（光学工程专业论文）liga技术高深宽比研究.pdf

摘要 摘要 本文着眼于l i g a 技术高深宽比方面的研究，以提高本实验室用l i g a 技术 制作微细结构的深宽比为目的，从分析各因素影响深宽比的机理出发，再加以理 论设计和实验工艺的优化和改善，分别研究讨论了影响深宽比的几大重要因素： 掩模结构和性能、光源光谱和光强、m o d 光刻胶性能、电铸工艺参数等。 文中结合本实验室改换l i g a 光源的工程，比较分析了3 b l 束线和3 w 1 束 线的能谱差异，针对3 b l 束线的特点，通过运用x o p 、o r i g i n 两个软件设计出 两组l i g a 掩模：a n p i 掩模和a m s i 掩模。并针对3 w 1 光源中硬x 光成分较 多、光强和功率密度太高的特点，提出了用n i 吸收膜改善光谱和用x 光暂波器 法优化光强的方法，同时严格控制和改善p m m a 光刻胶的性能，经过反复的计 算分析和实验改进后，获得了深宽比高达1 0 0 的胶结构图形。此外，鉴于电铸时 易出现影响高深宽比结构制作的气孔、内应力、厚度不均等问题，相应地采取了 控制p h 值、进行电解处理、添加活性剂、使用第二阴极，及改善电铸电源等方 法来进行调整和控制，取得了金属结构深宽比高达3 0 的结果。最后，我们利用 u g a 技术加工的独特优点，以发展其高深宽比技术的实际应用，先后制作了狭 缝阵列镍结构微推进器关键部件、薄壁网状多孔镍结构正电子慢化体、微型铜结 构换热气和多种材料不同、尺寸各异的过滤介质，还结合利用u ( 遗技术和微细 电火花技术的加工优点，制作出了不锈钢微结构。 关键词l i g a 技术；高深宽比；掩模；光谱；p m m a ；电铸 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t oi n c r e a s e 也e p e c tr a t i oo fu g a p r o c e s s ，s e v a 1i m p o r t a n t i n n u e n c ef a c t o r sw e r ed i s c u s s e d ，w h i c hi n c l u d e st h es m l c t u r ea n dp e r f o n n a n c eo f l i g a m 酆k ，x r a yi m e n s j 够a n dx i a ys p e c n 砌o fb 锄1 i 1 1 e s ，t 1 1 ec h a r a c t e r j s t i co f p m m ar e s i l la n dn l em i c r oe l e c t r o f o r m i n gp a 船m e t e r s n l ea u - p im a s k 跹dt h ea u s ir r l a 晖kw e r ed e s i g r l e db yx o pa n do r i g i n s o f t 、a r e ，a f t e rt h ed i 丘醯e n c eb e t w e e nt h es p e c m 】mo f3 w 1 a 1 1 d3 8 1b e 锄1 i l l eh a d b e c nc o n 昀s t i v e l y 姐a l y z e d t h e ns o m em e 血0 d si i l c l u d i r 培o p t i i n i z i n gt l l es p e c 仇i l n a n d 概时o f 3 w 1 b e a ml i n e 锄d i m p r o v i l l g t h ep e r f b m 锄c eo f p m m aw 豇e p u ti n f b r c e ，a n dp m m 鸟s m l 跚1 r ew i 也a s p e d r a d ol o ow a s0 b t a i 】舱du n d 盯也e 哪d m 吼 c o n d i t i o n s m o r e o v c r ，s u c hs t c p s 船c o n t r o m n gp h ，e l e c 仃o d 印o s m g ，u s i i l ga c t i v a t o r a n das e c o n dc a t h o d e ，a n d 脒缄t h e p o w e r 跚p p l y w e 托僦【t os o l v eas 喇e so f p r o b l e m sc o m i i 培i m ob e i n gd l l r i n ge l e c 的f o r n l i n gp r o c e s sc o r r e s p o n l i n 西y ，f b r e x a m p l e ，a i rh 0 1 