光刻胶的原理、应用及未来发展趋势

光刻胶分类及应用领域

按波长分的光刻胶种类

电子束光刻胶（E-beam Resists）

这种光刻胶对电子束辐射敏感，通常用于高分辨率的微电子器件制造，如微纳米加工。

X射线光刻胶（X-ray Resists）

X射线光刻胶对X射线辐射敏感，主要用于制造更小、更密集的器件，如集成电路。

按照对光的响应来分

光刻胶可分为正性光刻胶和负性光刻胶。

正性光刻胶

光刻胶在经过曝光后，正性光刻胶被曝光区域可溶于显影液，留下的光刻胶薄膜的图形与掩膜版相同，如图3所示。

光刻胶曝光之后

正胶通常含有三种主要成分，酚醛树脂，感光剂和有机溶剂。曝光前的光刻胶基本上不溶于显影液。在曝光时，正胶因为吸收光能而导致化学结构发生变化（如图4所示，正胶发生断链），在显影液中的溶解度比曝光前高出很多。显影后，感光部分光刻胶被溶解去除。

正胶发生断链

负性光刻胶

负性光刻胶被曝光区域不溶于显影液，所形成的图像与掩膜版相反，如图3所示。

曝光时，感光剂将吸收的光能转变为化学能而引起链反应。聚合物分子间发生交联（如图5所示），形成不溶于显影液的高分子交联聚合物。显影后，未感光部分的光刻胶被去除。负性光刻胶的主要缺点为，在显影步骤中光刻胶会吸收显影液而膨胀，该膨胀现象会限制负性光刻胶的分辨率。

聚合物分子间发生交联

酚醛树脂和重氮萘醌光化学反应示意图

SU-8和三芳基硫盐光化学反应示意图

如下图所示是对数坐标下对比度曲线的斜率，该曲线有3个区域：非曝光区域，这里所有的光刻胶都基本能够保留下来；曝光区域，在这里光刻胶都会被显影液反应剥离掉；在这两个极端区域的中间区域是所谓的过渡区域。灵敏度曲线越陡，D0与 D100的间距就越小，越有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的对比度在 0.9~2.0 之间。对于亚微米图形，要求对比度大于1。通常正胶的对比度要高于负胶。

对数坐标下对比度曲线的斜率

灵敏度（Sensitivity）

即光刻胶上产生一个良好的图形所需一定波长光的最小能量值（或最小曝光量），通常指的是它对曝光光源（通常是紫外光）的反应程度，也就是光刻胶发生化学反应的难易程度，其单位是毫焦/平方厘米（mJ/cm2）。

灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高的灵敏度。因为高灵敏度的光刻胶在较低的曝光剂量下就能发生足够的光化学反应，从而在显影过程中形成所需的图案。灵敏度反映了光刻胶材料对某种波长的光的反应程度。但是光刻胶的灵敏度太高会影响分辨率。通常负胶的灵敏度高于正胶。

图9光刻胶发生化学反应的难易程度

4、光刻胶的发展趋势与挑战

目前全球高端半导体光刻胶市场主要被日本和美国公司垄断，日企全球市占率约80%，处于绝对领先地位。我国光刻胶行业起步较晚，生产能力主要集中在中低端光刻胶领域。当前，中国光刻胶产品的生产设备和生产技术仍主要依赖进口，尤其是生产半导体光刻胶主要设备和材料主要依赖进口，对外依存度达到90%以上。在“中国制造2025”的背景下，中国本土光刻胶企业正积极对标国外光刻胶技术，同时对新的核心技术有着较大的发展需求，这促使中国本土光刻胶企业研发动力不断增强。随着中国光刻胶技术不断进步和行业下游需求持续增长，未来中国光刻胶将逐步完成国产替代进口，光刻胶的国产化趋势明显。

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