Umfassendes Verständnis von Photoresistenz

Umfassendes Verständnis von Fotolack

Fotolack, auch Photoresist genannt, ist eine lichtempfindliche Mischflüssigkeit. Zu seinen Bestandteilen gehören: Photoinitiator (einschließlich Photosensibilisator, Photosäuregenerator), Photoresistharz, Monomer, Lösungsmittel und andere Zusatzstoffe. Fotolack kann durch photochemische Reaktion, Belichtung, Entwicklung und andere photolithographische Prozesse das erforderliche feine Muster von der Maske (Maske) auf das zu verarbeitende Substrat übertragen. Je nach Einsatzszenario kann das hier zu verarbeitende Substrat ein integriertes Schaltkreismaterial, ein Anzeigetafelmaterial oder eine Leiterplatte sein.

Statistiken des unabhängigen Beratungsunternehmens Zhiyan Consulting zufolge wird das weltweite Marktvolumen für Fotolacke im Jahr 2019 voraussichtlich bei knapp 9 Milliarden US-Dollar liegen und im Zeitraum von 2010 bis September 2020 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von etwa 5,4 % aufweisen.Es wird erwartet, dass der weltweite Markt für Fotolacke bis 2022 ein Volumen von über 10 Milliarden US-Dollar erreichen wird.Fotolacke können je nach Anwendungsbereich in PCB-Fotolacke, Displaypanel-Fotolacke, Halbleiter-Fotolacke und andere Fotolacke eingeteilt werden. Die Marktstruktur der verschiedenen Arten von Fotolacken auf dem Weltmarkt ist relativ ausgewogen, und der spezifische Anteil ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Globale Struktur des Fotolackmarktes Daten von Zhiyan Consulting zeigen auch, dass der Trend der Halbleiter-, Displaypanel- und PCB-Industrie nach Osten profitiert.Die jährliche Wachstumsrate der lokalen Fotolackversorgung Chinas erreichte von 2011 bis 2020 11 % und lag damit über der weltweiten durchschnittlichen Wachstumsrate von 5 %.Derzeit wird in China vor allem lokaler Fotolack für Leiterplatten verwendet, und die Versorgung mit Fotolack für Flachbildschirme und Halbleiter macht einen sehr geringen Anteil aus. Die Produktionsstruktur der lokalen Fotolackunternehmen Chinas ist in der Abbildung dargestellt.

Produktionsstruktur der lokalen Fotolackunternehmen Chinas

Klassifizierung von Fotolacken In der Flachbildschirmindustrie, die hauptsächlich verwendeten Fotolacke sind Farb- und Schwarzfotolacke, Fotolacke für LCD-Touchscreens, positive TFT-LCD-Fotolacke usw. Im Photolithografie- und Ätzproduktionsprozess werden Fotolacke auf die Oberfläche des Kristallfilms aufgetragen und das Muster auf der Maske (Maske) wird durch Belichtungs-, Entwicklungs- und Ätzprozesse auf den Film übertragen, um ein geometrisches Muster zu bilden, das der Maske entspricht.

In der LeiterplattenindustrieZu den verwendeten Fotolacken zählen Trockenfilm-Fotolack, Nassfilm-Fotolack, lichtempfindliche Lötstoppfarbe usw. Trockenfilm ist ein spezieller Film, der zur Belichtung und Entwicklung auf die behandelte kupferkaschierte Platte aufgebracht wird; Nassfilm und Lötstoppfarbe für die Fotoabbildung werden auf die kupferkaschierte Platte aufgetragen und nach dem Trocknen belichtet und entwickelt. Trockenfilm und Nassfilm haben jeweils ihre eigenen Vorteile. Im Allgemeinen hat Nassfilm-Fotolack eine höhere Auflösung als Trockenfilm und ist günstiger und ersetzt in einigen Märkten Trockenfilm-Fotolack.

Die Herstellung von Farbfilterfolien für LCD-Bildschirme hängt von Farbfotolack ab.In der Halbleiterindustrie für die Herstellung integrierter Schaltkreise, g-Linien-Fotolack, i-Linien-Fotolack, KrF-Fotolack, ArF-Fotolack usw. werden hauptsächlich verwendet. Im Herstellungsprozess von integrierten Schaltkreisen im großen Maßstab werden Siliziumwafer im Allgemeinen mehr als zehnmal einer Fotolithografie unterzogen. Bei jedem Fotolithografie- und Ätzprozess muss der Fotolack Vorbacken, Beschichten, Vorbacken, Ausrichten, Belichten, Nachbacken, Entwickeln und Ätzen durchlaufen, um das Muster auf der Maske (Maske) auf den Siliziumwafer zu übertragen.Lichtempfindliche Lötstopplacktinte wird für PCB verwendet. Fotolack ist ein wichtiges Material für die Herstellung integrierter Schaltkreise. Die Qualität und Leistung des Fotolacks sind Schlüsselfaktoren, die die Leistung, Ausbeute und Zuverlässigkeit integrierter Schaltkreise beeinflussen. Die Kosten des Fotolithografieprozesses betragen etwa 35 % des gesamten Chipherstellungsprozesses, und der Zeitaufwand macht etwa 40–50 % des gesamten Chipprozesses aus. Fotolackmaterialien machen etwa 4 % der Gesamtkosten der IC-Herstellungsmaterialien aus, und der Markt ist riesig. Daher ist Fotolack das Kernmaterial für die Herstellung integrierter Halbleiterschaltkreise.

