一、光刻胶的定义和作用

光刻胶是一种由感光树脂、增感剂和溶剂等成分组成的混合物，也被称为光致抗蚀剂。在半导体制造领域，它是至关重要的材料，是实现芯片高精度制造不可或缺的一部分。其主要作用是通过光刻工艺将芯片设计图案转移到硅片等衬底上。光刻工艺是半导体制造中的核心步骤之一。光刻胶作为抗刻蚀层保护衬底表面，只是从外观上看呈现为胶状液体。光刻胶通常是以薄膜形式均匀覆盖于基材表面。当紫外光或电子束照射时，光刻胶材料本身的特性会发生改变，经过显影液显影后，曝光的负性光刻胶或未曝光的正性光刻胶将会留在衬底表面，这样就将设计的微纳结构转移到了光刻胶上，后续就可进一步将图案转移到衬底上，最后用除胶剂除去光刻胶。高质量的光刻胶需要具备高分辨率、高感光度、低缺陷密度和良好的粘附性等特性。随着半导体技术的不断发展，芯片制程不断缩小，对光刻胶的要求也越来越高。例如，在先进制程中，需要光刻胶能够实现更小的线宽和更高的精度，以满足芯片性能和集成度的要求

二、光刻胶的分类

1.按显影效果分类

• 正性光刻胶

  • 在曝光部分可溶于显影剂，显影时形成的图形与掩膜版上的图形相同。正性光刻胶对光化学反应的选择性较强，能够在曝光区域通过断链或其他化学反应使自身从原本的不可溶状态转变为可溶状态。例如，在光刻工艺中，当被特定波长和能量的光照射后，正性光刻胶分子内部的化学键会发生断裂，使得曝光区域在显影过程中能够被显影液溶解除去，从而形成所需的图形。目前，在小尺寸图像领域正胶占据绝大部分市场份额，尤其在半导体等高精度制程中，因为它能更精准地实现微小图形的制备 。

    

• 负性光刻胶

  • 曝光部分则不溶于显影剂，显影时形成的图形与掩膜版相反。负性光刻胶在曝光后，其分子间会发生交联反应，使得曝光区域的分子量增大，溶解度降低，从而在显影时保留下来。这种光刻胶常被用于一些对分辨率要求不是极高，但对光刻胶的附着力、耐磨擦性等有一定要求的地方，例如早期的光刻工艺以及某些不需要超精细线条的PCB板制作等 。

2.按曝光波长分类

• 紫外宽谱光刻胶

  • 采用高压汞灯全谱曝光，适用于2μm以上工艺线宽。其以酚醛树脂为成膜树脂，重氮萘醌化合物为感光材料。它的分辨率相对较低（约为5μm），不过有较大的工艺宽容度，在抗湿法刻蚀方面性能优良。这类光刻胶常用于一些对线宽要求不是非常精细的分立器件、LED器件、MEMS（微机电）和先进封装等领域 。

• G线光刻胶

  • 使用436nm波长紫外曝光光源，适用于0.5μm以上工艺线宽。与紫外宽谱光刻胶相比，G线光刻胶具有较大的曝光宽容度（Exposure Latitude L）和焦深（Depth of Focus，DOF）以及较好的抗刻蚀能力，并且对金属离子含量的控制更为严格。主要应用于LCD、分立器件、LED器件、集成电路、先进封装等方面 。

• I线光刻胶

  • 以365nm波长紫外曝光光源为依托，适用于0.5 – 0.35μm、0.25μm工艺线宽。I线光刻胶可分为三类：一是分辨率为0.5μm的普通I线光刻胶，用于非关键层光刻工艺；二是分辨率达0.35μm的高分辨I线光刻胶，用于关键层光刻工艺，应用化学增幅型I线可以将分辨率提高到0.25μm；三是厚膜光刻胶（膜厚为3 – 5μm），用于钝化层光刻工艺，特殊工艺下膜厚能到8μm。像集成电路、LED器件、先进封装等领域都会用到I线光刻胶 。

