（精密儀器及機(jī)械專業(yè)論文）基于UVLIGA光刻技術(shù)的曝光及后烘過(guò)程仿真研究.pdf

摘要 摘要 近年來(lái)，隨著m e m s 研究及其應(yīng)用的快速發(fā)展，微細(xì)加工技術(shù)作為其中的 一個(gè)重要組成部分，獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。u v - l i g a 技術(shù)是現(xiàn)代微細(xì)加工中的熱 門技術(shù)之一，與使用x 射線的l i g a 技術(shù)相比，其光刻工藝中采用傳統(tǒng)紫外光 源，故其有著工藝簡(jiǎn)單，成本低廉的優(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)行大規(guī)模成批量的生產(chǎn)，因此 受到廣泛的關(guān)注和研究。 光刻技術(shù)作為u v - l i g a 中的關(guān)鍵一環(huán)，對(duì)其進(jìn)行理論仿真研究一直都是熱 點(diǎn)。隨著具有復(fù)雜高深寬比結(jié)構(gòu)的m e m s 器件獲得越來(lái)越多的需求，采用計(jì)算 機(jī)模擬的方法對(duì)光刻工藝仿真，可以降低研制成本，縮短研制周期，并對(duì)于提高 微機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)量、指導(dǎo)實(shí)際加工過(guò)程等方面都有著極其重要的意義。 u v l i g a 工藝主要采用接近式光刻，接近式曝光和后烘過(guò)程作為接近式光 刻中的兩個(gè)重要組成部分，首先應(yīng)當(dāng)考慮。曝光過(guò)程的研究主要集中對(duì)膠表面曝 光圖形和膠體深層曝光圖形的預(yù)測(cè)兩個(gè)方面。后烘過(guò)程則主要是對(duì)曝光過(guò)程的延 續(xù)，也是膠體發(fā)生實(shí)質(zhì)改變的一個(gè)重要步驟。而s u 8 負(fù)性化學(xué)放大膠由于其優(yōu) 秀的性質(zhì)也獲得了微細(xì)加工領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，是u v - l i g a 技術(shù)中主要使用的一 種膠體。 本文就s u 8 膠接近式光刻曝光工藝中的曝光和后烘機(jī)理展開研究，以期獲 得能夠完整地反映u v - l i g a 工藝中s u 8 曝光后烘過(guò)程的理論模型。不論是曝 光過(guò)程還是后烘過(guò)程，無(wú)法用單一的學(xué)科理論進(jìn)行解釋，需要交叉學(xué)科知識(shí)的支 持，這正是m e m s 領(lǐng)域研究的特點(diǎn)之一。本文以國(guó)家自然科學(xué)基金( n o 6 0 4 7 3 1 3 3 ) “基于準(zhǔn)l i g a 技術(shù)的m e m s 制造誤差修正方法計(jì)算機(jī)仿真研究”為 基礎(chǔ)而展開研究，對(duì)接近式紫外光刻工藝的曝光及后烘過(guò)程中涉及的理論進(jìn)行深 入研究，克服了光刻技術(shù)中交叉學(xué)科應(yīng)用帶來(lái)的難點(diǎn)，對(duì)曝光及后烘工藝實(shí)質(zhì)進(jìn) 行深層分析，提出了能充分反映工藝過(guò)程的理論模型。 對(duì)于膠表面曝光，本文以純光學(xué)標(biāo)量衍射理論為基礎(chǔ)，結(jié)合課題組的研究， 提出用模擬退火算法結(jié)合波前分割法對(duì)光場(chǎng)影響最大掩模范圍進(jìn)行灰階編碼掩 模矯正。通過(guò)在一定范圍內(nèi)對(duì)二元灰階編碼掩模的面元網(wǎng)格進(jìn)行局部搜索優(yōu)化， 最終得到光學(xué)臨近矯正后的掩模編碼及其矯正光場(chǎng)。 摘要 此外，在深度曝光過(guò)程仿真方面，以d i l l 曝光模型為代表的光化學(xué)曝光模型 更能反映其主要實(shí)質(zhì)。本文以d i l l 經(jīng)典曝光模型為基礎(chǔ)，對(duì)該模型在時(shí)間軸和深 度軸方向進(jìn)行擴(kuò)展，形成了更為完整的曝光仿真理論。在時(shí)間軸模型的擴(kuò)展方面， 分析了s u 8 光刻膠的組成及其曝光交聯(lián)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，建立了適合于s u 8 膠 的光交聯(lián)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。而在深度軸上，以復(fù)折射率擴(kuò)展下的基爾霍夫衍射公 式為基礎(chǔ)，利用光束傳播法的思想分階段計(jì)算某曝光時(shí)刻下膠體內(nèi)部的光場(chǎng)分 布。本文在深度軸上建立的光學(xué)模型解決了接近式光刻中光束傳播路線上折射率 跳變問(wèn)題，且對(duì)標(biāo)量衍射理論在微不均勻介質(zhì)的應(yīng)用上進(jìn)行擴(kuò)展。最后，通過(guò)復(fù) 折射率分布作為紐帶，將兩個(gè)軸上的模型耦合起來(lái)，形成了能夠反映s u 8 曝光 實(shí)質(zhì)的新型光化學(xué)曝光模型。 在后烘仿真方面，本文從s u 8 后烘反應(yīng)過(guò)程中的光聚合反應(yīng)入手，分析了 s u 8 后烘過(guò)程中的主要機(jī)理，并以f e r g u s o n 后烘反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，并加 入光致酸的擴(kuò)散模型，形成新的后烘反應(yīng)擴(kuò)散模型。本文著重介紹了 v r e n t a s d u d a 滲透劑高分子聚合物體系自由體積擴(kuò)散理論，通過(guò)對(duì)v r e n t a s d u d a 擴(kuò)散系數(shù)公式按s u 8 后烘擴(kuò)散過(guò)程的需要進(jìn)行簡(jiǎn)化，結(jié)合f e r g u s o n 后烘反應(yīng)動(dòng) 力學(xué)模型，最終形成了可以描述s u 8 后烘過(guò)程中光致酸環(huán)氧交聯(lián)鏈擴(kuò)散體系的 后烘反應(yīng)第二類擴(kuò)散模型。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文建立的曝光后烘耦合模型可以一定程度上反映加工圖形 輪廓，是完整而有效的微細(xì)加工過(guò)程模擬理論。 