Schematische Darstellung der positiven FotolackentwicklungNach dem Anzeigeeffekt, Fotolacke können in positive und negative Fotolacke unterteilt werden. Das während der Entwicklung durch den negativen Fotolack gebildete Muster ist das Gegenteil der Maske (Maske); das durch den positiven Fotolack gebildete Muster ist dasselbe wie die Maske. Der Produktionsprozess der beiden ist grundsätzlich derselbe, und der Unterschied liegt in den Hauptrohstoffen.

Schematische Darstellung der Entwicklung von Negativ-FotolackNach der chemischen Struktur, Fotolacke können in Photopolymerisationstypen, Photozersetzungstypen, Photovernetzungstypen und chemische Verstärkungstypen unterteilt werden. Fotolacke vom Photopolymerisationstyp verwenden Olefinmonomere, um unter Einwirkung von Licht freie Radikale zu erzeugen, weiter die Monomerpolymerisation zu initiieren und schließlich Polymere zu erzeugen.

Schematische Darstellung der Photopolymerisationsreaktion. Photozersetzbarer Photolack verwendet Materialien, die Diazochinonverbindungen (DQN) als Photosensibilisatoren enthalten. Nach der Belichtung tritt eine Photozersetzungsreaktion auf und kann zu einem positiven Photolack verarbeitet werden. Photovernetzender Photolack verwendet Polyvinyllaurat und andere lichtempfindliche Materialien. Unter Einwirkung von Licht bildet es eine unlösliche Netzwerkstruktur, die eine korrosionshemmende Rolle spielt und zu einem negativen Photolack verarbeitet werden kann.

Schematische Darstellung der Photozersetzungsreaktion Nachdem in der Halbleiter-Lithografietechnologie für integrierte Schaltkreise begonnen wurde, tiefe Ultraviolettlichtquellen (DUV) zu verwenden, wurde die chemische Verstärkungstechnologie (CAR) allmählich zum Mainstream der Industrieanwendungen. Bei der chemischen Verstärkungsfotolacktechnologie besteht das Harz aus Polyethylen, das durch chemische Gruppen geschützt und daher schwer aufzulösen ist. Chemischer Verstärkungsfotolack verwendet einen Photosäuregenerator (PAG) als Fotoinitiator.

Schematische Darstellung der Photovernetzungsreaktion: Wenn der Fotolack belichtet wird, erzeugt der Photosäuregenerator (PAG) im belichteten Bereich eine Säure. Diese Säure wirkt während des Backvorgangs nach dem Erhitzen als Katalysator, um die Schutzgruppe des Harzes zu entfernen, wodurch sich das Harz leicht auflöst. Die Belichtungsgeschwindigkeit des chemisch verstärkten Fotolacks ist 10-mal so hoch wie die des DQN-Fotolacks und er weist eine gute optische Empfindlichkeit gegenüber tief ultravioletter Lichtquelle auf und bietet die Vorteile eines hohen Kontrasts und einer hohen Auflösung.

Schematische Darstellung der chemischen VerstärkungslichtreaktionJe nach BelichtungswellenlängeFotolacke können in Ultraviolett-Fotolacke (300–450 nm), Tief-Ultraviolett-Fotolacke (160–280 nm), Extrem-Ultraviolett-Fotolacke (EUV, 13,5 nm), Elektronenstrahl-Fotolacke, Ionenstrahl-Fotolacke, Röntgen-Fotolacke usw. unterteilt werden. Fotolacke mit unterschiedlichen Belichtungswellenlängen sind für unterschiedliche Auflösungen bei der Fotolithografie geeignet. Generell gilt: Bei Verwendung derselben Verarbeitungsmethode ist die Verarbeitungsauflösung umso besser, je kürzer die Wellenlänge ist.

Zusammenfassung der Klassifizierung von FotolackenFotolack ist der „Treibstoff“ für die Weiterentwicklung der Halbleiterprozesstechnologie.Wenn im Bereich der Herstellung integrierter Schaltkreise die Photolithographiemaschine der „Motor“ ist, der die Weiterentwicklung der Prozesstechnologie vorantreibt, dann ist der Fotolack der „Treibstoff“ dieses „Motors“. Die folgende Abbildung zeigt, wie der Fotolack im Herstellungsprozess eines NMOS-Transistors funktioniert. NMOS-Transistoren sind eine der am häufigsten verwendeten integrierten Schaltkreisstrukturen in der Halbleiterprozesstechnologie.

Ein Herstellungsprozess einer integrierten Schaltungsstruktur für NMOS-Transistoren. In einem solchen typischen Beispiel stellt der grüne Teil in Schritt 1 den roten Teil des Polysiliziummaterials dar, das mit einer Schicht Fotolack beschichtet ist. Im Photolithographie-Belichtungsprozess von Schritt 2 wird der Fotolack außerhalb des Abschirmbereichs der schwarzen Maske von der Photolithographie-Lichtquelle bestrahlt und die chemischen Eigenschaften werden geändert, was sich in Schritt 3 als Dunkelgrün manifestiert. In Schritt 4 bleibt nach der Entwicklung nur das Fotolackmaterial über dem durch Rot dargestellten Polysiliziummaterial zurück, wo es zuvor durch die Maske abgeschirmt wurde. Infolgedessen wird das Muster auf der Maske (Maske) auf das Polysiliziummaterial übertragen, wodurch der „Photolithographie“-Prozess abgeschlossen wird. In den nachfolgenden Schritten 5 bis 7 schließen die Prozesse „Ätzen der Polysiliziumschicht“, „Reinigen des Fotolacks“ und „N+-Ionenimplantation“ basierend auf dem durch den „Photolithographie“-Prozess auf dem Polysiliziummaterial hinterlassenen Fotolackmuster gemeinsam den Aufbau eines NMOS-Transistors ab.Der Fotolackbeschichtungsprozess in Schritt 1 der obigen Abbildung ist ebenfalls ein wichtiger Halbleiterprozess. Sein Zweck besteht darin, einen dünnen, gleichmäßigen und fehlerfreien Fotolackfilm auf der Oberfläche des Wafers zu erzeugen. Im Allgemeinen liegt die Dicke des Fotolackfilms zwischen 0,5 und 1,5 µm, und der Dickenfehler muss innerhalb von plus oder minus 0,01 µm liegen. Das Hauptverfahren zum Beschichten von Halbleiterfotolack ist das Spin-Coating-Verfahren, das genauer in das statische Spin-Verfahren und das dynamische Sprühverfahren unterteilt werden kann.

