光刻技術(shù)是現(xiàn)代微電子和納米技術(shù)的研發(fā)中的關(guān)鍵一環(huán)，而光刻膠，又是光刻技術(shù)中的關(guān)鍵組成部分。隨著技術(shù)的發(fā)展，對微小、精密的結(jié)構(gòu)的需求日益增強，光刻膠的需求也水漲船高，在微電子制造和納米技術(shù)等高精尖領(lǐng)域占據(jù)著至關(guān)重要的位置。

光刻膠分類及應(yīng)用領(lǐng)域

按波長分的光刻膠種類

電子束光刻膠（E-beam Resists）

這種光刻膠對電子束輻射敏感，通常用于高分辨率的微電子器件制造，如微納米加工。

X射線光刻膠（X-ray Resists）

X射線光刻膠對X射線輻射敏感，主要用于制造更小、更密集的器件，如集成電路。

按照對光的響應(yīng)來分

光刻膠可分為正性光刻膠和負性光刻膠。

正性光刻膠

光刻膠在經(jīng)過曝光后，正性光刻膠被曝光區(qū)域可溶于顯影液，留下的光刻膠薄膜的圖形與掩膜版相同，如圖3所示。

光刻膠曝光之后

正膠通常含有三種主要成分，酚醛樹脂，感光劑和有機溶劑。曝光前的光刻膠基本上不溶于顯影液。在曝光時，正膠因為吸收光能而導(dǎo)致化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（如圖4所示，正膠發(fā)生斷鏈），在顯影液中的溶解度比曝光前高出很多。顯影后，感光部分光刻膠被溶解去除。

正膠發(fā)生斷鏈

負性光刻膠

負性光刻膠被曝光區(qū)域不溶于顯影液，所形成的圖像與掩膜版相反，如圖3所示。

曝光時，感光劑將吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能而引起鏈反應(yīng)。聚合物分子間發(fā)生交聯(lián)（如圖5所示），形成不溶于顯影液的高分子交聯(lián)聚合物。顯影后，未感光部分的光刻膠被去除。負性光刻膠的主要缺點為，在顯影步驟中光刻膠會吸收顯影液而膨脹，該膨脹現(xiàn)象會限制負性光刻膠的分辨率。

聚合物分子間發(fā)生交聯(lián)

酚醛樹脂和重氮萘醌光化學(xué)反應(yīng)示意圖

SU-8和三芳基硫鹽光化學(xué)反應(yīng)示意圖

如下圖所示是對數(shù)坐標下對比度曲線的斜率，該曲線有3個區(qū)域：非曝光區(qū)域，這里所有的光刻膠都基本能夠保留下來；曝光區(qū)域，在這里光刻膠都會被顯影液反應(yīng)剝離掉；在這兩個極端區(qū)域的中間區(qū)域是所謂的過渡區(qū)域。靈敏度曲線越陡，D0與 D100的間距就越小，越有助于得到清晰的圖形輪廓和高的分辨率。一般光刻膠的對比度在 0.9~2.0 之間。對于亞微米圖形，要求對比度大于1。通常正膠的對比度要高于負膠。

對數(shù)坐標下對比度曲線的斜率

靈敏度（Sensitivity）

即光刻膠上產(chǎn)生一個良好的圖形所需一定波長光的最小能量值（或最小曝光量），通常指的是它對曝光光源（通常是紫外光）的反應(yīng)程度，也就是光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的難易程度，其單位是毫焦/平方厘米（mJ/cm2）。

靈敏度太低會影響生產(chǎn)效率，所以通常希望光刻膠有較高的靈敏度。因為高靈敏度的光刻膠在較低的曝光劑量下就能發(fā)生足夠的光化學(xué)反應(yīng)，從而在顯影過程中形成所需的圖案。靈敏度反映了光刻膠材料對某種波長的光的反應(yīng)程度。但是光刻膠的靈敏度太高會影響分辨率。通常負膠的靈敏度高于正膠。

圖9光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的難易程度

4

光刻膠的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

目前全球高端半導(dǎo)體光刻膠市場主要被日本和美國公司壟斷，日企全球市占率約80%，處于絕對領(lǐng)先地位。我國光刻膠行業(yè)起步較晚，生產(chǎn)能力主要集中在中低端光刻膠領(lǐng)域。當(dāng)前，中國光刻膠產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)仍主要依賴進口，尤其是生產(chǎn)半導(dǎo)體光刻膠主要設(shè)備和材料主要依賴進口，對外依存度達到90%以上。在“中國制造2025”的背景下，中國本土光刻膠企業(yè)正積極對標國外光刻膠技術(shù)，同時對新的核心技術(shù)有著較大的發(fā)展需求，這促使中國本土光刻膠企業(yè)研發(fā)動力不斷增強。隨著中國光刻膠技術(shù)不斷進步和行業(yè)下游需求持續(xù)增長，未來中國光刻膠將逐步完成國產(chǎn)替代進口，光刻膠的國產(chǎn)化趨勢明顯。