e s ，i n n e rs 眦s s ，a n d 硼衄渤r m j 时o fd e p o s m o n a n dt h 吼，m e t a l s t n l c t u r ew i t ha s p e c t 枷o3 0w 船o l 蚵di no u rl a b 讲a ：螂 e v 锄t i l a l l y ，af e w m i c r 0 p 缸t sw i 血b i g h 觞p e 吐训o w e mf 曲r i c a t e db yl i g a p r o c e s s u n d 盯t h eo p t i m l 】mc o n d i t i o n t h e r ew c r ek e yp a r t so fm i c r ot h m 曲n e t l 墩e i l i c k e la i l t i e l e c 仃o nm o d l n 舢o r ，m i c r oc o i 】p e rr a d i a t o r ，s t a i n l e s s 蛐lm i c m m p o n e n t s a 1 1 dm a i l yf i h e rm e d i 咖【1 sw i t hd i 丘b 胤ts h a p e s 趾dd i m e n s i o n s k e y w o r d su g ap r o c e s s ；h i g ha s p e c tr a t i o ；m s k ；s p 咖；p m m a ；e l e c 仃o f o m i n g n 一 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 l i g a 技术发展概况 l i g a 技术是由w e l l r f e l d 等人在德国卡斯鲁尔的原子核研究中心( f z k ) 发展 起来的，并于1 9 8 6 年首次进行了公开报道。l i g a 是德文l i t h o 鲫h i e ( 光刻) ， g a l v a n o f o n n 眦g ( 电铸) ，a b f o 肌u i l g ( 塑铸) 三个字的字头缩写，它包括同步辐射x 射线深度光刻，电铸和塑铸三个主要工艺环节，是一项新的微细加工技术。该技 术在发明伊始就以工业应用为方向，具有广阔的应用领域和巨大的市场发展潜 力，许多发达国家和新兴国家对此高度重视，在德国、英国、美国、日本、俄罗 斯等国家都纷纷开展了此项技术的研究工作了，并已开发和制造出微齿轮、金属 滤网、微电机、微泵、微红外滤波器、微光谱仪、微质谱仪、微光纤开关、微加 速度传感器等多种微结构器件，现在正向商业化的应用方向发展【h 】。 在德国，从事l i g a 技术研究和应用最好的单位有w e h 疵l d 领导的i m m ， 原k f k 发展起来的i m t ( h l s t i t m eo fm i c r o f a b r i c a t i o nt e c h l l o l og ) r ) 。德国的 m i c r o p a n s 公司与订t 密切合作，从事l i g a 微加工技术的产品市场开发，并通过 了i s 0 9 0 0 1 认证【5 】o 为使l i g a 技术能够尽快产业化，德国还在k a r l s n l h e 建造了一 个同步辐射装置，用于满足u g a 技术发展的需要1 6 j 。 在美国，成立了d 也( d e 印- x m yl i t l l o g r a p h y ) 委员会，在a l s ，s s r l ， n s l s ，和c a m d ( c e n t e r f o ra d v 趾c e dm i c r o s 咖c t u r e sa 1 1 dd e v i c e s ) 等同步辐射设 备上都建立了用于l i g a 技术研究的光源和工艺所需要的设备和超净工作环境 】。该委员会为从事l i g a 技术研究的单位和机构提供光源等服务。且c a m d ， 除为用户提供光源和设备环境外，自己也开展l i g a 技术的研究和应用。此外， 从事l i g a 技术研究的机构还有，w i s c o n s o n m a d i s o n 大学，s a l l d i a 国家实验室等。 国内的u g a 技术研究，始于9 0 年代初期，在中国科学院高能物理研究所 的正负电子对撞机( b e p c ) 上寄生出的同步辐射装置，是我国第一代同步辐射装 置，也是目前国内唯一能够正常运行的光源。自1 9 9 4 年起，我国北京同步辐射 实验室( b s r f ) 就开始进行u g a 技术的研究工作，但由于b e p c 的改造，没有同 步辐射光源，工作进展非常缓慢，直到1 9 9 6 年初才真正开展起来，经过这几年 的努力，已基本上掌握了主要的l i g a 技术工艺，包括掩模的制造、深度光刻、 深度电铸和牺牲层技术等工艺，制造了微电机、微气动马达、微夹钳、波带片、 光栅、探测器等微细器件，取得了很多研究成果。 