關(guān)鍵詞：接近式光刻；光刻仿真；掩模優(yōu)化；曝光模型；后烘模型 l l a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fm e m si nr e c e n ty e a r s ， m i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g yh a sm a d eg r e a tp r o g r e s sa sa l li m p o r t a n tp a r to fm e m s a sw e l l u v - l i g at e c h n i q u ei sah o tt e c h n o l o g yo fm o d e mm i c r o m a c h i n i n g ，w h i c h a d o p tt r a d i t i o nu l t r a v i o l e tl i g h ts y s t e ma si l l u m i n a t i o ns o u r c e c o m p a r i n gt ot h el i g a t e c h n i q u eu s i n gxr a y , i th a sv i r t u eo fb r i e f n e s so ft e c h n o l o g y , l o ws y s t e mc o s t ，a n d p o s s i b i l i t yo fl a r g e s c a l em a s sp r o d u c t i o n ，s oi th a sb e e np a i dw i d ea t t e n t i o nt o p h o t o l i t h o g r a p h yt e c h n o l o g yi sak e ys t e po fu v - l i g a ，a n di ta l w a y si s a h o t s p o to ft h e o r y s i m u l a t i o nr e s e a r c ho fi t a l o n gw i t ht h em o r ea n dm o r e r e q u i r e m e n t so fm e m s d e v i c e sw i t hc o m p l e xh i g ha s p e c tr a t i os t r u c t u r e s ，s i m u l a t i o n s o fl i t h o g r a p h yt e c h n i q u ew i t hc y b e r - s i m u l a n tm e t h o d sc a nr e d u c ec o s to fd e s i g na n d s h o r t e nr e s e a r c hc y c l e b e s i d e s ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rl i t h o g r a p h ys i m u l a t i o n t oi n c r e a s em i c r o m a c h i n i n gp r o d u c tq u a l i t y , g u i d et h ea c t u a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s a n ds oo n u v o l i g at e c h n o l o g ym a i n l yu s e sp r o x i m i t yl i t h o g r a p h y i th a sp r o x i m i t y e x p o s u r ea n dp o s te x p o s u r eb a k e ( p e b ) a st h et w oi m p o r t a n tc o m p o n e n t s ，w h i c h s h o u l db ec o n s i d e r e df i r s t t h es t u d yo fe x p o s u r ep r o c e s sm a i n l yf o c u so nt h e e x p o s u r ef i g u r eo nt h es u r f a c eo fp h o t o r e s i s ta n dt h ed e e pe x p o s u r ef i g u r ei n s i d et h e p h o t or e s i s t p e bp r o c e s si sak i n do fc o n t i n u e dp r o c e s so fe x p o s u r e ，a n d i ti sa v e r y i m p o r t a n tp r o c e s si nw h i c hp h o t o r e s i s tc h a n g e se s s e n t i a l l y t h es u 8p h o t o r e s i s t i sa k i n do fn e g a t i v ec h e m i c a l l ya m p l i f i e dr e s i s t s ，w h i c hh a sb e e np a i da t t e n t i o nt oi n m i c r o m a c h i n i n gf i e l db e c a u s eo f i t se x c e l l e n tc h a r a c t e r , a n di ti sak i n do fp h o t o r e s i s t m a i n l yu s e di nu v - l i g at e c h n o l o g y t h i sp a p e rd e a l sw i t hr e a c t i o nm e c h a n i s m so fp h o t o r e s i s ti ne x p o s u r ea n dp e b p r o c e s s e si nl i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y , a n di t sp u r p o s ei st og e ta p p r o p r i a t em o d e l s w h i c hc a ni n e x t e n s or e f l e c tt