• KrF光刻胶

  • 采用KrF准分子激光光源，适用于0.25 – 0.13μm及0.11μm的工艺线宽。这是第一个应用化学放大技术的光刻胶，以聚对羟基苯乙烯及其衍生物为成膜树脂，以磺盐或硫盐为光致产酸剂。由于化学放大技术的引入，其感光速率较快（30 – 50mj），分辨率高，通过结合分辨率增强技术（Resolution Enhancement Technique，RET），可以应用于0.25 – 0.13μm工艺线宽，甚至拓展到90nm工艺线宽，常用于集成电路制造领域 。

• ArF光刻胶

  • 也采用化学放大技术，以聚脂环族丙烯酸酯及其共聚物为成膜树脂，以磺盐或硫盐为光致产酸剂。ArF干式光刻胶适用于90 – 65nm工艺线宽；ArF浸没式曝光技术在镜头和光刻胶之间充满水，利用水的高折射率来提高光刻工艺的分辨率，其光刻胶须在光致产酸剂及添加剂方面进行相应调整，且使用时辅助以顶部涂层防止光刻胶中各组分被水溶出，再结合多重曝光技术等分辨率增强技术，可应用于45 – 7nm工艺线宽的集成电路制造领域 。

• EUV光刻胶（极紫外光刻胶，仍在研发阶段）

  • 传统化学放大型：有光灵敏度高的特点，但存在由酸扩散引起曝光区与非曝光区边界模糊、分辨率与线宽粗糙度难以满足要求的问题，适合曝光功率受光源能力限制的EUV光刻技术。

  • 分子玻璃型：由带有保护基团的小分子有机材料组成。这种材料能够用旋涂工艺制备均匀无序的非晶态薄膜，其薄膜需要具有一定的热稳定性（Tg约150°C），不过分子玻璃材料在线宽趋小时会发生坍塌，变形严重，难以实现更高的分辨率。

  • 金属氧化物型：具有较大的密度与EUV吸收截面积，在曝光过程中放气量小，且对光学元件不产生污染，材料本身在图形转移时具有优良的抗刻蚀性能，但需要较大的曝光能量密度。

  • 基本有三个种类，分别是传统化学放大型、分子玻璃型和金属氧化物型：

3.按光刻胶的反应类型分类

• 光聚合型光刻胶

  • 通过光引发聚合反应，使材料从液态转变为固态，分子链在曝光过程中不断增长。其优势在于在紫外线作用下反应速度较快，聚合后的材料具有较好的耐磨性、硬度等物理性质。在一些表面需要有一定防护性的光刻应用场景有较好的表现，比如在一些光学器件表面的光刻加工中，光聚合型光刻胶可以提供一层稳定、耐磨的保护层，同时也能够准确地将掩膜图形转移到下方的材料上。

• 光分解型光刻胶

  • 这类光刻胶在曝光过程中发生光分解反应，分解后的物质其化学性质或物理性质发生变化，如由原本的大分子分解成小分子，从而实现溶解度、透明度等方面的改变。这样的特性使得光分解型光刻胶在制作高分辨率的图形时具有优势，因为分解过程的特异性可以使得较小的图形结构得以准确呈现，例如在一些超精细的电路光刻制程中。

• 光交联型光刻胶

  • 在曝光时会发生分子间交联反应，如同搭建了一个分子网络，使材料的性能发生显著变化。通常表现为在曝光区域由可溶变得不可溶，这种光刻胶常用于需要形成坚固、稳定光刻结构的工艺中，例如在某些需要构建厚实、稳定的三维微结构的MEMS加工过程中，光交联型光刻胶能够通过交联反应提供足够的结构稳定性。

