丙烯酸酯干膜光刻胶曝光特性及其应用

加工、测量与设备

Processing,M easur em ent and Equipment

丙烯酸酯干膜光刻胶曝光特性及其应用

秦 健1,刘泽文2,钟 艳2,王太宏1

(1.湖南大学物理与微电子科学学院,长沙 410082;

2.清华大学微电子学研究所,北京 100084)

摘要:对一种新型的丙烯酸酯干膜光刻胶(DFP)的曝光及显影特性进行了研究,采用该干胶制作出微沟道结构,进行微流道实验研究。在4英寸(1英寸=2 54cm)硅片上实现了厚度为

50 m的干胶完好贴敷,从而解决了干胶在硅衬底上的贴敷问题。利用改变曝光时间设定曝光剂

量梯度的方法,研究了干胶的曝光特性。采用不同质量分数的显影液,研究干胶的显影特性,获得了优化的结果。采用干胶系统进行了微流体沟道制作,得到了侧壁陡直的微沟道结构。实验发现,65m J/cm2及以上的曝光剂量可使厚度为50 m的干膜光刻胶充分曝光并获得形貌效果良好的微结构,质量分数为5%的显影液具有最快的显影速度。

关键词:干膜光刻胶(DFP);微电子机械系统(M EMS);曝光;显影;微流道

中图分类号:TH703;T N305 7 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2011)07-0454-06

Exposure Properties and Application of Acrylate Based

Dry Film Photoresists

Qin Jian1,Liu Zew en2,Zhong Yan2,Wang T aihong1

(1.School of P hy sics and M icr oelectr onics Science,H unan Univer sity,Changsha410082,China;

2.I nstitute of M icr oelectronics,T singhua Univ er sity,Beij ing100084,China)

Abstract:Exposure and development characterization of a novel photopoly mer dry film photore sist(DFP)based o n acry late w ere investigated,and the experiment of the m icro channel fabri cated on chip w ith DFP was car ried out.T he lamination of the50 m thickness photoresist film w as realized on4inch silico n substrates to solv e the lam inatio n pro blem of the dry film photore sist o n the silicon substr ate.T he exposure properties of the DFP w ere researched by the ex po sur e time dependent on exposure do se control m ethod,and its developing pro perty w as investiga ted w ith control of co ncentratio n g radient.The developing pro perties of DFP w er e investigated by the differ ent developer concentrations to obtain the optimization results.T he m icro channel w as fabricated by DFP sy stem and the micro channel structures w ith the steep side w all w ere ob tained.T he ex periments show that65mJ/cm2and above exposure do se can m ake50 m thick ness dry film photor esist ex po sure fully and obtain the ex cellent m icrostructure mo rpholo gy.The developer w ith5%mass concentration has the fastest rate of dev elo ping.

Key words:dry film photoresist(DFP);micr o electrom echanical sy stems(M EMS);ex po sure;

development;micro channel

DOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2011.07.009 EEACC:2575F

收稿日期:2011-04-14

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2007CB310500);国家自然科学基金项目(91023040)

通信作者:刘泽文,E mail:liuzw@tsing https://www.wendangku.net/doc/0a10554657.html,

0 引 言

随着微电子机械系统(MEM S)技术的迅速发展,新型有机材料如SU-8[1-2]和PDMS[3-4]等显示出越来越广泛的应用前景。光敏有机材料由于具有优良的物理化学性能、工艺简单、成本低等优点,在三维微结构制作中具有独特的优势。基于丙烯酸酯的干膜光刻胶(简称干胶),作为一种用于MEM S领域的新型光敏有机材料,最近开始受到大量关注[5-7]。干膜光刻胶是一种与常规液态光刻胶不同的光刻负胶,以前在微电子行业被用于印刷电路板制作中电镀工艺的模具制作[8]。作为新型微结构制作材料,干膜光刻胶有很多优点:与衬底黏附性良好,在衬底上厚度均匀、不会出现边缘突起,曝光后线条清晰并具有良好的高深比。与常规液态光刻胶不同的是,干膜光刻胶是没有溶剂的固态胶,因而在应用过程中省掉了匀胶、烘焙固化等步骤,工艺简单;最重要的是干膜光刻胶可以多层叠加,可制作厚度为几百微米的微结构[6]。

本文对干膜光刻胶的贴敷、曝光、显影及其在微结构制作中的应用开展了一系列的实验优化研究,如干膜光刻胶在硅衬底表面的贴敷,不同的曝光剂量、不同显影液浓度与显影时间对微结构工艺效果的影响等。利用所获得的优化的实验参数,进行了用于芯片实验室的微沟道结构制作研究,获得了厚度为50 m、宽度为80 m的微流道结构。