1 2l i g a 技术工艺过程1 9 l 图1 1 为l i g a 技术的典型工艺过程，首先在金属基片上涂上一层p m m a 抗 蚀剂，然后在同步辐射装置中进行光刻，显影后得到p m m a 胶结构，在p m m a 胶结构中电铸金属，去p m m a 胶，得到金属模具。再将金属模具进行注塑，则 可进行大批量塑料结构产品生产，或大批量复制再电铸所需要的非金属模，若要 得到金属结构，再进行一次电铸后去掉塑料结构便可。 图1 1u g a 技术的典型工艺过程 f i 9 1 - 1p r o c e s ss t e p so f t l l el i g ap m c c s s 第l 苹绪论 1 - 3l i g a 技术的优点 二十世纪后期，微电子技术的迅速发展引起的信息革命冲击着社会的各个领 域。受微电子技术的启发，人们设想将微传感器、微处理器、微执行器等集成在 一个极小的几何空间，构成微型机电系统f m e m s ：m i c r oe l e c t m nm e c h a l l i c a l s y s t e m s ) ，从而能像集成电路一样大批量、廉价生产微型机械及电气控制系统。 微加工技术为这一设想的实现打开了一条通路，而u g a 技术是微加工的一个重 要手段，有着其它任何技术所不能相比的优点，可概述为1 0 】： ( 1 ) 任意横向尺寸的结构； ( 2 ) 最小尺寸可达0 2 哪： ( 3 ) 深宽比最大可达5 0 0 ； ( 4 ) 结构表面粗糙度在亚微米范围，达3 0m ； ( 5 ) 广泛的材料选择，可以是卧d m a 等有机材料，也可以是n i 等金属材料； ( 6 ) 注塑技术可以进行大批量，低成本生产。 作为一种具有独特优势的微细加工方法，u g a 技术的应用和发展势必会促进 m e m s 的实现，并带来空前的产业革命。 1 4u g a 技术高深宽比的影响因素 高深宽比是u g a 技术最为突出的优点之一，这也正是其它微加工技术所不 可比拟的地方。但出于l i g a 技术需要昂贵的同步辐射装置的原因，人们一度试 图以感应耦合等离子体刻蚀、深紫外光刻等代替同步辐射深度曝光，发展出准 l i g a 技术：而在大结构深度和高深宽比的高精尖领域里，在一些特种行业，如 国防、航天中，准u g a 技术又达不到要求。因此鉴于这些领域的重要性，国际 上在应用l i g a 技术十年后的今天，非但没有因为准l i g a 技术的出现而放弃 l i g a 技术，反而回过头来重视同步辐射深度光刻基础工艺过程的深入研究【l l 1 2 】。 1 4 1高深宽比的发展现状 迄今为止，在u g a 工艺的深宽比研究中，已经取得了不少成绩；但同时我 们也应看到不足，目前国外在有支撑体的微结构上所取得的深宽比最大为2 0 0 ， 北尿工业大学硕士学位论文 而独立的微结构深宽比最大为1 0 0 。国内用p m m a 所取得的最大深宽比为4 4 ( 见图 1 2 ) “，而在金属上所取得的最大深宽比仅为1 7 ( 见图1 3 ) ，由此可见l i g a 技术 的潜力还没得到充分的开发，急需进一步研究发展，以满足制造高深宽比零部件 的需要，推动m e m s 产业的发展。 图1 - 2 深宽比为4 4 的胶结构 f i 9 1 2p m m am i c m s 仃u c t u r e 州t l l 船p e c t 枷o n “ 图1 3 深宽比为1 7 的金属夹钳 f i 9 1 3m e t a lm i c r o c l 啪pw i 恤a s p e c t r a 呖o n l 7 1 4 2 影响因素 影响深宽比的因素非常复杂，所包括的内容很多，如掩模结构和性能、光谱 和光强、光刻胶的品质、基底材料的性质、电镀速度、电镀电源、电镀应力等， 而每一种因素所涉及的内容和问题又很多，主要包括如下几个方面： 首先是掩模结构和性能。l i g a 技术所用的掩模由吸收体、支撑膜和支撑体 组成。为满足同步辐射x 光源的特点和制作高深宽比结构的需求，u g a 掩模必 须具有足够高的对比度。为此，掩模吸收体材料需要是重金属，对x 射线要具 有强烈的吸收，以便能有效地阻挡x 光通过，常选用的材料为金，而且金吸收 体必须满足一定的厚度要求，以确保吸收充分，防止未吸收光子在光刻胶与基板 的界面上产生电子发射而带来不利影响。在b s i 疆的l i g a 实验站所使用的3 w 1 光源中，掩模吸收体厚度约需为1 5 2 0 脚；而掩模支撑膜需对同步辐射x 光具 有良好的透过性，且要有一定的机械性能和化学稳定性，常选用的材料有聚酰亚 胺( i 叮胶) 、s j 、s i n 和s i 0 2 等。 其次，光谱和光强的影响极大。