无PFAS光刻材料的技术就绪度：一项关于光刻胶及辅助材料成熟度的匿名调查

《Journal of Micro/Nanopatterning, Materials, and Metrology》：Technology readiness of PFAS-free lithography materials: an anonymized survey of resist and ancillary material maturity

　　

按光刻平台划分的无PFAS光刻胶TRL范围汇总。无PFAS光刻胶配方的自报当前技术成熟度，以所有受访者中TRL的最低值到最高值范围表示。TRL定义遵循表1.1中的光刻适配量表。

引言

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类高度氟化的化合物[1]，因其卓越的稳定性和表面活性剂特性而被广泛应用于半导体制造中，但它们也因极端的环境持久性和毒性而闻名，被称为"永久化学物质"。[2] 日益增长的监管压力和行业可持续发展举措促使人们紧急致力于消除光刻工艺中的PFAS。作为回应，全球光刻社区一直在投资开发无PFAS光刻胶及相关工艺材料，作为可持续的替代方案。作为背景，在化学放大光刻胶（CAR）中，这些现代微纳光刻的主力材料长期以来依赖含PFAS的组分（例如氟表面活性剂或光酸产生剂）来实现性能（例如改善涂膜质量、调节显影液溶解性或增强刻蚀抗性）。在不牺牲光刻性能的前提下过渡到无PFAS配方是一项重大挑战。在过去约3年里，imec及其合作伙伴协调开展了一项预竞争性研发计划，探索适用于深紫外（DUV）和极紫外（EUV）光刻的无PFAS CAR平台。到2026年初，这一努力已进展到在实验室和中试线环境中展示出了前景广阔的无PFAS光刻胶，但一个开放性问题仍然存在：整个行业中无PFAS材料的成熟度如何，对于每种光刻技术而言，它们距离制造就绪还有多远？回答这个问题对于指导进一步开发和协调利益相关方的期望至关重要。

为提供全行业视角，我们开展了一项匿名调查，以评估各平台上无PFAS光刻胶材料的技术就绪度。通过这样做，我们旨在向光刻社区通报集体技术前沿和剩余差距，同时保护供应商的保密性。此处报告的发现提供了2026年初无PFAS光刻胶及辅助材料成熟度的整合快照，并突出了需要进一步努力以完全取代光刻中PFAS的领域。

2. 调查方法和技术就绪度等级（TRL）框架

我们设计了一份简明问卷，请10家领先的光刻胶和材料供应商自报其无PFAS光刻胶材料的TRL。调查涵盖了i-line、KrF、ArF干式、ArF浸没式和EUV等主要光刻平台的化学放大光刻胶，以及关键辅助材料类别，包括顶涂层、抗反射涂层、底层、旋涂硬掩模材料和冲洗液。

为确保统一的成熟度衡量标准，我们采用了TRL量表（1至9级）作为通用指标，与其在欧洲地平线计划[3]中的使用一致，并与ESA总结的基于ISO 16290的框架[4]相符，同时对光刻材料的等级描述进行了适配。简要而言，TRL 1表示基础原理观测但尚无可用配方，TRL 5表示在相关的研发晶圆厂环境中验证了300毫米晶圆上的材料，TRL 9表示在大批量制造（HVM）中已完全验证使用。每家供应商被要求确定其无PFAS光刻胶（按平台）及所生产的任何辅助材料类别的当前TRL。关键在于，所有回复（10/10）均在严格匿名条件下收集，且仅以汇总的TRL范围报告。这种方法保护了保密性，鼓励供应商坦诚输入，并能在不披露知识产权的情况下实现客观的全行业评估。