1 干膜光刻胶的贴敷实验

本实验采用的是SD250干膜光刻胶(美国杜邦公司生产)。成品干膜光刻胶是成卷状的,并且用不透光的黑纸包覆,只能在光刻间的黄光环境中打开。展开的干膜光刻胶膜层是一种三明治结构(图1)。

图1 干膜光刻胶的三明治结构

Fig 1 Sandwich structure of the dry fi lm photoresist 未曝光的干膜光刻胶被上下两个透明的保护层夹在中间(如图1中的b层),呈绿色;上面的保护层为质地较软的聚烯烃膜(如图1中的a层),下面的保护层为质地稍硬的多元酯膜(如图1中的c层)。

干膜光刻胶作为一种新型的固态光刻胶,不需要使用甩胶机匀胶,但是需要将干胶平整地贴敷在衬底表面。在干膜光刻胶应用比较成熟的印刷电路板(PCB)制造工艺中,有专门的对轮式层压机在对干膜加压加热的同时将其贴敷在衬底表面[8]。但在微加工工艺中,通常用的衬底是比较易碎的硅片,传统的层压机不适用,而且目前在M EMS领域也没有合适的贴膜机器。

在本实验中,用两种方法将以4英寸硅晶圆为模板裁剪好的干膜贴敷在衬底表面。第一种方法是参考传统层压机的原理,将已进行洁净化处理的硅片衬底放在60 加热板(C-MAG H P7,德国IKA公司)上前烘,然后将已去掉聚烯烃保护膜的干膜光刻胶在用玻璃片加压的同时平铺到衬底表面。第二种方法实际上分两步进行:第一步,将去掉聚烯烃保护膜的干膜光刻胶贴在已做洁净化处理的硅片表面,并用边缘平整且钝化的玻璃片刮膜,使干胶平整地贴在硅片衬底表面;第二步,将已贴膜的硅片放在60 热板上,在加热的同时不断用玻璃片刮涂加压,增加干胶在衬底表面的黏附性。

采用可拍照光学显微镜(VH-Z450,日本KEYENCE公司)观察两种贴敷干胶方法的实验结果(图2),显微镜放大倍数为450倍。从照片中可以看到,干胶具有良好的透明性,可以很清晰地看到衬底上原有的条形器件。用第一种方法贴敷的样品干胶与衬底之间存有残余气体(图2(a));而用第二种方法贴敷的样品没有残余气体,干胶与衬底黏附良好(图2(b))。用第一种方法贴敷的过程中,干胶接触到衬底的同时在热量和压力的双重作用下直接黏附在衬底表面,并且不可逆,因而膜下的空气被封存在干胶与衬底之间形成气泡。第二种方法实际上是将第一种方法中的贴膜过程与加热加压过程作为两步分开操作,即先将干胶在室温下可逆地贴在衬底表面,并用玻璃片刮涂的方法去除膜与衬底之间的残余气体,然后再对干膜加热加压提高在衬底表面的黏附性,这样干胶与衬底之间就不会存在残余气体。

秦 健等:丙烯酸酯干膜光刻胶曝光特性及其应用

图2 用两种不同方法贴敷的干膜光刻胶

Fig 2 Laminated dry film photoresist with tw o different m ethods 2 干膜光刻胶的曝光实验

利用已做好干膜光刻胶贴敷处理的样品进行接触式曝光(光刻机M A6,德国Karl Suss公司)。该光刻机有两个固定光波长的曝光通道,一个是波长为365nm的紫外光通道,另一个是波长为405nm的紫光通道。实验使用的是波长为365nm 的紫外光通道,其曝光功率密度(光强)为6 5mW/cm2。由于曝光功率密度是一个定值,本实验中通过改变曝光时间来改变曝光剂量,测试不同曝光剂量条件下干胶样品的曝光效果。

表1为用台阶仪(Dektak150,美国Veeco公司)测试的接受不同曝光时间(曝光剂量)并显影后的干胶样品曝光区与非曝光区之间的台阶高度数据统计。实验设定的曝光时间梯度为2,5,10,30, 50和80s。从表1数据可以看出,曝光时间从5s 开始台阶高度趋于稳定,都在48 1 m左右,说明干膜光刻胶在此曝光剂量(32 5mJ/cm2)下已经曝透,更高的曝光剂量更是如此。曝光时间为2s的样品台阶高度测试为23 5 m,说明光刻胶在此曝光