h ee x p o s u r ea n dp e bp r o c e s so fs u 一8i nu v - l i g a t e c h n o l o g y n o to n l ye x p o s u r ep r o c e s sa n d a l s op e b p r o c e s s ，c a nn o tb ee x p l a i n e db y t h es i n g l e d i s c i p l i n et h e o r y i t i sn e c e s s a r yt ob es u p p o r t e db yi n t e r d i s c i p l i n a r y a b s t r a c t k n o w l e d g e ，w h i c hf i g h ti st h ec h a r a c t e r i s t i co fr e s e a r c hi nm e m sf i e l d t h i sp a p e r b a s e do nt h ec h i n e s en a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( n o 6 0 4 7 3l33 ) s i m u l a t i o nr e s e a r c ho fm e m sm a n u f a c t u r i n ge r r o rc o r r e c t i o nm e t h o db a s e do n u v - l i g at e c h n o l o g y , m a k ei n - d e p t hr e s e a r c ho nt h et h e o r i e so fe x p o s u r ea n dp e b p r o c e s s e si np r o x i m i t yu v - l i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y w eo v e r c o m e dt h ed i f f i c u l t i e s b r o u g h tb yi n t e r d i s c i p l i n a r ya p p l i c a t i o ni nl i t h o g r a p h y , a n db u i l tt h e o r ym o d e l sw h i c h c a l lf u l l ys i m u l a t ee x p o s u r ea n dp e b p r o c e s s e s a sf o re x p o s u r eo nt h es u r f a c eo fp h o t o r e s i s t ，t h i sp a p e rb a s e do nt h eo p t i c a l s c a l a rd i f f r a c t i o nt h e o r y , r e c t i f i e dt h eb i n a r yg r a y - t o n ec o d i n gm a s kw i t h i nt h el i m i to f m o s te f f e c t i v eo nt h ei l l u m i n a t i o nb ys i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h ma n dd i v i s i o no f w a v ef r o n tm e t h o d ，c o m b i n e dw i t ht h er e s e a r c ho fo u rg r o u p t h r o u g ht h el o c a l s e a r c h i n ga n dp a r t i a l l yo p t i m i z a t i o no nt h eb i n n i n gg r i do fb i n a r yg r a y t o n ec o d i n g m a s k ，t h eo p t i c a lp r o x i m i t yc o r r e c t e dm a s kc o d ew a so b t a i n e df i n a l l y f u r t h e r m o r e ，f o rt h es i m u l a t i o no fd e e pe x p o s u r ep r o c e s s ，t h ep h o t o c h e m i s t r y e x p o s u r em o d e lr e p r e s e n t e db yt h ed i l l se x p o s u r em o d e li sm o r er e a s o n a b l ea n d a p p l i c a b l e t h i sp a p e rb a s e do nt h ec l a s s i c a ld i l l se x p o s u r em o d e l ，g e n e r a l i z e di t s t i m ea n dd e p t he x p o s u r em o d e l ，a n dt h em o r er e a s o n a b l ea n di n t e g r a t e de m u l a t i o n a l t h e o r ym e t h o d sw e r ep r o p o s e d t og e n e r a l i z et h et i m ea x i se x p o s u r em o d e l ，t h e c o m p o n e n t so fs u - 8p h o t o r e s i s ta n di t sp h o t o p o l y m e r i s a b l er e a c t i o ni ne x p o s u r e p r o c e s sw e r ea n a l y z e d ，a n dar e a c t i o nk i n e t i c sm o d e lb e f i t t i n gs u - 8w a sb u i l t i nt h e d e p t ha x i s ，b a s e do nt h ek i r c h h o f f sd i f f r a c t i o nf o r m u l ag e n e r a l i z e db yt h ec o m p l e x r