陷可以通过定期的机台维护和清理来解决；工艺导致的图形缺陷主要包括coating Defect和DEV Defect，Coating Defect主要是光刻胶本身的特性决定，这个一般在光刻胶评估阶段就会被发现并解决；另外就是Developing Defect，主要是由显影过程不完全导致，需要通过不断优化显影配方去改善, 国内厂商有时因为对于材料的基础知识认知不完善，在光阻添加剂的上运用不合理，也会导致某些光阻的显影缺陷远差于国外大厂。这个过程，从找到根源到最终解决往往需要比较长的周期。
总体来说，相对于更依赖系统和光刻机来调控的OVL，CD和Defect其实更依赖于光刻胶的特性。光刻的工艺窗口取决于光刻胶的性能，即使机台性能再如何优化，光刻胶的性能不达标，光刻工艺完全无法进行下去，可以说光刻胶撑起了光刻工艺的半壁江山。
第二部分：一线工程师眼中的国产光刻胶
入行以来就一直都在光刻部门，最开始关注和接触的是国外的光刻胶厂商，如信越，DOW，JSR，TOK，这几家大厂提供了我们所需全部45nm-14nm先进制程的光刻胶。直到中美贸易摩擦，国外厂商开始对我们限供甚至断供部分光刻胶，这些都可以直接决定我们晶圆产线的生死。在这样的背景下，我们才慢慢把视线转移到国产光刻胶上来，从最开始的北京科华，到上海新阳，再到徐州博康。
在此过程中，我们是深切体会到国产半导体光刻胶与国外大厂产品的差距，包括工艺窗口不足，光刻胶profile差异，各种Defect问题，还有就是稳定量产以及原材料渠道等问题，这些都是急需解决的。反过来，这些问题会在很长一段时间会限制国内各大Fab厂的发展进程。
不过光刻材料国产化的道路也并非是无路可走，光刻胶性能方面的问题可以通过优化配方来改善。要知道，就算是像DOW这样大厂的某款在业内被称为“妖胶”的UV1610系列光刻胶，最开始的评估历程也不是一帆风顺的，它经历了十几次的配方优化，光是评估周期就花了1-2年时间。要说它本身的特性有多优良，也不见得，关键是它的普适性较强，以Logic 28HK的光刻制程为例，UV1610系列产品应用在Well Loop，LDD Loop，SIGE Loop，SD Loop等，这款光刻胶囊括了整个28HK光刻制程近三分之一的应用。它的工艺窗口不是特别优良，但是基本能满足工艺要求，它的普适性和厂商的及时跟进与实时反馈，让这款光刻胶得以在28HK上量产，名气也瞬间打响。
所以看国产光刻胶公司，要重点看他们的品类与款数是不是够多，单纯只是在某1-2款光刻胶做出突破，意义不是很大，一定要有普适性，能够大范围的应用在Fab的不同层面工艺。比如能同时解决高端Arf与Krf，线条与孔洞胶的公司，Fab和这一家深度合作就可以解决大部分急切的问题，整体合作与导入的成本也会更低。
也正因为这些国外大厂恃才傲物，对很多国内Fab客户的服务态度变得敷衍起来，他们认为你离开我的产品就得死，就算我的服务态度差，你也不敢不用我们的产品。比如日本的某大牌，他们最初是和台积电合作的，很多光刻胶产品都是通过台积电这家业界代工大佬打响名气的，大佬都在用，你们这些小厂爱用不用，我也没求着你们用。
不过我认为正是这种有恃无恐，恃才傲物的态度给了我们国产光刻胶厂商巨大的机会。国产光刻胶产品性能不足，那就不断测试，不断反馈，不断优化，而且在国家大力扶持半导体国产材料的大背景下，国产化进程将更加高效。目前，国内已经有优秀公司脱颖而出，当中有些几乎能满足大多数Fab厂的需求，而且研发反馈的效率也很高，欠缺的无非是经验而已。
在先进制程领域运用较多的还是Arf immersion的光刻胶，而且由于光刻层数的增多，对国产光刻胶厂商而言就是一块巨大的蛋糕，不管最后这些先进制程能否突破及量产，能够在Arf immersion光刻胶突破的国产光刻胶公司都足够证明自己的技术与工艺优势，肯定能在国产光刻材料市场占据一片天地。
最后，也有一些分享寄语国产光刻胶公司。首先，敢在这个领域奋进的公司本身就已值得所有半导体同仁的尊敬，整体工艺难度之高在整个材料领域无出其右。其次，还是要与国内Fab厂深度绑定，从其需求点出发进行技术研发与工艺改进。具体来讲：
（1）打通各个Fab厂的供应链，对于成熟工艺和尚在研发的工艺，应该分清主次，拿下成熟工艺的替换，耐心完成先进工艺开发的评估，实时跟进，拼尽全力，掌握主动权；
（2）要维护好与各大Fab厂的关系，研发和生产是产品评估的关键，一般研发负责新技术节点的开发，所以评估的光刻胶多用于新节点，周期一般较长；而生产更注重量产产品的替换，节奏更为紧凑。
（3）Fab非常看重材料供应的稳定性，国产光刻胶公司要抓紧解决树脂乃至单体的问题，因为已经听说材料的短缺已经影响到了最终光刻胶的稳定供应。
总的来说，最近两年来，大家对国产半导体材料崛起的信心越来越足，也期待国产材料特别是国产光刻胶在大的Fab厂放量。
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