（光学专业论文）脉冲激光曝光su8光刻胶的基础与光刻技术研究.pdf

摘要 摘要 准l i g a 技术由于其成本低、加工过程简便而倍受微加工制造行业的高度关 注。本论文利用激光的高方向性和脉冲的可控性，分别采用n d ：y a g 二倍频 ( 5 3 2n n l ) 、三倍频( 3 5 5h i l l ) 脉冲激光对s u 8 胶进行曝光实验，研究高深宽 比、曝光精确可控的l a s e r - l i g a 新技术，主要内容包括：两种不同波长的脉冲 激光曝光s u 8 胶后产生的光化学变化、脉冲曝光光刻的工艺过程、以及提高光 刻深宽比和曝光剂量精确可控的技术途径。 1 、对经过5 3 2n l i l 激光曝光后的s u 8 胶进行了x 射线光电子能谱( x p s ) 分 析，对比结果显示没有发生分子结构上的变化，f 元素的摩尔含量亦未减少。表 明5 3 2n l l l 光子与光引发剂未产生酸催化反应，由此断定曝光未导致分子i 自j 的环 氧环交联，故5 3 2n m 激光不宜用作s u 8 胶曝光光刻光源。这一结论在曝光光刻 制备微结构的实验中己进一步得到证实。 2 、将3 5 5n i l l 激光曝光的实验样品进行x p s 分析，结果显示f 元素的含量大大 降低，c 元素及0 元素的中心峰位置基本没有发生移动，即元素的主要价态没有 发生变化。f 元素的含量降低表明3 5 5n t i l 光子与光引发剂可能发生了酸催化反应 而生成催化齐) j h s b f 2 ；而c 、o 元素的价态没有变化表明除酸催化反应外没有发 生其它化学反应。为了进一步证实这一结论，我们对同一样品进行了傅立叶变换 红外光谱( f t - i r ) 分析，结果显示：在环氧基对应的9 1 4c m 、8 6 2c m l 峰处， 吸收峰强明显降低；在c - h 键对应的9 7 2c m 。峰处，峰强也相应降低。这就表明， 曝光后环氧基发生了分解，化学键发生变化的位置主要集中在环氧环上，即：曝 光区原单分子中环氧基上的环氧环断开，与邻近分子的环氧环相互交联成长链分 子并形成网状结构。因此，证明了3 5 5n l t l 激光曝光s u 8 胶进行光刻微结构制备 在机理上是完全可行的。 3 、在机理分析的基础上，对3 5 5n i i l 脉冲激光曝光光刻工艺进行了研究， 包括胶的黏度系数和胶厚与显影时问、曝光剂量与光刻深度等之间的依赖关系。 结果表明，曝光深度与单脉冲能量呈非线性变化，而与曝光脉冲数呈线性变化。 因此，从实验上证实了我们提出的采用超短脉冲激光曝光可精确控制曝光剂量的 技术思路。最后，通过对激光光束整形、扩束，在束腰处进行掩模曝光光刻，获 得了最大深宽比为1 5 的侧壁陡直、无倒角的微结构图案。 关键词：s u 8 光刻胶脉冲激光曝光曝光机理x p s 谱f t i r 谱微结构 a b s t r a c t a b s t r a c t q u a s i - l i g at e c h n o l o g yd r a w s ah i g ha t t e n t i o ni nt h em e m sf a b r i c a t i o nf i e l dd u e t oi t ss i m p l i c i t ya n dc o n v e n i e n c ea sw e l la si t sl o w - c o s t i nt h i st h e s i s 。t h en d ：y a g d o u b l e f r e q u e n c y 、机t h 5 3 2 n r n w a v e l e n g t h a n d t r i p l e f r e q u e n c y w i t h3 5 5 n m w a v e l e n g t hl a s e rp u l s e sw e r eu s e dt oe x p o s et h es u - 8r e s i s ta n de x p l o r ean e w l a s e r - l i g at e c h n o l o g yb yw h i c ht h em i c r o s t r u c t u r ei so fh i g ha s p e c tr a t i oa n dt h e e x p o s u r ed o s ei se x a c t l yc o n t r o l l a b l eb a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no fe x c e l l e n t d i r e c t i v i t ya n dc o n t r o l l a b i l i t yo fl a s e rp u l s e t 1 1 em a i nc o n t e n t si nt h i st h e s i si n v o l v e t h ep h o t o c h e m i c a lp r o c e s s e so c c u r r e di ne x p o s e ds u 8r e s