打破垄断 国产光刻胶谋出路
光刻胶是整个光刻工艺中最为核心的一类材料
近日，光刻胶产能紧缺的新闻见诸报端。上游芯片材料供应紧张引发全球“缺芯”，使得核心材料光刻胶靠“抢”才能获得。这种情况对于光刻胶对外依存度高达90%的我国来说，堪称雪上加霜。
“我国长期依赖国外胶的参数和工艺，不愿或没有条件调整工艺使用国产胶，这是当下最大的问题。”浙江大学高分子科学与工程学系研究员伍广朋在接受《我国科学报》采访时直言。
实际上，光刻胶研产并非一蹴而就。作为一个劳动、资本和技术高度密集型产业，它需要科研人员无数次验证各种参数，并且需要上游研发和下游芯片制造业进行共同验证。
伍广朋强调，“国产胶要打入市场，需要我国芯片制造商彻底调变光刻参数，使用新工艺。”
高度依赖进口
从智能手机到超级计算机，从汽车导航到航空航天，新型显示和集成电路的应用已“飞入寻常百姓家”。新型显示与集成电路并称“一屏一芯”，是先进制造和新一代电子信息领域的核心基础产业。
作为液晶电视的一种，量子点电视被认为是代替OLED的产品，其核心部件是量子点显示器。***学化学化工学院教授王元元介绍，这种新型显示器利用半导体纳米晶体在受到光电**后激发出不同颜色单色光的特性构建而成。由于量子点无法像OLED中有机物那样通过蒸镀法实现像素分离，因此将不同颜色量子点沉积在特定区域，构建红、绿、蓝3色像素矩阵就需要用到光刻胶和光刻技术。
光刻胶又称光致抗蚀剂，是整个光刻工艺中最核心的一类材料。无论在新型显示器的组装还是集成电路或芯片制造工艺中，光刻胶的作用有两种，一是将掩膜板图形转移到基片上，二是保护底层材料不被后续工艺刻蚀。
“我们通常通过分辨率、对比度、敏感度、黏度和抗蚀性等几个方面评判光刻胶质量高低。”王元元告诉《我国科学报》。
以分辨率为例，光的波长对图形精细化转移至关重要，波长越短分辨率越高。为适应集成电路线宽不断缩小的要求，光刻胶的波长由紫外宽谱向G线（436nm）、I线（365nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm）、F2（157nm）、EUV（<13.5nm）的方向转移。
近年来，我国新型显示和集成电路产业进入快速发展期。例如，国产逻辑电路进入14nm工艺节点，闪存芯片进入128层工艺制程，与国际先进水平的差距逐步缩小。但北京科华微电子材料有限公司（北京科华）技术副总李冰表示，国内集成电路制造用的光刻胶仍依赖进口，特别是8英寸和12英寸产线用的先进光刻胶有90%以上依赖进口。
“光刻胶虽然在国内有大量应用，但专利技术大部分为国外公司所有。”王元元表示，根据公开数据，德国、日本、美国等公司占据全球光刻胶市场份额的80%以上。“我国目前的光刻胶研发与世界先进水平仍有2至3代差距，且主要集中在低端印刷电路板光刻胶。”
存在壁垒是必然
正如伍广朋所说，光刻胶是一种劳动、资本和技术密集型产业，对后发国家而言，需要多年积累。
例如，一台配套EUV光刻技术研发的高端EUV光刻机价值1.5亿美元。除了光刻胶本身外，其辅助材料、专用试剂也具有较高的技术壁垒，相关技术基本都掌握在国外光刻胶巨头手中。
值得一提的是，光刻胶并不是这些国外光刻胶巨头的主营业务。以日本信越化学为例，其2019年营收约为147亿美元，而当年全球半导体光刻胶市场规模也只有约13亿美元。然而，国内光刻胶企业无论从技术还是规模上，都与国际巨头差距较大。例如，国内光刻胶龙头企业之一苏州晶瑞化学股份有限公司（晶瑞股份）2019年营收为7.6亿元，净利润0.31亿元。
另一个问题也引起伍广朋的注意。“光刻胶和光刻机往往是结盟售卖。”他表示，企业对光刻胶和光刻机有着同样迫切的需求，没有光刻胶，光刻机就变成一堆价值高昂的废铁。《我国科学报》了解到，由于需要加速追赶，国内光刻胶企业近年来相继斥资购买光刻机来验证产品性能。
实际上，光刻胶应用环境复杂多样，有时甚至需要针对每个厂商进行个性化定制，很难标准化和模块化，从研发成功到进入客户验证阶段再到大规模使用，所需时间都是以年为单位计算。因此，客户并不愿意轻易更换光刻胶供应商。
光刻胶国产化面临的挑战并不只有这些。在王元元看来，除了需要解决传统光刻胶的**外，更需要研发新的光刻胶材料，建立新的光刻工艺，提出精细图案化的新思路。
在接受《我国科学报》采访时，王元元将设计研发一类新型光刻胶分为三步：第一步，设计材料并验证其光敏性；第二步，探究光刻过程中光刻胶对被图案化材料性能的影响；第三步，将光刻胶应用到器件构建中，通过实际测试优化，评价新的光刻胶体系。
协同配合才有出路
就光刻胶国产化而言，据李冰介绍，Ｉ线光刻胶和KrF光刻胶中8英寸和12英寸用产品已出现少量替代产品，而先进工艺制程的ArF光刻胶和EUV光刻胶的12英寸用产品仍在研发阶段。
例如，2020年底，江苏南大光电材料股份有限公司自主研发的ArF光刻胶产品成功通过客户认证，成为国内通过产品验证的第一款国产ArF光刻胶；晶瑞股份在国内率先研发IC制造商大量使用的核心光刻胶；上海新阳半导体材料股份有限公司主攻KrF光刻胶和ArF光刻胶，目前已进入产能建设阶段。
当集成电路进入7nm工艺节点后，更多的是对EUV光刻胶的迫切需求。王元元表示，如何找到合适的光源和设备提升光刻胶研发的效率，是目前最需要解决的问题。
包括伍广朋、王元元在内的专家都在开展EUV光刻胶研发。
早在2018年5月，由我国科学院化学研究所、我国科学院理化技术研究所及北京科华等单位承担的EUV光刻胶研发项目通过验收，并取得突破性进展。今年4月29日，相关项目在山东滨州试产。
不过，在EUV光刻胶技术成熟前，ArF光刻胶仍是主流。
从事光刻胶及配套试剂研发的李冰坦承，光刻胶是一个复杂**，单靠企业的力量往往不能对技术进行持续深入的投入，需要与高校、研究院所合作进行光刻胶反应机理研究，并以此为基础进行材料创新。
“由于阿贝极限的存在，制约光刻分辨率的光源波长也在不断被刷新。”王元元进一步补充道，不仅KrF和ArF产生的深紫外光被充分利用，近10年开发出的EUV光刻更是创造分辨率个位纳米数的新纪录。在此期间，化学家与产业界联合开发出与各种光源相适应的光刻胶，每一代新型光刻工艺的推出都离不开新型光刻胶的开发。
建立光刻胶验证公共平台则是另一个急迫工作。
“光刻胶配方的验证成本太高，特别是对ArF光刻胶与EUV光刻胶的开发，仅曝光机的**就达数亿元。”李冰表示，这是单个企业或科研院校无法承担的，需要产业合作建立共同的验证平台以降低研发成本。
“国产胶的研产需要上下游协同推进才有出路。”伍广朋告诉《我国科学报》，好在，这样的局面已逐渐形成。秦志伟
来源： 《我国科学报》
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