4.按电子束光刻分类

• 电子束光刻胶

  • 主要用于电子束直写光刻技术，以聚甲基丙烯酸酯类为主。电子束斑细、波长短、能量集中，所以该光刻胶可以获得极高的分辨率，常用于光掩模的制作。然而，由于电子束直写速度慢，所以并不适合大规模集成电路芯片的制作。当前国际上正在开展多束电子束光刻技术研究，以期提高电子束光刻的产能和其商业化应用的潜力 。

5.按纳米压印光刻胶的类型分类

• 热固化型纳米压印光刻胶

  • 在纳米压印光刻技术中，热固化型纳米压印光刻胶借助压印模板定义图形并加热固化。当被加热时，光刻胶内部的分子会发生交联等化学反应，使得材料的形状固定下来。在冷却脱模后，通过刻蚀将图形转移到衬底上。这种类型的光刻胶对于温度控制要求较高，因为固化时的温度准确性和气密性等因素会直接影响光刻图形的质量，不过它在一些需要高温稳定性的特殊材料表面光刻中可能具有独特优势。

• 紫外固化型纳米压印光刻胶

  • 借助透明石英压印模板定义图形，通过紫外光照射将光刻胶图形固化。其固化速度通常较快，并且与热固化型相比不需要高温环境，在一些对温度敏感或者需要快速固化的光刻工艺中有较好的应用前景。它在脱模后，同样是通过刻蚀把图形转移到衬底上 。

    

6.按其他功能用途或特殊结构分类

• 网格极细线光刻胶

  • 通常用于制作微电子学器件的导线和其他细线路。这种光刻胶在制造微小线路时能够保证线路的精确性和均匀性，是微电子线路制备过程中的重要材料。其在微观尺度上的成膜特性以及与基底材料之间的附着性等方面有着特殊的设计和优化，使得其在导线等精细线路结构的光刻方面表现卓越。

• 垂直结构光刻胶

  • 在制造三维结构时非常有用，如微机械系统（MEMS）。与其他光刻胶相比，它具有更好的纵向分辨率和能够形成垂直结构的能力。在制造微机械系统中的微小梁柱、悬臂梁等垂直结构时，垂直结构光刻胶能够精准地定义这些结构的形状和尺寸，确保在垂直方向上的光刻精度，满足MEMS器件的功能需求 。

• 实心极坐标光刻胶

  • 可用于生产微纳米加工零件，主要用于光刻完全拉长或缩短材料的直径，从而形成复杂的立体形状。在例如一些具有特殊形状要求的微纳米零件加工过程中，实心极坐标光刻胶能够按照特定的设计对材料进行光刻加工，形成独特的立体形状，满足特殊的工程需求 。

三、光刻胶的应用领域

光刻胶的应用领域十分广泛，涉及多个行业的微细图形加工领域，在半导体行业和其他电子相关产业占据重要地位。

1.半导体行业

光刻胶在半导体制造中是不可或缺的核心材料。光刻工艺约占整个芯片制造成本的35%，耗时占整个芯片工艺的40 – 60%，其重要性不言而喻 。

• 在制造电路结构方面，不同类型和性能的光刻胶通过光刻、显影、刻蚀等工序，可以形成微小的线路、晶体管和其他电子元件，构建起半导体器件内复杂的电路 。

• 进行区域选择，光刻胶用于选择性地保护或暴露特定区域。利用合适的掩模与光刻胶配合，能够在半导体片上创建出不同的层和区域，为实现半导体器件特定的功能和连接奠定基础。

• 用于多层结构制备，半导体器件结构复杂，通常包含多个层次。光刻胶在不同层次之间进行图案转移，保证各层之间的对准和精确性，确保整个半导体器件结构的完整性和功能性。

• 随着纳米技术的发展，光刻胶在半导体制造中还广泛应用于纳米尺度的结构和器件制造。高分辨率的光刻胶结合先进的光刻技术，可以实现更小、更复杂的纳米结构，满足现代半导体技术对高性能、高集成度的要求 。

