隨著集成電路制程節點不斷向納米尺度邁進，光刻技術已從紫外全譜（g線、i線）發展到深紫外（KrF、ArF）乃至極紫外（EUV）光源。光刻膠作為光刻工藝的核心材料，其純度直接影響光刻圖案的分辨率與芯片良率。尤其在EUV光刻時代，對光刻膠中金屬雜質和顆粒物的控制要求已趨極致，因此光刻膠原料及成品的純化處理成為決定光刻技術水平的關鍵環節之一。Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀可以實現表面微觀特征的精準表征與關鍵參數的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質量把控和生產效率提升提供數據支撐。

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光刻膠的組成與分類

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光刻工藝與光刻膠反應機制：(a)光刻膠酸催化反應機制；(b)正負性光刻膠光化學反應分子結構對比；(c)光刻工藝示意圖

光刻膠通常由溶劑（質量分數50%～90%）、樹脂（10%～40%）、感光劑（1%～6%）及少量添加劑組成。根據光化學反應機制，光刻膠可分為正性和負性兩類：正性光刻膠曝光后感光劑分解，樹脂變為可溶，未曝光區保留；負性光刻膠則曝光后樹脂交聯而不溶，未曝光區被顯影去除。正性光刻膠因分辨率高、對比度好而應用更廣。光刻膠廣泛應用于半導體、液晶顯示和印刷電路板制造。當前我國在中低端光刻膠市場有一定產能，但高端半導體光刻膠（如KrF、ArF、EUV）仍嚴重依賴進口。

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光刻工藝與質量控制

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典型光刻工藝的過程：(a)襯底預處理；(b)旋轉涂膠；(c)軟烘；(d)曝光；(e)曝光后烘烤；(f)顯影；(g)堅膜烘焙；(h)顯影檢查

典型光刻工藝包括襯底預處理、涂膠、軟烘、曝光、曝光后烘烤、顯影、堅膜及檢測。整個流程需在極高潔凈度環境下進行，以避免顆粒和金屬雜質污染。

在光刻工藝的質量控制環節，探針式臺階儀作為一種高精度表面輪廓測量設備，發揮著關鍵作用。該設備基于觸針掃描原理，通過金剛石探針直接接觸光刻膠薄膜表面，隨著表面臺階與輪廓的起伏產生位移變化，傳感器將位移信號轉換為電信號，從而實時生成表面輪廓曲線和臺階高度數據。臺階儀的核心優勢在于其高精度測量能力，垂直分辨率可達亞埃級別（0.1nm），能夠精確測定幾納米至上千微米的臺階高度。現代臺階儀配備微力恒力控制功能，探針接觸力可在0.03mg至50mg范圍內精確調節，這一特性使其特別適用于光刻膠等軟質材料的無損測量，避免因探針壓力過大導致樣品損傷或測量失真。在光刻工藝中，臺階儀主要用于光刻膠膜厚測量、刻蝕深度監測、顯影后圖案形貌分析等關鍵環節，為工藝優化和良率提升提供直接數據支撐。

光刻膠中的雜質會導致多種缺陷：凸出缺陷（圖形超出設計范圍）、針孔缺陷（細小空洞）、暗斑缺陷（掩模污染）等，這些缺陷均會降低芯片良率。臺階儀通過精確測量光刻膠臺階高度和表面形貌，能夠有效監測這些缺陷的形成情況。因此，對光刻膠原料及成品的純化至關重要，而臺階儀作為重要的計量工具，為純化效果評估和工藝質量控制提供了可靠保障。

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高純電子化學品標準

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根據國際半導體設備與材料組織標準，濕電子化學品按金屬雜質含量、顆粒粒徑等分為G1至G5五個等級。高端光刻膠要求總金屬離子質量濃度控制在 1×10?12 g / mL1×10?12 g / mL 級別。我國自20世紀70年代起制定BV系列標準，目前已逐步與國際SEMI標準接軌。

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光刻膠樹脂的純化

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光刻膠圖形化過程反應機制：(a)酚醛樹脂-DNQ 光刻膠作用機制示意圖；(b)經典化學增幅型光刻膠反應機制示意圖

樹脂決定光刻膠的基本性能。早期樹脂如聚乙烯醇肉桂酸酯、環化橡膠-疊氮類用于負性光刻膠，但分辨率有限。酚醛樹脂-重氮萘醌體系成為g線、i線正性光刻膠的代表。1982年提出的化學增幅型光刻膠引入光產酸劑，通過質子酸催化反應大幅提升靈敏度，此后聚對羥基苯乙烯用于KrF光刻膠，聚甲基丙烯酸酯用于ArF光刻膠，EUV光刻膠則探索多種新型樹脂體系。

