光刻胶分类与特性：正性胶和负性胶以及SU-8厚胶和AZ 1500 系列光刻胶（下）

四、正负性光刻胶归一的可能性

（一）技术本质的不可替代性

1. 分辨率与图形结构的根本差异

负胶短板：显影溶胀（Swelling）导致分辨率难以突破1 μm，而先进制程（5 nm以下）需<0.1 μm精度。

正胶优势：化学放大（CAR）机制通过酸催化反应实现分子级精度，分辨率达0.01 μm（EUV时代）。

场景分化：负胶适合微米级图形（如MEMS传感器、功率器件栅极）。正胶垄断纳米级集成电路（CPU/DRAM）制造。

2. 显影机制与环境影响

环保法规趋严（如欧盟REACH）倒逼产业减少有机溶剂使用，正胶更符合可持续发展需求

（二）应用场景的分化不可调和

1. 需求侧的分层结构

2. 成本与性能的平衡

负胶优势场景：需厚膜（>20 μm） 的结构（如TSV硅通孔）；孤立金属线路制造（显影Undercut防止电镀短路）；对分辨率要求宽松的 低成本器件（如PCB板）。

正胶不可替代场景：高密度集成电路的 接触孔/金属互连（正胶的垂直剖面更精确）；EUV光刻（依赖化学放大正胶的灵敏度）。

（三）未来发展趋势：互补而非归一

1. 技术改良方向分化

负胶：开发水性显影体系（如JSR的NS系列），减少有机溶剂依赖；提升分辨率，与纳米压印复合胶（NIL）结合的负胶抗蚀性。

正胶：扩展至 厚胶领域（如TOK的IP系列，膜厚达50 μm）。EUV灵敏度优化（分子玻璃型正胶灵敏度突破10 mJ/cm²）。

2. 新兴融合技术

双性光刻胶（Dual-tone Resists）：同一胶体通过曝光波长切换正/负性（如Inpria的金属氧化物胶）。局限性在于工艺复杂，成本高昂，仅限特定研发场景。

功能化分层胶：底层用负胶（抗蚀），上层用正胶（高分辨），但图形对准难度大。

（四）结论：

1. 长期互补共存的三重逻辑

物理极限不可跨越：负胶溶胀效应是高分子交联的固有特性，无法满足纳米级图形需求。

成本与环保的权衡：正胶在水性显影和分辨率上的优势，与负胶在厚膜和抗蚀性上的特长形成“技术护城河”。

产业需求多元化：从纳米芯片到厘米级封装，不同尺度器件需匹配不同光刻胶特性。

2. 未来十年预测：

负胶在 先进封装（2.5D/3D IC）、MEMS、显示面板领域占比将提升至65%以上。正胶继续主导 高端逻辑/存储芯片制造（市占率>90%）。双性胶可能在小众领域（如光子芯片）实现突破，但无法取代单性胶主体地位。

基于正性光刻胶的光刻方法与流程

五、SU-8厚胶及其在MEMS中的应用

（一）化学组成与光化学机理

1. 化学组成

SU-8是一种环氧树脂基负性光刻胶，其名称源于每个分子平均含有8个环氧基团（"SU"代表环氧树脂，"8"代表环氧基数）。这种独特的化学结构奠定了其在微纳加工领域的重要地位。SU-8的基础配方包含三个关键组分：

环氧树脂基质：采用EPON SU-8环氧树脂作为主体材料，具有高度支化的分子结构，每个分子平均带有8个环氧基团5。这种多官能度特性使其在交联反应中能形成致密的三维网络，赋予材料优异的机械强度和化学稳定性。

光引发剂系统：通常使用三苯基硫鎓六氟锑酸盐（占树脂重量的10%）作为光产酸剂（Photoacid Generator, PAG）。在紫外光照射下，该化合物发生光解反应，生成强质子酸（H⁺SbF₆⁻）。反应式为：
Ph₃S⁺SbF₆⁻ + hν → Ph₂S• + Ph• + H⁺SbF₆⁻

溶剂体系：主要采用γ-丁内酯（GBL）作为溶剂，其含量直接决定光刻胶粘度。SU-8系列产品通过调节GBL比例实现不同粘度等级，满足从亚微米到毫米级的厚度需求57。例如，SU-8 2000系列中，GBL含量从SU-8 2002的73%递减至SU-8 2100的约60%，粘度相应提高。