Schematische Darstellung des statischen Spin-Coating-ProzessesStatische Spin-Methode:Zuerst wird der Fotolack durch den Klebstoffauftragskopf in der Mitte der Siliziumscheibe aufgebracht, dann wird der Fotolack durch langsame Rotation verteilt und dann wird der überschüssige Fotolack durch schnelle Rotation abgeschüttelt. Während des Hochgeschwindigkeitsrotationsprozesses verdampft ein Teil des Lösungsmittels im Fotolack. Dieser Vorgang ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Schematische Darstellung des qualifizierten und unqualifizierten statischen Beschichtungsprozesses Die Menge der Fotolackansammlung im statischen Beschichtungsverfahren ist sehr kritisch. Wenn die Menge zu gering ist, kann der Fotolack den Siliziumwafer nicht vollständig bedecken. Wenn die Menge zu groß ist, sammelt sich der Fotolack am Rand des Siliziumwafers an oder fließt sogar auf die Rückseite des Siliziumwafers, was die Prozessqualität beeinträchtigt.Dynamisches Sprühverfahren:Da die Größe der Siliziumwafer immer größer wird, kann die statische Beschichtung den neuesten Anforderungen an die Siliziumwaferverarbeitung nicht mehr gerecht werden. Im Vergleich zur statischen Schleudermethode beginnt die dynamische Sprühmethode mit einer niedrigen Geschwindigkeit zu rotieren, wenn der Fotolack auf den Siliziumwafer gegossen wird, um die anfängliche Diffusion des Fotolacks zu unterstützen.

Schematische Darstellung des dynamischen Sprühbeschichtungsprozesses. Bei dieser Methode kann eine geringere Menge Fotolack verwendet werden, um eine gleichmäßigere Verteilung des Fotolacks zu erzielen, und schließlich kann durch Hochgeschwindigkeitsrotation ein Fotolackfilm gebildet werden, der die Anforderungen an Dicke und Gleichmäßigkeit erfüllt.

Mit der Verbesserung der IC-Integration hat das Prozesstechnologieniveau integrierter Schaltkreise weltweit vom Mikron- zum Submikrometer- und zum tiefen Submikrometer-Niveau das Nanometer-Niveau erreicht. Der Trend zur kontinuierlichen Reduzierung der Linienbreite integrierter Schaltkreise hat neue Herausforderungen für die Halbleiterprozesstechnologie einschließlich der Lithografie mit sich gebracht. Im Lithografieprozess des Halbleiterprozesses kann die charakteristische Größe der Linienbreite integrierter Schaltkreise durch die rechts dargestellte Rayleigh-Formel bestimmt werden: CD = k1 * λ / NA

Die Bedeutung jedes Parameters in der Rayleigh-Formel: CD (kritische Dimension) stellt die charakteristische Größe im integrierten Schaltkreisprozess dar; k1 ist die Rayleigh-Konstante, ein Korrelationskoeffizient zwischen Prozess und Material im Lithografiesystem; λ ist die Belichtungswellenlänge und NA (numerische Apertur) stellt den Blendenwert der Lithografiemaschine dar. Daher muss die Lithografiemaschine die Rayleigh-Konstante und die Belichtungswellenlänge reduzieren und die Blendengröße erhöhen, um integrierte Schaltkreise mit kleineren charakteristischen Größen herzustellen. Die Reduzierung der Belichtungswellenlänge hängt stark von der von der Lithografiemaschine verwendeten Lichtquelle und dem Fotolackmaterial ab. In der Vergangenheit hat die Wellenlänge der von der Lithografiemaschine verwendeten Lichtquelle die Tendenz gezeigt, synchron mit der kritischen Größe des integrierten Schaltkreises zu schrumpfen. Lithografielichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen erfordern völlig unterschiedliche Lithografiegeräte und Fotolackmaterialien.In den 1980er Jahren lag die gängige Prozessgröße bei der Halbleiterherstellung zwischen 1,2 µm (1200 nm) und 0,8 µm (800 nm).Damals waren lithografische Lichtquellen mit einer Wellenlänge von 436 nm weit verbreitet. In der ersten Hälfte der 1990er Jahre, als sich die Prozessgröße in der Halbleiterherstellung in Richtung 0,5 µm (500 nm) und 0,35 µm (350 nm) entwickelte, begann man in der Lithografie Lichtquellen mit 365 nm Wellenlänge zu verwenden. Die Lichtquellen mit 436 nm und 365 nm sind die beiden Spektrallinien mit der höchsten Energie und der kürzesten Wellenlänge in Quecksilberhochdrucklampen. Die Technologie der Quecksilberhochdrucklampen war ausgereift und wurde daher zuerst als Lichtquelle für die Lithografie verwendet. Durch die Verwendung einer kurzwelligen, energiereichen Lichtquelle für die Lithografie lassen sich fotochemische Reaktionen leichter anregen und die Auflösung der Lithografie verbessern. Joseph Fraunhofer, ein moderner deutscher Wissenschaftler, der für seine Forschungen zu Spektren berühmt ist, nannte diese beiden Wellenlängenspektren G-Linie bzw. I-Linie. Daher stammen auch die Namen „G-Linien-Lithografie“ und „I-Linien-Lithografie“.Sowohl g-line- als auch i-line-Fotolacke verwenden lineare Phenolkomponenten als Hauptharz und Diazonaphthochinonkomponenten (DQN-System) als Photosensibilisatoren. Die unbelichteten DQN-Komponenten wirken als Inhibitoren, die die Auflösungsrate des Fotolacks im Entwickler um das Zehnfache oder mehr reduzieren können. Nach der Belichtung wird die Diazonaphthochinongruppe (DQN) in Enon umgewandelt und bei Kontakt mit Wasser weiter in Indolhydroxysäure umgewandelt, die entfernt werden kann, wenn der belichtete Bereich mit verdünntem alkalischem Wasser entwickelt wird. Infolgedessen löst sich der belichtete Fotolack im Entwickler auf und wird entfernt, während der unbelichtete Fotolackanteil erhalten bleibt. Obwohl die in g-line-Fotolacken und i-line-Fotolacken verwendeten Komponenten ähnlich sind, weisen ihre Harze und Photosensibilisatoren Änderungen in der Mikrostruktur auf, was zu unterschiedlichen Auflösungen führt.G-Linien-Fotolack eignet sich für integrierte Schaltkreise mit einer Größe von 0,5 µm (500 nm) oder mehr, während i-Linien-Fotolack für integrierte Schaltkreise mit einer Größe von 0,35 µm (350 nm) bis 0,5 µm (500 nm) verwendet wird. Darüber hinaus können beide Fotolacke bei der Herstellung größerer elektronischer Produkte wie LCD-Flachbildschirmen verwendet werden.

