最全整理-光刻胶分类、应用及特点

最全整理-光刻胶分类、应用及特点

光刻胶是半导体制造中的关键材料，其分类、应用及特点对于理解半导体产业发展具有重要意义。本文将详细介绍从紫外宽谱光刻胶到EUV光刻胶等多种类型光刻胶的曝光光源、适用工艺线宽、主要应用领域以及各自的特点。

紫外宽谱光刻胶

• 曝光光源：高压汞灯全谱曝光
• 适用工艺线宽：2um以上
• 主要应用：分立器件、LED器件、MEMS（微机电）、先进封装
• 特点：以酚醛树脂为成膜树脂，重氮萘醌化合物为感光材料，分辨率相对较低（>5um），工艺宽容度大，抗湿法刻蚀性能优良。

G线光刻胶

• 曝光光源：436nm波长紫外曝光光源
• 适用工艺线宽：0.5um以上
• 主要应用：LCD、分立器件、LED器件、集成电路、先进封装
• 特点：以酚醛树脂为成膜树脂，重氮萘醌化合物为感光材料，在436nm有较强的吸收，分辨率约为1.0um。与紫外宽谱光刻胶相比，由于曝光方式的改变，G线光刻胶具有较大的曝光宽容度（Exposure LatitudeL）和焦深（Depth of Focus,DOF）、较好的抗刻蚀能力以及更严格的金属离子含量控制。

I线光刻胶

• 曝光光源：365nm波长紫外曝光光源
• 适用工艺线宽：0.5-0.35um、0.25um
• 主要应用：集成电路、LED器件、先进封装
• 特点：以酚醛树脂为成膜树脂，重氮萘醌化合物为感光材料，感光剂在365nm有较强的吸收。I线光刻胶可分为三类：一是分辨率为0.5um的普通I线光刻胶，用于非关键层光刻工艺；二是分辨率达0.35um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0.25um；三是厚膜光刻胶（膜厚为（3-5um），用于钝化层光刻工艺。一些特殊工艺要求膜厚到8um。

KrF光刻胶

• 曝光光源：KrF准分子激光光源
• 适用工艺线宽：0.25-0.13um及0.11um
• 主要应用：集成电路
• 特点：KrF光刻胶是第一个采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。由于采用化学放大技术，因此感光速率快（30-50mj）、分辨率高，可应用于0.25-0.13um工艺线宽。结合分辨率增强技术（Resolution Enhancement Technique, RET），可以进一步应用于0.11um基至90nm工艺线宽。

ArF（193nm）光刻胶

• 曝光光源：分干式ArF光刻胶和ArFi浸没式光刻胶
• 适用工艺线宽：干式适用于130-65nm，ArFi浸没式适用于45-7nm
• 主要应用：集成电路
• 特点：ArF光刻胶采用化学放大技术，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干式光刻胶应用于90-65nm工艺线宽；ArFi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。ArFi浸没式光刻胶须在光致产酸剂及添加剂方而做相应调鉴，且应用时辅助以顶部涂层防止光刻胶中各组分被水溶出。浸没式光刻技术辅助以相移光掩模、光学邻近效应校正等分辨率增强技术，并结合多重曝光技术，可应用于45-7m工艺线宽。

EUV光刻胶

• 曝光光源：13.5nm波长极紫外曝光光源
• 适用工艺线宽：7nm及以下
• 主要应用：集成电路
• 特点：目前处在研发阶段的EUV光刻胶基本有三个种类：（1）传统化学放大型。这种光刻股具有光灵敏度高的特点，适合曝光功率受光源能力限制的EUV光刻技术，但是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。（2） 分子玻璃型。这种光刻胶带有保护基团的小分子有机材料。该材料能够用旋涂工艺制备均匀无序的非晶态薄膜。薄膜需要具有一定的热稳定性（Tg约150°C）。但是，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。（3） 金属氧化物型。这种光刻胶具有较大的密度与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，但是，需要较大的曝光能量密度。