2. 化学机理

光化学反应机理遵循化学放大原理，包含两个关键阶段：

光生酸阶段：365-400nm紫外光引发PAG分解，曝光区域产生强酸（H⁺），未曝光区域保持中性。

热驱动交联阶段：在95-110℃后烘（PEB）过程中，酸催化环氧基团开环，发生阳离子聚合。每个环氧基可与其他分子或同一分子的环氧基反应，形成醚键交联网络。反应方程式为：
环氧基 + H⁺ → 碳阳离子 → 亲核攻击另一环氧基 → 醚键交联

这种化学放大机制使SU-8具有高灵敏度和深度均匀性——一个光子产生的酸催化剂可引发数百个环氧基交联，即使在厚胶层中也能实现均匀曝光。

SU-8 2000系列产品规格与厚度范围

（二）制造工艺与参数优化

SU-8厚胶光刻工艺是一个多步骤精密控制过程，每一步参数的微小偏差都可能导致结构缺陷。以下针对关键工艺环节进行深入解析：

1. 基板预处理

表面清洁：采用食人鱼溶液（H₂SO₄:H₂O₂=3:1）或氧等离子体处理去除有机污染物，确保基板亲水性。

增粘处理：对于金属（金）基板，推荐使用HMDS（六甲基二硅氮烷）作为增粘剂，80-120℃烘烤5分钟，显著改善SU-8与惰性表面的附着力。

2. 旋涂工艺：

低速旋涂（500rpm/10s）：使胶体均匀铺展，消除边缘收缩。

高速旋涂（2,000-3,000rpm/30-60s）：精确控制厚度，加速度需≥300rpm/s避免振动。

边缘珠去除（EBR）：使用PG溶剂（丙二醇甲醚乙酸酯）在晶圆边缘5mm范围内去除增厚胶体，防止掩膜接触不良。

3. 前烘（软烘）

前烘目的是去除溶剂，温度控制不当会导致内应力积累和开裂：

温度窗口：80-95℃，低于80℃溶剂残留导致显影异常，高于95℃引发预交联降低感光度。

时间优化：采用阶梯升温法——65℃/5min + 95℃/20min（100μm胶层），避免表面结皮。

设备选择：必须使用热板（非对流烤箱），确保热传递均匀。实验表明，热板烘烤比烘箱降低应力40%以上。

4. 曝光与后烘

曝光剂量控制：

i-line（365nm）推荐剂量150-180mJ/cm²，剂量不足导致残留底膜，过量引发侧壁粗糙。

光学滤波：添加长通滤光片（PL-360-LP）截止<350nm短波紫外，减少表面过度曝光，改善侧壁垂直度。

5. 后烘（PEB）：

95℃/5-15min触发酸催化交联，延迟显影潜影出现（5-15秒内为最佳）。

厚胶（>100μm）需缓慢升降温（1-2℃/min），减少热应力导致的基板翘曲。

6. 显影与后处理

1）显影液选择：

专用SU-8显影剂（丙二醇甲醚乙酸酯基）或乳酸乙酯，浸没时间70-80秒（100μm胶层）。

2）强化传质：

超声辅助显影（40kHz）：提高深孔内未交联胶溶解效率3倍。

阶梯显影法：先50%浓度显影液浸润，再用100%溶液去除残留。

3）干燥工艺：

超临界点干燥（CO₂临界点31℃/73bar）彻底避免微结构倒塌，尤其适用AR>10的微柱阵列。

（三）性能特性与表征

SU-8厚胶凭借其独特的交联结构展现出多方面的优异性能，使其在MEMS领域具有不可替代性：

1. 机械与物理性能

高深宽比能力：在标准i-line光刻下可实现深宽比20：1，结合172nm VUV光刻更可达50：1，侧壁垂直度误差<0.5°23。例如，300μm厚胶层可形成15μm宽微柱阵列。

力学性能：弹性模量，纯SU-8约4GPa，添加15%滑石粉+15%石墨的复合材料提升至7.97GPa（提高3倍）；硬度从0.26GPa（纯胶）增至0.52GPa（复合填充）；低溶胀性：在pH=13强碱液中浸泡24小时膨胀率<0.3%，保障电镀模具尺寸稳定性。

