电子束光刻技术与微机电系统(MEMS)制造

电子束光刻技术与微机电系统(MEMS)制造

目录

1.MEMS发展的前世今生........................................................1

2.光刻技术的优势...............................................................I

3.MEMS与我们的生活息息相关.................................................2

4.MEMS装置的制造............................................................3

5.电子束光刻的原理.............................................................5

6.电子束光刻的分类.............................................................5

7.电子束光刻的基石：光刻胶....................................................6

8.基于PMMA的电子束光刻工艺流程............................................7

9.光刻技术在MEMS制造中的应用..............................................12

10.光刻技术提高MEMS制造精度和稳定性的方法................................12

II.光刻技术在MEMS制造中的发展趋豹.........................................13

12.总结......................................................................14

1.MEMS发展的前世今生

微机电系统也称MEMS,是一种结合了机械和电子等技术的微小装置，尺

寸不超过1mm。1959年，著名物理学家费曼(RichardFeynman)在加州理工学

院的物理年会匕发表了题为“There'sPlentyofRoomattheBottom(底部还有

很大空间)”的著名演讲，首次提出微机械的概念。1987年，加州大学伯克

利分校的科学家借鉴集成电路(IC)工艺，制作出了直径仅为100口m左右的硅

微静电微电机，与人类头发丝的粗细相当，这被认为是MEMS时代到来的标

志。此后，MEMS技术进入飞速发展的时代，各种MEMS产品层出不穷，应用

在各种尖端技术领域。

2.光刻技术的优势

1.高分辨率：光刻技术可以制造出高分辨率的微型器件，能够满足MEMS

制造中对高精度、高分辨率的要求。

2.高效率：光刻技术具有高效率的优势，可以在短时间内制造大量的微型

器件，提高制造效率和生产效益。

第1页共14页

3.低成本：光刻技术具有低成本的优势，因为其制造过程简单、工艺流程

少，能够降低制造成本和生产成本。

4.适应性强：光刻技术可以适应不同的器件制造需求，具有很强的适应

性，可以制造出不同形状、不同尺寸的微型器件。

5.精度高：光刻技术具有高精度的优势，可以制造出高精度的微型器件，

能够满足MEMS制造中对高精度、高稳定性的要求。

3.MEMS与我们的生活息息相关

MEMS技术广泛应用于国防航天、光电影像、生化医疗、微波通讯及汽车

工业等各个领域。例如汽车上用的微型加速度计、投影仪中用的微镜、打印机

中用的微型喷头，极大地方便了人们的生产生活。图1是利用微加工技术制造

的微型指叉式加速度计，它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量

块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计

算加速度，在汽车电子中被广泛应用。

图1指叉式加速度计

图2的数字微镜装置(DMD)由美国德州仪器公司(TI)所开发。DMD技

术也称为“数字光线处理技术”。通过数字信息控制数十万到上百万个微小的反

射镜，将不同数量的光线投射出去。每个微镜的面积只有16X16um,微镜按

第2页共14页

矩阵行列排布，每个微镜可以在二进制0/1数字信号的控制下做正10°或负

10°的角度翻转。

图2数字微镜

4.MEMS装置的制造

体积如此小且功能高度集成的装置是如何制造出来的呢？MEMS的制造广

泛的借鉴了集成电路中的光刻、刻蚀以及镀膜等工艺。光刻是整个微加工工艺