i s tb yb o t h5 3 2 n ma n d 355 n mw a v e l e n g t hl a s e r s ，t e c h n o l o g i cp r o c e s so ft h ee x p o s u r el i t h o g r a p h y , a n d t e c h n i c a la p p r o a c h e so fe n h a n c i n gt h ea s p e c tr a t i oa n dc o n t r o l l i n gt h ee x p o s u r ed o s e e x a c t l y 1 t h es a m p l e so fs u - 8r e s i s te x p o s e db y5 3 2 n ml a s e rp u l s ew e r ea n a l y z e db y x r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o l e c u l e s t r u c t u r eh a sn oa n yc h a n g e sa n dt h ep e r c e n t a g eo ft h efe l e m e n ti nt h ec o m p o s i t i o n h a sn oa n ye v i d e n c eo fd e c r e a s e w h i c hi n d i c a t e st h a tt 1 e r ei sn og e n e r a t i o np r o c e s s o ft h ea c i d - a c t i v a t o ra st h e5 3 2 n mp h o t o ne x c i t e st h ep h o t o - - a c i dg e n e r a t o r i no t h e r w o r d s ，t h e5 3 2 n mp h o t o nc o u l d n ti n d u c et h ei s o l a t e dm o l e c u l e st oi n t e r l i n ka sm e s h y s t r u c t u r eb yt h ee p o x yr i n g so fo t h e rm o l e c u l e s t h e r e f o r e ，t h e5 3 2 n ml a s e rs h o u l d n o tb eu s e da st h ee x p o s u r es o u r c eo fs u 一8r e s i s tt of a b r i c a t em i c r o s t r u c t u r e ，w h i c hi s f u r t h e rv a l i d a t e di nt h ee x p e r i m e n t 2 i nt h ee x p e r i m e n to f3 5 5 n ml a s e re x p o s i n gs u 8r e s i s t t h ex p sa n a l y s i s s h o w e dt h a t ，t h ep e r c e n t a g eo ft h efe l e m e n ti nt h ec o m p o s i t i o nd e c r e a s e sl a r g e l y w h i c hm a y b em e a nt h a tt h ea c i d a c t i v a t o rh s b f 2i sf o r m e da n dt h ec e n t e rp e a k so fc a n doe l e m e n t si nt h ec o m p o s i t i o ns h i f th a r d l yw h i c hr e v e a l st h a tt h em a i nm o l e c u l a r v a l e n c es t a t e sh a v en oc h a n g eo ro t h e rc h e m i c a lp r o c e s s e sd o n to c c u re x c e p tf o rt h e a c i d a c t i v a t o rr e a c t i o n ，w h e nt h e3 5 5 n mp h o t o ne x c i t e st h ep h o t o a c i dg e n e r a t o r t o v a l i d a t et h i sc o n c l u s i o nf u r t h e r ，t h ef o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d ( f t i r ) s p e c t r o s c o p y w a su s e dt oa n