中美貿(mào)易戰(zhàn)以來，我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展，國產(chǎn)替代迫在眉睫，光刻膠作為半導(dǎo)體材料皇冠上的“明珠”，更是重中之重。光刻膠是由樹脂、光致產(chǎn)酸劑、溶劑和添加劑等混合而成的，其中，作為生產(chǎn)樹脂的原材料——光刻膠單體，究竟在光刻膠制作過程中到底起到什么樣的作用？價值量多少？半導(dǎo)體級的光刻膠單體與一般的單體區(qū)別大不大？光刻膠單體工藝放大到量產(chǎn)的難點(diǎn)有哪些？

 

光刻膠是芯片生產(chǎn)過程中的核心原材料之一，用于晶圓制造中的光刻工藝。其中，樹脂是光刻膠最重要的組成部分，光刻膠樹脂不是大眾化的聚合物，必須由專門的供應(yīng)商定制生產(chǎn)或光刻膠廠家自行生產(chǎn)，而光刻膠單體則是合成樹脂的原料。

 

 

在晶圓制造的光刻工藝中，光刻效果均保持在納米級別，所以光刻膠的質(zhì)量一致性、穩(wěn)定性至關(guān)重要。作為光刻膠核心構(gòu)成的樹脂，決定了其光刻性能和耐刻蝕性能，而樹脂是由單體合成的，在“單體——樹脂——光刻膠”的合成過程中，每一個環(huán)節(jié)都會影響著光刻膠終端產(chǎn)品的質(zhì)量，單體的性能和質(zhì)量穩(wěn)定性決定著樹脂的性能和質(zhì)量穩(wěn)定性——樹脂由單體聚合而成，形狀類似于很多的長絲。品質(zhì)最好批次的長絲中有長、中、短等不同長度，優(yōu)質(zhì)的樹脂要求每種長度的長絲實(shí)現(xiàn)長度、根數(shù)等一致或者相近，這是保證最終光刻膠性能穩(wěn)定和一致性的重要因素。簡而言之，要生產(chǎn)質(zhì)量好的光刻膠，就必須擁有性能良好、質(zhì)量穩(wěn)定的單體。

 

目前，市場上主要的光刻膠可分為IC光刻膠(即半導(dǎo)體光刻膠）、面板光刻膠以及PCB光刻膠（即印刷電路板光刻膠）。其中，IC光刻膠中主要包括G線光刻膠、I線光刻膠、Krf光刻膠、Arf光刻膠、EUV光刻膠等。如果把研發(fā)光刻膠想象成打怪獸，那G線膠就好比小鉆風(fēng)，I線膠好比總鉆風(fēng)，一直到EUV光刻膠就是金角大王了，過關(guān)難度越來越大，更別說在批量生產(chǎn)環(huán)節(jié)，那簡直就是N+1個金銀角大王同時站在你面前，大吼一聲：“我叫你一聲你敢答應(yīng)嗎？”，怎一個“難”字了得......不同光刻膠類型都有相應(yīng)的光刻膠單體，傳統(tǒng)I線單體主要是甲基酚和甲醛，是大宗化學(xué)品；KrF單體主要是苯乙烯類單體，性狀是液體；ArF單體主要是甲基丙烯酸酯類單體，性狀有固體也有液體。

 

光刻膠單體的性能指標(biāo)包括純度，水份，酸值，單雜，金屬離子含量等指標(biāo)。同時，不同光刻膠單體做成樹脂的收率是不一樣的（所謂收率就是單位數(shù)量單體最終聚合而成的樹脂數(shù)量）。具體來看，KrF單體做成KrF樹脂的收率高一些，1噸單體大約會做出0.8-0.9噸樹脂；ArF的收率會低一些，大約1噸單體產(chǎn)生0.5-0.6噸ArF樹脂，而且ArF樹脂是由幾種單體聚合的，每種單體的性能和價格也是不一樣的。一般KrF與ArF光刻膠中的樹脂含量是10%-20%。如果按10%來計(jì)算，那1.5噸樹脂就可以做15噸光刻膠（即近4000加侖）。