本研究中适用的TRL定义摘要见表1，突出了光刻材料从实验室到晶圆厂的关键进展里程碑。这些定义已提前向受访者传达，以确保一致且适当的调查回复。

表1：为光刻材料（光刻胶和辅助材料）适配的TRL定义。本表作为参考框架，用于解释后文讨论的汇总TRL结果。

TRL | 通用TRL描述 | 光刻胶特定的开发阶段和里程碑

TRL 1：基础原理观测
技术就绪度的最低水平；科学研究开始转化为应用研发；基础原理被观测并报告
科学基础已建立。基于基础科学（化学和光物理）最初提出光刻胶概念。研究人员确定可能实现光刻的新型材料化学或机制（例如新型聚合物、光酸产生剂或含金属化合物），并阐述其为何可能实现所需的图案化行为。在此阶段，工作主要涉及理论或化学/物理原理的实验观测（例如测量新化学对辐射的敏感性），但尚无实际图案化

TRL 2：技术概念和/或应用被提出；发明开始——识别出推测性应用。尚无实验证明
提出光刻胶概念。研究人员基于TRL 1的发现提出光刻胶体系概念。这包括定义材料和配方（例如树脂、光活性化合物和溶剂体系）以及光刻机制（例如化学放大、金属氧化物交联和分子玻璃方法）。在TRL 2阶段，光刻胶仅存在于纸面上或以小规模实验室合成形式存在；关键性能目标（分辨率、敏感性和线边缘粗糙度）已被预测但尚未通过实验验证。例如，在EUV方面，一个团队可能会提出一种新型有机金属光刻胶，理论上比传统光刻胶吸收更多EUV光子，并提出其工作原理，但尚未展示实际图案化

TRL 3：实验概念验证
关键功能或特性的分析和实验概念验证；启动积极研发；在实验室中实验验证关键参数的预测
光刻胶的概念验证演示。光刻胶首次进行实验室测试。研究人员合成光刻胶组分并证明基本想法在隔离条件下可行。小规模实验（例如将光刻胶涂覆在试片上[玻璃片或小晶圆碎片]）并用激光或电子束照射，显示出潜像或化学变化，确认概念的可行性。关键性能指标（例如初始敏感性和基本分辨率能力）在简化测试中测量。在TRL 3阶段，可行性已展示，但通常使用分段或分离的组分测试。例如，新型化学放大光刻胶可能在实验中被配制并在照射时产生酸，或金属氧化物光刻胶可能被旋涂并在电子束照射下表现出溶解性切换。这些结果提供了概念可以创建图案的信心，满足概念验证标准。然而，光刻胶尚不是完整配方，许多问题（例如添加剂、工艺条件和缺陷水平）仍然未解决

TRL 4：技术实验室验证
基本技术组件集成：在实验室中构建低保真度系统以演示基本功能；组件在实验室条件下协同工作；耐久性或完整性能尚未涉及
实验室规模的光刻胶配方和初步图案。在TRL 4阶段，光刻胶的关键组件被集成到可测试的原型配方中。首个完整光刻胶配方（聚合物基质、敏化剂、溶剂等）在实验室中制成。该原型光刻胶被应用于测试晶圆并在实验室光刻设置中图案化，例如在小型曝光工具或实验室环境中对完整晶圆进行测试。目标是验证光刻胶体系的所有部分能协同工作以产生图案。例如，研究人员可能使用大学或研发中心的微型曝光工具或EUV光束线在光刻胶中打印简单特征，然后用显微镜检查。在此阶段，性能很初级：光刻胶可以形成图案，但关键指标（例如线边缘粗糙度、分辨率或敏感性）可能远未达到制造需求，且稳定性或缺陷性能尚未优化。TRL 4是研究人员确保光刻胶在实际中"有所作为"的关键步骤，为更真实的测试奠定基础