a l y z et h es a m ee x p o s e ds a m p l e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n t e n s i t i e s o f a b s o r b e dp e a k sl o c a t e da t914c m 1a n d8 6 2c m 1d e c r e a s ee v i d e n t l yf o rt h ee p o x y r i n gi ns u 8m o l e c u l e ，t h ea b s o r b e di n t e n s i t yp e a kl o c a t e da t9 7 2c m 。1a t t r i b u t e dt o t h ea r o m a t i cc hi n p l a n eb e n d si sa l s od e c l i n e t h e s ei m p l yt h a tt h em a i nc h e m i c a l c h a n g ei sf o c u s e d o nt h ee p o x yr i n gs t r u c t u r e si ns u 一8m o l e c u l ea n dt h ee p o x yr i n g s i nt h ei s o l a t e dm o l e c u l e sa r ed i s a s s e m b l e da c c o r d i n gt ot h ea b s o r b e di n t e n s i t ya ti t s c h a r a c t e r i s t i cp e a kd e c r e a s ea f t e re x p o s u r e t l l ee v o l v e m e n tp r o c e s si nc h e m i c a lc a n b ed i s t i n c t l yd e s c r i b e dt h a tt h ee p o x yr i n g so ft h ei s o l a t e dm o l e c u l e sa r ef i r s t l y d i s a s s e m b l e da n dt h e ni n t e r l i n k e dw i t ht h ec o n t i g u o u sm o l e c u l e s ，a n df i n a l l y , a i i i r e t i c u l a rs t r u c t u r ec o n n e c t e db yl o t so fm o l e c u l e si sf o r m e du n d e rt h ea c t i o no ft h e a c i d a c t i v a t o r t h e r e f o r e ，f a b r i c a t i n gm i c r o s t r u c t u r ei sf e a s i b l eb yu s i n g3 5 5 n ml a s e r e x p o s u r es u - 8r e s i s ti nm e c h a n i s m 3 b a s e do nt h ea n a l y s i so fm e c h a n i s m ，t h et e c h n o l o g i cp r o c e s so fl i t h o g r a p h yb y 355 n mp u l s el a s e re x p o s u r es u 一8r e s i s ti si n v e s t i g a t e d ，w h i c hr e f e r st ot h er e l a t i o n s o fv i s c o s i t yc o e f f i c i e n ta n dr e s i s tt h i c k n e s sw i t hd e v e l o p i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m e ， e x p o s u r ed o s ew i t hl i t h o g r a p h yd e p t h ，r e s p e c t i v e l y t h e r e s u l ts u g g e s t e dt h a tt h e l i t h o g r a p h yd e p t h i n c r e a s e sw i t ht h es i n g l ep u l s ee n e r g yf l u e n c en o n - l i n e a r l ya n dw i t h t h ep u l s en u m b e rl i n e a r l y t h e r e f o r e ，t h et e c h n i c a