由于b s r f 用于l i g a 技术深度光刻的3 w 1 第1 草绪论 光源中，硬x 光成分较多，光强较大，通常掩模难以对其进行充分吸收，进而 会产生二次电子，引起胶图形脱落或变形，不利于高深宽比结构的制作。因而， 合理削掉x 光谱中不利于l i g a 技术深度光刻的硬x 射线，能避免或减弱二次 电子所带来的影响；适当地降低光强有助于大大减小光刻胶中的热应力，对产生 高深宽比结构都非常有利。 然后是孙心d a 光刻胶的性能。p m m a 在配制过程中很容易产生内应力，这 对胶结构图形的影响很大，容易引起图形变形、翘曲，严重时还会导致脱落，对 此，实验中应通过合理控制配胶时的固化温度和时间来适当减小内应力的产生。 另外，p m m a 的显影性能也直接影响着胶结构图形的精度和深宽比，曝光剂量、 显影温度等又是影响显影性能的主要因素，因此，可以通过控制这些因素的工艺 参数来改善珊口d a 的显影性能，提高结构精度。 最后是电铸工艺参数。由于u g a 技术中往往需要对高深宽比的深孔、深槽 进行微电铸，因此常常出现深槽中消耗掉的金属离子不能得到补充，进而引发空 隙和气孔以及出现电铸不均匀等情况。为提高金属结构的高深宽比和精度，实验 中，可以根据具体情况对电铸时的p h 值、温度、表面张力等参数进行适时地监 控和调整，通过电解处理、循环过滤以及使用第二阴极等方法，来有效地防止和 改善电铸过程中容易出现的气孔问题、应力问题和电铸厚度不均匀等问题。 此外，基底材料的性能和表面处理情况，以及曝光装置中的冷却系统等都会 影响到高深宽比结构的制作精度。实验中应选用与p m m a 光刻胶结合良好的材 料作为基片，且要对其表面进行正确处理，以提高两者的结合力，预防胶图形从 基底材料上脱落的情况发生。 1 5 本文研究内容 针对影响l i g a 技术高深宽比的各种主要因素，我们进行了大量的调研和研 究，并反复进行设计制作和工艺实验，以达到提高本实验室u g a 技术深宽比的 目的。本文主要研究内容包括如下几个方面： ( 1 ) 计算、设计掩模结构和性能 分析讨论了掩模结构和性能对高深宽比的影响情况。结合b s 啪3 8 1 光束线 改造工程，运用x o p 、o r i g i n 两个软件计算、设计了3 8 1 光束线上的l i g a 掩模。 北京工业大学硕士学位论文 并分别讨论了专用光和兼用光时，a u - p i 和a u s i 两种不同组合掩模的情况。 ( 2 ) 改善光谱、优化光强 分析讨论了光谱和光强对高深宽比的影响情况。探索了用n i 吸收膜改善光谱 和用x 光暂波器法优化光强的方法，达到了预期效果。 ( 3 ) 提高p m m a 光刻胶性能 分析讨论了孙厦m a 光刻胶的性能及其对高深宽比的影响情况。分别针对减小 内应力和提高显影性能的目的，进行了配制和工艺上的控制和改善。 m 优化电铸工艺参数 分析讨论了电铸技术对高深宽比结构制作的影响。从本实验室的具体情况出 发，主要针对电铸镍时容易出现的气孔、内应力和厚度不均等问题，进行了工艺 上的探索和改进。 ( 5 ) u g a 技术高深宽比的应用研究 先后制作了狭缝阵列镍结构微推进器关键部件、薄壁网状多孔镍结构正电子 慢化体、微型铜结构换热器和多种材料不同、尺寸各异的过滤介质，还结合利用 u g a 技术和微细电火花技术的加工优点，制作出了不锈钢微结构。 第2 章掩模结构和性能 2 1 l i g a 技术掩模简介 l i g a 技术的第一步就是同步辐射深度光刻，而这一步就需要有x 光掩模才 能进行。与普通x 射线相比同步辐射x 光具有波长短、分辨率高、穿透力强、 高辐射强度( 比普通x 射线强度高两个数量级) 、平行性好等优点，因而与普通 掩模相比，用于同步辐射x 光中的掩模具有独特的结构和性能。x 光掩模由三 部分组成：即吸收体、支撑膜和支撑体。u g a 技术中所用掩模的吸收体材料需 要是具有足够厚度的重金属，对x 射线要具有强烈的吸收，以便有效地阻挡x 光通过，可选用的材料为金、钨、铂或钽等原子序数较高的重元素材料。支撑膜 的作用是支撑住吸收体金属图形，对x 射线有很好的透过，同时还要具有良好 的化学稳定性，其材料为密度较小的轻元素，也可以是有机薄膜，通常选用的材 料有聚酰亚胺口i 胶) 、s i 、s i n 和s i 0 2 等。掩模支撑体则常选用s i 材料。图2 - 1 所示为几种常用作u g a 掩模材料的吸收系数曲线【1 4 ，l 叫。 百 i j ： i g 琶 g 暑o1 2 w 自- n d h 岫 cl 一o 1 w y e i e n l 山i 工 图2 1 掩模材料的吸收系数曲线 f i 9 2 1l i n e 盯a b s o r p c i o nc o e 伍c i e l 怄o f m k m 砷嘶a l sf o rd 也 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 掩模性能对高深宽比的影响 掩模的结构和性能是影响高深宽比结构制作的一个重要因素。