e f r a c t i v ei n d e x ，t h ei l l u m i n a t i o nd i s t r i b u t i n gi n s i d et h ep h o t o r e s i s ta ts o m em o m e n t w a sc a l c u l a t e db ys t a g e s ，u s i n gt h eb e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d i nt h i s p a p e r , t h e o p t i c a le x p o s u r em o d e lb u i l to nt h ed e p t ha x i sc a l ls o l v et h ep r o b l e mo ft h ej u m p i n g r e f r a c t i v ei n d e xi nt h ep r o p a g a t i n gp a t hi np r o x i m i t yl i t h o g r a p h y , a n dt h es c a l a r d i f f r a c t i o nt h e o r yw a sg e n e r a l i z e dt oa p p l yi nm i c r o - h e t e r o g e n e o u sm e d i u m f i n a l l y , t h et w om o d e l sw e r e 、c o u p l e db yc o m p l e xr e f r a c t i v e i n d e x ，f o r m i n g an e w p h o t o c h e m i s t r ye x p o s u r em o d e lw h i c hc a l lr e f l e c tt h ee s s e n t i a lp r o c e s so fs u - 8 e x p o s u r e a sf o rs i m u l a t i o no fp e b ，t h i sp a p e rs t a r t e dw i t ha n a l y s i so fs u 8 h a b s t r a c t p h o t o p o l y m e r i s a b l er e a c t i o n ，d i s c u s s e dt h em a i nm e c h a n i s mo ft h er e a c t i o n si np e b p r o c e s s b a s e do nt h ef e r g u s o np e br e a c t i o nk i n e t i c sm o d e l ，t h ed i f f u s i o nm o d e lo f p h o t o a c i dw a sc o n s i d e r e d ，a n da n e wp e br e a c t i o n d i f f u s i o nm o d e lw a sb u i l t i nt h i s p a p e r , t h ev r e n t a s d u d af r e ev o l u m ed i f f u s i o nt h e o r yo fs o l v e n t - p o l y m e rs y s t e mw a s i n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h es i m p l i f i c a t i o nt ot h ev r e n t a s d u d af r e ev o l u m ed i f f u s i o n c o e f f i c i e n t c a l c u l a t i n gf o r m u l aa n dc o m b i n i n gw i t ht h ef e r g u s o np e br e a c t i o n k i n e t i c sm o d e l ，t h ep e br e a c t i o n - s e c o n d s t y l e d i f f u s i o nm o d e lo fp h o t o a c i d - e p o x y c r o s s l i n k e dc h a i ns y s t e mw a sb u i l tt od e s c r i b es u 一8p e b p r o c e s sf i n a l l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei m p r o v e de x p o s u r ea n dp e bm o d e l b u i l ti n t h i sp a p e rc a l lr e f l e c tt h ea c t u a ls i t u a t i o no fe x p e r i m e n tf i g u r ei nac e r t a i n d e g r e e ，a n di t i sa l li n t e g r a t e da n de f f e c t i v es i m u l a t i o nt h e o r yo fm i c r o m a c h i n i n g p r o c e s s k e y w o r d s ：p r o x i m i t yl i t h o g r a p h y ；l i t h o g r a p h ys i m u l a t i o n ；m a s ko p t i m i z a t i o n ； e x p o s u r em o d e l ；p e bm o d e l i i l 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行研究工作所取得的成 果。除已特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含任何他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫 過(guò)的研究成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確 的說(shuō)明。 