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半導體制造材料(2)-光刻膠

合明科技 ?? 2757 Tags:半導體制造材料光刻膠半導體清洗

半導體制造材料(2)-光刻膠

光刻膠(Photoresist)又稱光致抗蝕劑,是指通過紫外光、電子束、離子束、X射線等的照射或輻射,其溶解度發(fā)生變化的耐蝕劑刻薄膜材料。光刻膠是由感光樹脂、增感劑和溶劑3種主要成分組成的對光敏感的混合液體。光刻膠是微電子領域之中的一個細圖加工最主要的工具,光刻膠在光刻工藝過程中,用作抗腐蝕涂層材料。近年來經濟快速發(fā)展,芯片,集成電路等行業(yè)都得到了極大的發(fā)展,而光刻膠作為這些行業(yè)的下游產業(yè)鏈,同樣的迎來了自己的發(fā)展。光刻是半導體前道制程中的關鍵工藝,光刻工藝能夠實現的精度與其中所使用的設備-光刻機、材料-光刻膠緊密相關。光刻膠主要應用于顯示面板、集成電路和半導體分立器件等細微圖形加工作業(yè)。光刻膠生產技術較為復雜,品種規(guī)格也較多。

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一、光刻原理:

光刻膠在半導體制程中起到了圖形轉移的作用。光刻工藝中,在待刻蝕物質的表面涂敷光刻膠,光刻膠經曝光后,被曝光部分或者未曝光部分在顯影過程中被去除,從而得到所需要的圖形,在此基礎上對物質進行針對性的刻蝕,最后去除掉光刻膠。在實際工藝中,為達到更好的光刻效果,會在曝光前后以及顯影后對光刻膠進行烘焙。

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圖1. 光刻過程

二、光刻膠分類:

根據應用領域,光刻膠可分為半導體光刻膠、平板顯示光刻膠和PCB光刻膠,其技術壁壘依次降低。相應地,PCB光刻膠是目前國產替代進度最快的,顯示光刻膠替代進度相對較快,半導體光刻膠目前國產技術較國外先進技術差距最大。

PCB光刻膠用于印刷線路板的圖案化工藝,主要分為干膜光刻膠、濕膜光刻膠、阻焊油墨。干膜光刻膠是由配置好的液態(tài)光刻膠均勻涂抹在載體PET薄膜上,經過烘干、冷卻后,蓋上PE薄膜,收卷而成的薄膜光刻膠。在使用時,將干膜光刻膠壓在覆銅板上,經過曝光顯影將電路圖轉移到光刻膠上。通過后續(xù)對覆銅板刻蝕加工,形成PCB上的線路,主要用于75-100μm制程。濕膜光刻膠又稱為感光線路油墨,分為抗電鍍油墨和抗刻蝕油墨,與干膜工序相似,材料成本比干膜要低,但是加工設備成本較高,主要用于25-75μm制程。阻焊油墨用于在線路上形成永久的絕緣保護層,防止在焊錫過程中的短路,保證PCB在運輸、存放、使用時安全性。進一步可以細分為UV固化阻焊油墨和液態(tài)感光阻焊油墨。前者用在對精度要求不高的PCB上,附著力較差;感光阻焊油墨則精密度較高。

顯示光刻膠用于平板顯示、顯示器、LCD彩色濾波片制作等光刻工藝中,使用的光刻膠品種根據應用工藝不同主要分為TFT-Array光刻膠、彩色和黑色光刻膠等。TFT-Array正性光刻膠主要應用于TFT-LCD或AMOLED制造中的Array段,包括TFT的圖案化光刻膠,保護絕緣層光刻膠,ITO圖案化光刻膠,OLED Array中平坦層光刻膠,OLED中PDL像素層光刻膠和Yocta制程光刻膠。彩色濾光片由玻璃基板、黑色矩陣、顏色層、保護層、ITO導電層等構成,用于實現LCD面板的彩色顯示,彩色光刻膠(RGB)分為紅、綠、藍三原色光刻膠,經過涂抹、曝光、顯影等工序組成了顏色層;黑色光刻膠則用于形成黑色矩陣(Black Matrix),起到防止漏光的作用。

根據曝光波長的不同,目前市場上應用較多的半導體光刻膠可分為g線、i線、KrF、ArF和EUV 5 種類型。光刻膠波長越短,加工分辨率越高,不同的集成電路工藝在光刻中對應使用不同波長的光源。隨著芯片制程的不斷進步,每一代新的光刻工藝都需要新一代的光刻膠技術與之相匹配。g/i 線光刻膠誕生于 20 世紀 80 年代,當時主流制程工藝在 0.8-1.2μm,適用于波長 436nm 的光刻光源。到了 90 年代,制程進步到 0.35-0.5μm,對應波長更短的 365nm 光源。當制程發(fā)展到 0.35μm 以下時,g/i 線光刻膠已經無法制程工藝的需求,于是出現了適用于 248nm波長光源的 KrF 光刻膠,以及193 納米波長光源的 ArF光刻膠,兩者均是深紫外光刻膠。EUV(極紫外光)是目前最先進的光刻膠技術,適用波長為13.5nm的紫外光,可用于10nm以下的先進制程,目前僅有ASML集團掌握EUV光刻膠所對應的光刻機技術。

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表1. 半導體光刻膠的分類及特點


根據光刻膠在曝光過程中對光線的反應,可以分為正性光刻膠(正膠)和負性光刻膠(負膠)。正性光刻膠在紫外線等曝光源的照射下,將圖形轉移至光膠涂層上,受光照射后感光部分將發(fā)生分解反應,可溶于顯影液,未感光部分不溶于顯影液,仍然保留在襯底上,將與掩膜上相同的圖形復制到襯底上。正性光刻膠響應波長為330-430納米,膠膜厚為1-3微米。負性光刻膠在紫外線等曝光源的照射下,將圖形轉移至光膠涂層上,在顯影溶液的作用下,負性光刻膠曝光部分產生交聯反應而不溶于顯影液;未曝光部分溶于顯影液,將與掩膜上相反的圖形復制到襯底上。負性光刻膠響應波長為 330-430 納米,膠膜厚0.3-1微米。正性光刻膠的分辨率更高,無溶脹現象。因此,正性光刻膠的應用比負性光刻膠更為普及。

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圖2. 正性光刻膠和負性光刻膠


根據在曝光時的光化學反應過程的不同,光刻膠可以分為光聚合型、光分解型、光交聯型和化學放大四種類型。光聚合型是最為初級的材料類型,通過烯類單體在光作用下可產生自由基,生成聚化物的特性,常用于制造正型光刻膠。光分解型光刻膠采用含有重氮醌類化合物材料作為感光劑,光線照射后發(fā)生光分解反應,由油性變?yōu)樗匀軇芍圃煺怨饪棠z。光交聯型光刻膠采用聚乙烯醇月桂酸酯作為光敏材料,光線照射后形成一種網狀結構的不溶物,可起到抗蝕作用,適用于制成負性光刻膠。化學放大型光刻膠使用光致酸劑作為光引發(fā)劑,光線照射后,曝光區(qū)域的光致酸劑會產生一種酸,并在后熱烘培工序期間作為催化劑移除樹脂的保護基團,使樹脂變得可溶。化學放大光刻膠對深紫外光源具有良好的光敏性,具有高對比度、分辨率等優(yōu)點。

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圖3. 光聚合型(左上)、光分解型(右上)、光交聯型(左下)、化學放大型(右下)

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