In der zweiten Hälfte der 1990er Jahre begann die Größe der Halbleiterprozesstechnologie gemäß dem Mooreschen Gesetz auf unter 0,35 µm (350 nm) zu schrumpfen., wodurch eine Lithografietechnologie mit höherer Auflösung erforderlich wird. Tiefes Ultraviolettlicht kann aufgrund seiner kürzeren Wellenlänge und des geringeren Beugungseffekts als Lithografielichtquelle mit höherer Auflösung verwendet werden. Mit der Entwicklung der Forschung an Edelgashalogenid-Excimer-Anregungszustandslaserlichtquellen wie KrF und ArF sind Lithografielichtquellentechnologien mit 248 nm (KrF) und 193 nm (ArF) ausgereift und in die Praxis umgesetzt worden. Aufgrund der starken Absorptionswirkung des Fotolacks des DQN-Systems im tiefen Ultraviolettlichtband kann das von den Lithografiegasen KrF und ArF erzeugte Licht den DQN-Fotolack jedoch nicht durchdringen, was bedeutet, dass die Lithografieauflösung stark beeinträchtigt wird. Daher wird für Fotolacke für tiefes Ultraviolett ein völlig anderes technisches System als für i-Linien- und g-Linien-Fotolacke verwendet. Dieses technische System wird als chemisch verstärkter Resist (CAR) bezeichnet. Beim CAR-Technologiesystem verändert der Fotoinitiator im Fotolack die Löslichkeit des Fotolacks im Entwickler nach der Belichtung nicht direkt, sondern erzeugt Säure.In der Hochtemperaturumgebung des anschließenden thermischen Backprozesses wirkt die durch die Belichtung erzeugte Säure als Katalysator, um die Löslichkeit des Fotolacks im Entwickler zu verändern. Daher wird der Fotoinitiator im CAR-Technologiesystem auch als Fotosäuremittel bezeichnet. Da die durch das Fotosäuremittel des CAR-Fotolacks selbst erzeugte Säure während des Belichtungsprozesses nicht verbraucht wird, sondern nur als Katalysator fungiert, kann eine kleine Menge Säure weiterhin eine wirksame Rolle spielen. CAR-Fotolack ist hochlichtempfindlich und muss nur sehr wenig Energie aus tiefer Ultraviolettstrahlung absorbieren, was die Effizienz der Fotolithografie erheblich verbessert. Die Belichtungsgeschwindigkeit von CAR-Fotolack ist etwa zehnmal so hoch wie die von DQN-Fotolack.

Seit der zweiten Hälfte der 1990er Jahre werden in der Lithografie zunehmend KrF-Laser mit einer Wellenlänge von 248 nm verwendet. Seit den 2000er Jahren werden in der Lithografie außerdem ArF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 193 nm als Lichtquellen verwendet. Seitdem, also seit etwa 20 Jahren, ist dieDer ArF-Excimerlaser mit 193 nm Wellenlänge ist die zuverlässigste und am weitesten verbreitete Lithografielichtquelle im Bereich der Halbleiterprozesse.Im Allgemeinen verwenden KrF-Fotolacke (248 nm) Poly(p-hydroxystyrol) und seine Derivate als filmbildende Harze und Sulfoniumiodoniumsalze und Sulfoniumsalze als Fotosäuremittel; während ArF-Fotolacke (193 nm) meist Polymethacrylat-Derivate, Cycloolefin-Maleinsäureanhydrid-Copolymere, zyklische Polymere usw. als filmbildende Harze verwenden. Aus Gründen der chemischen Struktur benötigen Arf-Fotolacke (193 nm) empfindlichere Fotosäuremittel als KrF-Fotolacke (248 nm). Obwohl seit 2007 einige Excimerlithografie-Lichtquellentechnologien mit kürzeren Wellenlängen auf den Markt gekommen sind, wird die Strahlung in diesen Bändern leicht von optischen Materialien wie Lithografielinsen absorbiert, was dazu führt, dass sich diese Materialien aufgrund der Hitze ausdehnen und nicht mehr richtig funktionieren. Die wenigen optischen Materialien, die mit Strahlung in diesen Bändern richtig funktionieren, wie etwa Calciumfluorid (Fluorit), waren lange Zeit sehr teuer.In Verbindung mit der Entstehung neuer Technologien wie Immersionslithografie und Mehrfachbelichtung hat das ArF-Lithografiesystem mit 193 nm Wellenlänge den Engpass der vorherigen 65 nm-Auflösung durchbrochen, sodass die ArF-Lithografietechnologie in der Halbleiterprozesstechnologie zwischen 45 nm und 10 nm immer noch die am weitesten verbreitete ist. Lithografie