TRL 5：技术在相关环境中验证
中保真度原型在相关环境中演示（对于关键使能技术，在工业相关的实验室环境中）。关键领域的整体性能通过测试数据验证
在相关实验室环境中验证。到TRL 5，光刻胶被改进为更稳健的配方，可在接近实际制造的现实条件下使用设备和工艺进行测试。这通常意味着在300毫米晶圆上图案化，使用行业标准光刻设备（例如研发晶圆厂中的先进DUV或EUV扫描仪）和标准工艺流程（刻蚀、量测等）。在此阶段，测试可能在先进研发线（例如联盟或中试线）中进行。光刻胶的性能在分辨率、线边缘/线宽粗糙度、敏感性（剂量）和图案保真度等关键指标上进行了验证，使用模拟器件特征的测试图案。例如，光刻胶评估管线使用300毫米EUV或DUV扫描仪和刻蚀工具放大评估有前景的新型光刻胶材料，展示晶圆级图案化性能和集成就绪度，达到大约TRL 5。在TRL 5阶段，光刻胶已证明可在现实实验室环境中工作，但通常在严格控制条件下（单层测试和有限的晶圆运行）。保质期、缺陷水平和可重复性仍在表征中

TRL 6：技术在相关环境中演示
高保真度原型在相关环境中演示。对于关键使能技术，在工业相关环境中演示，关键方面接近预期性能
在研发晶圆厂中试线演示光刻胶。在TRL 6阶段，光刻胶更接近商业化产品，其制造工艺正在被验证。光刻胶被生产或以较大批量生产并在中试生产设备上运行。这可能包括在半导体中试线或制造类环境（例如半导体研发晶圆厂或专门用于工艺开发的产线）中演示光刻胶。光刻胶的工程可行性已完全证明：可用标准涂胶设备涂覆，在晶圆厂EUV或DUV扫描仪中曝光，使用标准刻蚀和清洗步骤进行后处理，并满足更严格的性能基准。进行集成测试：光刻胶可被应用于类器件叠层或在多层工艺中使用以观察相互作用（附着力、刻蚀选择性、脱气和与刻蚀及沉积的兼容性）。达到TRL 6意味着光刻胶已在半真实生产环境中得到验证，降低了风险并确认其性能在真实条件下技术上可行

TRL 7：原型系统在运行环境中演示；所有运行要求和性能目标在运行（中试或生产）环境中满足
可制造的光刻胶和工艺已准备就绪，可供早期采用。在TRL 7阶段，光刻胶技术本质上是一个"beta"产品，可以以可重复的质量进行制造，并已在实际运行晶圆厂环境中得到演示。光刻胶的所有运行要求已得到解决：例如长期稳定性和保质期、一致的批量生产、过滤和污染控制以及设备兼容性（不损坏扫描仪或涂胶/显影设备）。光刻胶通常由供应商的制造线（通常是化学品供应商的中试生产设施）以公斤量生产。演示通常涉及客户试用或使用光刻胶的内部产品构建：例如，在器件制造商的工艺中使用光刻胶在预生产晶圆或产品原型上运行。在此阶段，完整的半导体光刻胶系统（光刻胶+相关工艺）在真实晶圆厂条件下被证明可行。达到TRL 7是正式启动向制造组织技术转移的触发条件：光刻胶可以从研发转入制造组织。这通常触发早期供应商认证流程，其中器件制造商和联盟在大批量使用之前正式根据生产标准（缺陷性、一致性等）评估光刻胶

TRL 8：系统完成并认证
实际系统通过测试和演示完成并认证。在运行环境中，最终产品满足设计规格和可靠性要求
生产环境中的最终产品认证。到TRL 8，光刻胶技术已处于最终形态（完整配方和制造工艺已冻结），并已在晶圆厂中完成严格的认证测试。这意味着光刻胶在扩展试验中始终满足性能、缺陷密度、线边缘粗糙度、关键尺寸控制、刻蚀抗性、良率影响和设备兼容性等所有目标规格。光刻胶通常在实际生产试批或有限制造运行中使用，以证明其在实际中满足预期用途。材料供应商和半导体制造商在此阶段密切合作：例如，领先的逻辑或存储制造商可能会用新光刻胶运行一批产品晶圆以验证良率和可靠性。在TRL 8阶段，光刻胶的供应链也已就位（例如，为干式光刻胶材料建立了关键化学品的双重供应来源）。技术现已准备好进行商业部署，等待最终客户批准

