半導體靈魂材料：一次看懂光刻膠是怎麼刻出奈米電路的

什麼是光刻膠？

光刻膠是一種對光或其他輻射敏感、在曝光後溶解度會改變的薄膜材料，是晶片光刻製程中的關鍵化學材料，用來把掩模上的微細電路圖形轉移到矽晶圓或其他基板表面。

在製程中，光刻膠一般以液態旋塗在矽晶圓表面，經過烘烤形成均勻薄膜後再進行曝光。

曝光與顯影之後，部分光刻膠被溶解、部分保留下來，於是就在基板表面形成所需圖形，後續刻蝕或離子佈植時，光刻膠就像「防護罩」一樣保護下面的區域。

光刻膠的主要組成成分

• 成膜樹脂（聚合物）：作為骨架，決定附著力、硬度、耐蝕性等基本性質。
• 光引發劑／感光劑：包含光酸、增感劑等，負責吸收光子並產生光化學反應，是決定感光度與解析度的關鍵功能組分。
• 溶劑：讓光刻膠在室溫下維持液態，便於塗布，後續預烘時會揮發掉。
• 添加劑：如染料、表面活性劑，用來調整反射、潤濕性、抗起泡等特性。

正性光刻膠與負性光刻膠

依照「曝光區域在顯影後是被溶解掉還是被保留下來」，光刻膠大致可分為正性與負性兩大類。

正性光刻膠（Positive Photoresist）

• 曝光區的化學結構被光解，溶解度變大，在顯影液中會被溶解掉。
• 簡單理解：掩模透明處照到光 → 晶圓上對應區域的光刻膠被洗掉 → 形成「凹」的圖形。
• 具有較高解析度，更適合先進奈米製程的微細線寬需求。

負性光刻膠（Negative Photoresist）

• 曝光區的分子發生交聯或聚合，變得不易溶解，在顯影液中被保留下來。
• 簡單理解：掩模透明處照到光 → 晶圓上對應區域的光刻膠變「更硬」不溶解 → 形成「凸」的圖形。
• 機械強度與耐熱性通常較好，適合封裝、光學結構、柔性電子等特定應用。

正負性光刻膠差異一覽

光刻膠在半導體製造中的角色

在晶片製造中，光刻膠用於製作集成電路與分立元件的微細圖形，是光刻製程中的核心材料之一。

整體來看，光刻製程在晶片製造中，成本占比可達約三分之一，工藝時間占比則可達全部流程的四至六成，因此光刻膠的性能對良率與成本都有關鍵影響。

在先進的極紫外（EUV）製程中，光刻膠需要對波長約 13.5 nm 的高能光子高度敏感，同時要兼顧超高解析度與極低線邊粗糙度，對材料設計提出極嚴苛的要求。

全球光刻膠產業格局概覽

目前全球高端光刻膠市場，特別是 KrF、ArF、EUV 等先進產品，主要由日本與少數國際大廠掌握，例如 JSR、東京應化（TOK）、信越化學、富士電子等，其市占率在高階領域非常集中。

近年來，韓國與中國大陸廠商積極投入本土高端光刻膠研發，例如韓國廠商與晶片大廠合作開發自製 EUV 光刻膠，希望降低對日本供應的依賴。

延伸應用與簡單例子

• 在邏輯晶片中，正性光刻膠常用於形成奈米級金屬線與閘極圖形。
• 在封裝與感測元件中，負性光刻膠可用來製作較厚的結構，例如微流道或微鏡陣列。
• 在顯示面板與光學元件領域，也會利用不同類型光刻膠製作微結構，以改善亮度或對比度。

光刻膠常見 Q&A

Q1：為什麼先進製程多數使用正性光刻膠？

A：正性光刻膠在曝光後是「被洗掉」的區域，搭配合適的化學配方與工藝條件，可以取得較高的圖形解析度與較佳的線寬控制，對於 10 奈米甚至更細線寬的製程特別重要。

Q2：負性光刻膠是不是比較落後？

A：不一定。負性光刻膠雖然在極限解析度上通常不如正性光刻膠，但在需要厚膜、良好機械強度或特殊結構（例如微結構、封裝、光學陣列）時依然非常重要，是不同應用場景的互補選擇。

Q3：EUV 光刻膠和傳統光刻膠有什麼差別？

A：EUV 光刻膠要在極短波長、高能量的 13.5 nm 光下工作，必須兼顧高感光度、超高解析度與低線邊粗糙度，因此在樹脂設計、光酸結構與添加劑體系上都有顯著差異，是目前材料研發的熱點。

Q4：光刻膠會影響晶片良率嗎？

A：會。光刻膠的均勻性、殘留物、線邊粗糙度、抗刻蝕能力等，都會直接影響圖形是否清晰、是否有缺陷，間接影響晶片良率與性能。

Q5：學習光刻膠需要哪些基礎知識？

A：如果想深入理解光刻膠，建議具備基礎的高分子化學、物理光學（尤其是干涉與繞射）、以及半導體製程（如光刻、刻蝕、薄膜沉積）等相關背景，會更容易看懂材料配方與工藝參數的意義。