一文讀懂半導體工藝制程的光刻膠

在半導體工藝制程中，由于經常需要制備復雜的微結構，可能每一次光刻的需求都天差地別，有時需要正性光刻膠提升分辨率，有時需要負性的光刻膠做剝離（Lift-off），有時需要厚的光刻膠做深槽刻蝕。那么它們是如何滿足這些需求的？經常使用的光刻膠有哪些，以及它們的原理是什么？

光刻膠按照種類可以分為正性的、負性的。正膠受到紫外光照射的部分在顯影時被去除，負膠受到紫外光曝光的地方在顯影后被留下。

正膠

正膠成分：通常正膠主要由光敏劑、樹脂和溶劑組成。市場上的光刻膠體系有很多，我們以常規(guī)DQN雙組分體系正性光刻膠為例，以便理解。其主要有三部分組成：酚醛樹脂（Novolac）、光敏劑重氮醌（DQ）、二甲苯（溶劑）。

曝光原理：DQ體系利用的是Wolff重排反應，其中DQ中的α-重氮醌在光照下放出氮氣和醌自由基，再發(fā)生1,2-重排反應生成醌酮，然后在水的作用下，酮基進一步轉化為羧基，可以與堿性顯影液發(fā)生酸堿反應，加速溶解。最終，曝光的區(qū)域顯影速度快，實現正膠圖形化。

負膠

負膠成分：負膠主要由聚合物單體、光敏劑和溶劑構成。光敏劑通常可以產生自由基從而引發(fā)單體發(fā)生聚合，形成三維的分子網，使可溶性變?yōu)椴蝗苄?，從而實現圖案的轉移。以SU-8光刻膠為例，主要成分為：SU-8的單體、三芳基硫鹽的光敏劑、溶劑PGMEA。

曝光原理：首先，三芳基硫鹽在紫外光的作用下，發(fā)生分解產生氟銻酸和三芳基锍六氟銻，然后氟銻酸使得SU-8單體中的環(huán)氧基開環(huán)及重構，使得該環(huán)氧基團上使相鄰的碳上缺少一個電子，最后在結構的活性化后再與其他單體分子中的環(huán)氧基團聚合，實現分子鏈的相連，使膠轉變?yōu)椴蝗苄裕z體固化。

正負光刻膠對比

如何選擇正負光刻膠是半導體工藝中最重要的一部分。表1對比了正負光刻膠的性能。一般來講，對于要求高分辨率和精密結構的器件，通常使用正性光刻膠，其制程簡單、成本較低以及可以提供良好的圖案解析度。通過選擇合適的曝光劑、顯影劑和后續(xù)處理步驟，可以實現對正膠的精確控制，從而實現復雜的器件結構。

而負膠由于其分子高度交聯化，使其具有良好的耐化學性，熱穩(wěn)定性，抗刻蝕性，通常適用于制造一些微結構或是復雜的三維形態(tài)，例如，微流控芯片，微型管道、微型阻塞閥門等微流體器件。

光刻膠指標

由于不同型號的光刻膠的性能各不相同，所以在選擇一款合適的光刻膠時，通?？梢詤⒖家韵轮笜耍?

分辨率（Resolution）：指光刻膠能夠實現的最小特征尺寸，通常以線寬或線間距來表示。分辨率越高，光刻膠能夠實現的更小的結構尺寸。

顯影速度（DevelopmentRate）：指顯影劑去除光刻膠未曝光區(qū)域的速度。較快的顯影速度有助于提高制程的生產效率。

曝光靈敏度（ExposureSensitivity）：指光刻膠對曝光光源的敏感程度，通常與曝光劑的濃度和曝光時間有關。曝光靈敏度越高，所需的曝光能量越小。

溶解度（Solubility）：指光刻膠在顯影液中的溶解性能，影響著顯影過程的速度和控制性。

耐化學性（ChemicalResistance）：指光刻膠在制程中所能承受的化學處理，如腐蝕劑、清洗劑等的抵抗能力。

干膜厚度（Dry FilmThickness）：指涂覆在基片上的光刻膠的厚度，直接影響著最終圖案的尺寸和形狀。

熱穩(wěn)定性（ThermalStability）：指光刻膠在高溫處理過程中的穩(wěn)定性，如烘烤、退火等。

以下是半導體工藝中常用的光刻膠，具體的參數和性能還需要工藝人員進行調試。

審核編輯：黃飛