2. 热学与化学稳定性

耐热性：玻璃化转变温度（Tg）>200℃，短期可承受250℃工艺温度，适用于高温沉积和退火。

抗化学腐蚀：耐强酸（H₂SO₄，HCl）、强碱（KOH）及有机溶剂（丙酮、IPA）；在FeCl₃刻蚀液中持续工作5小时无降解，适合微流控芯片湿法刻蚀掩模。

3. 功能缺陷与应对措施

尽管性能优异，SU-8仍存在三个关键缺陷需针对性解决：

基板翘曲：热膨胀系数（CTE=52ppm/℃）与硅（2.6ppm/℃）失配导致。解决方案：采用厚硅基板（>500μm）或金刚石切割分片释放应力。优化中烘条件，95℃→65℃慢降温（1℃/min）降低热应力40%。

难去除性：交联网络致密，常规溶剂无法渗透。创新方法包括：热N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶胀剥离：120℃处理2小时，通过裂纹渗透实现整体脱膜。反应离子刻蚀（RIE），O₂等离子体（25sccm，40mTorr，140V）选择性灰化残留胶体。

摩擦磨损：纯SU-8摩擦系数（CoF）约0.8，磨损率高。复合材料方案：添加15wt%石墨+15wt%滑石粉，CoF降至0.2（降低4倍），磨损率降低103倍。

（四）MEMS应用场景

SU-8厚胶在微机电系统（MEMS）中展现出广泛的应用价值，尤其在高深宽比、三维结构和特殊环境器件中具有独特优势：

1. 核心应用领域

1）高深宽比微结构

静电微马达：制造300μm高定子与轴承柱，最小间隙50μm，嵌入根结构增强金属-基板附着力。

碳MEMS先驱体：SU-8微柱阵列（直径1.8μm，AR=11）经高温碳化形成导电微电极。

2）微流控芯片

PDMS模具：快速成型法制作微通道，SU-8主模深宽比>10，侧壁粗糙度<50nm。

集成功能单元：直接作为亲水涂层、电绝缘层或生物功能化基底，简化芯片结构。

3）传感器与执行器

聚合物悬臂梁：SU-8核心层（模量~4GPa）夹于Si₃N₄层间，实现高柔性与自感知集成，力噪声比硅基降低6倍。

惯性开关：172nm光刻制备深宽比20：1结构，侧蚀控制<0.5μm。

2. 典型应用案例解析

案例1：三层聚合物-半导体-陶瓷悬臂梁——洛桑联邦理工学院（EPFL）开发的创新结构：

架构：SU-8核心层（厚） + 两侧Si₃N₄陶瓷层 + 嵌入半导体应变计。

优势：杨氏模量仅为氮化硅的1/60，实现低弹簧常数（0.1N/m）与大挠曲。流体兼容性，在FeCl₃中工作5小时无腐蚀，适用于生物液体环境。

性能：力灵敏度提升3倍，AFM成像分辨率达原子级。

案例2：UV-LIGA金属微结构——静电微马达部件制造流程：

SU-8胶旋涂（300μm）→ 曝光形成定子模具。

电镀镍填充型腔 → 热NMP剥离胶模（120℃/2h）。

创新嵌入根设计：底部微锚点结构使金属-基板粘附力提升5倍，避免器件脱附。

（五）比较优势与替代材料

SU-8在厚胶光刻领域具有显著优势，但也面临特定挑战，需根据应用需求选择替代材料：

1. 与正胶及干膜胶对比

SU-8与主要替代光刻胶性能对比

2. 应用场景选择指南

首选SU-8场景：深宽比>15的厚金属电镀（如TSV硅通孔）；高温/强腐蚀环境（>150℃，强酸强碱）；结构即功能器件（如一次性微反应器）。

推荐替代方案：酸性电镀环境选用Ordyl P-50100干膜胶，脱模效率提升5倍。碱性电镀浅层结构选SPR 220-7正胶，分辨率满足50μm深结构。

SU-8胶在MEMS中的应用成果

（六）前沿进展与发展方向

SU-8厚胶技术正经历革命性创新，主要集中在材料改性、工艺革新和智能化制造三个方向：

1. 材料复合化与功能化

纳米复合增强：15wt%石墨+滑石粉填充，摩擦系数降至0.2，耐磨性提升103倍，适用于MEMS滑动接触部件；SiO₂纳米颗粒掺杂，提升折射率至1.65，实现光波导集成。

