感光高分子材料及应用

感光高分子材料及其实际应用

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摘要：序言所谓感光性高分子材料是指吸收光能后,可引起分子内或分子间的物理或化学变化,而这些变化可以加以利用的高分子功能材料。广义地说,除感光性树脂外,光导电材料,充电变换,光能储存以及光记录显示材料也都属于感光材料的范畴。但是在一般情况下,我们说感光材料是指感光性树脂,更严格地说是指用于电子部门的光致抗蚀剂。

关键字：感光高分子光化学光致抗蚀

1 引言

随着时代的发展，人类将进入一个信息时代。为了解决生产高速发展以及由此所产生的能源、环境等一系列的问题，更需要用高科技的方法和手段来生产新型的、功能化的产品，以获得各种优良的综合性能。今年来新型功能材料层出不穷，得到了突破性的进展。

日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注重，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来的实惠发展中具有重大战略意义。

近十年来，功能材料成为材料科学和工程领域中最为活跃的部分。每年以5%以上的速度增加，相当于每年有1.25万种新材料问世。未来世界需要更多性能优异的功能材料，他们正在渗透到现在生活的各个领域。

其中，感光性高分子发展成了功能高分子中用途最广的一种。这与感光性高分子作为新材料在各种领域中得到广泛应用有关。特别是近年来信息科学和信息工业的发展有力地促进了光物理和光化学科学研究的进步，而信息科学所涉及的印刷图像术、复制技术和微细加工及光刻技术等不断对感光高分子及有关材料提出新的要求，有力地推动了感光性高分子的发展。最近不但在成像材料，如照相、复印、印刷、集成电路中获得重要应用，在塑料、纤维、医疗、生物化学、涂料和胶黏剂等方面也都取得了重要地位。

2 感光高分子

2.1 感光高分子的定义

感光高分子材料也称为光功能高分子材料，是指在光参量的作用下能够表现出某些特殊物理或者化学性能的高分子材料，是功能高分子材料中的重要一类。光是一种能量形式，材料吸收光能后，在光能量的作用下会发生化学或物理反应，产生一系列结构和形态上的变化，从而表现出特定功能。

在光作用下能迅速发生化学和物理变化的高分子，或者通过高分子或小分子上光敏基团所引起的光化学反应（如聚合、二聚、异构化和光解等）和相应的物理性质（如溶解度、颜色和导电性等）变化而获得的高分子材料。[1-4]

2.1.1 感光高分子的分类

感光性高分子材料经过50余年的发展，品种日益增多，需要有一套科学的分类方法，因此提出了不少分类的方案。但至今为止，尚无一种公认的分类方法。

从广义上讲，按其输出功能，感光性高分子包括光导电材料、光电转换材料、光能储存材料、光记录材料、光致变色材料和光致抗蚀材料等。

从材料聚合类型，则可以做一下分类。如图1

图 1

2.1.2感光高分子的光化学原理

根据现代光学理论，光具有波粒二象性。由量子理论，光能与频率有关，能量不同的光

作用于分子时就会引起分子中不同结构层次运动状态的改变。

不同波长的光具有不同能量，当光照到物体上，出现三种情况：反射、透射、吸收

光化学三定律

（1）Gtotthus —Draper 定律

1817年，格鲁塞斯(Grotthus)和德雷珀(Draper)通过对光化学现象的定量研究，认识

到并不是所有的入射光都会引起化学反应，从而建立了光化学第一定律，即Gtotthus —

Draper 定律。这个定律表述为：只有被吸收的光才能有效地引起化学反应。其含意十分明

显。

（2）Stark —Einstein 定律

1908年由斯达克 ( Stark ) 和1912 年由爱因斯坦( Einstein ) 对光化学反应作了进

一步研究之后，提出了Stark —Einstein 定律，即光化学第二定律。该定律可表述为：一个

分子只有在吸收了一个光量子之后，才能发生光化学反应。光化学第二定律的另一表达形式

为：吸收了一个光量子的能量，只可活化一个分子，使之成为激发态。

（3）Lambert —Beer 定律

称为兰布达—比尔(Lambert —Beer)定律。其中，ε称为摩尔消光系数。它是吸收光

的物质的特征常数，也是光学的重要特征值，仅与化合物的性质和光的波长有关。

在光化学反应研究的初期，曾认为光化学反应与波长的依赖性很大。但事实证明，光化

学反应几乎不依赖于波长。因为能发生化学反应的激发态的数目是很有限的，不管吸收什么

样的波长的光，最后都成为相同的激发态，即S1和T1，而其他多余能量都通过各种方式释

放出来了。其中开发比较成熟并有实用价值的感光性高分子材料主要是指光致抗蚀材料和光

致诱蚀材料，产品包括光刻胶、光固化粘合剂、感光油墨、感光涂料等。

2.2感光高分子的实际应用

集成电路工业和激光排制版等光加工工艺的发展对光致刻蚀剂的需求越来越大，对其性

能也提出了更高的要求。光加工工艺是指在被加工材料表面涂敷保护用光刻胶，

根据加工要

求，对保护用光刻胶进行选择性光化学处理，使部分区域的保护胶溶解性发生变化，并用适当溶剂溶解脱除，再用腐蚀加工方法对脱保护处进行加工。

光致抗蚀剂也称光敏胶、光刻胶，根据光照后溶解度变化的不同分为正胶和负胶。光照使涂层发生光交联反应（也称曝光过程），是胶的溶解度下降，在溶解过程中（也称显影过程）被保留下来，在化学腐蚀过程中（称为刻蚀过程）保护氧化层。在正性光刻胶的性能正好相反，感光胶被光照后发生光降解反应，是胶的溶解度增加，在显影过程中被除去。其所覆盖部分在刻蚀过程中被腐蚀。近年发展起来的深紫外光致抗蚀剂也是正性光刻胶，但原理不同。深紫外光的能量高，它可以使许多不溶性聚合物的某些键发生断裂而发生光降解反应，使其变成分子量较低的可溶性物质，从而在接下来的显影工艺中脱保护。

3 结束语

感光高分子材料已经历了四十年的发展过程。目前关于感光高分子材料的重要性已是无可置疑的了。经过无数科学家的不懈努力，现在已经拥有很多种类，而且在许多领域已经占有重要的地位，相信在继续研究下还会得到进一步突进。

参考文献

[1] 功能高分子材料化学化学工业出版社

[2] 功能高分子材料化学工业出版社

[3]功能高分子材料华东理工大学出版社

[4] 高分子材料基础国防工业出版社

[5]《感光材料》〔6 〕, 19(1 9 8 2)

[6] 顾震宇感光性高分子的发展及其在印刷业的应用印刷杂志 1997.07 3、赵静杨大川激光用感光高分子材

料 1998.08

[7] 李住邦肖继君白宗武感光性高分子的合成与应用河北河北工学院学报

1988年第3期

[8]论文耐水性丝网印刷感光高分子性能研究 2002年9月第18卷第5期

[9]《感光性高分子》永松元太郎编科学出版社出版

[10]《先进高分子材料》沈新元主编 2006年2月第1版

[11]《特种与功能高分子材料》王国建主编2004年10月第1版

[12] S. J. Tan, A. R. M. Verschueren, and C. Dekker, Nature _London_ 393, 49 1998 .