吳彥儒 / 工研院材化所
隨著半導體製程邁向2奈米以下節點，含氟添加劑在提升光阻解析度上扮演關鍵角色。然而，傳統含氟添加劑多為全氟烷基化合物(PFAS)，因其不易分解而面臨嚴格的國際法規挑戰。本文探討低碳氟光阻添加劑的開發趨勢，聚焦於界面活性劑。在界面活性劑方面，透過將多條短碳氟鏈合成於單一分子的結構設計，可達到與傳統長鏈PFAS相當的低表面張力，從而確保塗佈均勻性。這些創新不僅維持了微影製程所需的性能，也順應了全球性的PFAS禁令與綠色製造趨勢，在材料性能與環境永續之間取得平衡。
【內文精選】
低碳氟界面活性劑
全氟/多氟烷基物質(Per- and Polyflu-oroalkyl Substances; PFAS)，因具有強鍵能之碳氟鍵、低表面能、低表面張力等特性，因此可作為界面活性劑；然而，由於碳氟鍵強且穩定的緣故，使其難以分解，因此被稱為「永久性化學品」。這些物質會在自然環境累積，對生態與健康構成威脅，因此面臨嚴格的歐盟REACH環保法規壓力。八碳氟以上之長碳氟鏈PFAS又因其難以分解已被管制。
為了解決永久性化學品的問題，將八碳氟以上長碳氟鏈界面活性劑換成二、三碳氟等短碳氟鏈界面活性劑，或者無氟界面活性劑等較易於分解之結構，是重要發展方向。然而，碳氟鏈越短其降低表面張力的效率就越差，需要添加更高的濃度才能達到與八碳氟界面活性劑產品相當的效果。對此，可以透過結構設計與修飾，將多條二、三碳氟鏈合成在單一分子上來達到有效降低表面張力，效果與八碳氟界面活性劑相當。圖四為Merck的氟系界面活性劑產品，其結構設計為透過Spacer將親水端與親油端結合成一分子，親油為三條二或三碳氟鏈，形成樹狀聚合物(Dendrimer)；僅需添加0.1%至水中即可降低表面張力至20mN/m。
圖四、Merck TIVIDA® FL 2200、2300界面活性劑示意圖
由於其動態表面張力於200 ms就可以降到25 mN/m，代表攪動溶液過後表面張力會快速降回平靜時的表面張力，這意味著短時間即可增加濕潤性、流平性及輔助塗佈平整，因此可以應用在溶劑會快速揮發的光阻液用於塗佈時，確保溶劑揮發前界面活性劑能快速發揮作用。
目前市售可用在光阻劑配方的含氟界面活性劑如表一，這些產品除了應用於光阻劑之外，還可使用於地板打蠟拋光等其他民生應用。市場上主要供應商有3M、杜邦、AGC等幾家大廠，但3M已宣布將在2025年底停止生產PFAS產品，半導體產業鏈即便被允許使用，也將面臨斷供的風險，必須加速尋找和驗證不含PFAS的替代化學品，因此低碳氟界面活性劑和非氟界面活性劑開發是非常重要的趨勢---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
▼表一、現有市售可用在光阻劑配方的含氟界面活性劑廠商與產品
★本文節錄自《工業材料雜誌》467期，更多資料請見下方附檔。