剂量(13mJ/cm2)下没有充分曝光,因而曝光区域的光刻胶在显影液的作用下部分溶解,使曝光区域与非曝光区域之间的台阶降低。

表1 接受不同曝光剂量的干胶样品台阶高度测试T able1 Step heights measur ement o f DFP samples w ith differ ent ex posur e do ses

参数数值

曝光时间t/s2510305080

曝光剂量E/(mJ cm-2)1332 565195325520台阶高度h/ m23 548 248 148 148 148 3

图3为接受不同曝光剂量干胶样品的光学形貌对比。图片是用可拍照光学显微镜对样品采集的光学照片,放大倍数为450倍。从图3(a)中可以看出,曝光时间为2s的干胶样品图样发生严重变形,只能大体看出设计图形的轮廓,进一步印证了表1数据得出的结论,即在曝光剂量为13mJ/cm2的条件下干胶没有曝透。尽管表1台阶高度数据显示曝光5s的样品已经曝透,但是从图3(b)可以看出,微结构的形貌效果非常不理想,形貌边缘参差不齐,并且有破损现象,说明接受曝光剂量为32 5mJ/cm2的样品仍然达不到理想的曝光效果。从图3(c)可以看出曝光时间为10s及以上的样品不仅曝光充分而且微结构边缘整齐,形貌效果良好。综合表1中的台阶高度数据分析与图3的光学形貌效果,说明本实验中的干膜光刻胶样品在曝光剂量至少为65mJ/cm2的条件下可制作出形貌效果良好的微结构。

图3 接受不同曝光剂量干胶样品的光学形貌对比Fig 3 Optical micros copy com parison of dry film samples

w ith different ex pos ure doses

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3 干膜光刻胶的显影实验

为保证显影实验中所用的样品曝光充分,所用干胶样品曝光时间设定为30s。显影液的成分是一定质量分数的Na2CO3(分析纯,北京现代东方精细化学品有限公司)溶液。为研究显影液质量分数及显影时间对显影效果的影响,本实验设定了显影液质量分数梯度(0 85%,3%,5%,10%和15%)和显影时间梯度(0 5,1,2,3和5min)。图4为显影后样品用台阶仪测试的台阶高度与显影液质量分数及显影时间之间关系曲线。

图4 在不同质量分数显影液中台阶高度随显影时间的关系曲线Fig 4 Relations hip curves of step heights versu s developing tim e in different d eveloper concentration s

从图4中可以看出,在不同质量分数的显影液中,台阶高度随显影时间的增长呈上升趋势。但是样品在不同质量分数的显影液中显影速度明显不同。对比图中曲线可以明显看出,质量分数为5%的显影液在每一个采样的时间点显影样品的台阶高度比其他几种质量分数的显影液大,并且在显影3m in时达到最高点,表示显影完成。质量分数为3%和10%的显影液在5m in的时候才显影充分,质量分数为0 85%与15%的显影液在5min之内没有对样品充分显影,说明质量分数太低和过高的显影液显影效果都不理想。

图5为不同质量分数显影液对样品的显影速度随时间变化曲线。从图中可以看出,各种质量分数的显影液对样品的显影速度随时间的增长呈下降趋势,并且刚开始下降速度较快,约2m in之后下降速度变平缓。由于刚开始显影时Na2CO3溶液没有被大量消耗,溶液质量分数最高,因而显影速度最快。随着显影时间的增长,显影液有效成分Na2CO3被逐渐消耗,质量分数降低,显影动力下降;同时溶液中被溶解掉的光刻胶成分所占比例逐渐升高,对显影产生一定阻力作用,正反两方面的作用导致显影速度逐渐下降。对比几种质量分数显影液的显影速度,可以看出,质量分数为5%的显影液在2 5min之前显影速度最快,但从2 5min 时开始低于质量分数为10%的显影液。因为质量分数为10%的显影液起始质量分数相对较高,在反应进行一段时间后仍能保持较高的质量分数,因而显影速度下降较慢。但图4中实验结果显示在3min时显影液对厚度为50 m的单层光刻胶样品已经显影完全。因此对比前3m in各种质量分数显影液的性能,可以看出,质量分数为5%的显影液平均显影速度最快,显影效果最佳。

图5 样品在不同质量分数显影液中的显影速度(r)随时间变化曲线Fig 5 Ch ang e curves of developing rate ver sus developing

tim e in different developer concentrations

4 干胶微流道的制作实验

根据前面对干膜光刻胶曝光显影特性的研究,得到优化的实验条件,即曝光剂量至少为65m J/cm2,显影液质量分数为5%且显影时间为3min的实验条件可获得理想形貌的微结构。在此优化的实验条件下将干膜光刻胶应用于微流道三维微结构的制作,并将制作完毕的干胶微流道样品用台阶仪进行形貌测试。图6为干胶微流道三维结构的SEM(Q uanta200FEG,美国FEI公司)照片,其中图6(a)为微流道形貌图,图6(b)为微流道局部放大图。从图中可以看出微流道表面平整,台阶陡峭,形貌效果良好。