作者簽名： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文授權(quán)使用聲明 作為申請(qǐng)學(xué)位的條件之一，學(xué)位論文著作權(quán)擁有者授權(quán)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)擁 有學(xué)位論文的部分使用權(quán)，即：學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交 論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱，可以將學(xué)位論文編入中國(guó)學(xué) 位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)等有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制 手段保存、匯編學(xué)位論文。本人提交的電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。 保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。 日公開口保密( 年) 作者躲莖：肇一一一翩躲墊恥絲 簽字日期：簽字日期：壟! 仝：蘭：乏 第l 章緒論 第1 章緒論 1 1 微電子機(jī)械系統(tǒng)( m e m s ) m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，簡(jiǎn)稱m e m s ，中文含義是微電子機(jī)械 系統(tǒng)。m e m s 還可以簡(jiǎn)稱為微機(jī)電系統(tǒng)，這是美國(guó)的叫法。目前世界上對(duì)于微 機(jī)電系統(tǒng)，還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義。在日本，它通常被稱之為“微機(jī)械”，即“m i c r o m a c h i n e ”。在歐洲，通常稱為“微系統(tǒng) ，即“m i c r os y s t e m ”。而在中國(guó)， 我們認(rèn)同m e m s 這個(gè)名稱。因?yàn)閙 e m s 比較完整、準(zhǔn)確地刻畫了微機(jī)電系統(tǒng)的 主要特征【”。m e m s 是專指那種外形輪廓尺寸在毫米量級(jí)以下，構(gòu)成它的機(jī)械零 件和半導(dǎo)體元器件尺寸在微米納米量級(jí)( 10 擊米10 。9 米) ，可對(duì)聲、光、熱、磁、 運(yùn)動(dòng)等自然信息進(jìn)行感知、識(shí)別、控制和處理的微型機(jī)電裝置。m e m s 是正在 飛躍發(fā)展的微，納米技術(shù)中一項(xiàng)十分重要的成果【2 】【3 】，它通過(guò)把微型電機(jī)、 微型 電路、微型傳感器、微型執(zhí)行器等微型裝置和器件集成在硅片上，能夠達(dá)到搜 集、處理與發(fā)送信息或指令等功能，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部 的指令采取行動(dòng)，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和可靠性水平。m e m s 是多種學(xué)科交叉融合并具有戰(zhàn)略意義的前沿高技術(shù)，是未來(lái)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。可 以預(yù)見，m e m s 將以其微型化的優(yōu)勢(shì)，對(duì)未來(lái)科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)方式及質(zhì)量產(chǎn)生 深遠(yuǎn)影響，它不僅可以帶動(dòng)許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，更將是關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)繁榮、 科技發(fā)展和國(guó)防安全等方面的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)【4 】【5 】【6 1 。 1 2 微細(xì)加工技術(shù) 在m e m s 發(fā)展過(guò)程中，m e m s 器件由于需要已經(jīng)被不斷縮小了，一些m e m s 器件的尺寸已經(jīng)到了微米甚至納米級(jí)。這種微小尺寸裝置器件的加工顯然超越了 車、磨、鉆、鍛、鑄、焊等傳統(tǒng)機(jī)械加工方法的極限。用于加工這種微小器件的 技術(shù)稱為微細(xì)加工技術(shù)，或稱為微制造。微細(xì)加工的出現(xiàn)和發(fā)展與大規(guī)模集成電 路密切相關(guān)，微細(xì)加工工藝中包括大量過(guò)去5 0 年中為微電子工業(yè)開發(fā)的加工工 藝【7 l 。目前微細(xì)加工主流技術(shù)主要包括：基于半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工工藝的硅 表面加工和體硅加工技術(shù)，2 0 世紀(jì)8 0 代中期以后出現(xiàn)的l i g a 技術(shù)以及由傳統(tǒng) 精密、超精密機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展而來(lái)的微細(xì)機(jī)械加工技術(shù)等。 第1 章緒論 1 2 1 硅微 j l - r 技術(shù) 硅微加工技術(shù)主要利用集成電路工藝對(duì)硅材料進(jìn)行加工，形成硅基m e m s 器件，在m e m s 研究中具有重要地位。這類微細(xì)加工技術(shù)可分為兩大類：表面 硅j i l t ( s u r f a c em i c r o m a c h i n i n g ) 和體硅j j i i ( b u l km i c r o - m a c h i n i n g ) 技術(shù)。表面 硅加工技術(shù)中常用的一種技術(shù)為表面犧牲層技術(shù)；而體硅加工技術(shù)中以腐蝕技 術(shù)、和鍵合技術(shù)尤為重要。 表面犧牲層( s u r f a c es a c r i f i c i a ll a y e r ) 技術(shù)：犧牲層技術(shù)是表面微細(xì)加工采 用的一種重要工藝。