光刻胶用光敏剂和常见添加剂及其种类和组成成分

光刻胶配套试剂

一、光刻胶用光敏剂种类与组成

光敏剂是光刻胶中的关键成分，其主要作用是在特定波长的光照下发生化学反应，从而改变光刻胶在显影液中的溶解性，实现图形从掩膜版到基底的转移。

（一）光敏剂的主要类型

光敏剂根据其作用机理和适用光刻胶类型的不同，主要可以分为以下几类：

1. 重氮萘醌（DNQ）类化合物

主要成分：通常是2-重氮-1-萘醌-5-磺酰氯（或其它磺酰氯变体）与各种羟基化合物（如酚醛树脂、特定的酚类化合物）通过酯化反应得到的磺酸酯类衍生物 。

作用机理：常用于正性光刻胶。未曝光时，DNQ作为溶解抑制剂，降低树脂在碱性显影液中的溶解度；曝光后，DNQ发生Wolff重排反应，生成烯酮并进一步水解为羧酸，从而使曝光区域变得可溶于碱性显影液 。

应用范围：主要应用于g线（436 nm）和i线（365 nm） 光刻工艺。

2. 光致产酸剂（PAG）

主要成分：主要包括鎓盐类（如二芳基碘鎓盐、三芳基硫鎓盐的六氟锑酸盐、六氟砷酸盐、六氟磷酸盐等）和非离子型化合物（如重氮盐、磺酸酯等） 。

作用机理：用于化学放大型光刻胶（CAR）。PAG在吸收光子后产生强酸（如H⁺）。在后续的曝光后烘焙（PEB）过程中，这种酸作为催化剂，催化树脂发生去保护基等化学反应，从而显著改变树脂在显影液中的溶解度（一个酸分子可催化多个反应，故称“化学放大”） 。

应用范围：是KrF（248 nm）、ArF（193 nm）、EUV（13.5 nm） 等先进光刻胶的核心光敏成分 。

2. 游离基光引发剂

主要成分：包括安息香及其醚类（如安息香二甲醚）、二苯甲酮类、烷基苯酮类等 。

作用机理：吸收光能后产生自由基，引发树脂（如丙烯酸树脂、肉桂酸酯类树脂）的交联聚合反应，使曝光区域变成不溶物（负性光刻）4。

应用范围：更多用于一些特殊光刻工艺（如部分纳米压印光刻胶、紫外光固化刻蚀胶）。

3. 其他特殊光敏剂

例如在聚乙烯醇肉桂酸酯负性光刻胶中使用的5-硝基苊作为增感剂 。在聚酰亚胺光刻胶中，也会使用DNQ作为光敏剂 。

光刻胶光分解和光交联示意图

（二）光敏剂的组成特点

1. 高纯度：

半导体级光敏剂对金属杂质含量（如Na、K、Fe等）要求极严，通常需小于1 ppb（十亿分之一），以避免对半导体器件性能造成不良影响 。

2. 结构与性能关联：

光敏剂的分子结构直接影响其吸收波长、光敏效率（灵敏度）、产酸量/产酸强度、储存稳定性等。例如，通过化学修饰可以调整其吸收特性以匹配特定光源 。

3. 与树脂的配伍性：

光敏剂需要与树脂基体具有良好的相容性，以避免析出并保证光刻胶成分的均匀性和稳定性 。

光刻胶主要成分

二、光刻胶常见添加剂及其主要成分

除了树脂和光敏剂，光刻胶中还包含多种添加剂，用以优化其涂布性能、稳定性、图形化质量等。

1. 添加剂种类及成分

光刻胶用主要添加剂种类及其组成成分

2. 添加剂的使用权衡

添加量少，作用大：添加剂虽然在光刻胶中占比很小（通常百分之几甚至更低），但对光刻胶的性能至关重要，不可或缺。

相容性与副作用：添加剂的加入不能影响光刻胶的光敏特性、分辨率等核心性能，也不能引入有害的金属杂质或导致胶体不均匀 。

配方平衡：光刻胶的配方是一个复杂的体系，各种成分需要精细平衡，才能达到最佳的综合性能。不同应用场景（如I线、KrF、ArF）、不同厂商的光刻胶配方往往各不相同，具有很高的技术壁垒。

化学放大光刻胶

三、总结与展望

光刻胶中的光敏剂（如DNQ、PAG）和添加剂（如溶剂、附着力促进剂、表面活性剂等）虽然在实际配方中占比不同，但它们共同决定了光刻胶在特定波长下的灵敏度、分辨率、对比度、附着力、抗蚀性以及工艺宽容度等关键性能。

目前，高端光刻胶技术（尤其是KrF、ArF、EUV及其配套的光敏剂和添加剂）主要由少数国际化工巨头主导。对于国内产业而言，实现光刻胶用树脂、光敏剂（特别是高性能PAG）、高纯度添加剂以及配方技术的突破，是摆脱对外依赖、推动半导体产业链自主可控的关键环节 。

重氮萘醌(DNQ)的光刻反应

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