TRL 9：实际系统在运行环境中得到验证
技术的全面商业应用；系统在竞争性制造或其他运行环境中得到验证——例如，新产品在大批量生产中成功使用
在HVM中的广泛采用。

TRL 9表示光刻胶已经全面商业化，并部署于半导体器件的实际量产中。该光刻胶是已发布的产品，由一家或多家领先芯片制造商在其最先进的芯片生产中使用，且在正常制造条件下（全量产规模和标准晶圆厂操作）运行。所有技术和市场风险均已消除——焦点转向成本降低和渐进式改进。在TRL 9阶段，资助机构和联合体认为该技术已"可市场化"，器件制造商将该光刻胶视为其供应链中任何标准材料对待。从TRL 1到9，新型光刻胶的研发历程可能跨越数年甚至十年，涉及多轮研发和规模化的迭代。要达到TRL 9，光刻胶不仅要满足所有技术指标，还必须通过客户采购和认证流程——这是晶圆厂工程师和采购部门批准该材料在生产中无限制使用的最后一步。

结果与讨论：无PFAS光刻胶及材料就绪度

3.1 无PFAS光刻胶的TRL概况

调查结果表明，针对每种光刻技术和材料功能，均已有无PFAS光刻胶解决方案问世，但其成熟度各不相同。图1总结了供应商报告的无PFAS光刻胶在各平台中的TRL范围（汇总所有受访者数据）。值得注意的是，对于i线（365 nm）和248 nm KrF光刻等成熟平台，最高报告的TRL达到8至9，表明某些无PFAS光刻胶配方在这些类别中已基本达到量产就绪状态。事实上，多家供应商表示无PFAS i线光刻胶已达到TRL 9，意味着其已在商业生产流程中得到验证或使用。类似地，许多KrF光刻胶处于TRL 7至9的范围，尽管少数较不成熟的条目（低至TRL 4）扩大了整体范围（这可能反映了仍处于早期开发阶段的新配方）。对于主流的193 nm ArF平台，情况则更为中间化：ArF干式光刻胶主要集中在TRL 5至7（功能性实验室/中试验证，但尚未进入大批量生产），而ArF浸没式光刻胶的TRL范围为4至6（表明表现最佳的无PFAS 193i光刻胶处于较先进的开发阶段，但仍未达到量产导入阶段）。在所调查的光刻技术中，一些无PFAS材料被报告为不含氟素，且多个材料被指出在具备竞争力性能的同时，能够降低未来PFAS法规的潜在影响。仅有一个答复被报告为TRL 1；作为初步概念阶段的条目，该孤立的TRL 1数据点未纳入汇总的TRL范围分析中。

图1
无PFAS光刻胶的汇总TRL范围（按光刻平台分类）。
供应商自报的无PFAS光刻胶配方当前技术成熟度，表示为所有受访者中最低至最高TRL的范围。TRL定义遵循表1中的光刻适配标准。

最先进的技术——EUV（13.5 nm）光刻胶同样在受访者中呈现TRL 4至6的跨度，反映出无PFAS EUV光刻胶平台处于中等开发阶段，已超越概念验证阶段并在中试线级别得到演示，但尚未满足HVM（大批量制造）的所有要求。最后，无PFAS封装介质光刻胶（用于厚膜封装或先进互连应用）呈现从TRL 5至9的广泛范围，表明某些不含PFAS的封装器件光刻胶已在某些场景下达到生产使用阶段，而另一些仍处于开发中。