la p p r o a c hw ep r o p o s e di si d e n t i f i e d i ne x p e r i m e n t a lt h a tt h ee x p o s u r ed o s ec a nb ee x a c t l yc o n t r o l l e db yo p t i m i z i n gt h e u l t r a s h o r tp u l s en u m b e ra n ds i n g l ep u l s ee n e r g yf l u e n c e f i n a l l y , al i t h o g r a p h ys a m p l e o fm i c r o s t r u c t u r ep a t t e mw i t ha s p e c tr a t i ou pt o15a n dc l i f f yp r o f i l ew a s o b t a i n e db y 355 n mp u l s el a s e re x p o s i n gs u 一8r e s i s t k e yw o r d s ：s u 8p h o t o r e s i s t ，p u l s el a s e r ，e x p o s a l m e c h a n i s m ，x p sa n a l y s i s ， f t - i ra n a l y s i s ，m i c r o s t r u c t u r e i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 妊楸脚一舭扩 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：溯d8 、j 、宫 菊i 帝绪论 第1 章绪论 1 1微电子机械系统( m e m s ) 发展趋势及应用 m e m s 一词由m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m 的四个字首组成，可译为 微电子机械系统。6 0 年代初期已有人利用硅平面加工技术制造微梁和压力传感 器，7 0 - - 8 0 年代硅传感器有很大发展，同时利用微加工技术( m i c r o m a c h i n i n g ) 制作出多种微小尺寸的机械零部件。1 9 8 8 年u c ( b e r k e l e y ) m u l l e r 小组发表了 转子直径为6 0 1 0 0um 的硅静电马达。同期，美国科学家向美国政府提出了“小 机器、大机遇，关于新兴领域微动力学( 微系统) 的建议书；n s f ( n a t i o n a l s c i e n c ef o u n d a t i o n ) 于1 9 8 9 年召开了研讨会，其总结报告提出了“微电子技 术应用于电、机系统”。白此，m e m s 一词就渐渐成为一个世界性的学术用语，m e m s 技术的研究开发也日益成为国际上的一个热点，它融合了硅微加工和精密机械加 工等多种微加工技术，同时又集约了多种学科发展的尖端成果，包括微传感器、 微执行器、微结构、微机械和微电路等。 随着m e m s 的发展，微型化一直是人们追求的目标，m e m s 器件特征尺寸 在0 1 m 1 0 0 01 t m 范围，m e m s 器件主要具有以下几个非约束性的特征1 2 4 j ： ( 1 ) 微型化：m e m s 器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、 响应时问短； ( 2 ) 硅为主要材料，机械电气性能优良：硅材料的强度、硬度和杨氏模量与 铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨； ( 3 ) 可批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可以同时制造成百上千个微 机械部件或完整的m e m s ，可批量生产，同时大大降低生产成本； ( 4 ) 集成化：可以将不同功能、不同敏感方向和执行方向的多个传感器或执 行器集成于一体，形成微传感器阵列或微执行器阵列，甚至可以把多种器件集成 在一起以形成更为复杂的微系统，制造出高可靠性和高稳定性的m e m s 器件； ( 5 ) 多学科交叉：m e m s 器件的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动 控制、物理、化学和生物等多种学科。当然，m e m s 系统不但是这些多学科的 综合，更为上述学科的进一步发展提供了有力的工具。 在过去4 0 多年中，m e m s 产品商品化过程比集成电路缓慢的多。二十世纪 九十年代以来，由于通信的宽带化、网络化的急切需求，人类基因研究的迅速发 展，汽车业的巨大需求和军事装备需求的强人压力等市场牵引，导致投资增加、 技术趋向成熟，使m e m s 产品迅速地应用到科技、生产、生活等领域，并产生 了深远的影响。