生物功能化：表面接枝RGD肽链，细胞粘附率提升70%，用于器官芯片；抗菌Ag纳米颗粒，植入型MEMS感染率降低90%。

2. 新型光刻与后处理技术

172nm真空紫外（VUV）光刻：光子能量7.23eV，直接打断C-C键，实现无掩模直写。工艺革新省去显影步骤，500μm厚胶单次曝光固化，效率提升4倍。

超临界干燥：CO₂临界点处理消除毛细力，保障AR>10微柱阵列完整性（倒塌率<1%）。

低温固化配方：PI/PDMS混合体系：固化温度降至40℃，兼容PET柔性基底。

3. 智能化与集成化制造

AI工艺优化系统：实时监测曝光剂量衰减，动态调整曝光时间（±3%精度），消除批次差异。

国产化协同体系：中科院与广明源制定《172nm光刻胶-设备接口标准》，推动国产T150A胶分辨率达120nm。

异质集成技术：SU-8与SiC晶圆低温键合：热导率提升至80W/mK，适用于功率MEMS散热。

（七）总结与展望

SU-8厚胶凭借其高深宽比能力、优异的机械化学稳定性和三维成型灵活性，已成为MEMS制造不可或缺的材料。尤其在微流控芯片、高精度传感器、微执行器和先进封装领域展现出不可替代的优势。然而，基板翘曲、难去除性和摩擦磨损问题仍是当前主要挑战。

未来发展趋势将聚焦于三个方向：

多功能复合材料：开发纳米颗粒增强、生物功能化和光学活性SU-8体系，拓展其在生物MEMS和光电器件中的应用。

绿色制造工艺：172nm VUV光刻技术将大幅简化制程，减少有机溶剂使用90%，推动MEMS制造向环保化发展。

智能化控制系统：基于机器学习的参数自适应平台将实现工艺实时优化，预计良率提升至98%以上，成本降低30%。

随着材料创新与工艺突破，SU-8厚胶将继续在柔性电子、生物医疗MEMS和纳米光机电系统（NOEMS）中发挥核心作用，为下一代智能微系统提供强大技术支撑。

六、AZ 1500 系列光刻胶解析

（一）配方设计与合成工艺

1. 基础树脂体系

AZ 1500系列以酚醛树脂（Novolak） 为核心基体，通过分子量调控实现差异化性能：

标准版AZ 1500：采用中等分子量酚醛树脂（Mw ≈ 3000–5000），平衡分辨率与附着力，适用于1 μm以上图形化需求。

高附着力版AZ 1500 HS：选用低分子量树脂馏分（Mw < 3000），提升对金属（如铝）的粘附性，显著抑制湿法蚀刻中的“鼠咬”（Mousebite）缺陷。

接触曝光专用AZ 1514 H：优化树脂分散性，降低感光度以延长曝光时间窗口（约10秒@15 mW/cm²），提升工艺容差。

2. 感光剂体系

全系列采用重氮萘醌（DNQ） 作为光活性化合物（PAC），其在310–440 nm波段（覆盖g/i/h汞灯谱线）发生光解反应。曝光后DNQ经Wolff重排生成茚羧酸，使曝光区在碱性显影液中溶解速率提升100倍以上，形成正性图形。

3. 溶剂体系

以丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA） 替代早期有毒溶剂（如乙二醇乙醚醋酸酯），具备以下优势：低毒性且沸点适中（146℃），旋涂时流平性优异；溶剂残留量<4%（软烘后），避免显影缺陷1。