新型光刻胶

电子束光刻胶

• 特点：电子束光刻胶顾名思义是用于电子束直写的光刻胶，以聚甲基丙烯酸酯类为主。该类光刻胶在电子束的轰击下可发生断链反应，生成易溶于显影液的物质而实现图形化。电子束斑细、波长短、能量集中，可以获得极高的分辨率，被用于光掩模的制作，受限于电子束直写速度慢，不适合大规模集成电路芯片的制作。
• 发展：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。因此，尽管电子束光刻胶是较早开发的产品，但在此仍将其归为新型光刻胶。

纳米压印光刻胶

• 类型：纳米压印光刻胶主要有热固化型和紫外固化型两种：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，在冷却脱模后，通过刻蚀将图形转移到衬底上；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，脱模后，通过刻蚀将图形转移到衬底上。
• 组成：纳米压印光刻胶由丙烯酸树脂、引发剂、交联剂、添加剂等混配而成。纳米压印工艺易受压印模板缺陷的影响，限制了其在集成电路工艺中的应用。

定向自组装型光刻胶

• 原理：定向自组装（Directed Self-Assembly,DSA）光刻胶是利用嵌段共聚物不同链段的不同性质而发生自发规则排列，从而实现图形转移的下一代光刻材料。在定向自组装技术中，以化学性质不同的两种以上单体聚合而成的嵌段共聚物为原料，在一定条件下发生微相分离形成纳米尺度的图形，诱导图形成为规则排列的纳米线或纳米孔阵列，根据不同链段的刻蚀速率差异实现类似于光刻的目的。
• 特点：微相分离的尺寸与嵌段共聚物的分子量相关，分子量越小，形成周期性结构的尺寸越小，因此定向自组装光刻胶可以摆脱传统光刻技术，通过对材料的设计与控制，实现对光刻图形及尺寸的控制。定向自组装光刻胶具有成本低、分辨率高等优点。其应用领域包含芯片制造、硬盘磁头的制造、光子品体等领城，是近年来研究的热点。

聚酰亚胺光刻胶

• 定义：聚酰亚胺光刻胶又称聚酰亚胺光敏树脂（Photosensitive Polyimid,PSPI），是由有机二酐单体与有机二胺单体在有机溶剂中通过缩合反应和酰亚胺化反应而生成的有机高分子材料，既具有普通光刻胶的光刻特性，又具有特有的热稳定性、电绝缘性、低介电常数及介电损耗等特性。
• 应用：在集成电路制造与封装工艺中应用于表面钝化层和应力缓冲吸收层、多层互连电路的层间绝缘膜等，还应用于液晶显示（LCD）的液晶取向层膜、有机发光器件 （OLED）的绝缘层等。
• 工艺：制作芯片表面钝化层是将聚酰亚胺树脂或其前驱体涂覆在器件表面上，经高温烘烤固化而形成。芯片钝化层用聚酰亚胺树脂包括标准型聚酰亚胺树脂 （Standard Polyimid） 和光敏型聚酰亚胺树脂 （PhotosensitivePolyimid）。标准型聚酰亚胺树脂可借助光刻胶通过光刻工艺制作立体图形或通孔，工艺步骤复杂，器件成品率相对较低；光敏型聚酰亚胺树脂可直接通过曝光/显影完成需要的图形或开口制作，光刻后，经过高温缩聚完成关环，工艺步骤相对较少，器件成品率相对较高。多层互连电路层间绝缘膜是将聚酰亚胺光敏树脂（PSPI）溶液涂覆在衬底表面上，经紫外（I线或G线）曝光后，光掩模挡树脂与非遮挡树脂的溶解度差异变大，再采用显影液去除易溶的树脂得到立体光刻图形，形成光刻图形的聚酰胺酸脂经高温固化完成亚胺化反应形成聚酰亚胺固化层。