中技术难度最大，也是最为关键的技术步骤。所谓光刻就是通过对光束进行控

制，在一层薄薄的光刻胶表面“刻蚀”出我们需要的图案，光束照过的位置光

刻胶的化学性质会发生变化，通过显影液的浸泡会使照射过的部分去除（正

胶）或者保留（负胶），流程示意图如图3〜图5所示。

图3曝光

第3页共14页

图4正胶显影

图5负股显影

按照光刻机的光源种类划分，目前主流的光刻技术包括X射线光刻、紫外

线光刻以及电子束光刻等。光源的波长是影响光刻精度的主要原因，由于光源

波长的限制，X射线曝光可达到50nm左右的精度，深紫外光源的曝光精度在

100nm左右，而电子的波长较小，因而电子束光刻的加工精度可以达到10nm

以内。电子束光刻以其分辨率高、性能稳定，成本相对较低的特点，因而成为

人们最为关注的下一代光刻技术之一，图6是麻省理工学院的科技人员利用电

第4页共14页

子束曝光技术加工出2.2nm的线宽。表1是电子束与光束之间的光刻分辨率

对比。

图6电子束曝光2.2nm线宽

表1电子束与光束之间的光刻分辨率对比

光源种类电子束X射线深紫外线极紫外线

分辨率5nm以内50nmlOOnm7nm

5.电子束光刻的原理

电子束光刻的主要原理是利用高速的电子打在光刻胶表面，使光刻胶的化

学性质改变。在电子束光刻中电子的产生方式有两种，一种是热发射，另一种

是场发射。热发射是通过对阴极材料高温加热，使电子获得足够的能量从阴极

中逸出；场发射是将阴极置于高强度电场中，利用电场对电子的强作用力使电

子脱离原子核的束缚。直写式电子束的曝光原理是将聚焦的电子束斑直接打在

光刻胶的表面，加工中不需要成本高昂的掩模版和昂贵的投影光学系统，其加

工方式也更为灵活•，适合小批量器件的光刻，在实际中应用更为广泛。

6.电子束光刻的分类

电子束光刻按照曝光方式划分可分为两种，投影式曝光与直写式曝光。投

影式曝光通过控制电子束照射掩模图形，将掩模图形投影至光刻胶表面，把掩

模板上的图案转移到光刻胶上，原理类似于照相机，拍摄对象好比掩模板，光

刻胶就像是胶卷，通过光线的照射把拍摄对象投影到胶卷上，如图7所示。

第5页共14页

图7投影式电子束曝光

如图8,直写式光刻不需要掩模版，通过磁场直接控制电子束斑按照预设

的轨迹在光刻胶表面照射，完成图案转移，就像是画画，铅笔类似于电子束，

纸类似于光刻胶，而我们的手类似于磁场，通过手控制铅笔的移动完成图画的

绘制。

图8直写式电子束曝光

7.电子束光刻的基石：光刻胶

电子束光刻是微纲制造领域中非常重要的技术手段。那么，在电子束光刻

的具体工艺流程是怎么样的呢？影响光刻效果的主要因素又是什么？下面我们

将一一解答。光刻胶在电子束光刻技术中的地位举足轻重，是电子束光刻工艺

中的核心材料，也是我国的一大短板，目前主要依赖进口。根据不同的MEMS

装置的工艺需求选择合理的光刻胶种类是十分必要的。目前常用的电子束光刻

胶有PMMA,ZEP520A及HSQ等，其主要光刻工艺特性如表2所示。

表2常用电子束光刻胶基本特性

第6页共14页

光刻胶种类正负性分辨率/nm工艺特点

PMMA正胶(高剂量负胶)<10低灵敏度，较高对比度

ZEP520A正胶<20耐刻蚀，去胶滩

HSQ负胶<20高对比度，极低灵敏度

PMMA光刻胶由于分辨率、对比度较高，且具有良好的热稳定性和化学稳

定性，其成本也明显低于其余两种。特别需要指出的是，PMMA胶的极性并不

是确定的，在高倍曝光剂量下会表现出负胶的性质。文章以PMMA胶为例，介

绍直写式电子束光刻的工艺流程。

8.基于PMMA的电子束光刻工艺流程

通常，MEMS工艺中的电子束光刻主要流程依次为：基片表面预处理、涂

覆光刻胶、前烘、电子束曝光、显影、定影、金属沉积及去胶等工艺环节。整

个光刻工艺流程较为复杂，总体光刻示意图如下。

conductingsuostrato

表3PMMA电子束光刻洸程

(1)基片表面预处理

硅片表面粗糙度、热膨胀系数低，在MEMS光刻中通常采用硅片作为基

底。为确保光刻胶涂覆均匀，需要使用化学溶液对表面进行清洗，后用去离子

水漂洗并干燥。

(2)旋涂光刻胶

涂胶方法有旋涂法、喷涂法和定量滴胶法。由于PMMA黏度较大，涂覆厚

度一般不大于lum,通常采用旋涂法。将光刻胶滴在硅片中心处，使硅片高

第7页共14页

速旋转，光刻胶在离心力的作用下均匀铺满整个硅片，如图9所示。

图9光刻胶旋涂示意

(3)前烘

前烘可使光刻胶中的溶剂挥发，使其与硅片之间的结合力更强。前烘过度

则会导致胶膜硬化，胶膜硬化不利于其内应力的消除，前烘不足溶剂挥发不完

全，胶膜出现缺陷，显影时存在浮胶现象。

Siliconwafer

coatedwith

photoresist

Hotplate

(T=95℃)

