一文读懂半导体工艺制程的光刻胶

在半导体工艺制程中，由于经常需要制备复杂的微结构，可能每一次光刻的需求都天差地别，有时需要正性光刻胶提升分辨率，有时需要负性的光刻胶做剥离（Lift-off），有时需要厚的光刻胶做深槽刻蚀。那么它们是如何满足这些需求的？经常使用的光刻胶有哪些，以及它们的原理是什么？  

光刻胶按照种类可以分为正性的、负性的。正胶受到紫外光照射的部分在显影时被去除，负胶受到紫外光曝光的地方在显影后被留下。

正胶

正胶成分：通常正胶主要由光敏剂、树脂和溶剂组成。市场上的光刻胶体系有很多，我们以常规DQN双组分体系正性光刻胶为例，以便理解。其主要有三部分组成：酚醛树脂（Novolac）、光敏剂重氮醌（DQ）、二甲苯（溶剂）。

  曝光原理：DQ体系利用的是Wolff重排反应，其中DQ中的α-重氮醌在光照下放出氮气和醌自由基，再发生1,2-重排反应生成醌酮，然后在水的作用下，酮基进一步转化为羧基，可以与碱性显影液发生酸碱反应，加速溶解。最终，曝光的区域显影速度快，实现正胶图形化。

     

负胶

负胶成分：负胶主要由聚合物单体、光敏剂和溶剂构成。光敏剂通常可以产生自由基从而引发单体发生聚合，形成三维的分子网，使可溶性变为不溶性，从而实现图案的转移。以SU-8光刻胶为例，主要成分为：SU-8的单体、三芳基硫盐的光敏剂、溶剂PGMEA。

  曝光原理：首先，三芳基硫盐在紫外光的作用下，发生分解产生氟锑酸和三芳基锍六氟锑，然后氟锑酸使得SU-8单体中的环氧基开环及重构，使得该环氧基团上使相邻的碳上缺少一个电子，最后在结构的活性化后再与其他单体分子中的环氧基团聚合，实现分子链的相连，使胶转变为不溶性，胶体固化。

     

正负光刻胶对比

如何选择正负光刻胶是半导体工艺中最重要的一部分。表1对比了正负光刻胶的性能。一般来讲，对于要求高分辨率和精密结构的器件，通常使用正性光刻胶，其制程简单、成本较低以及可以提供良好的图案解析度。通过选择合适的曝光剂、显影剂和后续处理步骤，可以实现对正胶的精确控制，从而实现复杂的器件结构。

而负胶由于其分子高度交联化，使其具有良好的耐化学性，热稳定性，抗刻蚀性，通常适用于制造一些微结构或是复杂的三维形态，例如，微流控芯片，微型管道、微型阻塞阀门等微流体器件。

     

光刻胶指标

由于不同型号的光刻胶的性能各不相同，所以在选择一款合适的光刻胶时，通常可以参考以下指标：  

分辨率（Resolution）：指光刻胶能够实现的最小特征尺寸，通常以线宽或线间距来表示。分辨率越高，光刻胶能够实现的更小的结构尺寸。

显影速度（DevelopmentRate）：指显影剂去除光刻胶未曝光区域的速度。较快的显影速度有助于提高制程的生产效率。

曝光灵敏度（ExposureSensitivity）：指光刻胶对曝光光源的敏感程度，通常与曝光剂的浓度和曝光时间有关。曝光灵敏度越高，所需的曝光能量越小。

溶解度（Solubility）：指光刻胶在显影液中的溶解性能，影响着显影过程的速度和控制性。

耐化学性（ChemicalResistance）：指光刻胶在制程中所能承受的化学处理，如腐蚀剂、清洗剂等的抵抗能力。

干膜厚度（Dry FilmThickness）：指涂覆在基片上的光刻胶的厚度，直接影响着最终图案的尺寸和形状。

热稳定性（ThermalStability）：指光刻胶在高温处理过程中的稳定性，如烘烤、退火等。

以下是半导体工艺中常用的光刻胶，具体的参数和性能还需要工艺人员进行调试。

审核编辑：黄飞