这些汇总结果表明，无PFAS光刻胶在各光刻技术间存在就绪度梯度：最成熟的技术（较长波长平台，如365 nm i线和248 nm KrF）接近完全成熟（报告的TRL范围达到6至9），而更先进的平台（ArF 193 nm和EUV 13.5 nm）仍处于中等成熟度（通常为TRL 4至6）。这种差距不仅反映了性能要求的差异，还源于根本性的光刻胶化学制约。例如，i线和KrF光刻胶配方通常包含酚类聚合物组分，有助于酸的产生和离解，使得无PFAS实施方案相对直接。相比之下，先进的ArF光刻胶系统依赖于纯丙烯酸酯聚合物基质，不含此类酚基团，因此实现同等水平的无PFAS性能需要使用在193 nm下保持透明的超强光致酸产生剂（pKa < -7），这是一个更具挑战性的要求。此外，EUV光刻在软X射线波段（13.5 nm）运行，光刻胶的响应由次级电子驱动的辐射化学主导，而非光化学。结合有机光刻胶固有的低光子吸收特性（历史上通过含氟组分加以缓解）以及激进的尺寸缩放，这施加了独特而严苛的随机性和材料约束，使得无PFAS EUV光刻胶设计尤为困难。

因此，无PFAS ArF浸没式和EUV光刻胶目前仅处于中间TRL阶段，突显了更大的化学障碍。尽管如此，令人鼓舞的是，可行的无PFAS 193 nm和EUV光刻胶配方已在TRL 5至6左右得到验证，表明即使是这些尖端技术，无PFAS光刻胶解决方案的基本可行性也已确立。

3.2 无PFAS辅助材料的TRL概况

调查还收集了无PFAS辅助光刻材料的状况，即与光刻胶一同使用的各种工艺化学品和薄膜，其中许多传统上含有PFAS。图2汇总了主要辅助类别的TRL范围。调查结果揭示了不同材料类型之间成熟度的显著差异。例如，无PFAS抗倒塌清洗液（用于显影后提高图案稳定性）在TRL 9阶段完全成熟，表明至少有一种此类清洗液已获得认证并部署于生产中。相反，调查中被列为顶涂层的材料处于TRL 2至3阶段。旋涂底层材料（例如EUV或多重曝光工艺中的硬掩模或底漆层）的报告范围广泛，从TRL 3至9。这意味着虽然某些无PFAS底层配方已产品化并接近HVM就绪状态，但另一些才刚走出研发阶段。DUV用底层抗反射涂层（BARC）也呈现从TRL 3至9的大范围，表明存在混合情况——一些无PFAS BARC溶液已商业可用（且可能已集成到生产中），而较新的实验版本则处于较低成熟度。193 nm浸没式用无PFAS顶层抗反射涂层（TARC）仅被报告在TRL 5阶段，表明这些已在研发环境中得到验证，但尚未在生产中得到证明。同时，无PFAS旋涂玻璃（SOG）和旋涂碳（SOC）硬掩模材料的跨度较大（分别为TRL 2至8和TRL 3至8），暗示某些配方相当先进，而另一些仍处于早期阶段。总之，在辅助材料中，清洗液是最成熟的类别，而顶涂层类别的材料最不成熟。

图2
无PFAS辅助光刻材料的汇总TRL范围。
供应商自报的关键光刻辅助材料无PFAS版本的当前TRL范围，汇总自匿名调查答复。BARC，底层抗反射涂层；TARC，顶层抗反射涂层；SOG，旋涂玻璃；SOC，旋涂碳。"顶涂层"标签复现了问卷调查中使用的未限定类别名称；调查未指定其光刻平台或顶涂层结构。

上述结果强调了辅助材料可能成为实现完全无PFAS光刻工艺的潜在瓶颈，因为成功的图案化堆叠不仅需要无PFAS光刻胶，还需要配套的无PFAS辅助材料。令人鼓舞的是，一些辅助材料类别（如某些BARC、底层和清洗液）至少有一种成熟解决方案达到或接近生产就绪状态，但另一些仍处于低TRL阶段。重要的是，调查未区分独立应用的旋涂顶涂层和整合在光刻胶配方中的浸没阻挡功能。因此，顶涂层辅助材料类别报告的TRL 2至3不能归因于特定平台或顶涂层结构，而ArF浸没式光刻胶报告的TRL 4至6应单独解读。

