1.光刻胶介绍

光刻胶（plotoresist，PR）是一种有机化合物，它受紫外光曝光后，在显影液中的溶解度会发生变化。一般光刻胶以液态涂覆在硅片表面上，曝光后烘烤成固态。传统光刻胶分为正胶和负胶。

正性光刻胶：硅片上图形与掩膜版一样，曝光区域发生光学分解反应，在显影液中软化溶解而去除掉，未曝光区域显影后保留。

负性光刻胶：硅片上图形与掩膜版相反，曝光区域发生光学交联反应硬化，在显影液中不可溶解而保留，未曝光区域显影后溶解。

负性光刻：被曝光的区域发生交联并变成阻止显影的化学物质，如图5.19所示。

图5.19　负性光刻

正性光刻：曝光的正性光刻胶区域将在显影液中被去除，而不透明的掩模版下的没有被曝光的光刻胶仍然保留在硅片上，从而实现了将掩模版上相同的图形复制并转移到硅片上，即正性光刻，如图5.20所示。

图5.20　正性光刻

2.光刻胶的作用

（1）将掩膜板上的图形转移到硅片表面的氧化层中。

（2）在后续工序中，保护下面的材料（蚀刻或离子注入）。

3.光刻胶的物理特性参数

（1）分辨率（Resolution）：区别硅片表面相邻图形特征的能力。一般用关键尺寸（Critical Dimension，CD）来衡量分辨率。形成的关键尺寸越小，光刻胶的分辨率越好。

（2）对比度（Contrast）：指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对比度越好，形成图形的侧壁越陡峭，分辨率越好。

（3）敏感度（Sensitivity）：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）。单位为毫焦/平方厘米（mJ/cm2）。光刻胶的敏感性对于波长更短的深紫外光（DUV）、极深紫外光（EUV）等尤为重要。

（4）黏滞性/黏度（Viscosity）：衡量光刻胶流动特性的参数。黏滞性随着光刻胶中的溶剂的减少而增加，高的黏滞性会产生厚的光刻胶，越小的黏滞性，就有越均匀的光刻胶厚度。光刻胶的比重（Specific Gravity，SG）是衡量光刻胶的密度的指标，它与光刻胶中的固体含量有关。较大的比重意味着光刻胶中含有更多的固体，黏滞性更高，流动性更差。黏度的单位为泊（poise），光刻胶一般用厘泊（cps，厘泊为1%泊）来度量。百分泊即厘泊为绝对黏滞率；运动黏滞率定义为：运动黏滞率＝绝对黏滞率/比重；单位：百分斯托克斯（cs）＝cps/SG。

（5）黏附性（Adherence）：光刻胶粘着于衬底的强度。光刻胶的黏附性不足会导致硅片表面的图形变形。光刻胶的黏附性必须经受住后续工艺（蚀刻、离子注入等）。

（6）抗蚀性（Anti-etching）：光刻胶必须保持它的黏附性，后续的蚀刻工序能保护衬底表面，使其具有耐热稳定性、抗蚀刻能力和抗离子轰击能力。

（7）表面张力（Surface Tension）：液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间吸引力。光刻胶应该具有比较小的表面张力，使光刻胶具有良好的流动性和覆盖。(www.daowen.com)

（8）存储和传送（Storage and Transmission）：能量（光和热）可以激活光刻胶，故应该存储在密闭、低温、不透光的盒中。同时必须规定光刻胶的闲置期限和存贮温度环境。一旦超过存储时间或较高的温度范围，负胶会发生交联，正胶会发生感光延迟。

4.光刻胶的分类

（1）根据光刻胶按照如何响应紫外光的特性，可以分为两类：负性光刻胶和正性光刻胶。

负性光刻胶（Negative Photo Resist）：硅片上图形与掩膜版相反，曝光区域发生光学交联反应硬化，在显影液中不可溶解而保留，未曝光区域显影后溶解。其被最早使用，一直到20世纪70年代。曝光区域发生交联，难溶于显影液。特性：良好的黏附能力；良好的阻挡作用；感光速度快；显影时发生变形和膨胀。所以其只能用于2 μm的分辨率。

正性光刻胶（Positive Photo Resist）：硅片上图形与掩膜版一样，曝光区域发生光学分解反应，在显影液中软化溶解而去除掉，未曝光区域显影后保留。20世纪70年代，由负性转用正性。正性光刻胶的曝光区域更加容易溶解于显影液。特性：分辨率高、台阶覆盖好、对比度好；黏附性差、抗蚀刻能力差、高成本。

（2）根据光刻胶能形成图形的最小光刻尺寸分为：传统光刻胶和化学放大光刻胶。

传统光刻胶。适用于I线（365 nm）、H线（405 nm）和G线（436 nm），关键尺寸在0.35 μm及其以上。

化学放大光刻胶（Chemical Amplified Resist，CAR）。适用于深紫外线（DUV）波长的光刻胶。KrF（248 nm）和ArF（193 nm）。

5.光刻胶的具体性质

光刻胶的组成：

树脂（Resin/Polymer）：光刻胶中不同材料的黏合剂，给与光刻胶的机械与化学性质（如黏附性、胶膜厚度、热稳定性等）；

感光剂：能对光能发生光化学反应；

溶剂（Solvent）：保持光刻胶的液体状态，使之具有良好的流动性；

添加剂（Additive）：用以改变光刻胶的某些特性，如改善光刻胶发生反射而添加染色剂等。

（1）负性光刻胶。树脂是聚异戊二烯，即一种天然的橡胶；溶剂是二甲苯。感光剂是一种经过曝光后释放出氮气的光敏剂，产生的自由基在橡胶分子间形成交联，从而变得不溶于显影液。负性光刻胶在曝光区由溶剂引起泡涨，曝光时光刻胶容易与氮气反应而抑制交联。

（2）正性光刻胶。树脂是一种叫作线性酚醛树脂的酚醛甲醛，提供光刻胶的黏附性、化学抗蚀性，当没有溶解抑制剂存在时，线性酚醛树脂会溶解在显影液中。感光剂是光敏化合物（Photo Active Compound，PAC），最常见的是重氮萘醌（DNQ），在曝光前，DNQ是一种强烈的溶解抑制剂，降低树脂的溶解速度。在紫外曝光后，DNQ在光刻胶中化学分解，成为溶解度增强剂，大幅提高显影液中的溶解度因子，至100或者更高。这种曝光反应会在DNQ中产生羧酸，它在显影液中溶解度很高。正性光刻胶具有很好的对比度，所以生成的图形具有良好的分辨率。

（3）化学放大光刻胶（Chemical Amplified Resist，CAR）。树脂是具有化学基团保护（t-BOC）的聚乙烯（PHS）。有保护团的树脂不溶于水。感光剂是光酸产生剂（Photo Acid Generator，PAG），光刻胶曝光后，在曝光区的PAG发生光化学反应，会产生一种酸。该酸在曝光后热烘（Post Exposure Baking，PEB）时，作为化学催化剂将树脂上的保护基团移走，从而使曝光区域的光刻胶由原来不溶于水转变为高度溶于以水为主要成分的显影液。化学放大光刻胶曝光速度非常快，大约是DNQ线性酚醛树脂光刻胶的10倍，对短波长光源具有很好的光学敏感性，提供陡直侧墙，具有高的对比度，具有0.25 μm及其以下尺寸的高分辨率。

掩膜版与正负性光刻胶之间的关系如图5.21所示。

图5.21　掩膜版与正负性光刻胶之间的关系