x 光经过掩模 时，在图形吸收体边缘产生的菲涅耳衍射效应引起在吸收体背面光刻胶中形成的 剂量分布，曝光时在掩模和基底材料中产生的二次电子，以及吸收体在吸收x 射线过程中形成的热效应，都会影响到微结构的精度和高深宽比的制作 1 8 】。 在制作掩模的过程中，由于钨、铂、和钽等金属不适合电铸，因此实验中常 选用重元素材料金作为掩模吸收体，且其厚度必须足够大，以确保能充分吸收x 射线，否则，若有一定剂量的射线穿过吸收体而被其遮挡处的光刻胶吸收后，将 会导致在后续的显影过程中出现破坏胶结构图形的现象。同时，穿过吸收体的一 部分硬x 光照射到基地材料上后，会产生二次电子，这些二次电子将使p m m a 光刻胶底部感光，在显影时，感光的m 心d a 被显影液显掉后，最终会引起p m m a 图形因此而脱落。因此，为避免这些不理想的情况发生，掩模中的吸收体必须有 足够的厚度。随着吸收体厚度的增加，产生的二次电子将会相应地减少，但又不 能任意增加吸收体的厚度，过厚的金吸收体所形成的应力也会相应增大，这样容 易导致掩模支撑膜破裂。在b s i 心，l i g a 实验站在3 w 1 束线上所用的掩模中， 金吸收体厚度约需为1 5 2 0 岫。 在曝光过程中，掩模支撑膜也会对x 射线有少量的吸收，而支撑膜材料在x 射线光束范围内会有吸收边沿，这样就会在曝光过程中引起无方向性的荧光辐射 ( 俄歇电子和光子) ，继而会在吸收体背面的光刻胶表面处产生吸收剂量，最终还 会影响到微结构的精度和高深宽比的制作。因此，在制作掩模时，应选用原子序 数较小的材料作支撑膜，因为随着材料原子序数的减小，荧光效应也会相应减小 ”引。实验中，我们常选用p i 胶作掩模支撑膜。 另外，在曝光过程中，掩模和光刻胶吸收x 射线时会产生热量，这也会在 一定程度上影响到高深宽比结构的制作精度。 2 33 8 1 束线上l i g a 掩模的设计研究 在b s r f ，自从l i g a 实验站建立以来，u g a 技术中深度光刻所使用的光源 就是从b e p c 三区的第一块w i g g l e r 引出的，称为3 w 1 束线。但一方面由于同 步辐射光源专用光机时有限，对l i g a 技术的研究造成了些不方便的因素：另 第2 章掩模结构和性能 一方面，出于配合实验室整体的工程改造和调整的需要，l i g a 实验站将从3 w 1 束线上移到3 8 1 束线上。3 8 1 光束线是从b e p c 三区的第一块弯铁引出的，与 3 w 1 束线光谱相比，其束线上的同步x 光较软、光强较弱，因而用于3 w 1 束线 上的l i g a 掩模不再适合用于3 8 1 柬线上，为此我们重新进行了3 b l 束线上l i g a 掩模的设计研究。 2 3 13 8 1 光束线能谱 l i g a 实验站从3 w 1 束线上移到3 b l 束线上后，用光机时有限的情况将会 得到极大改善，改造后的3 8 1 柬线上可以实行专用光、兼用光两用。两种情况 下储存环工作条件分别为：专用光时，储存环工作能量2 2g 它v ，流强6 0 1 2 0 a ； 兼用光时，储存环能量1 8 9g e v ，流强3 0 4 0m a 。束线水平接收角7 5m r a d ， 垂直接收角o 4m r a d ，弯铁磁场强度o 7t ，弯转半径1 0 3 4 5m ，极数7 5 ，特征 能量2 3k e v 。同步光经过厚度为2 0 0 岫的铍窗后照射到样品上。我们在掩模 设计中通过结合运用x o p 和o r i g i n 两个软件进行计算，分别得到了束线在传输 过程中的各级能谱图和传输、吸收情况。图2 2 所示为3 8 1 光源及其穿过铍窗后 的能谱图。专用光时，光源传输功率为2 3 5w ，光子能量7 0 0c v 处，能谱峰值 0 0 0 5 9 6w e v ；穿过镀窗后，传输功率为8 4w ，光子能量3 7 0 0e v 处，能谱峰 值0 0 0 1 7 7w e v 。兼用光时，光源传输功率为4 4 4w ，光子能量4 0 0e v 处，能 谱峰值o 0 0 1 7 9w ，e v ；穿过铍窗后，传输功率为o 8 6 3w ，光子能量3 3 0 0c v 处， 能谱峰值2 6 0 e - 4w ，c v 。 2 3 2 掩模设计 光刻时，同步辐射x 光经过掩模后照射到光刻胶样品上，而l i g a 技术中常 选用m o i a 作为光刻胶。为确保p m m a 光刻胶在曝光之后的显影过程中能显影 干净、彻底、到位，其曝光时的吸收剂量必须满足以下条件【1 5 】：上表面吸收剂量 最大值为d s = 2 0k j ，c m 3 ，下表面吸收剂量最小值为d d = 4k j c z n 3 ，上下表面吸 收剂量之比d s ：d d 5 ；此外，掩模吸收体下面的剂量必须小于1 0 0j c m j 。因 此，掩模的对比度必须大于2 0 0 ，才能符合以上要求。 