下面就m e m s 的主要应用领域举些例子： 北京t q k 人学f t 。坝i 学1 一论文 ( 1 ) 微机器人领域 微机器人是相对比较完备的微型电子机械系统的代表，微机器人在工业领 域、医学领域及基础科学研究等领域都发挥着重要作用。然而，在微小型尺寸范 围内，机器人的发展受到了很大限制，难以实现商品化。这主要是因为：一方面， 机器人机械传动部分的微型化比较困难；另一方面，受电机的制约，目前商品化 的微电机尺寸较大。解决方法主要有：其一，微机械制造技术的发展，使三维微 小零件产品化；其二，利用能直接驱动微型机械人的电机来简化传动链，减轻机 器人的质量、动作惯性、缩小机器人尺寸，从而实现微型机器人的实用化。例如， 日本东芝公司研制出一种微型电机，其体积不到lm i n 3 ，当给其加上1 7 伏驱动 电压时，电机能以6 0 - - 一1 0 0 0 0r m i n 的速度旋转，东芝公司希望把这种微电机安 装在微型机器人上用来检查小型管道及生产设备的裂纹。 ( 2 ) 航天、航空领域 航天、航空是m e m s 应用极有前景的领域。微电机可以应用在微型飞机、 微型卫星等飞行器上作为驱动源，不但可以减轻飞行器的重量，还能够满足飞行 器的特殊要求，所以作为导航的主要部件，发展m e m s 的意义显而易见。在1 9 9 5 年的a i a ag u i d a n c e ，n a v i g a t i o n ，a n dc o n t r o lc o n f e r e n c ea n de x h i b i t 国际会议上 已有人j f 式提出研制全硅卫星的概念，即整个卫星由硅太阳能电池板、硅导航模 块、硅通信模块等组合而成，这样可使整个卫星的重量缩小到以公斤计算，从而 使卫星的成本大幅度降低，较密集的分布式卫星系统成为现实。 德国梅囚兹微技术研究所利用l i g a 技术1 5 1 研制的直径仅8 “m 的微电机， 目前已经应用到了世界上最小的直升飞机上，该飞机仅o 4 克，含有两个微马达， 可以升至几十厘米高度。 ( 3 ) 科学仪器领域 m e m s 将以其灵巧、高灵敏度、智能化和多功能化大大改变科学仪器的面 目。各种微小型专用仪器( a s i m ) 的出现就是例证。由于多种微传感器可以集成( 单 片或混合) 在一起，其测试精度可以大大提高( 例如可以把压力传感器与温度传感 器集成在一起，通过同时测出压力和温度，便可通过片内运算消去压力测定中的 温度影响，而实时地提取出精确的压力值，且由于i c 处理系统集成在片内，数 据不必读出后再进行处理) 。由于传感器体积小、价格便宜，可把火量传感器布 置在一些部位( 例如压力传感器布置在风洞各部) 从而测出某种参数的分布，在此 基础上的科学结果，将更具有可分析意义。在化学和生物实验中，由于m e m s 传感器所用试样小、灵敏度高( 如微化学分析中) 、实时性强，测试结果可反映出 更为深层、更为本质的科学过程。 ( 4 ) 生物医疗领域 m e m s 在医疗中的应用前景最引人瞩目。f f , j 女n ：将微型传感器用口服或皮 下注射法送入人体，就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测1 6 j ；将特制的微 1 常钎* 型机器人送入人体，可刮古导致心脏病的油脂沉积物，除去体内的胆固醇，可探 测和清除人体内的癌细胞；利用尖头尺、j 只有几微米的镊子，人们可以操作血球、 d n a 等大分子，这样在仪器分析同时就町进行必要的“手术”。m e m s 微小( 町 进入很小的器官和组织) 和智f l g ( f l 自动地进行细微精确的操作) 的特点，一人大提 高介入治疗的精度，直接进入病变的器官或组织，相应地进行1 ：作，降低手术风 险。i 叫叫，可进 t 基因分析和遗传诊断，利用微加工技术制造各种微泵、微阀、 微摄f 、微沟槽、微针( 图11 ) 和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物 大分子。 图卜1 纳米无痢镦针 f i gi - 1n r t l o - m i r c op a i n l e s sn e e d l e m e m s 已远远超出了传统机械的概念和范畴，它小仅仅是传统机械在几度 r 的微小型化，而且是摹于现代科学技术，并作为整个纳米科学技术的重要组成 部分，用一种崭新的思维方法指导下的产物，是机械、光学、电子等多种学科和 技术的融合( 图l _ 2 ) ，具有重要的科学意义和应用前景。m e m s 技术不仅打开 了“微尺寸”新领域的大门，也是真正丈现机电一体化的开始，对2 l 世纪的科 学技术、生产方式和人类生活质量都将产生深远的影响。 极县吸引力啼完美结合 h 卜2m e m s 技术的多学科融台不意幽 f i 9 1 - 2 t h e m e m s t e c h n o l o g yc o n f l u e m o f m u l t i p i e t e c h n o l o g ya n ds u b j e c t 12m e m s 制造工艺 m e m s 技术打”了“微尺寸”新领域的大门，幽此存技术r 提出了许多争 新的l 岂和技术课题，丌辟了一个全新的领域和产业。