2. 光刻胶基础：正性光刻胶与负性光刻胶的区别、光刻胶的主要成分、光刻胶的关键参数
光刻胶（Photoresist）是光刻工艺的核心材料，它是一种对光敏感的高分子聚合物溶液。当受到特定波长光线（如紫外光、深紫外光、极紫外光）照射后，其化学结构会发生改变，从而在显影液中产生溶解速率的差异，实现图形从掩模版到衬底表面的转移。理解光刻胶的分类、成分和关键参数，是进行显影液配比优化和工艺调试的前提。
2.1 正性光刻胶与负性光刻胶的区别
根据曝光后光刻胶在显影液中溶解特性的变化，光刻胶主要分为正性光刻胶（Positive Photoresist）和负性光刻胶（Negative Photoresist）两大类。
- 正性光刻胶： 曝光区域的光刻胶在显影液中溶解度增加，被显影液去除；未曝光区域保留。最终得到的图形与掩模版透光区域一致。
- 负性光刻胶： 曝光区域的光刻胶发生交联反应，分子量增大，在显影液中溶解度降低，被保留；未曝光区域被显影液去除。最终得到的图形与掩模版透光区域相反。
下表从多个维度对比了正性光刻胶与负性光刻胶的核心差异：
| 对比维度 | 正性光刻胶 | 负性光刻胶 |
|---|---|---|
| 曝光区域显影行为 | 溶解（被去除） | 不溶解（被保留） |
| 图形极性 | 与掩模版相同 | 与掩模版相反 |
| 分辨率 | 高（可达纳米级） | 较低（易发生溶胀） |
| 对比度 | 高 | 中等 |
| 灵敏度 | 较低（需要较高曝光剂量） | 较高（交联反应效率高） |
| 抗刻蚀性 | 一般 | 较好（交联后结构致密） |
| 显影液 | 碱性水溶液（如 TMAH） | 有机溶剂（如 PGMEA） |
| 典型应用 | IC 制造、先进封装 | MEMS、厚胶工艺、PCB |
下图直观展示了正性光刻胶与负性光刻胶在曝光和显影后的图形形成过程：
2.2 光刻胶的主要成分
光刻胶是一种复杂的多组分混合物，其主要成分包括树脂（Resin）、感光剂（Photoactive Compound, PAC）和溶剂（Solvent）。此外，还可能包含少量添加剂（如表面活性剂、染料、增塑剂）以优化涂布性能和工艺稳定性。
| 成分 | 功能 | 典型材料 | 含量（质量百分比） |
|---|---|---|---|
| 树脂（Resin） | 提供成膜性、抗刻蚀性和机械强度；决定光刻胶的基本物理化学性质。 | 酚醛树脂（Novolac）、聚羟基苯乙烯（PHS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） | 10% – 30% |
| 感光剂（PAC） | 吸收光能并发生光化学反应，改变树脂在显影液中的溶解速率。 | 重氮萘醌（DNQ）、光致产酸剂（PAG，用于化学放大胶） | 1% – 10% |
| 溶剂（Solvent） | 溶解树脂和感光剂，调节光刻胶的粘度，使其适合旋涂成膜。 | 丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA）、乳酸乙酯（EL）、环己酮 | 60% – 90% |
下图展示了光刻胶各主要成分在微观层面的功能协同关系：
2.3 光刻胶的关键参数
光刻胶的性能通过一系列关键参数来表征，其中分辨率（Resolution）、对比度（Contrast）和灵敏度（Sensitivity）是最核心的三个指标，它们共同决定了光刻工艺的能力和效率。
2.3.1 分辨率（Resolution）
分辨率是指光刻胶能够清晰再现的最小特征尺寸（Critical Dimension, CD）。它受限于光刻胶的分子量分布、感光剂扩散长度以及显影过程中的溶胀效应。高分辨率光刻胶通常具有窄分子量分布和低扩散性的感光剂。
2.3.2 对比度（Contrast, γ）
对比度是衡量光刻胶在曝光区与非曝光区之间溶解速率差异陡峭程度的参数。对比度越高，图形侧壁越陡直，工艺窗口越大。对比度由光刻胶的响应曲线（归一化剩余厚度 vs. 曝光剂量对数）的斜率决定。
2.3.3 灵敏度（Sensitivity）
灵敏度是指使光刻胶完全反应所需的最小曝光剂量（单位：mJ/cm²）。灵敏度越高，所需曝光时间越短，产率越高。但高灵敏度往往以牺牲分辨率和对比度为代价，需要在工艺中进行权衡。
| 参数 | 定义 | 单位 | 对工艺的影响 | 典型值范围 |
|---|---|---|---|---|
| 分辨率 | 可再现的最小特征尺寸 | nm 或 μm | 决定工艺节点的极限能力 | 10 nm – 10 μm |
| 对比度（γ） | 响应曲线在阈值处的斜率 | 无量纲 | 影响图形侧壁角度和工艺窗口 | 2 – 10 |
| 灵敏度 | 完全反应所需的最小曝光剂量 | mJ/cm² | 影响产率和曝光机台吞吐量 | 1 – 100 mJ/cm² |
下图展示了光刻胶的对比度曲线，并标注了关键参数：