图10光刻胶烘烤

(4)曝九

第8页共14页

曝光是电子束光刻工序中最复杂的一步，曝光的图形尺寸精度直接影响零

件的尺寸精度。曝光剂量对曝光效果的影响最大，若曝光剂量不足，显影时会

出现光刻胶残留在硅片表面，显影图案不完整、形状不规则。

UnderexQualitypattern

(b)

图11⑶曝光不足(b)正常曝光

若曝光剂量增大到一定程度，被曝光区域的PMMA光刻胶将呈现出负胶

性质，显影后无法被去除。下图是笔者在实验室利用电子束直写技术光刻的笛

卡尔心脏线，输入心脏线参数方程，并设置较大的曝光剂量，使得PMMA显示

出负胶性质，显影后得到心脏线图形。

第9页共14页

图12电子束光刻笛卡尔心脏线

（5）显影

显影液可溶解光刻胶被曝光的部分（正胶）或未被曝光的部分（负胶），是产

生图形的关键工艺。显影工艺的关键是显影液类型的确定和显影时间的控制，

此外，显影液的配比、温度也会对图形质量产生明显影响。

⑹坚膜

坚膜又称硬烘，目的是通过烘烤使光刻胶胶模中残留的显影液和定影液挥

发出来，同时提高光刻胶与基片之间的结合力，烘烤的温度时间视光刻胶的种

类及旋涂后的胶膜厚度而定，如果坚膜不到位可能会出现胶膜倒塌的情况，如

下图所示。

第10页共14页

se

图13胶模倒塌

(7)金属沉积及去狡

通过在光刻胶图案上回填器件设计所需的材料，例如沉积金属或非金属材

料，去除多余的光刻胶后，就可以得到所需的器件，其原理类似于机械加工中

的注塑。目前主要的金属沉积方式为微电铸、磁控溅射、蒸发镀膜等方法，但

在微纳米尺寸的电铸中，由于电铸液表面张力的存在使其难以进入胶模。因

此，目前主要采用磁控溅射及热蒸发的方法。PMMA胶易溶于丙酮，选用丙酮

作为去胶剂溶解光刻胶，光刻胶溶解后薄膜悬空，可使用超声波清洗机将悬空

的金属薄膜去除，这样硅片上就只保留了我们需要的金属MEMS器件。

第11页共14页

Development

(a)Magnetronsputtering(b)ThermalEvaporation

图14金属沉积及去胶的过程

9.光刻技术在MEMS制造中的应用

1.制造传感器

传感器是MEMS器件中最常见的一种，用于检测、测量、监测等应用c光

刻技术可以制造出高精度、高分辨率的传感器，例如：压力传感器、加速度传

感器、光学传感器等。

2.制造微流体器件

微流体相件是MEMS潜件中的重要组成部分，用于流体的输送、混合、分

离等应用。光刻技术可以制造出复杂的微流体器件，例如：微通道、微泵、微

阀门等。

3.制造微机械结构

微机械结构是MEMS器件中的另一种重要组成部分，用于执行机械运动、

转换能量等应用。光刻技术可以制造出高精度、高稳定性的微机械结构，例

如：微型电机、微型机械臂、微型刻度等。

10.光刻技术提高MEMS制造精度和稳定性的方法

1.选择合适的光刻胶

选择合适的光刻股对MEMS制造的精度和稳定性非常重要。不同的光刻胶

有不同的特性，例如：分辨率、显影性能、稳定性等，需要根据具体的制造需

求选择合适的光刻胶。

2.优化光刻曝光参数

第12页共14页

优化光刻曝光参数可以提高制造精度和稳定性。光刻曝光参数包括光源功

率、曝光时间、曝光剂量等，需要根据具体的光刻胶和器件需求进行优化。

3.保持光刻机设备的稳定性

保持光刻机设备的稳定性可以提高制造精度和稳定性。光刻机设备需要定

期维护和保养，例如：清洁光刻掩膜、更换光刻胶、校准光学系统等，以确保

设备的稳定性和可靠性。

4.提高工艺控制水平

提高工艺控制水平可以提高制造精度和稳定性。工艺控制包括制造过程中

的各种参数和条