其基本工藝步驟為：先在襯底上沉淀犧牲層材料，利用光刻 技術(shù)，在犧牲層上刻蝕形成設(shè)計(jì)的圖形，然后用結(jié)構(gòu)材料淀積并光刻出所需的圖 形，最后再用化學(xué)腐蝕劑將作為結(jié)構(gòu)支撐的犧牲層材料腐蝕掉，這樣就形成了懸 浮可動(dòng)的微結(jié)構(gòu)部件。由于被去掉的中間支撐層只起分離作用，故稱其為犧牲層， 其厚度一般為1 2 微米。利用犧牲層可制造出多種活動(dòng)的微結(jié)構(gòu)，如微型橋、懸 臂梁及懸臂塊等，此外該技術(shù)常被用來(lái)制作敏感元件和執(zhí)行元件，如諧振式微型 陀螺、諧振式微型壓力傳感器、微型馬達(dá)、微型加速度計(jì)及各種制動(dòng)器等。該技 術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是與i c 工藝有著良好的兼容性，與集成電路集成性好，是現(xiàn)在應(yīng)用較 為廣泛的微細(xì)加工技術(shù)【8 1 【9 】。 腐蝕( e t c h i n g ) 技術(shù)：對(duì)硅等硬材料，沒(méi)有現(xiàn)成的傳統(tǒng)機(jī)械加工手段可以 實(shí)現(xiàn)微納尺寸級(jí)別的加工。用物理或化學(xué)技術(shù)，即通過(guò)于法或者濕法腐蝕來(lái)進(jìn)行 加工，是僅有的可利用的加工硅的方法。腐蝕工藝根據(jù)是否依賴于加工材料的晶 向分為各向同性腐蝕和各項(xiàng)異性腐蝕。對(duì)于硅這種具有金剛石立體晶體結(jié)構(gòu)的材 料來(lái)說(shuō)，各向異性腐蝕( a n i s o t r o p i ce t c h i n g ) 是體硅微細(xì)加工技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù) 之一。腐蝕不同材料的的基底，有不同種類的腐蝕劑。對(duì)于相同材料的基底采用 不同種類腐蝕劑進(jìn)行腐蝕，也會(huì)得到不同的加工效果。如用來(lái)腐蝕硅材料的普通 各向同性腐蝕劑為h n a ，可以經(jīng)行各向同性腐蝕；而氫氧化鉀( k o h ) 、乙二胺 和鄰苯二酚( e d p ) 、四甲基氫氧化銨( t m a h ) 以及肼( n 2 h 4 ) 則是硅各向異 性腐蝕的常用腐蝕劑。由于各種各向異性腐蝕劑對(duì)硅不同晶面的腐蝕速率不同， 故選用合適的掩模和晶向可以獲得高深寬比結(jié)構(gòu)。深寬比同高寬比，即微結(jié)構(gòu)中 凹結(jié)構(gòu)的深度或凸結(jié)構(gòu)的高度與表面尺寸的比率。早期m e m s 壓阻式壓力傳感 器和加速度傳感器都采用了各向異性腐蝕技術(shù)【1 0 】【1 1 l ，但該方法與集成電路集成 2 第1 章緒論 度較差，且存在橫向尺寸加工精度有限及加工器件尺寸較大等方面的缺點(diǎn)。干法 腐蝕有三種實(shí)用技術(shù)：等離子刻蝕、離子研磨以及反應(yīng)離子刻蝕。這些加工技術(shù) 克服了濕法化學(xué)腐蝕的缺點(diǎn)，是目前微機(jī)械加工的主流技術(shù)。隨著i c 工藝的發(fā) 展，感應(yīng)耦合等離子體刻蝕、高密度等離子體刻蝕技術(shù)及設(shè)備被不斷引用進(jìn)來(lái)， 使得干法刻蝕可以制作比較理想的高深寬比的溝槽。 鍵合( b o n d i n g ) 技術(shù)：鍵合技術(shù)是不利用任何粘合劑，通過(guò)化學(xué)鍵和物理 作用將硅片與硅片、硅片與玻璃或其它材料緊密地結(jié)合起來(lái)的方法。它常與其它 微細(xì)加工手段同時(shí)運(yùn)用，可以對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐和保護(hù)以及實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)之間或 機(jī)械結(jié)構(gòu)與集成電路之間的連接。常見的硅片鍵合技術(shù)包括金硅共熔鍵合、硅 玻璃靜電鍵合、硅硅直接鍵合以及玻璃焊料燒結(jié)等【1 2 】。 一般說(shuō)來(lái)，硅加工技術(shù)與傳統(tǒng)i c 工藝結(jié)合性好，可方便地對(duì)微機(jī)械和微電 子系統(tǒng)進(jìn)行集成，適合大規(guī)模成批量生產(chǎn)，是m e m s 主流加工技術(shù)。 1 2 2 。l i g a 技術(shù)和u v l i g a 技術(shù) 表面硅加工和體硅加工涉及的微細(xì)加工過(guò)程都是從i c 技術(shù)演變而來(lái)的，故 而大多數(shù)用于i c 產(chǎn)品和集成電路的理論、經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)備，經(jīng)過(guò)細(xì)微調(diào)整后也都 適用于某些微細(xì)加工。然而，這些良好的繼承性卻伴有兩個(gè)主要欠缺：微結(jié)構(gòu) 深寬比較低；絕大部分工藝必須使用硅作為基底材料。大部分硅基微電子機(jī)械 系統(tǒng)在加工過(guò)程中都是用標(biāo)準(zhǔn)尺寸和厚度的晶片作基底j 通過(guò)此基底上作腐蝕或 其他一些加工工藝，形成所需的三維結(jié)構(gòu)體系。因此，材料的深度尺寸會(huì)不可避 免的受限于此。另外硅基m e m s 結(jié)構(gòu)還排斥聚合物、塑料和金屬等傳統(tǒng)材料【7 1 。 用于微電子機(jī)械系統(tǒng)的l i g a 工藝與上述工藝有根本的區(qū)別。它沒(méi)有前述硅 基微細(xì)加工技術(shù)的兩個(gè)缺點(diǎn)。該工藝在制作非硅基底的微結(jié)構(gòu)上具有巨大的潛 力，如用來(lái)制造金屬或塑料的微齒輪或微馬達(dá)等。l i g a 是德語(yǔ)光刻 ( l i t h o g r a p h i e ) 、電鍍( g a l v a n f o r m u n g ) 和壓模( a b f o r m u g ) 的簡(jiǎn)稱，是2 0 世 紀(jì)8 0 年代中期，德國(guó)k a r l s m h e 原子核研究中心開發(fā)的技術(shù)。 如圖1 1 所示，l i g a 工藝開始時(shí)是利用深層輻射x 射線在厚層光刻膠上光 刻出設(shè)定要求的圖形。在這個(gè)過(guò)程中所使用的x 射線是由同步輻射加速器產(chǎn)生 的，它波長(zhǎng)短，具有很強(qiáng)的穿透力來(lái)穿透光刻膠層，可以獲得高分辨率和高深寬 第1 章緒論 比結(jié)構(gòu)。