2.微电子制造

光刻胶是现代集成电路制造的基础材料。通过光刻过程，将设计好的电路图形精确地转移到硅片等基底上，为微电子器件的制造提供技术支持。从早期相对简单、线宽较大的集成电路制造，到现代超大规模、超精细线宽的集成电路，光刻胶的性能和技术的不断发展起着关键的推动作用。而且，随着集成电路朝着更高集成度、更小线宽方向的持续发展，对光刻胶的分辨率、灵敏度等性能也提出了越来越高的要求。

3.纳米技术

在纳米技术领域，光刻胶的应用也越来越普遍。例如，用于制造纳米尺寸的传感器、纳米颗粒和其他纳米结构。纳米尺度的加工要求光刻胶必须具备极高的分辨率和精度。利用特殊的光刻胶在纳米技术加工过程中，可以实现纳米尺度的特殊形状和结构的制造。例如在制备纳米传感器时，光刻胶能够形成具有特定功能结构的纳米图形，使其具备精准的传感能力；在纳米颗粒的制备中，光刻胶可以定义纳米颗粒的尺寸、形状和分布等特性。

4.生物医学领域

近年来，光刻胶在生物医领域的应用逐渐崭露头角。诸如在制造微流控芯片、用于细胞培养的微模板等应用中有很好的表现。在微流控芯片的制造中，光刻胶能够将微观的通道和功能区域精确地在材料上进行构建，用于控制微小体积的液体流动、混合以及生物反应等功能。对于细胞培养微模板，光刻胶可以构建与细胞尺度匹配的微观结构，为细胞的生长、分化等研究提供合适的环境和条件。

5.PCB板（印刷电路板）制造

在PCB板的制造过程中，光刻胶起着极为重要的作用。常用的负性光刻胶可用于定义PCB板上线路的图形，精确蚀刻掉不需要的铜箔等导电层，保证PCB板线路的连通性和准确性。不同类型的PCB光刻胶（如干膜光刻胶、湿膜光刻胶等）根据PCB板的不同制造要求应用，可以实现从简单的双层板到复杂的多层PCB板的制造，而且能够满足电子设备在装载密度、信号传输速度等方面不断提高的需求。

6.面板制造

光刻胶在液晶面板（LCD）、有机发光二极管（OLED）等显示面板的制造中是关键材料。在LCD制造中，彩色光刻胶和黑色光刻胶是制备彩色滤光片的核心材料，触摸屏光刻胶用于在玻璃基板上沉积ITO（氧化铟锡）制作触摸电极；TFT – LCD光刻胶用于液晶面板的前段Array制程中微细图形的加工。OLED面板制造过程中也需要特定的光刻胶进行精细图形的制备和层结构的构建等操作。

7.LED（发光二极管）领域

光刻胶在LED器件制造中具有广泛的应用。从分立的单个LED的制造到LED芯片集成阵列等复杂结构的生产过程中，光刻胶都参与其中。通过光刻技术，利用光刻胶准确地划刻出电极、有源区等关键结构，保证LED器件的发光性能、电学性能等各项指标。紫外宽谱光刻胶、G线光刻胶和I线光刻胶等多种光刻胶都在LED器件制造过程中都有着各自适用的场景。

8.封装领域（先进封装）

在器件封装环节，光刻胶同样扮演着重要的角色。例如，在芯片封装过程中的键合焊点保护、线路布局以及整体封装结构的小型化和集成化等方面，光刻胶能够通过光刻形成精确的保护层、线路连接等结构。这对于现代电子设备向着小型化、高性能、高可靠性方向发展起着重要的保障作用，先进封装中的光刻胶应用能够在满足电学性能和连接要求的同时，提高封装效率和质量。

9.光电子器件/光子器件制造

在光电子器件/光子器件（如激光器、调制解调器等）制造过程中，光刻胶可用于精确控制光学谐振腔、波导等微观结构的制造。通过精确的光刻工艺，光刻胶可以帮助形成具有特定光学特性（如反射率、折射率等）的结构，从而优化器件的光学性能，确保光信号在器件内能够按照预定的方式传播、调制和输出。