3.3 关键技术挑战与发展路径

调查还询问了参与者关于阻碍每种材料提升TRL的主要障碍，以及达到下一级别的预计时间线。总体而言，答复表明，无PFAS材料尚未发现根本性的化学绊脚石；挑战主要是实际集成和性能方面的问题。对于最成熟的类别（例如i线、KrF光刻胶、抗倒塌清洗液和一些BARC），受访者报告"没有重大障碍"剩余，这些材料基本就绪，待最终认证或更广泛的采用。相比之下，对于EUV和193i等先进平台，常见问题包括需要改善关键光刻性能指标，包括关键尺寸均匀性、线边缘/线宽粗糙度、图案倒塌裕度和灵敏度。还需要进一步降低缺陷率，以达到与现有含PFAS产品相当的水平。例如，无PFAS EUV光刻胶仍需要改善LWR（线边缘粗糙度）和随机缺陷的控制，以及更多的刻蚀和稳定性数据，才能超越TRL 6；类似地，无PFAS ArF浸没式光刻胶需要在涂覆均匀性和缺陷率方面进一步改进，以满足大批量晶圆厂标准。对于辅助材料，指出了某些问题：例如，一些无PFAS EUV底层和BARC需要调节热酸产生剂的强度以匹配PFAS基性能；无PFAS SOG和SOC需要改善涂覆特性；而顶涂层类别下的材料被承认为仍处于早期设计和实验室评估阶段，暂无即时集成数据。在预期时间线方面，许多DUV光刻胶开发商认为，i线和KrF光刻胶仅需数个月即可推进到下一TRL，ArF干式光刻胶则不到一年。即使是ArF浸没式光刻胶，也大多预计在不到1年至约3年内提升一个TRL。相比之下，EUV光刻胶普遍估计需要2至5年才能达到下一TRL，这与众所周知的EUV光刻实现完全HVM就绪之难相一致。对于辅助材料，虽然一些（例如无PFAS BARC和底层）预计在6至24个月内取得进展，但顶涂层类别的材料仍处于太早的阶段，无法做出可靠预测。这些预测与报告的成熟度水平相符：接近TRL 8至9的材料通往下一步的路径通常较短，而处于TRL 4至6的EUV光刻胶估计需要2至5年才能提升一个TRL；对于TRL 2至3的顶涂层类别，无法提供可靠预测。

4. 结论与启示

本工作首次提供了供应商在预竞争环境中评估的无PFAS光刻材料技术就绪度的汇总视图。通过在匿名条件下收集数据并仅报告TRL的汇总范围，我们在不披露任何敏感专有信息的情况下，阐明了无PFAS光刻胶和辅助材料的整体成熟度概况。重要的是，不应将无PFAS材料的可用性或其达到中间TRL解释为广泛的制造实施：在本工作使用的框架内，TRL 8代表在生产环境中的认证，而TRL 9代表在大批量生产中的验证使用。关键结论是，无PFAS替代品已在所有主要光刻平台中可用并趋于成熟。多个材料类别，特别是i线、KrF的无PFAS光刻胶以及某些辅助材料（如显影清洗液），包含已达到生产认证或HVM使用的解决方案（TRL 8至9），证明在这些场景中消除PFAS在技术上是可行的。与此同时，先进应用场景，包括EUV光刻胶，仍处于中期开发阶段（TRL 4至6），而少数关键辅助材料仍处于更早的TRL阶段。这些需要持续的研发和集成努力，以匹配当今含PFAS解决方案的性能并实现大批量采用。在本调查的技术范围内，未报告任何不可逾越的材料相关障碍；剩余的问题主要是工程挑战，包括工艺集成、粗糙度和缺陷率改善以及生产规模化，而非基本的化学可行性。我们调查提供的行业全景快照可以帮助利益相关方识别关键差距（如提升EUV光刻胶性能和发展滞后的辅助材料）并协调各方努力。总体而言，该调查显示通向认证和HVM的进展不均：一些材料已达到TRL 8至9，而另一些则需要进一步的开发、集成和制造验证。