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图6 干胶微流道结构S EM 图

Fig 6 SEM images of th e micro channel with

the dry film p hotor esis t

对上述结构进行台阶仪测试结果显示,干膜光刻胶制作的微流道结构台阶坡度较大,即台阶陡峭度不够。高度约为50 m 的台阶,坡的横向尺寸约为20 m 。考虑到台阶仪测试是基于机械接触的方法,即用针尖划过样品表面。因而针尖本身的尺寸(约10 m )会影响测试的结果,引入系统误差。为使测试结果真实精确,用白光干涉三维表面形貌仪(美国ADE 公司)对微流道样品表面形貌进行测试。白光干涉三维表面形貌仪是用白光扫描样品表面,同时对其经过路径的微结构表面形貌进行记录分析。由于光波长相对于所测微结构尺寸可以忽略不计,因而不会引入系统误差。

图7为白光干涉仪对微流道结构表面形貌的台阶测试曲线。横坐标为白光扫过干胶微流道样品的横向距离(l),纵坐标为微流道的台阶高度(h)。

从图中曲线可以看出,高度为50 m 的台阶坡度的横向尺寸为5 m,远小于台阶仪的测试结果,说明微流道结构台阶陡峭度良好。虽然台阶仪的测试对陡坡处的横向尺寸会有误差,但对于纵向尺寸是没有影响的,因而本实验中用台阶仪测试的台阶高度数据是可靠的。

图7 白光干涉仪对微流道结构表面形貌的台阶测试曲线Fig 7 S tep test curve of th e micro channel morphology by

w h ite light interferom etry

将制作完成的干胶微流道应用于去离子水的流体实验。用微量可调移液器(上海大龙医疗设备有限公司)将30 L 的去离子水加入到微流道起始端

的微仓中,去离子水由于毛细作用沿着微流道走向往前流动。图8中箭头标示的是不同时刻流体前沿在微流道中的位置。图8(a)为其在t =0s 时的位置,图8(b)为其在t =10s 时的位置。通过对比,可以得出10s 内流体在微流道中流动了约800 m ,计算其流动速度约为80 m /s 。去离子水在毛细作用下在微流道中有较快的流动速度,说明干膜光刻胶制作的微流道具有较强的亲水性。经过流体实验后,发现干胶制作的微流道部分区域有翘起现象(图9)。在流体实验中,微流道是开放式的,上面没有密封,因而实验后去离子水蒸发。然后在显微镜下观察发现,部分区域相邻微流道之间的干胶有变形并脱离衬底现象。相邻流道之间的干胶越薄,越容易发生脱落。经过多次实验,初步发现此现象与干胶和衬底之间的黏附性有关。当流道中存在去离子水时,相邻流道之间的干胶底部会发生液体渗透,与衬底黏附性不好的干胶在水的渗透作用下会脱离衬底发生变形。发生此现象的深层次原因和解决方法还在进一步的研究和探讨中。

秦 健等:丙烯酸酯干膜光刻胶曝光特性及其应用

图8 不同时刻流体前沿在微流道中的位置

Fig 8 Positions of the flui d front in the micro channel at di fferent time

图9 流体实验后微流道干胶的翘起现象

Fig 9 Dis tortion phenomen on of th e micro channel dry film after

micr o fluidic ex perim ents

5 结 论

本文针对丙烯酸酯干膜光刻胶的曝光显影特性进行了一系列的实验研究,并将其应用于微流道三维结构的制作。在贴敷实验中,用一种创新的两步法很好地解决了干胶与衬底之间残留气体的问题并获得良好的贴敷效果。在曝光实验中,发现65mJ/cm 2及以上的曝光剂量可以使厚度为50 m 的干膜光刻胶充分曝光并获得良好形貌效果的微结

构。在显影实验中,发现质量分数为5%的Na 2CO 3显影液具有最快的显影速度,并且显影效果最佳。在优化的实验条件下将干胶系统应用于芯片上微流体沟道的制作,获得了侧壁陡直的微结构。将微流道应用于流体实验中并取得良好实验结果,同时发现了需要进一步探讨的微流道干胶翘起现象。参考文献:

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秦 健等:丙烯酸酯干膜光刻胶曝光特性及其应用