4. 功能添加剂

增粘剂：内置硅烷偶联剂，增强与SiO₂/Si等亲水基底的结合力，减少剥离风险。

流平剂：改善厚胶旋涂均匀性，支持0.5–6 μm膜厚范围。

系列变体配方差异

（二）关键性能与工艺特性

1. 光敏特性

高感光度：标准曝光剂量60–100 mJ/cm²（g线），较传统胶（如AZ 1350）提升5–10%，提升产能。

宽光谱响应：覆盖310–440 nm，兼容宽带/单色曝光系统。

2. 工艺参数特性

旋涂控制：膜厚T与转速S满足 T ∝ S^–0.5，例如4000 rpm得膜厚1.5 μm。

热流程：前烘100℃/60秒（去除溶剂）；后烘120℃/120秒（增强耐蚀刻性）。

3. 机械与界面性能

抗蚀刻性：在氧等离子体干刻中选择比达1:3（胶:Si），湿刻中耐碱性溶液（如KOH）。

阶梯覆盖性：在凹凸基底表面成膜均匀性±2%，优于负胶。

4. 环境适应性

显影采用水性碱液（0.5% NaOH或AZ 300MIF），对比负胶所需的有机溶剂（如二甲苯），更环保且废液处理成本低30%14。

（三）应用场景分析

1. 半导体制造

成熟制程（>0.35 μm）：用于铝布线层光刻，配合湿法蚀刻（磷酸系溶液），良率>99%。

分立器件：AZ 1500 HS解决铝蚀刻边缘毛刺问题，减少返工率15%。

2. 防伪与光学器件

微透镜阵列防伪膜：通过热熔法制作微透镜母模，再结合PDMS转印；背面旋涂AZ 1500制备微缩文字阵列，实现双面体视防伪效果。

优势：高平整度（膜厚差<0.1 μm），显影后文字边缘清晰度达±0.2 μm。

3. 微纳结构加工

射频同轴传输器：作为电铸掩模，通过分次曝光显影法解决厚胶（AZ 50XT）内部曝光不均问题，实现侧壁倾角>85°的60 μm高深宽比结构。

OLED电极图案化：在剥离工艺中作牺牲层，形成锥形宽度仅0.7 μm的精细电极。

4. 有机电子学

QLED阵列：通过液桥刷印技术制备超薄AZ 1500膜（20–100 nm），可见光光刻实现高密度像素坑，用于VR/AR显示器件。

（四）比较优势与局限性

1. 与传统光刻胶比较

AZ1500与传统光刻胶比较

2. 与负性光刻胶比较

优势：无显影溶胀，图形畸变<5%（负胶达10%）；水性显影更环保。

劣势：粘附性弱于SU-8等负胶，在深槽蚀刻中需增粘预处理。

3. 与厚胶体系比较

AZ P4000/AZ 10XT：支持>100 μm膜厚，但分辨率降至5 μm；AZ 1500更适中厚层需求（1–6 μm）。

4. 局限性

分辨率局限：无法满足<0.5 μm先进制程，需升级至化学放大胶（如KrF胶）。

成本压力：进口胶单价较高，国产替代品（如苏州瑞红）价格低30%，但性能稳定性待提升。

（五）前沿进展与技术创新

1. 薄胶化工艺创新

液桥刷印技术：通过毛细管供墨与细线刮涂，制备20–100 nm超薄膜，突破旋涂法厚度极限，用于QLED高分辨阵列。

2. 厚胶精度提升

分次曝光显影法：对AZ 50XT（同系列厚胶）分步曝光，补偿内部光强衰减，使60 μm胶层侧壁垂直度>85°。

3. 绿色工艺开发

无PFOS显影剂：配套AZ 300MIF显影液（无全氟辛烷磺酸），符合欧盟REACH法规。

4. 功能扩展

光刻胶热熔法：140℃烘烤使棱柱状AZ胶塌陷成球面微透镜，用于AR导光板制造36。

（六）总结

AZ 1500系列作为经典G线正胶，通过树脂馏分精细化（如HS型号）与溶剂环保化（PGMEA体系）持续迭代，在成熟制程半导体、光学防伪及MEMS领域保持不可替代性。未来发展聚焦两大方向：

薄/厚胶极限拓展：液桥刷印实现纳米级薄膜，分次曝光优化百微米级厚胶精度；

跨领域融合：与PDMS软刻蚀、溶胶凝胶转印结合，开发低成本的混合微纳制造工艺。

尽管面临先进制程的分辨率瓶颈，其在性价比与工艺容差上的优势，仍使其在非硅基器件（如柔性电子、光学薄膜）中具有广阔应用前景。

（全文结束）

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