m e m s 的研究标足通 过系统的微型化、集成化柬探索具有新原坪、新功能的儿什， ：组成具柏多功能 复合的微型智能系统，最终的目的足m e m s 技术的实用化、产业化。甘前，其 土要技术途径青_ 三种：一是以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微 加l i 技术；二是咀德田为代表发展起来的l i g a 技术”j ；_ 三足以几小为代表发展 的粘密加上技术。卜要的加一艺有体硅加工工艺、表面牺牲膳_ 丁艺、溶碰1 艺、 深槽刻蚀与键合工艺卡u 结合、s c r e a m 工艺、l i g a 加r1 ：艺、厚胶0 电镀相结 合的金属牺牲层工艺、m a m o s ( 金属空i m o s f e t ) 7 l 艺、体辟工艺与表i l i _ | l l 牲 层【，艺相结龠等。 21l i t a 技术 由于在微执行器、微传感器等微结构中，对i 维机械部件的需求鞋里指数增 k ，i 卅此_ ：维微细加【技术就成为m e m s 技术非常重要的工艺技术之一。这 重点介绍与本课题有关的l i g a 技术。 l i g a 技术是德国w e h r f c l d 教授发明的一种最有前途的进行三维微细加工 的方法。l i g a 是德文单词l i t h o g r a p h i e ( 光刻) 、g a l v a n o f o r m u n g ( 电铸) 、 a b f o r m u n g ( 注塑) 的缩写，是德国的卡尔斯鲁尔原子核研究中心( f z k ) 往8 0 年代发展起来的，l i g a 技术是深度x 射线曝光、微电铸和微复制_ _ 艺的完美 结f 。其【：艺流稃如图1 3 所示一主要分为三步： 阿”“匾m 匣w - m 陋”啊一 幽13l i g a 技术i 。艺过程 f i 9 1 - 3p r o c e s ss t e p s o f t h el i g ap r o c e s s 1 、同步辐射x 射线深度光刻 首先是利用同步辐射光硬x 射线进行厚胶深度光刻( 光刻胶一般足i f 胶 p m m a 和负胶s u 8 胶等) ，从而得到高精度( 亚微米) 、高深宽比的光刻胶微结。 微结构的高度可以从几十微米到毫米量级，深宽比可以大于1 0 0 。 2 、电铸成型 利用光刻胶下面的金属薄层做电极进行电镀。将光刻胶三维立体结构形成 间隙用金属填充，电镀一直进行到金属将光刻胶完仝覆盖，形成一个与光刻图 形凹r i 补的、稳定的相反结构金属体，然后将光刻胶及附着的基底材料去掉。 此金属结构体便可以作为批量复制的模具，也可以作为最终的产品。 3 、颦铸成型 由于同步辐射光刻设备非常昂贵，大批量生产受到i h 制。冈此，需要通过 电铸所得余属模具来批量复制成千上万的塑料产品，采用反应注射成型法、热 模压成型法实现低成本和高产率的塑铸。同时，塑铸也可以为大批量生产电铸 产品提供塑铸模，在塑铸完成的塑料微型结构上，再电铸所需要的产品结构， 清除掉胶和塑板，就可以得到有几百微米厚的三维立体金属结构器件。 标准l i g aj 二艺的技术思路是目前唯一能适应太规模产业化、又能弓i c 丁二 北目in # 日学m1 t i 艺兼辑旧微加i 制造技术。l i g a 技术教得的微器件具有高深逝比和很精细m 结 构，从最近的进展报道标准i ，i g a a - 艺制作微结构町达到的水平： ( 1 ) 最小线宽达到0 2g m ； ( 2 ) 深宽比最高达到2 0 0 ： ( 3 ) 结构表面粗糙度存微米范围。 从技术水平米肴，l i g a 技术比较适h j 于军事国防等耍求比较高n 勺场俞，但 是昂贵的州步辐射x 光装霞，以及较长的加j 二岗期，非常小适应现代e 速发展 的科技经济，使得l i g a 技术在商品化的大规模生产经济- 扣处十劣势肾”1 。 122 准l i g a 技术 近束为了司找低成本的微加工技术，人们纷纷将几光转向了些准l i g a l 艺，比如，绷u - - l i g a 技术i ( 如罔卜4 ) t 法刻蚀披术，u v l i g a 技术笛。于法刻蚀技术i c p r i e 是深层p d e ( r e a c t i o ni o ne t c h i n g ) 技术和i c p ( i n d u c t i v ec o u p l e dp l a s m a ) 技术结合，1 h 泼技术j l 能存辟材料上进行，【乜大大 限制了其应用。 圈卜4 多层套刻技术得到台阶式结构 f i g l 一4s t y l u ss t r l l c t t l r eu s i n g m u l t i 。l a y e re t c h i n g i o 仁述技术丰 | 对应的是u v - l i g a 技术，该技术是利川常规光女啼i 上的深紫 外光划厚胶或光敏聚酰可f ! 胺光刻扩展到厚抗蚀层( 几微米一儿卣微米) 的光刻q ， 存此基础上形成电铸模，结合电镀、化学镀或牺牲层技术，最终获得吲定的或可 转动的三维立体金属微结构。u v - l i g a 工艺过程除了所用光剥光源和掩模与 l i g a 工艺有所区别外，其他工艺过程基本相尉。