o p 1 w b e 日y ( a ) 专用光 图2 - 23 b l 光源能谱图 f 磁- 2s p e c 衄mo f 3 8 1 o h h q ( ” ( b ) 兼用光 2 3 3 专用光掩模 设计中我们选用了以下两种掩模组合进行研究：a u p i 组合和a u - s i 组合。 ( 1 ) a u - h 组合 a u - p i 组合是一种最主要的掩模组合，其制作工艺成熟、成本低，一直在 b s r f 的3 w 1 束线上得到了成功使用。设计中我们分别按照p a o d a 为2 0 0m 和4 0 0 岬厚时所需满足的曝光条件为依据来进行掩模的计算。由于3 8 1 的光谱 比较软，会影响到光刻胶上下表面吸收剂量比，尤其对厚胶结构的影响较大，因 此设计中采用了使用镍吸收膜改善光谱的措施【1 6 1 ，同时也计算出了这种情况下所 需的掩模结构厚度。通过结合使用x 0 p 和o r i g i n 两个软件进行计算后，分别得 出了在不使用镍吸收膜和使用镍吸收膜这两种情况下的掩模对比度数据表( 见表 2 1 所示) 。由表中数据可知当p i 厚5 岬、a 哇厚1 7 呻1 时，无论加不加镍吸收 膜，其对比度都大于2 0 0 ，足以满足掩模要求。 表2 2 所示为3 b l 光束线经过b e 窗、镍吸收膜、掩模支撑膜p i 胶和光刻胶 m o d a 后的传输和吸收情况，表面和底部以1 0 ”m 厚度来计算p m m a 的上下表 面吸收计量。表中数据表明，当m 砷d a 厚2 0 0 岬时，光刻胶上下表面吸收剂量 比为4 5 6 5 ，能够满足条件。当确o d 厚度为4 0 0u m 时，在不加镍膜的情况 下，光刻胶上下表面吸收剂量比为1 0 ，超过了p m m a 光刻胶许可范围上限； 第2 章掩模结构和性能 表2 1a u - p i 组合掩模数据 1 a b l e 2 1d a = t ao f a u p im 髂k s p i 传输功率a u 传输功率 p i 厚度( 岬)a u 厚度( 岬)掩模对比度 ( w )( w ) 51 55 8 3o 0 3 1 31 8 6 3 不加 镍膜 51 65 8 30 0 2 5 22 3 1 3 51 75 8 30 0 2 0 42 8 5 8 加 51 62 7 10 0 1 4 21 9 0 8 4 岫 镍膜 51 72 7 1o 0 1 1 52 3 5 7 而增加4 岫的镍吸收膜后，改善了光谱，使得光刻胶上下表面的吸收剂量比为 4 2 2 5 ，满足要求，图2 3 所示为3 8 1 光束线经过b e 膜，4 岬的n i 吸收膜， 5 肚m 的掩模支撑膜p i 胶和4 0 0 岫厚p m m a 的能谱图。 孙n i a 的曝光时间与其所要求的最小吸收计量和x 光的强度有关，前面已 知光刻胶底部最小吸收剂量为d d = 4k j ( 瓢3 。x 光的功率为： p = w ，r ( 1 - 1 ) 其中p 单位为瓦特，能量w 单位为焦耳，时间t 单位为秒。只要p m m a 底 部满足最小曝光剂量，其他部位也就满足了。因此可以根据底部剂量来计算曝光 所需的时间，其中有关系式： w = d d s h( 1 2 ) 式中s 为曝光面积，单位为c m 2 ，本实验室中s = 5 x 5c m 2 ，h 为p m m a 底部 胶厚，单位为c m ，设计中取h = 1 0 岬= 1 x 1 0 3c m ，将式( 1 - 2 ) 代入式( 1 1 ) 有： t = d d s h p( 1 3 ) 由式( 1 3 ) 可以分别算得p b 心d a 厚2 0 0 m 和4 0 0 哪时所需的曝光时间为： m 心d a 厚2 0 0 m 时( 不加n i 吸收膜) ： t = d d s h p = ( 4 x 1 0 x 5 x 5 x 1 0 x 1 0 4 ) o 0 6 7 5 = 1 4 8 1 ( s ) = 2 4 7 ( m i n ) 孙o d a 厚4 0 0p m ( 加n i 吸收膜) 时： t = d d s h p = ( 4 x 1 0 x 5 x 5 x 1 0 x 1 0 一) o 0 1 7 4 = 5 7 4 7 ( s ) = 9 5 8 ( m i n ) 北京工业大学工学硕士学位论文 表2 - 23 8 1 专用光传输和吸收数据( a u p j 掩模) t 曲l e 2 - 2t r a l l 锄i s s i o na n d a b s o r p t i o nd a 诅o f 3 8 1 ( d e d i c a t e ds y n c h r o t r o n r a d i a t i o n ) n ip i s rb ep m m a p m m ap m m a上下表 ( 4 岬)( 5 岬) 上表面下表面面吸收 传输功 2 3 58 3 75 8 3 厚 2 9 9 】0 啪1 0 啪 剂量比 率( w ) 譬 吸收功 1 5 1 32 5 4首2 8 4o 3 0 80 0 6 7 54 5 6 率( 狮 传输功 2 3 58 3 75 8 3 厚 2 1 0 率( 、) 舍 0 - 3 0 80 0 3 0 81 0 0 。 