2. 光刻胶基础知识
光刻胶（Photoresist，又称光阻）是光刻工艺的核心耗材。它是一种对光（通常为紫外光、深紫外光或极紫外光）敏感的高分子混合溶液。当受到特定波长光线照射后，其化学结构（溶解度）会发生改变，从而在衬底表面形成预设的图形掩膜，保护下层材料在后续刻蚀或离子注入中不被加工。
2.1 光刻胶的分类：正胶与负胶
根据曝光后显影区域的变化，光刻胶分为正胶（Positive Tone）和负胶（Negative Tone）两大类。下表从反应机理、图形轮廓到工艺应用进行了全面对比。
| 对比维度 | 正胶（Positive Photoresist） | 负胶（Negative Photoresist） |
|---|---|---|
| 曝光区溶解度 | 曝光区 → 溶解度增大 → 显影时被去除 | 曝光区 → 发生交联/聚合 → 溶解度降低 → 显影时保留 |
| 掩膜版极性 | 掩膜版图形与最终晶圆图形相同（明场对应保留区） | 掩膜版图形与最终晶圆图形相反（暗场对应保留区） |
| 图形轮廓 | 通常可获得更垂直、更陡峭的侧壁轮廓 | 易形成“T型顶”或底切轮廓，高分辨率下控制难度大 |
| 分辨率极限 | 较高（可达数十纳米级，适用于先进节点） | 较低（传统负胶分辨率受限，但新型负胶已大幅提升） |
| 抗刻蚀性 | 一般（需通过硬烘或交联添加剂改善） | 较好（交联网络结构致密，耐刻蚀性强） |
| 典型应用 | 逻辑芯片关键层、栅极、金属互连层 | 凸点（Bump）、重布线层（RDL）、MEMS厚胶工艺 |
2.2 光刻胶的主要成分
无论是正胶还是负胶，其配方体系都包含四种核心组分：树脂（Resin/Base Polymer）、感光剂（Photoactive Compound, PAC）、溶剂（Solvent）和添加剂（Additives）。各组分的作用与典型材料如下表所示。
| 组分 | 质量占比（典型） | 核心功能 | 典型材料举例 |
|---|---|---|---|
| 树脂（Resin） | 10% – 30% | 提供成膜性、机械强度、抗刻蚀性；决定胶的基体性能 | 酚醛树脂（Novolac）、聚羟基苯乙烯（PHS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） |
| 感光剂（PAC） | 1% – 10% | 吸收光能，引发化学变化（溶解性切换或交联反应） | 重氮萘醌（DNQ，用于I-line正胶）、光致产酸剂（PAG，用于KrF/EUV化学放大胶） |
| 溶剂（Solvent） | 60% – 85% | 溶解固体组分，调节粘度，实现均匀涂布；涂布后通过烘烤挥发 | 丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA）、乳酸乙酯（EL）、环己酮（Cyclohexanone） |
| 添加剂（Additives） | < 5% | 改善涂布均匀性、抑制驻波、增强附着力、延长保质期 | 表面活性剂（Surfactant）、抗反射涂层添加剂、交联剂、稳定剂 |
2.3 各组分详解与工艺关联
2.3.1 树脂（Resin）—— 胶的“骨架”
树脂是光刻胶中占比最大的固体成分，决定了胶膜的力学性能、热稳定性和抗刻蚀能力。在I-line正胶中，酚醛树脂（Novolac）与DNQ感光剂配合使用；在KrF/ArF化学放大胶（CAR）中，树脂通常为聚羟基苯乙烯（PHS）或含内酯基团的丙烯酸酯共聚物，以平衡分辨率与抗刻蚀性。
2.3.2 感光剂（PAC）—— 光响应的“开关”
感光剂是光刻胶实现图形转移的关键。以经典的I-line正胶为例：DNQ在未曝光时是溶解抑制剂，抑制酚醛树脂在碱性显影液中的溶解；曝光后DNQ发生光化学反应生成茚羧酸，变为溶解促进剂，使曝光区快速溶解于显影液。对于深紫外（DUV）和极紫外（EUV）光刻胶，感光剂为光致产酸剂（PAG），曝光后产生强酸，催化树脂发生脱保护反应（化学放大机制），大幅提高感度。
2.3.3 溶剂（Solvent）—— 涂布的“载体”
溶剂的选择直接影响涂布质量。PGMEA（丙二醇甲醚醋酸酯）因其适中的沸点（146°C）、良好的溶解性和安全性，成为最广泛使用的光刻胶溶剂。涂布后必须通过软烘（Soft Bake）去除大部分溶剂，残留溶剂过多会导致胶膜发粘、显影异常或图形塌陷。
2.3.4 添加剂（Additives）—— 性能的“微调器”
添加剂用量虽少，但对工艺窗口影响显著。例如：表面活性剂降低胶液表面张力，改善晶圆边缘的涂布均匀性；抗反射涂层添加剂（BARC或TARC）可抑制底部反射引起的驻波效应；交联剂用于负胶体系，增强曝光区的交联密度。
2.4 光刻胶选型的关键参数
在实际工程中，光刻工程师需要根据工艺节点、曝光波长和刻蚀条件综合评估光刻胶。以下为选型时需重点关注的参数清单：
- 分辨率（Resolution）： 光刻胶能清晰分辨的最小线宽或间距，通常以 k₁ 因子和曝光波长共同决定。
- 感度（Sensitivity）： 达到目标图形所需的最小曝光剂量（单位：mJ/cm²）。感度过低会导致产能下降，感度过高则易产生驻波。
- 对比度（Contrast, γ）： 光刻胶在曝光剂量变化时溶解度突变的陡峭程度。高对比度胶种可获得更垂直的侧壁。
- 抗刻蚀性（Etch Resistance）： 胶膜在等离子体刻蚀中的耐受能力，通常与树脂的碳氢比（C/H）相关。
- 粘度（Viscosity）与固含量： 直接影响旋涂厚度。高粘度胶适用于厚胶工艺（如MEMS），低粘度胶适用于薄胶高分辨率工艺。
- 存储稳定性（Shelf Life）： 光刻胶在存储过程中感度、颗粒度等指标的变化速率，通常要求冷藏（4–10°C）避光保存。