Lichtquellentechnologie entwickelt sich zuImmersionslithographie; bei der Trockenlithografie, die das Gegenteil der Immersionslithografie ist, befindet sich Luft zwischen der Lithografielinse und dem Fotolack. Der Fotolack absorbiert die von der Lichtquelle emittierte ultraviolette Strahlung direkt und unterliegt einer photochemischen Reaktion. Bei der Immersionslithografie befindet sich zwischen der Lithografielinse und dem Fotolack eine bestimmte Flüssigkeit. Diese Flüssigkeiten können reines Wasser oder andere zusammengesetzte Flüssigkeiten sein. Wenn die von der Lithografielichtquelle emittierte Strahlung durch diese Flüssigkeiten geht, wird sie gebrochen und die Wellenlänge wird kürzer. Auf diese Weise wird unter der Voraussetzung, dass die Lichtquelle nicht geändert wird, das ultraviolette Licht mit der kürzeren Wellenlänge auf den Fotolack projiziert, was die Auflösung des Fotolithografieprozesses verbessert. Die linke Abbildung unten zeigt ein typisches Immersionslithografiesystem. Ein typisches Immersionslithografiesystem

Doppeldie Lithographie; Doppellithografie bedeutet, die Verarbeitungsauflösung durch zwei Lithografien zu verdoppeln. Eine Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, nach der ersten Lithografie dieselbe Maske für die zweite Lithografie zu verschieben, um die Verarbeitungsauflösung zu verbessern. Die rechte Abbildung unten zeigt einen solchen Prozess. Die Doppellithografie in der Mitte rechts der Abbildung unten führt zwei Beschichtungen, zwei Lithografien und zwei Ätzungen durch. Mit der Weiterentwicklung der Fotolacktechnologie ist ein Doppellithografieprozess möglich geworden, der nur eine Beschichtung, zwei Lithografien und eine Ätzung erfordert.

Doppellithografie verdoppelt die Verarbeitungsauflösung. Immersionslithografie- und Doppellithografie-Technologien treiben die Verarbeitungsauflösung auf die Größenordnung von 10 nm, ohne die ArF-Lithografielichtquelle mit 193 nm Wellenlänge zu verändern. Gleichzeitig stellen diese beiden Technologien neue Anforderungen an den Fotolack. Beim Immersionsprozess darf der Fotolack nicht chemisch mit der Immersionsflüssigkeit reagieren oder auslaugen und diffundieren, da dies den Fotolack selbst und die Fotolithografielinse beschädigen würde. Zweitens muss der Brechungsindex des Fotolacks höher sein als der der Linse, der Flüssigkeit und der Deckschicht. Deshalb muss der Brechungsindex des Hauptharzes im Fotolack generell über 1,9 liegen. Zweitens darf sich der Fotolack während des Eintauchens in die Immersionsflüssigkeit und des anschließenden Backprozesses nicht verformen, da dies die Verarbeitungsgenauigkeit beeinträchtigen würde. Und schließlich, wenn die Zielauflösung des Immersionsprozesses nahe bei 10 nm liegt, werden die Kompromisse bei mehreren Leistungsindikatoren des Fotolacks strenger.Die Herstellung eines Immersions-ArF-Fotolacks ist schwieriger als die Herstellung eines trockenen ArF-Fotolacks. Dies ist einer der Schlüssel zu einer Auflösung von über 45 nm bei der ArF-Fotolithografie.

Unqualifizierte Doppelbelichtung Wenn im Doppelbelichtungsprozess der Fotolack mehrere fotolithografische Belichtungen ohne fotochemische Reaktionen im durch die Maske blockierten Bereich verträgt, können ein Ätz-, ein Beschichtungs- und ein Fotolackreinigungsprozess eingespart werden. Die linke Abbildung unten zeigt einen unqualifizierten Doppelbelichtungsprozess. Da der Fotolack im nicht belichteten Bereich immer noch eine relativ geringe Menge an Lithografiestrahlung empfängt, kann die vom nicht belichteten Bereich empfangene Strahlung nach den beiden Belichtungsprozessen die Belichtungsschwelle E0 des Fotolacks überschreiten, was zu einer fehlerhaften Lithografiereaktion führt. In der rechten Mitte der Abbildung unten ist die vom Fotolack im nicht belichteten Bereich nach zwei Belichtungen empfangene Strahlungsenergie immer noch geringer als seine Belichtungsschwelle E0, sodass die rechte Seite der Abbildung unten eine qualifizierte Doppelbelichtung ist. Aus diesem Beispiel ist ersichtlich, dass im Gegensatz zur Einzelbelichtung bei der Doppelbelichtung ein Kompromiss zwischen der Belichtungsschwelle des Fotolacks und der Beleuchtungsintensität der Lithografielichtquelle erforderlich ist.