吸收功 1 5 1 32 5 4百3 7 3 率( 传输功 2 3 58 3 73 6 42 7 1 厚 1 _ 3 0 率( 聊 舍 0 0 7 3 50 0 1 7 44 2 2 。 吸收功 1 5 1 34 7 3o 9 3葺4 5 3 率( 图2 33 8 1 光束线传输能谱图( a u - p i 掩模) f i 9 2 3a 1 ll e v e l s 恤n s m i s s i s p e a 咖脚o f 3 b l ( a u - p im ( 2 ) a u s i 组合 设计中我们分别按照m o d 为4 0 0 岫和6 0 0p m 厚时所需满足的曝光条件 为依据来进行掩模的计算。通过计算可得，不管加不加镍吸收膜，当掩模吸收体 第2 章掩模结构和性能 a u 厚1 7 m 、支撑膜s i 厚1 0u m 时，掩模对比度都大于2 0 0 ，符合要求。表2 3 所示为a u s i 组合掩模的几组数据情况。 表2 - 3a u s i 组合掩模数据 1 a b 】e 2 3d a t ao f a u s im a s k s s i 传输功率a u 传输功率 s j 厚度( m )a u 厚度( 岬)掩模对比度 ( w )( w ) 不加镍 1 01 64 3 4 o 0 2 5 71 6 8 9 膜 1 01 74 3 4o 0 2 0 82 0 8 7 加4 岫 1 01 62 4 40 0 1 4 51 6 8 3 镍膜 1 01 72 4 40 0 1 1 72 0 8 5 表2 4 所示为3 8 1 光束线经b e 窗、镍吸收膜、a u - s i 掩模和光刻胶后的传 输和吸收情况，表面和底部各以1 0 岫厚度来计算m 皿d 6 的上下表面吸收剂量。 当p h 心d a 厚度为4 0 0u m ，且不加镍吸收膜的情况下，光刻胶上下表面吸收剂量 比为4 6 3 2 0 0 ，符合要求。当p m m a 厚3 0 0 岬时， 其上下表面吸收剂量之比为：o 0 1 4 6 7 o 0 0 2 9 6 = 4 9 6 5 ，符合曝光要求。 另据计算可得，p m m a 厚3 0 0 岫时，曝光时间约为5 6 3 1 i i l i n 。 表2 63 8 1 兼用光传输和吸收情况( a u s i 掩模) t a b 】e 2 - 6t f a n s m j s s i 伽锄da b s o f p n o nd a t ao f 3 8 1 ( p a n 】ys y n c h r o 的nr a d j a l j o n ) p 0 4 s rb e s j ( 1 0 岫) 聊od 上p m m a 下 ( 3 0 0 岬) 表面表面 传输功率 4 4 40 8 6 30 3 2 7 50 1 3 3( 1 0 岬)( 1 0 凹1 ) ( w ) 吸收功率 3 5 7 70 5 3 5 50 1 9 4o 0 1 4 6 7 o 0 0 2 9 6 ( w ) 2 4 本章小结 研究讨论了掩模结构和性能对l i g a 技术中高深宽比结构制作的影响。并针 对本实验站3 8 1 束线改造后，能进行专用光和兼用光两用的情况，我们分别设 计、计算出两组掩模。每组掩模里，又选用a u p i 和a u s i 两种组合，计算出各 种掩模的具体参数。其中a u - p i 组合是本实验室首选掩模，一直在3 w 1 束线上 得到了成功使用，其制作工艺成熟、成本底，适合实验研究。另外，在本次设计 和以往的实验中本实验室还对a u s j n 和a u - s i 0 2 组合的掩模进行了尝试，但由 于这两种掩模在其制备过程中形成的应力较大，成本较高，且容易破碎，因此我 们暂时不考虑其使用。 第3 章光谱和光强 第3 章光谱和光强 3 1 同步辐射光源简介 在对3 8 1 束线进行改造之前，b s r f 的l i g a 实验站一直都是使用3 w 1 束 线作为曝光光源，3 w 1 是从b e p c 三区的第一块w i g g l e r 引出的，其总长度为 1 7 5m ，运行参数如表3 1 所示【1 7 1 。束线的水平接受角为1m r a d ，垂直接受角为 1 m r a d ，曝光点距离光源2 5m ，样品处水平光斑大小为2 5i i l i n ，通过扫描曝光 腔在垂直方向上进行扫描运动后，可在样品表面处形成一均匀的光斑。 表3 13 w 】永磁多极w j g 斟e r 的运行参数 1 a b l e 3 一lt h c n m n i n gp a r m e t e r so f 3 w 1 周期长度磁极间隙l 临界能量 周期数磁场强度( d偏转系数( k ) ( c m )( c m )( k e v ) 53 04 31 4 34 64 0 同步辐射光源所发出的是一连续x 射线光谱，不同能量的储存环，其光谱 是不同的，对于相同的储存环，其弯铁和插入件的光源光谱也不相同。