x 射線的短波可以獲得0 2 微米的線寬度和大于1 0 0 ：1 的深寬比。當(dāng)采 用光刻技術(shù)獲得所需圖形時(shí)，采用微電極沉積等電鑄技術(shù)可在電絕緣的光刻膠間 隙中制造一個(gè)銅、金、鎳或鎳合金等材料構(gòu)成的與設(shè)計(jì)圖形互補(bǔ)的金屬結(jié)構(gòu)。再 把光刻膠去除，電鑄所獲得的金屬結(jié)構(gòu)本身既可作為最終產(chǎn)品使用，也可以作為 批量產(chǎn)品的鑄塑模具。與硅材料結(jié)構(gòu)相比，金屬微結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的韌性，且受溫 度影響較小，制作也相對(duì)方便，設(shè)備成本低，適合中小型工廠。如用l i g a 工藝 制造出鑄塑模具后，則可利用該模具通過(guò)注射成型等工藝制造大批量的塑料復(fù)制 品，而這些微型復(fù)制品則具有較高的精度和低廉的成本。 圖1 1l i g a 工藝一般流程 l i g a 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以獲得具有高深寬比的由各種金屬、塑料或陶瓷零 件組成的非硅材料三維微機(jī)電結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展了硅微加工技術(shù)的局限性。但由于其工 藝中需要成本昂貴的同步輻射x 射線光源，人們?cè)O(shè)法用其他光源進(jìn)行替代。近 年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開發(fā)出了多種不需同步輻射光源的準(zhǔn)l i g a 技術(shù)?；诤衲z紫外光 刻的u v - l i g a ( u l t r a v i o l e t l i g a ) 技術(shù)，基于準(zhǔn)分子激光刻蝕的l a s e r - l i g a 技術(shù) 和基于深槽刻蝕的d e m ( d e e p e t c h i n g ，e l e c t r o f o r m i n ga n dm i c r o r e p l i c a t i o n ) 技術(shù) 等則是準(zhǔn)l i g a 技術(shù)中的代表，而其中又以u(píng) v - l i g a 技術(shù)最為常見【1 3 1 。 u v - l i g a 采用成本相對(duì)低廉的紫外光線代替x 射線源進(jìn)行光刻工藝，除了 所用光刻光源和掩模外，其它工藝過(guò)程則與l i g a 1 - 藝基本相同。根據(jù)各頻段紫 外光的特點(diǎn)，工藝加工的厚度從數(shù)微米至數(shù)百微米不等，是制作一定厚度、高深 寬比微結(jié)構(gòu)的一種簡(jiǎn)易、低成本的手段。l i g a 與u v - l i g a 技術(shù)的具體比較參 見表1 1 f 14 1 。 4 第1 章緒論 除了上面提到的硅微加工技術(shù)和l i g a j 準(zhǔn)l i g a 加工技術(shù)外，其它的一些微 細(xì)加工技術(shù)也在蓬勃發(fā)展著，如激光；l i t _ e 15 1 、電火花加工【1 6 】、離子束n - r - 17 1 、 電子束加工【1 踟、微波力it 1 9 】等。 表1 1l i g a 和u v - - l i g a 技術(shù)主要特點(diǎn)比劃2 0 】 l i g a 技術(shù)u v - u g a 技術(shù) 光源 同步輻射x 光常規(guī)紫外光 掩模版 以金金屬為吸收體的x 射線掩模版標(biāo)準(zhǔn)鉻金屬掩模版 光刻膠 聚甲基丙稀酸甲脂p m m a 正性和負(fù)性光刻膠， 聚酰亞胺，s u 8 膠 深寬比 一般1 0 0 ，最高5 0 0 一般1 0 ，最高5 0 最小尺寸 亞微米一至幾個(gè)微米 膠膜厚度 幾十至1 0 0 0 微米幾至幾百微米 側(cè)壁陡直度 可大于8 9 9 度一般8 8 度以下 生產(chǎn)成本較高較低 生產(chǎn)周期較長(zhǎng)較短 1 2 3 微細(xì)加工技術(shù)中的多學(xué)科性 除了最初的微細(xì)加工工藝是從集成電路加工技術(shù)發(fā)展而來(lái)的這一事實(shí)，今天 的微細(xì)加工工藝中包括了眾多方面的學(xué)科及各學(xué)科的交叉。這里之所以要強(qiáng)調(diào)微 細(xì)加工技術(shù)中的多學(xué)科性，是因?yàn)樵诒疚牡? 第4 章中將集中討論幾個(gè)學(xué)科方面 的交叉理論進(jìn)行建模仿真，從而說(shuō)明微細(xì)制造并非單一學(xué)科方面的理論知識(shí)即可 解釋和解決加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象和問(wèn)題，而正是這種多學(xué)科交叉的前沿性、高 新性使得微細(xì)加工技術(shù)發(fā)展前景如此光明，使其成為新世紀(jì)中極具潛力的產(chǎn)業(yè)之 一【2 1 1o 如圖1 2 ，自然科學(xué)將在微細(xì)加工技術(shù)及其理論中的下述領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作 用【7 】： 1 在一些微細(xì)加工工藝中，電化學(xué)被廣泛應(yīng)用于將基底離子化的電解中； 而光化學(xué)則是光刻工藝中進(jìn)行的一種重要化學(xué)反應(yīng)。這些化學(xué)分支學(xué)科本身就是 學(xué)科交叉的產(chǎn)物。 第l 章緒論 電化學(xué)工藝l 盼子生物學(xué) 電液動(dòng)力學(xué) 電子工程 能量供給 能量供給和信 號(hào)傳輸?shù)碾娐?：納米電子學(xué)： ：納米處理器： ：納米器件 ： 然科學(xué)、物 、化學(xué)和生物 函畫一 機(jī)械工程 機(jī)械部件設(shè)計(jì) 機(jī)構(gòu)和連接 熱力學(xué)( 固體和流體歹 學(xué)、熱傳導(dǎo)、斷裂力學(xué) 智能控制 微工藝設(shè)備設(shè)計(jì)與鋁 造 計(jì)算力學(xué) 封裝和裝備設(shè)計(jì) 化學(xué)工程 微加工工藝 薄膜技術(shù) 材料工程 基于基底、部件 和封裝的材料 用于信號(hào)處理的 材料 用于微加工工藝 的材料 半導(dǎo)體摻雜材料 工業(yè)工程 工業(yè)設(shè)計(jì) 生產(chǎn)控制 微裝配 圖1 2m e m s 設(shè)計(jì)與制造包括的主要科學(xué)和工程學(xué)科 2 電液動(dòng)力學(xué)原理被應(yīng)用于微導(dǎo)管和微管道中驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)，如利用毛細(xì) 流體流動(dòng)制成的制動(dòng)器。 