液相萃取耦合離心分離的組合工藝示意圖

樹脂中雜質主要包括未聚合單體、低聚物和金屬離子。去除單體和低聚物常用有機溶劑萃取，但溶劑消耗大、周期長；陶瓷超濾膜可實現連續分離，提高效率。金屬離子去除早期多用離子交換法，但可能引入酸性物質導致樹脂性能下降；液相萃取法及其與離心分離的耦合技術可實現連續操作，大幅縮短處理時間。這些方法結合使用已成為樹脂純化的主流策略。

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光刻膠溶劑的純化

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常用溶劑如丙二醇甲醚醋酸酯需達到電子級純度。離子交換法可有效去除金屬離子，但可能引起溶劑水解；螯合樹脂可避免此問題。膜過濾技術尤其是尼龍膜因其胺基對金屬離子的吸附作用，在溶劑純化中表現優異。通過對膜材料改性（如引入羧基），可進一步提升金屬離子去除率，且不產生酸性副產物。綠色合成工藝如反應蒸餾結合變壓精餾，實現了高純PGMEA的連續化生產，并回收副產物，符合低碳發展方向。

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光產酸劑的純化

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光刻化學品中的有機雜質和金屬雜質

光產酸劑是化學增幅型光刻膠的核心組分，其純度影響光刻靈敏度。合成過程中可能引入酸性雜質和金屬殘留。傳統水洗法處理周期長，離子交換法可高效去除酸性雜質。對于金屬離子（如鎂、鎢），常采用絡合、吸附、萃取等多級組合工藝，最終可將金屬含量降至 5×10?9?g/mL5×10?9g/mL 以下。

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光刻膠成品的純化

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膜過濾法去除顆粒污染物機制：(a)尼龍膜吸附示意圖(b)顆粒篩分示意圖

成品光刻膠需同時去除顆粒污染物和金屬離子。顆粒物去除主要依靠微孔濾膜過濾，膜材質影響顯著：尼龍膜因吸附作用對極性污染物去除效果好，超高分子量聚乙烯膜在EUV金屬氧化物光刻膠純化中表現優異。通過膜表面功能化改性，可引入離子交換或吸附基團，實現對金屬離子的同步去除。吸附法和離子交換法仍是金屬離子去除的主要手段，但需避免酸性物質對光刻膠性能的損害。近年來，功能化濾膜、離子交換膜片及復合過濾器的開發，為光刻膠高效純化提供了新路徑。

超高分子量聚乙烯(UPE)膜的優化設計：(a)深度過濾功能；(b)尺寸排阻過濾功能；(c)膜孔徑分布均勻化

在光刻膠成品質量控制環節，探針式臺階儀同樣是不可或缺的檢測工具。其校準過程依賴于臺階高度標準樣板，該樣板通過光刻、刻蝕、濺射等工藝制備，具備已知高度與良好表面特性，可溯源至激光干涉儀或原子力顯微鏡的定值。依據JJF129—2017《臺階儀校準規范》，臺階儀的垂直方向示值誤差與重復性是評價儀器性能的核心指標，直接影響光刻膠膜厚測量的準確性。高精度臺階儀能夠實現1nm以內的臺階高度重復性，為光刻膠成品的膜厚均勻性和表面形貌一致性提供可靠保障。

光刻膠及其原料的純化技術正朝著高精度、高效率、綠色低碳方向發展。傳統方法如萃取、吸附、離子交換仍在使用，但存在處理周期長、溶劑消耗大等問題。膜分離技術因其連續性強、分離精度高，在顆粒物去除方面已取得顯著成效。在質量控制領域，探針式臺階儀作為高精度表面輪廓測量設備，在光刻膠膜厚測量、刻蝕深度監測、圖案形貌分析等環節發揮著不可替代的作用，其亞納米級測量精度和微力控制功能為光刻工藝優化和良率提升提供了關鍵支撐。未來，隨著光刻技術向更小節點演進，對臺階儀等計量設備的精度和穩定性要求將進一步提升。同時，陶瓷膜憑借其優異的化學穩定性和可功能化修飾的特性，有望在高純光刻膠深度純化中發揮重要作用。結合綠色合成工藝與高效分離技術的集成創新，以及高精度計量技術的協同發展，將有力推動高端光刻膠的國產化與產業化進程。

Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀

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費曼儀器探針式臺階儀在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數，對各種薄膜臺階參數的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、提高生產效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉θ平臺結合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

費曼儀器作為國內領先的薄膜厚度測量技術解決方案提供商，Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準確測量，保證材料質量、提高生產效率。

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原文參考：《集成電路高端光刻膠材料純化研究進展》

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