并非整个 同步辐射的光源都可以用于l i g a 技术的深度光刻，只有一定光谱范围的x 光才 能用于此目的。 图3 1 为3 w 1 柬线经过铍窗后的能谱图，从能谱图上可以看出o 1 0 4m 波段内的光线很丰富，可以很好地满足u g a 工艺的需要。图3 。2 是x 光波长与 光刻深度的关系曲线。从曲线中可以看到，对不同深度光刻，所要求的波长也不 相同，深度越深，需要的x 光波长越短。这也不难理解，光波长越短，其能量 越高，所能够穿透的深度也越深。 在第一章中，文中已经讲到过由于u g a 技术中常选用m 仰d a 作为光刻胶， 其上表面曝光剂量d s 不能超过2 0u ，c m 3 ，过高的曝光剂量将使光刻胶龟裂和起 泡；下表面曝光剂量d d 不能小于4 k j c | m 3 ，上下表面吸收剂量之比d s ：d d 5 ： 此外，掩模吸收体遮挡处的p m m a 表面吸收剂量必须小于1 0 0j c m 3 ，这样才能 确保后续的显影步骤正常进行。而由于x 光的光谱不同，极可能会导致样品表 北京工业大学工学硕士学位论文 口ooo2o30 05d a7n w a ”i n a m ( n m ) 图3 13 w 1 光源能谱分布图 f i 醪一1s p e c 仇：o f 3 w l w a v e i e n g h ( a ) 图3 - 2x 光波长与光刻胶深度的关系曲线 f i 9 3 - 21 1 1 er e l a t i o nc i l eb e m e e nx - r a y s w a v e l e i i g i l l dd e p t l lo f p m m a 面曝光剂量d 。远远高于底部曝光剂量d d ，因此，为满足上述条件，除了第一章 中所讲到的对掩模有所要求外，还应要对x 光光谱加以限制和选择。 3 2 光谱和光强对高深宽比的影响 光刻是u g a 技术制作高深宽比胶结构的关键步骤，其光源的能谱特征又直 接影响着高深宽比的实现结果，是本文讨论的重点之一。 x 光的波长分别从两个相反的方面影响着微结构制作的精度和高深宽比 1 5 ，1 8 】。一方面是在第一章中已经指出的，在掩模吸收体边缘形成的菲涅耳单边衍 射，会导致一定剂量的x 光分布到掩模吸收体后面的光刻胶表面( 图3 3 a 所示) ， 显影后会影响到结构图形的精度，它所造成的偏差与九圯成正比，即随着波长的 减小( 光子能量的增加) ，这种影响会相应变小。另一方面，当x 光在光刻胶内传 播时，在它被光刻胶吸收的同时，也产生了偏离x 光方向的光电子，这些电子 也会使结构图形部分的光刻胶感光( 图3 3 b 所示) ，从而影响到图形精度，它所 造成的偏差与妒成正比，即随着波长的增加p 匕子能量的减小) ，电子的穿透深度 会减小，相应的影响也会变小。而且对于不同的光刻胶厚度，其衍射影响也不相 同。因此在选择光谱时，应综合考虑这两方面的因素。图3 4 给出了在胶厚5 0 0 岬 时，x 光波长对光刻胶刻蚀精度的影响情况。从图中可以看出，在兼顾两者的前 提下，对厚5 0 0 岫光刻胶的最佳曝光光谱为0 2 0 3n m 。 ( a ) 菲涅耳衍射效应( f r e s n e ld i f h c t i o n ) ( ”光电子效应( p h o t o e l e c 仃o n s ) 图3 - 3 菲涅耳衍射和光电子效应的影响示意图 f 逸3 - 3s k e t c hm a po f f r e s n e ld i 触c t i o na i l dp h o t o e l e c t r o n s 1 0 0 1 0 0 1 竹i l c k n 0 鹞馆日对：o 岬 吣t o f a l p h o o e i t x d 州阳忙t i o n 一”2 一九l ，2 0 111 0l 图3 - 4x 光波长对光刻胶刻蚀精度的影响 f j 9 3 - 4a c c u m c y o f 出es 眦岫s f e rd u eo f t 量i ec h 锄嘶r i s 6 c w a v e l e n g l l l 另外，光强也会影响到高深宽比结构的制作。光强太大时，会严重引发散热 不均问题，进而会导致光刻胶中产生热应力，出现鼓泡、龟裂等现象；光强太弱 时，又会影响到曝光时间和剂量吸收的分布情况，也会不利于微结构的制作。因 此，在制作高深宽比的微细结构时，必须考虑到光强的影响，并进行相应的改善。 3 3 光谱和光强的优化 b s i 心中用作l i g a 光源的3 w 1 光束线中x 光硬成分较多，光强较大，对 一en，ncolscme一刁 一20ldjo3殳了oo 北京工业大学工学硕士学位论文 于微细加工技术来讲，不利于制作高深宽比结构。为改善光谱，以满足l i g a 技 术对同步辐射光源的需求，通常需要利用一面反射镜将高能量的硬x 光吸收掉， 用一层金属吸收膜将低能x 射线吸收掉