 

光刻膠單體的上游原料是一些基礎(chǔ)化工原料，單體的合成需要前道合成和后道提純兩道工藝。其中，前道合成反應(yīng)階段的主要原料除了主原料外還有甲醇，乙醇，二甲基甲酰胺等溶劑，后道純化處理階段的原料包括乙酸乙酯，甲基叔丁基醚等，這些材料國內(nèi)有大量的供應(yīng)商，量多且價格不高，就像你到超市中購買雞蛋一樣，也不是讓你去買恐龍蛋，可以自由從市場批量采購。

 

半導(dǎo)體級光刻膠單體的合成具有一定的特殊性，與一般類單體差異體現(xiàn)在三方面：第一，半導(dǎo)體級光刻膠單體的合成技術(shù)難度更大。第二，半導(dǎo)體級光刻膠單體要求質(zhì)量更穩(wěn)定，金屬離子雜質(zhì)更少。例如，半導(dǎo)體級單體純度要求達(dá)到99.5%，金屬離子含量小于1ppb（即10億分之一）；而面板級別的單體結(jié)構(gòu)是環(huán)氧乙烷類，純度要求或僅99.0%，金屬離子含量最少小于100ppb即可。第三，半導(dǎo)體級光刻膠單體的價格遠(yuǎn)高于一般類單體。

 

光刻膠單體產(chǎn)業(yè)化同樣面臨不少難點(diǎn)。

第一，在合成和純化是需要異常小心，防止單體聚合。

第二，光刻膠單體種類繁多，針對不同的單體必須研究不同的合成方法，難易不一。

第三，對于單體的純化而言，高純度即高要求。高純度要從不同指標(biāo)上來定義，如從氣相（GC）、液相（HPLC）、凝膠色譜（GPC）等不同的來考察，有時純度要達(dá)到99.9%以上。甚至還有衡量單體含水量的指標(biāo)要求，如100PPM，同樣是難度大的挑戰(zhàn)。

第四，最具有挑戰(zhàn)性的難點(diǎn)是金屬離子控制，半導(dǎo)體級單體中尤其是ArF單體中的金屬離子含量要達(dá)到1ppb以下。而要做到如此嚴(yán)格的金屬離子含量的控制，需要研發(fā)人員在嘗試多種具體的方案。

第五，工藝放大。實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)的達(dá)標(biāo)單體并不能滿足客戶需求，還需要通過穩(wěn)定的規(guī)模化量產(chǎn)來實(shí)現(xiàn)工業(yè)級供應(yīng)。首先，實(shí)驗(yàn)室級別的純化手段和規(guī)?；a(chǎn)的純化手段相差甚遠(yuǎn)，在實(shí)驗(yàn)室制備單體過程中，可以通過采用硅膠柱等方法達(dá)到達(dá)標(biāo)的純度，而在規(guī)?；a(chǎn)中就只能通過有限的方法，如重結(jié)晶或蒸餾實(shí)現(xiàn)高純度的目標(biāo)。此外，在規(guī)?；a(chǎn)中嚴(yán)格控制金屬離子含量更是極大的挑戰(zhàn)，環(huán)境控制與質(zhì)量管控也至關(guān)重要。

第六，光刻膠單體企業(yè)進(jìn)入下游客戶的供應(yīng)商體系需要一個長期的認(rèn)證過程，一般下游客戶是不會輕易更換原有的單體供應(yīng)商，除非有特別原因，且需要征得終端的光刻膠廠家的同意和認(rèn)證才可更換。

 

半導(dǎo)體級光刻膠單體的市場售價，一般的 I線單體100-200元/公斤，KrF單體500-1000元/公斤，ArF干法和濕法的單體價格在3000-10000元/公斤不等，看使用量和純化難度。當(dāng)然，高級別的單體有錢也不一定買得到。