微流控芯片的主流加工方法光刻中篇

光刻就是通过一系列的生产步骤,将晶圆的表面薄膜的特定部分除去的工艺,在此之后,晶圆的表面会留下带有微图形结构的薄膜,通过光刻工艺的流程,最终在晶圆上保留的是特征图形部分。

光刻最主要的三个要素分别是光源、掩模板以及光刻胶(正性以及负性光刻胶),而光源主要包括光、X射线、电子或者离子束,通常紫外光波段在-nm之间可以用于硅基的制作流程,另外掩模板通常选用透光较好的附带有铬金属图案的玻璃板。

(气相成底膜):目的是为了增强硅片与光刻胶的粘附性,底膜处理的步骤包括:1)硅片的清洗(不良的表面沾污会造成;光刻胶与硅片的黏附性差,可能会浮胶、钻蚀;颗粒沾污会造成不平坦的涂布,光刻胶针孔)、2)脱水烘焙(使硅片表面呈干燥疏水性)、3)底膜处理(HMDS的作用能够影响硅片表面形成疏水表面,增强硅片与胶的结合力,但是HMDS具有致癌的作用,现在渐渐在一些实验室可以用一些小分子的增粘剂进行取代)。

(旋转涂胶):这一步的目的就是在晶圆的表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光刻胶膜。在实际的操作中发现涂胶的多与少,直接影响到最后光刻胶成膜的效果(静态涂胶时的堆积量非常关键,量少了会导致负胶不均匀,量大了会导致晶圆边缘光刻胶的堆积甚至流到背面。)一般比较稀的光刻胶如AZ、AZ系列的光刻胶建议倒2/3以上量的光刻胶保证铺满,而比较粘稠的光刻胶例如SU8-或者SU8-是需要保证铺满中心圆区域至少1/3的量,并且甩胶之后需要静置20-30分钟,这一步通常叫做光刻胶流平,从而保证了整个光刻胶膜高度的均一性。

涂胶的质量要求是:(1)膜厚符合设计的要求,同时膜厚要均匀,胶面上看不到干涉花纹;(2)胶层内无点缺陷(如针孔等);(3)涂层表面无尘埃和碎屑等颗粒。

(前烘):前烘的目的一般是为了使光刻胶中的溶剂部分挥发,增强光刻胶的粘附性,光吸收及抗腐蚀能力,缓和涂胶过程中光刻胶膜内产生的应力。如果没有前烘,可能带来的问题有:光刻胶发黏,易受颗粒污染;光刻胶来自旋转涂胶的内在应力将导致粘附性问题;溶剂含量过高导致显影时由于溶解差异,而很难区分曝光和未曝光的光刻胶;光刻胶散发的气体可能污染光学系统的透镜。

(对准以及曝光):对准是把所需图形在晶圆表面上定位或对准,而曝光的目的是要是通过汞弧灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶图层上。用尽可能短的时间使光刻胶充分感光,在显影后获得尽可能高的留膜率和近似垂直的光刻胶侧壁和可控的线宽。

(对准以及曝光):在曝光时由于驻波效应的存在,光刻胶侧壁会有不平整的现象,曝光后进行烘烤,可使感光与未感光边界处的高分子化合物重新分布,最后达到平衡,基本可以消除驻波效应。

(显影):显影就是用显影液溶解掉不需要的光刻胶,将掩膜版上的图形转移到光刻胶上。显影中可能出现的问题:显影不足:比正常线条要宽并且在侧面有斜坡;不完全显影:在衬底上留下应去掉的光刻胶;过显影:除去了太多的光刻胶,引起图形变窄和拙劣的外形。

(坚膜烘烤):目的是通过溶液的蒸发来固化光刻胶,此处理提高了光刻胶对衬底的粘附性,为下一步工艺做好准备。光刻胶的坚膜烘焙温度约为℃到℃,这比软烘温度要高,但也不能太高,否则光刻胶就会流动从而破坏图形。一般我们在实验室中利用SU8光刻胶,制作一些高深宽比的微结构的时候,都会使用℃的热板进行15-20分钟的烘烤,另外坚膜在负性光刻胶的光刻中也可以降低图案边缘的龟裂现象。

(显影检查--镜检):这一步骤的目的是查找光刻胶中成形图形的缺陷,显影检查用来检查光刻工艺的好坏,为光学光刻工艺生产人员提供用于纠正的信息。

光刻胶根据其化学反应机理和显影原理,可分负性胶和正性胶两类。光照后形成不可溶物质的是负性胶;反之,原本对某些溶剂是不可溶的,经光照后变成可溶物质的即为正性胶。利用这种性能,将光刻胶作涂层,就能在硅片表面刻蚀所需的电路图形。正胶(PositivePhotoResist):曝光前对显影液不可溶,而曝光后变成了可溶的,能得到与掩模板遮光区相同的图形。负胶(NegativePhotoResist):反之。

在目前国内的微流控芯片的实验室里面比较常用的是SU8光刻胶,通常来说该胶的粘附性较好,抗刻蚀能力比较强,但是缺点是做小结构的话精度比较差,另外使用起来的成本也较为昂贵(以下图片为SU8结构的部分示意图)。

SU8微结构的示意图

显影液不易进入正胶的未曝光部分,正胶光刻后线条不变形。显影液会使负性光刻胶出现膨胀,线条变宽。虽然烘烤后能收缩,但易变形。所以负胶不适合2.0微米以下工艺使用,正胶是ULSI的主要光刻胶,以下简要介绍几款在实验室中用的比较多的正胶,分别是AZ、AZ、AZ以及Sun光刻胶。

目前在实验室中用到的AZ光刻胶,光刻的最小精度能够达到1.5um这种精度大小,但是光刻胶跟衬底的粘附取决于你是否有对衬底进行粘附层的处理,像这种比较薄的光刻胶膜在二氧化硅的衬底上很容易出现脱落的情况(具体的光刻胶膜的图案如下所示)。

AZ的微结构示意图

另外AZ也是较为常用的一种正性光刻胶,其最小的光刻胶膜的厚度为5.5um,最大的光刻胶的厚度将近12-13微米左右,这种正性光刻胶主要可以作为一些微结构深硅刻蚀的掩模层,当然具体的光刻胶的厚度取决于你所要刻蚀微结构的深度以及微结构的深宽比来定。但是这种正性光刻胶也有一个缺点,当你再刻蚀比较深的柱子的结构的时候,其无法承受长时间高温的缺点就暴露无疑,比如刻蚀-um的微阵列柱子的结构,容易出现糊胶以及结构断裂等情况。

AZ微结构的示意图

AZ是实验室中常用的lift-off工艺胶,其优势在于能够制作精度较高的图案,另外也可以作为电极制作中非常优良的反转胶。

AZ(2um的线条图案)的示意图




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