Die qualifizierte Doppelbelichtungs-EUV-Lithografietechnologie (Extrem-Ultraviolett) ist die neueste Entwicklung auf dem Gebiet der Lithografie in den letzten 20 Jahren. Da die derzeit verfügbaren optischen Materialien die Reflexion und Übertragung von Strahlung mit einer Wellenlänge unter 13 nm nicht gut unterstützen, verwendet die EUV-Lithografietechnologie ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 13,5 nm als Lithografielichtquelle. Die EUV-Lithografietechnologie (Extrem-Ultraviolett) treibt die Halbleiterprozesstechnologie im Bereich unter 10 nm weiter voran. Im Wellenlängenbereich von 13,5 nm der EUV-Lithografie beginnt der Quantenunschärfeeffekt zu entstehen, der beispiellose Herausforderungen für das Design und die Verwendung entsprechender Lichtquellen, Masken und Fotolacke mit sich bringt. Derzeit ist nur ASML in den Niederlanden in der Lage, EUV-Lithografiemaschinen herzustellen, und viele entsprechende technische Details sind der Außenwelt noch unbekannt. Im kommenden Zeitalter der EUV-Lithografie erwartet die Branche, dass die seit 20 Jahren beliebten KrF- und ArF-Fotolacktechnologien einen umfassenden technologischen Wandel einleiten könnten.Die Barrieren bei der Herstellung von Fotolackmaterialien sind hoch. Die Mikroelektronikchemikalien, zu denen Fotolacke gehören, sind die Schnittstelle zwischen der Elektronikindustrie und der Chemieindustrie und typische technologieintensive Branchen. Um in das Geschäft mit Mikroelektronikchemikalien einzusteigen, sind wichtige Produktionstechnologien erforderlich, die der Spitzenentwicklung der Elektronikindustrie entsprechen, wie Mischtechnologie, Trenntechnologie, Reinigungstechnologie und analytische Inspektionstechnologie sowie Umweltbehandlungs- und Überwachungstechnologie, die auf den Produktionsprozess abgestimmt sind. Gleichzeitig erfordern die vielfältigen Anwendungsszenarien der nachgelagerten Elektronikindustrie von den Herstellern von Mikroelektronikchemikalien starke Unterstützungskapazitäten und die rechtzeitige Entwicklung und Verbesserung von Produktprozessen, um die individuellen Bedürfnisse der Kunden zu erfüllen. Der Hauptprozess des Fotolackherstellungsprozesses besteht darin, die wichtigsten Rohstoffe wie lichtempfindliche Materialien, Harze, Lösungsmittel usw. in einem Reinraum mit konstanter Temperatur und Luftfeuchtigkeit von 1000 zu mischen, sie unter dem Schutz von Stickstoffgas vollständig zu rühren, sie vollständig zu einer homogenen Flüssigkeit zu vermischen und sie mehrmals zu filtern und die Zwischenprozesskontrolle und -inspektion zu durchlaufen, damit sie den Anforderungen an Prozesstechnologie und Qualität entsprechen.Abschließend wird das Produkt geprüft und nach bestandener Prüfung verpackt, gekennzeichnet und unter dem Schutz von Stickstoffgas gelagert.Der gesamte Vorgang kann in der folgenden Abbildung dargestellt werden:

Kurzer Ablauf des Produktionsprozesses von Fotolack Zu den technischen Hürden von Fotolack gehören Formulierungstechnologie, Qualitätskontrolltechnologie und Rohstofftechnologie. Die Formulierungstechnologie ist der Kern des Fotolacks, um seine Funktion zu realisieren, die Qualitätskontrolltechnologie kann die Stabilität der Fotolackleistung sicherstellen und hochwertige Rohstoffe sind die Grundlage der Fotolackleistung.Formulierungstechnologie:Da die nachgelagerten Anwender von Fotolacken Hersteller von IC-Chips und FPD-Panels sind, haben unterschiedliche Kunden unterschiedliche Anwendungsanforderungen, und derselbe Kunde hat auch unterschiedliche Anforderungen an die Anwendung der Fotolithografie. Im Allgemeinen muss ein Halbleiterchip während des Herstellungsprozesses 10 bis 50 Fotolithografieprozesse durchlaufen. Aufgrund unterschiedlicher Substrate, unterschiedlicher Auflösungsanforderungen, unterschiedlicher Ätzmethoden usw. stellen unterschiedliche Fotolithografieprozesse unterschiedliche spezifische Anforderungen an Fotolacke. Selbst für ähnliche Fotolithografieprozesse haben unterschiedliche Hersteller unterschiedliche Anforderungen. Als Reaktion auf die oben genannten unterschiedlichen Anwendungsanforderungen gibt es viele Arten von Fotolacken, und diese Unterschiede werden hauptsächlich durch die Anpassung der Rezeptur der Fotolacke erreicht. Daher ist die Anpassung der Rezeptur der Fotolacke an differenzierte Anwendungsanforderungen die Kerntechnologie der Fotolackhersteller.Qualitätskontrolltechnologie:Da Benutzer hohe Anforderungen an die Stabilität und Konsistenz von Fotolacken stellen, einschließlich der Konsistenz zwischen verschiedenen Chargen, hoffen sie normalerweise, ein hohes Maß an Konsistenz bei Lichtempfindlichkeit und Filmdicke aufrechtzuerhalten. Daher müssen Fotolackhersteller nicht nur mit vollständigen Testinstrumenten ausgestattet sein, sondern auch ein strenges Qualitätssicherungssystem einrichten, um die Stabilität der Produktqualität sicherzustellen.Rohstofftechnologie:Fotolack ist ein komplexes und präzises Formelprodukt, das streng entwickelt wurde. Es wird aus Rohstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften wie Filmbildnern, Photosensibilisatoren, Lösungsmitteln und Zusatzstoffen durch unterschiedliche Anordnungen und Kombinationen sowie durch komplexe und präzise Verarbeitungstechnologie hergestellt. Daher spielt die Qualität der Fotolackrohstoffe eine Schlüsselrolle für die Qualität von Fotolacken. Für die Reinheit chemischer Halbleiterreagenzien hat die International Semiconductor Equipment and Materials Organization (SEMI) internationale einheitliche Standards formuliert, wie in der folgenden Tabelle dargestellt.