典型的u v o l i g ai ：艺流棵”“ 为：首先在基片上淀积电铸用的种子金属层，再在其上涂卜光刻胶，然后用紫外 光源光剿形成模子再电铸上金属，去掉光刻胶，形成金属结构。 第l 鼋绪论 u v - l i g a 技术用高压汞灯发出的紫外线( 3 5 0 4 5 0n m ) 做光源，不需要像 l i g a 技术所需的昂贵的同步辐射光刻装置，而且该技术艺制成的金属微结构与 s i 结构相比，更具韧性，受温度影响小，制作方便，且与集成电路工艺的兼容 性也要好得多，设备成本低，适合中小型工厂制作各种微结构。因此，u v l i g a 技术克服了上述其他技术的许多缺点，同时满足了m e m s 器件对于高深宽比结构 的需求，因此在m e m s 领域内得到了迅速的发展，并在机械、生物医疗、微光学、 微传感等要求不很高的场合得到了广泛的应用 1 3 - 1 4 】。表1 1 列出了l i g a 技术和 u v - l i g a 技术的主要特点，从中我们可以看到，u v - l i g a 是极具推广前途的一 种微加工技术。 a 溅射金属 吮蝴域e 竺苎 等 8 u - 8 liiiiiiii1 一e 三 = l j 掩膜版 c 光刻后烘p _ l _ _ i 叫 一 d 显影 e 电铸模参弋电铸部件 鬯竺芒，m ii f 获得金属模具1 4 获得金属微结构 窿瑶芦罨嚣露疆牮盈珥疆圈t n ：r r r r l 四 图1 5 基于s u 8 胶的u v - l i g a 工艺流程图 f i g 1 - 5p r o c e s ss t e p so ft h eu v - l 1 g ap r o c e s s 表1 1l i g a 技术和u v - l i g a 技术的主要特点 t a b l e1 - lm a i nc h a r a c t e r i s t i co fl i g at e c h n o l o g ya n du v - l i g at e c h n o l o g y l i g a 技术u v - l i g a 技术 光源 同步辐射x 光 常规紫外光( 3 5 0 4 5 0 r i m ) 掩膜版以金为吸收体的x 光掩膜版标准的铬掩膜版 光刻胶常片jp m m a正性和负性光刻胶，常用s u 8 胶 深宽比最人达5 0 02 0 左右，最人2 7 ( 目f j ) 胶膜厚度几十微米至1 0 0 0 微米几r f 微米，可达6 0 0 微米 生产成本较高较低，为左者的1 1 0 0 牛产周期较长较短 侧譬乖亢度可人丁8 9 9 度可达8 8 最小尺寸亚微米l 至数微米 加工材料 多种金属陶瓷及塑料等材料 多种金属陶瓷及塑料等材料 北京t 业人7 耶。母! l j 了：化论义 根据现有文献报道，国外u v - l i g a 光刻技术已达到的水平【1 5 - 1 6 】为： 1 ) 最大深宽比2 0 左右； 2 ) 最小线宽l 至数微米； 3 ) 表面粗糙度 2 0 0 5 0 0n l n 。 在国内，最近上海交通大学报道的s u 8 微结构的深宽比达到t 2 7 1 7 1 ，这是 目前国内外采用普通紫外光曝光工艺在保持侧壁垂直度的前提下所报道的最 高深宽比。 1 3 激光微加工技术在m e m s 中的应用 性能优良的光源是m e m s 加工技术的关键因素，激光以其单色性好、准直 性高、能量密度高等独特优势成为m e m s 制作光源的理想选择。激光微) j h _ - i ：技 术在实际应用中具有的非接触性加工、选择性加工、热影n 向区域小、高精度与 高重复率、高的零件尺寸与形状的加工柔性等优点，显示出巨大的应用潜力和 诱人的发展前景。 1 3 1 脉冲激光直接微加工技术 脉冲激光直接微加工技术是利用高能量激光脉冲对同体直接加工，主要是 基于激光烧蚀过程。在烧蚀过程中，固体材料吸收激光能量导致原子、分子或 团簇脱离表面束缚使材料从加工表面喷射出来。激光和固体问的烧蚀作用与固 体材料以及脉冲激光参数密切相关。脉冲激光参数主要包括激光的波长、脉冲 宽度和脉冲强度。 图1 - 6 ( a ) 是一种常见的受激准分子激光加工设备的主要结构原理图。激 光光束经过一系列器件，包括快门、可调衰减器、光束整形器和均一化器，最 后照射到掩模上。在该结构中，光束整形器改变光束形状，使其近似为正方形。 然后均一化器再把光分成许多光束，每束光从不同方向照射掩模( 图1 6 b ) 。这 不仪提高了光照射的均匀性，同时也引入了离轴元件。离轴光照可完成传统的 平【l i i 光照射无法完成的垂直结构加工，甚至钻蚀结构的加工。 ( 1 ) 能够加工复杂的三维表面轮廓。对不同的掩模进行多次曝光可加工阶 梯式多级结构，而在曝光时间内扫描掩模可完成连续切削，也可用半色调掩模 直接进行投影烧蚀来完成连续切削。掩模和工件一般都安装在步进马达控制的 精密移动平台上，通过计算机实现自动扫描操作。 ( 2 ) 可加工多种材料l8 1 ，尤其适用于聚合物材料的加工。大多数聚合物在 受激激光的波谱内都有很强的能量吸收，保证了激光与工件l n j 的能量耦合，而 相对较低的热传导性又保证了烧蚀过程中的热量扩散和受热影响的区域很小。 