3 分子物理學(xué)中的一些模型被用于描述微電子機(jī)械系統(tǒng)中微尺度材料的特 性和特征變化。而分子動(dòng)力學(xué)原理則為描述納米尺度材料力學(xué)性能所需要。 4 分子生物學(xué)在生物傳感器和生物醫(yī)學(xué)微設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造中有著十分重 要的應(yīng)用。納米技術(shù)中也利用了很多分子生物學(xué)的基礎(chǔ)原理，促進(jìn)了納米工藝和 納米器件的發(fā)展。 5 等離子物理學(xué)是研究等離子體的形成、性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué) 科。它是微細(xì)加工工藝中一些腐蝕工藝和沉積工藝的主要建模工具。 6 量子物理學(xué)可以用于解釋微尺度下材料和物質(zhì)某些物理行為，如微流體 和固體中的熱傳輸問(wèn)題。 7 尺寸效應(yīng)f 2 2 】：當(dāng)構(gòu)件的幾何尺寸縮小到一定范圍時(shí)將出現(xiàn)的材料性能和 構(gòu)件力學(xué)行為發(fā)生較大變化的一種現(xiàn)象。這種效應(yīng)讓我們認(rèn)識(shí)到不是所有的物理 6 第1 章緒論 量都可以順利的按比例縮小即可進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，同時(shí)該效應(yīng)也催生了微摩擦、 微尺度熱學(xué)、微尺度流體學(xué)等學(xué)科的發(fā)展。 在科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，任何理論和技術(shù)的發(fā)展都將伴隨著學(xué)科間的交 叉與融合。在交叉領(lǐng)域被逐漸重視的新時(shí)期，各學(xué)科各自的發(fā)展都將不斷對(duì)微電 子機(jī)械系統(tǒng)的理論及制造工藝中的缺陷或空白進(jìn)行填補(bǔ)，這是一種新時(shí)代的挑 戰(zhàn)，我們需要在信息爆炸的時(shí)代不斷補(bǔ)充各方面的知識(shí)，但同時(shí)這也是一種難得 的機(jī)遇，各國(guó)雖然在m e m s 領(lǐng)域的研究永不停息，卻要受到交叉學(xué)科中各自學(xué) 科本身發(fā)展的制約，因而相對(duì)于傳統(tǒng)加工，在微細(xì)加工工藝方面我們可以縮短與 它國(guó)的差距【2 3 】【2 4 1 。 1 3 光刻技術(shù) 光刻( l i t h o g r a p h y ) 是以某種光子束或粒子束，經(jīng)過(guò)由通透和非通透的圖形 組成的掩模版，照射在涂覆光刻膠( 或稱光致抗蝕劑) 上，利用光刻膠的感光性 或抗蝕性，形成與掩模版圖形一致( 正膠情形) 或相補(bǔ)( 負(fù)膠情形) 的感光區(qū)域， 再經(jīng)過(guò)化學(xué)顯影，去除或保留這些區(qū)域得到相補(bǔ)或相同于掩模版圖形的光刻膠圖 案。光刻是高精度微幾何形狀圖形化最有效的手段之一，是i c 工藝中的的核心 技術(shù)。它可以大規(guī)模復(fù)制微細(xì)圖形進(jìn)行生產(chǎn)，是一種低成本高效率的加工技術(shù) 【2 5 】【2 6 1 。 1 3 1 光刻膠技術(shù) 光刻膠( p h o t o r e s i s t ) 又稱光致抗蝕劑，是一種由感光樹脂、增感劑和溶劑 等主要成分組成的對(duì)某些波長(zhǎng)感光靈敏的膠狀混合液體。特定的光刻膠只對(duì)某些 特定波長(zhǎng)的光敏感，而在相同光線照射下，不同光刻膠所進(jìn)行的光化學(xué)反應(yīng)和顯 影表現(xiàn)形態(tài)也不盡相同。根據(jù)這種差異可將光刻膠分為兩大類：正性膠( p o s i t i v e p h o t o r e s i s t ) 和負(fù)性膠( n e g a t i v ep h o t o r e s i s t ) 。負(fù)性膠在光照后形成不易溶物質(zhì)， 留下與掩模板相同的膠體圖形；而正性膠則在光照后形成可溶物質(zhì)，感光區(qū)域可 被顯影液去除，留下與掩模板相補(bǔ)的膠體圖形( 圖1 3 ) 。一般來(lái)說(shuō)，正膠感光靈 敏度較低，分辨率較高；負(fù)膠感光靈敏度較高，分辨率較差，且負(fù)膠可以形成臺(tái) 階等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的圖形【2 7 1 。 第1 章緒論 正膠掰 負(fù)膠科 圖1 - 3 正膠與負(fù)膠的顯影表現(xiàn)形態(tài) 光刻膠還可以按適用的光源分類，如分別與紫外光刻、x 射線刻蝕和電子束 刻蝕相適應(yīng)的紫外光刻膠、x 射線光刻膠和電子束膠等。光刻膠作為m e m s 技 術(shù)中的重要一環(huán)，它與其配套試劑( 如顯影液) 一起在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上呈快速增長(zhǎng) 的勢(shì)態(tài)，是極具生命力的產(chǎn)品，具有良好的市場(chǎng)前景和發(fā)展機(jī)遇，也越來(lái)越受到 各方面的關(guān)注【2 引。 1 3 2 光刻工藝的分類 如前所述，光刻工藝中使用不同光源配套以對(duì)應(yīng)的光刻膠可以分為光學(xué)光 刻、電子束光刻和離子束光刻等；而光學(xué)光刻又可以進(jìn)一步根據(jù)光源光波波長(zhǎng)分 為紫外光n ( u v ：3 6 5 4 3 6 n m ) 、深紫外光刻( d u v ：1 5 7 2 5 0 n m ) 、超深紫外光刻( h 1 1 1 4 n m ) 和x 射線光n ( 1 0 n m ) 。根據(jù)曝光控制系統(tǒng)的曝光方式，光刻技術(shù)又可 分為無(wú)掩模直接光刻和基于掩模版的光刻。無(wú)掩模直接光刻技術(shù)( 如激光直寫技 術(shù)等) 通過(guò)計(jì)算機(jī)直接控制光聚焦系統(tǒng)將定義的圖案掃描直接在覆蓋有光刻膠的 基底上曝光。雖然該技術(shù)可以達(dá)到很高的直寫精度，而且省去了掩模板的設(shè)計(jì)加