SEMI-Standards für ultrareine hochreine Reagenzien Die Reinheitsanforderungen für Reagenzienmaterialien, die in integrierten Halbleiterschaltkreisen verwendet werden, sind relativ hoch und liegen im Wesentlichen auf den Niveaus SEMI G3 und G4. Zwischen dem Forschungs- und Entwicklungsniveau meines Landes und dem internationalen Niveau besteht immer noch eine große Lücke. Die Reinheitsanforderungen für ultrareine hochreine Reagenzien für diskrete Halbleiterbauelemente sind niedriger als die für integrierte Schaltkreise und liegen im Wesentlichen auf dem Niveau SEMI G2, und die Produktionstechnologie inländischer Unternehmen kann die meisten Produktionsanforderungen erfüllen. Die Niveauanforderungen für ultrareine hochreine Reagenzien im Bereich Flachbildschirme und LEDs liegen auf den Niveaus SEMI G2 und G3, und die Produktionstechnologie inländischer Unternehmen kann die meisten Produktionsanforderungen erfüllen. Mikroelektronische Chemikalien, einschließlich Fotolacke, zeichnen sich durch hohe technische Anforderungen, starke Funktionalität und schnelle Produktaktualisierungen aus. Ihre Produktqualität hat einen sehr großen Einfluss auf die Qualität und Effizienz nachgelagerter elektronischer Produkte.Daher legen nachgelagerte Unternehmen großen Wert auf die Qualität und Lieferkapazität der Lieferanten von Mikroelektronikchemikalien und wenden häufig ein zertifiziertes Beschaffungsmodell an, das strenge Auswahlprozesse wie Probenprüfung, technische Diskussionen, Informationsrückmeldungen, technische Verbesserungen, Probeproduktion in kleinen Chargen, Lieferung in großem Maßstab und Bewertung des Kundendienstes erfordert. Die Zertifizierungszeit ist lang und die Anforderungen streng; es dauert lange, bis allgemeine Produkte von nachgelagerten Kunden zertifiziert werden. In der Displaypanel-Industrie dauert dies normalerweise 1–2 Jahre, und der Zertifizierungszyklus der integrierten Schaltkreisindustrie kann aufgrund seiner hohen Anforderungen 2–3 Jahre erreichen; während der Zertifizierungsphase hat der Fotolacklieferant kein Einkommen vom Kunden, was erfordert, dass der Lieferant über ausreichende Finanzkraft verfügt. Fotolacklieferanten haben eine hohe Kundenbindung; im Allgemeinen werden nachgelagerte Kunden den Fotolacklieferanten nicht leicht wechseln, wenn sie erst einmal eine Lieferbeziehung aufgebaut haben, um die Stabilität der Fotolackversorgung und -wirkung aufrechtzuerhalten. Durch die Einrichtung eines Feedback-Mechanismus zur Erfüllung persönlicher Anforderungen wird die Bindung zwischen Fotolacklieferanten und Kunden weiter erhöht. Nachzügler, die sich den Reihen der Lieferanten anschließen möchten, müssen häufig höhere Anforderungen erfüllen als bestehende Lieferanten.Daher hat die Fotolackindustrie hohe Markteintrittsbarrieren. Normalerweise müssen Mikroelektronikchemikalien wie Fotolacke nicht nur hohe Qualitätsanforderungen erfüllen, sondern müssen auch in verschiedenen Kategorien erhältlich sein, um die unterschiedlichen Anforderungen der nachgelagerten Kunden zu erfüllen. Ohne Skaleneffekte können sich die Lieferanten die Kosten, die durch die Erfüllung hoher Qualität und vielfältiger Anforderungen entstehen, nicht leisten. Daher stellt die Vielfalt eine wichtige Eintrittsbarriere in die Branche dar. Gleichzeitig sind allgemeine Mikroelektronikchemikalien bis zu einem gewissen Grad korrosiv, stellen hohe Anforderungen an die Produktionsausrüstung und die Produktionsumgebung muss staubfrei oder staubfrei sein. Die Herstellung hochwertiger Mikroelektronikchemikalien erfordert außerdem einen vollständig geschlossenen und automatisierten Prozess, um Umweltverschmutzung zu vermeiden und die Qualität zu verbessern. Daher stellt die Herstellung von Mikroelektronikchemikalien wie Fotolacken hohe Anforderungen an sichere Produktion, Umweltschutzausrüstung, Produktionsprozesssystem, Prozesssteuerungssystem und F&E-Investitionen. Ohne starke Finanzkraft ist es für Unternehmen schwierig, Wettbewerbsvorteile bei Ausrüstung, F&E und technischen Dienstleistungen zu erzielen, um die nachhaltigen Entwicklungsfähigkeiten zu verbessern. Daher haben Mikroelektronikchemikalien wie Fotolacke hohe Kapitalbarrieren. Die Fotolackindustrie, diedominiert von den Vereinigten Staaten und Japan,hat extrem hohe Industriebarrieren, sodass seine Branche weltweit oligopolistisch ist. Die Fotolackindustrie wird seit vielen Jahren von professionellen Unternehmen in Japan und den Vereinigten Staaten monopolisiert. Derzeit machen die fünf größten Hersteller 87 % des weltweiten Fotolackmarktes aus, und die Branchenkonzentration ist hoch. Der gemeinsame Marktanteil der japanischen Unternehmen JSR, Tokyo Ohka, Shin-Etsu und Fuji Electronic Materials beträgt 72 %. Darüber hinaus werden die Kerntechnologien der hochauflösenden KrF- und ArF-Halbleiterfotolacke im Wesentlichen von japanischen und amerikanischen Unternehmen monopolisiert, und die meisten Produkte stammen von japanischen und amerikanischen Unternehmen wie DuPont, JSR Co., Ltd., Shin-Etsu Chemical, Tokyo Ohka Industry, Fujifilm und Dongjin aus Südkorea. Aus der Perspektive des gesamten Fotolackmarktes ist Japan der Treffpunkt der Giganten der Fotolackindustrie.