大多数情况下，可得到很好的表面光洁度，附带损失( 熔化和碎屑) 也可达到最 小，这是许多其他光源系统所不具备的特性。 脉冲激光直接加工m e m s 器件中最成功的例子是喷墨打印头的加工w 。另 外，飞秒激光微加工技术发展也很快2 0 1 。由于飞秒激光有很高的能量密度，高 能量多光子与标准的透明材料相互作用剧烈，使得激光在透光材料上进行微结 构加工等方面具有很好的应用前景。 鬻 学慨 兆m 框邮潞俐 光；6 撇一 铲协鬈 d 断啦 132l a s e r l i g a 技术 l a s e r - l i g a 技术足德田i m m ( 1 n s t i t u ( ef o rm i c r ot e c t m o l i q u m a i n z ) 的a r n o l d 等人t i = 1 9 9 4 年提出的，其工岂流程如图l 一7 所示 2 1 】。首先激光消融：州激光 刻蚀或存光刻米取代x 射线光刻，通过同步印刷将聚合物模板册定在导电基体 上，得到原始的= 维立体微结构。其次，( 其它步骤和l i g a 技术兼容) 电铸： 通过i u 镀复制聚龠物模扳，电镀过 先采用蒸汽镀膜的方式在形成的光刻胶微缔 构r 镀上一薄盒届层( 一般是镍) ，将会属填充到光剿胶= 维结构的空隙中，当袭 衙沉引出一层厚厚的衬版肘也镀过程结束，注射浇铸或压纹的工具就剃成了，井 将会属结构从背面进行研磨加工到一个标准的厚度，h j 反复制的方式得到余属结 构。虽后，喷射注塑：将金属部分和聚台物部分进行分离，咀龠届部分为樘t ”插 件进行喷射注塑，加工出与原聚合物结构完全相h 的聚合物微结构。 幽i 7l a s e r - l i g a 技术i 艺流程 f i g1 7l “s e r - l l g at e c h n o l o g yp r o c e s s l a s e r i ，i g a 技术采j 目准分予激光椿层刻蚀代替x 射线光刻，避开了岛精密 的载射线掩膜制作、套刻对准等技术难题。| 亓| 时激光光源的经济性和应片j 的广 泛性大大优干同步辐射x 光源大大降低了l i g a 工艺的制造成本，使l i g a 技 术得以广泛应用。尽管l a s e r - l i g a 技术在加i ：微构件深宽比比方面l t x 射线茸， 但对于一般的微构件加工完全可以接受。此外，l a s e r - l i g a 3 _ 艺小像x 射线光 刻需要化学腐蚀显影，而是“直写”刻蚀，不存在化学腐蚀的横向浸润腐蚀影 响，冈而加工边缘陡直，精度高，光刻性能优于同步辐射光刻口“。 专粤_ 鬻f 尊绪论 l a s e r l g a 技术已成功应用于微型发动机绕纰( 斟l 一8 ) 1 2 3 啪微型涡轮川 片( 罔i 一9 ) 的1 1 f f f 工而脉冲激光加工的模板复制加工技术已被用于= 维结构光 学厄件的加工，以及聚物微流控芯片加工的研究中f 矧。 图】- 8 齿轮传动机构 f i gi - 8g e a r d r i v e r g r o u p 33 激光辅助加工技术 幽】一9 直往4 7 0 微米，l 岛15 0 微米的微涡轮 f i g1 9m i c r o - t u r b i n ew i t h4 7 0p md i u n e t e r a n d1 5 0p mh e i 曲i 激光辅助力工技术主要包括激光辅助刻蚀技术和激光辅助沉积技术。 澈光辅助刻蚀技术：檄光辅助进行化学刻蚀( l c e 或l a c e ) 是指激光光照对 局部化学刻蚀反应产生的强化作用。该强化作用来自基体加热对化学反应的热 活化作用也u r 以是光刻胶分解产生的活性抗蚀剂口i 。刻蚀过程中，底部加热产 生的热催化剂和刻蚀剂在光或热分解过程中产生活性物质，这种活性物质是反 应强化的主要凶素。众所周知的用氯气对硅女4 蚀的方法现已用于各种m e m s 器 件的加上 “i 。 激光辅助沉积技术：激光辅助沉积技术包括烧蚀溅射( a s ) 和激光化学气相 沉积( l c v d ) 。烧蚀溅射也叫脉冲激光溅射沉积( p l d ) ，指在真空中材料被脉冲 激光烧蚀从目标物上脱落卜来，然后沉积在上件上。与大多数激光加工工艺不 同，p l d 类似干传统的射频溅射( r f ) 或磁电管溅射，薄膜在工件表面均匀沉积， 没有选择性。该技术尤其适用于其他方法很难沉积的高熔点材料或多绷分材料。 在m e m s j i 丁中，该技术主要用于压电执行器p z t 和薄膜形状记忆合金的加工 2 7 - 2 8 1 。 从各种激光微细加工技术及其在m e m s 加。j 冲的主要应用我们可以看出： 激光微加 技术在加工材料范围和三维加工灵活性方而越来越显示卅其独特的 优越性，脉冲激光加上技术与其他微细加工的主流技术相结合为m e m s 的未来 发展提供了重要的加工手段。脉冲激光加工技术的主要应用领域有基十功能材 北京t 业人理硕i 学化论文 料的微驱动器、微流控器件和系统。另外，脉冲激光还具有特有的微部件操控 和连接能力，这对m e m s 的集成和封装技术也将做出巨大的贡献。 1 4 本论文的主要研究内容 基于激光在m e m s 技术飞速发展中的应用，本论文提出采用激光作为光刻 工艺的光源