Marktanteil der globalen Fotolackhersteller Materialreibung zwischen Japan und Südkorea: Die Lokalisierung von Halbleitermaterialien ist ein unvermeidlicher Trend. Im Juli 2019 verkündete Japan vor dem Hintergrund des Handelsstreits zwischen Japan und Südkorea ein Embargo auf drei Materialien der Halbleiterindustrie gegenüber Südkorea, darunter Ätzgas, Fotolack und Fluorpolyimid. Südkorea ist ein globaler Produktionsstandort für Speicher, Displays und Wafergießereien. Samsung, Hynix, Eastern High-Tech und zahlreiche Wafergießereien und Displayfabriken benötigen japanische Halbleitermaterialien. Diese drei Materialien schneiden die wirtschaftlichen Säulen der südkoreanischen Speicher- und Displayindustrie direkt ab. Nach dem Embargo sah sich die südkoreanische Halbleiterindustrie einer beispiellosen Krise gegenüber. Eine Zeit lang befanden sich weltweit führende Speicherhersteller wie Samsung Semiconductor und Hynix in einer ständigen Stillstandskrise, und Samsungs eigene Materialbestände reichten nur für eine dreimonatige Produktion. Führungskräfte von Samsung und Hynix reisten außerdem häufig zu Verhandlungen nach Japan.Dies ist zwischen Japan und Südkorea, beides wichtige Verbündete der USA, der Fall, und die chinesische Technologieindustrie, die sich noch in der frühen Entwicklungsphase befindet, muss Alarm schlagen.Zurzeit ist das chinesische Festland bei der Herstellung von Elektronikmaterialien, insbesondere Fotolacken, stark auf ausländische Hersteller angewiesen. Daher ist die Substitution von Halbleitermaterialien durch inländische Hersteller ein unvermeidlicher Trend.Handelskonflikte zwischen China und den USA: Die inländische Substitution von Fotolack ist für die chinesische Halbleiterindustrie dringend erforderlich. Seit den Handelskonflikten zwischen China und den USA hat das chinesische Festland die integrierte Schaltkreisindustrie aktiv ausgebaut. Im Bereich der Halbleitermaterialien ist Fotolack als „Treibstoff“ für die Weiterentwicklung der integrierten Schaltkreisprozesstechnologie ein wichtiges Bindeglied bei der inländischen Substitution und ein Produkt, das lokalisiert werden wird. Die Fotolithografie ist der Kernprozess der Halbleiterverarbeitung und spielt eine entscheidende Rolle bei der Herstellung fortschrittlicherer integrierter Schaltkreise mit höherer Transistordichte. Jede neue Generation von Fotolithografieprozessen erfordert eine neue Generation der Fotolacktechnologie. Derzeit sind während des Herstellungsprozesses eines Halbleiterchips im Allgemeinen 10 bis 50 Fotolithografieprozesse erforderlich. Unterschiedliche Fotolithografieprozesse haben auch unterschiedliche spezifische Anforderungen an den Fotolack. Wenn die Leistung des Fotolacks den Standards nicht entspricht, wirkt sich dies erheblich auf die Chipausbeute aus. Derzeit ist der Grad der Lokalisierung von Fotolack in China ernsthaft unzureichend, und die wichtigste Technologielücke besteht im Bereich des Halbleiterfotolacks, wobei eine Lücke von 2 bis 3 Generationen besteht.Angesichts der rasanten Entwicklung der nachgelagerten Halbleiterindustrie sowie der LED- und Flachbildschirmindustrie gibt es in Zukunft viel Spielraum für die inländische Substitution inländischer Fotolackprodukte. Heute nutzt China die Ressourcen der gesamten Gesellschaft, um über den National Integrated Circuit Industry Investment Fund (Big Fund) in die Halbleiterindustrie zu investieren und diese zu unterstützen. Gleichzeitig nutzen inländische Fotolackunternehmen aktiv die jahrhundertealte Chance der Expansion der chinesischen Waferherstellung, um Fotolackgeschäfte zu entwickeln, und streben danach, so schnell wie möglich zum internationalen Spitzenniveau aufzuschließen und in die Lieferkette neu errichteter inländischer Waferfabriken einzusteigen. Die Lokalisierung von Fotolacken ist in vollem Gange, und im Bereich Fotolack für Flachbildschirme sind in China eine Reihe wettbewerbsfähiger lokaler Unternehmen entstanden. Im Bereich Halbleiter- und Flachbildschirm-Fotolack hinkt der inländische Fotolack zwar noch dem internationalen Spitzenniveau hinterher, aber mit Unterstützung der Politik und ihren eigenen unermüdlichen Bemühungen haben eine Reihe von Fotolackunternehmen in China technologische Durchbrüche erzielt.

Die wichtigsten inländischen Fotolackhersteller und deren Substitution durch Inlandsprodukte