淺談曲面直寫式光刻工藝

甄萬財，孫明睿

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

通常所說的光刻工藝基本上分為兩大類，一是投影式光刻，它主要用純凈的紫外光源將掩模版的像投影到基片上實現基片上光刻膠的感光，再通過更換掩模版實現基片上線條的多次套刻，從而完成超大規模集成電路的光刻工藝，這種方法實現的光刻精度非常高，但價格昂貴，通常用于超大規模集成電路器件的光刻工藝，二是接觸接近式光刻，這種方法是將基片與掩模版緊密接觸或間隔極小的距離，當純凈的紫外光源通過掩模版投射到涂有光刻膠的基片上時，就實現了無線條遮蓋的基片區域的光刻膠曝光，根據工藝的不同，可以采用正膠或負膠實現。除了這兩種常規的方式外，還可以采用紫外激光束聚焦成一定尺寸的光斑，并通過電腦控制一系列激光脈沖的開關及頻率，當光斑在基片上按一定的線路和速度相對移動后，基片上對應位置的光刻膠就實現了直接曝光，這種方式不需要制作掩模版，可以快速地實現相應的光刻工藝，以進行后續的工序驗證，在半導體器件研發之初，可以極大地縮短研發周期，是未來光刻工藝發展的重要方向之一。通常的器件都是平面的，激光焦點尺寸不需要隨時調焦，然而有的器件如行波管的柵網是一個球冠型的柵網結構，如何實現它的曲面直寫式光刻工藝，與常規的光刻工序相比，有許多值得探討和實驗的地方。

1 曲面激光直寫式光刻的兩種方式

激光直寫式光刻，一般有兩種方式，一種是激光束直接聚焦成一定的光斑尺寸到設備承片臺的基片表面上，通過工作臺的x、y、z 方向的平移及繞x、y 甚至還包括z 軸一定角度的θ 向運動的協同，實現復雜圖形的光刻工藝，這種方式的優點是激光焦斑尺寸很小，可以實現精細的圖形光刻，但工作臺要實現五維的運動，復雜度很高，設計與制作難度很大，另一種是激光通過擴束和反射后，通過x、y 二維振鏡系統的擺動及與f-theta 透鏡的配合，實現激光束焦點在基片表面的運動，在振鏡系統和擴束及反射系統之間還有一套動態調焦系統，通過改變其中鏡組的間距，實時地改變了激光的發散角，從而改變了其通過f-theta 透鏡后聚焦點的z 向高度位置，這種方式因為用f-theta 透鏡實現激光束焦點在一定范圍內的聚焦，其聚焦精度是不如第一種方式的，但是極大地降低了工作臺的設計難度，而諸如行波管柵網等器件的線條尺寸一般在50～200 μm，對光斑的要求并不高，完全可以用第二種方式來實現，本文主要探討第二種方式。

2 曲面直寫式光刻工藝流程探討

本文主要以行波管柵網為例，探討相關的光刻工藝。行波管柵網的傳統加工手段主要是電火花加工，電火花加工的毛刺大，制作精度不一致是其主要缺點，目前報道的還有采用傳統的接觸式光刻工藝將柵網圖形的間隔按一定的放大比例系數放大，將柵網圖形轉移到平面器件上，經刻蝕等后續工藝后，再將柵網圖形沖壓成應有的球冠形狀，這種方式克服了加工精度不一致的缺點，但是圖形從平面到球面之間需要轉換計算，給加工的面型精度又帶來了影響，而且目前該方法仍停留在實驗室研究。用激光直寫的方式實現曲面器件上的光刻加工是最復雜的方式，其難度主要是對設備的要求要高得多。

2.1 器件準備

行波管的球柵器件主要是采用硬而堅韌的金屬鉬作為加工材料，首先要將鉬片沖壓成需要加工的球冠型結構，并設計相應的夾具便于器件固定。

2.2 器件預處理。

將該球冠器件預清洗，去除器件表面的臟東西及附著物，并在干燥箱中進行干燥，便于器件能夠與光刻膠更好的粘附。預處理后的器件應該盡快涂膠，以免表面吸附空氣中的水分，降低其粘附效果。

2.3 涂膠工藝

涂膠工藝主要有噴霧式涂膠和離心式涂膠，這兩種方法各有優劣。

行波管柵網是一種凹球面器件，將其固定到工裝上，進行離心式涂膠時，其基底形狀會影響離心力的分布，隨著半徑的增大和凹球面的抬升，分布在朝向球心方向上的離心力會被球冠擋住抵消，分布在球形切線上的離心力是影響光刻膠走勢的關鍵因素，一方面隨著球冠口徑的增大，離心力增大，而隨著圖1 所示θ 角的增大，分布在切向的分量同時在減小，使離心力從中心到邊緣的涂膠效果比較均勻，另一方面適當減小光刻膠的黏度，減小了球形器件對涂膠帶來的影響，其作用力分布示意圖如圖1 所示。根據試驗，形成的經驗參數為：采用AZGXR-601-12mpa 正性光刻膠，在Kingsemi/1spIN-C-234568 手動獨立勻膠機上給鉬材料球冠涂膠，膠黏度0.025 Pa·s，涂膠機轉速3 000 r/min，涂膠時間30 s。

噴霧式涂膠操作簡單快速，對于口徑較小的球冠形器件，因制作工裝和離心力控制不易，也可以采用噴霧法對其涂膠，其噴涂的膠層厚度較為均勻，但表面顆粒度較為嚴重，容易污染環境，使光刻分辨率下降，對于要求分辨率不太高的器件工藝可以選擇此工藝。

圖1 離心力在球冠形器件上的分布對涂膠的影響

2.4 前烘

將涂膠后的器件在電熱恒溫干燥箱內前烘，去除光刻膠中的殘存溶劑，增加光刻膠與基片的附著力，使后續光刻時光刻膠有良好的重現性，經過試驗，前烘時溫度控制在90 ℃，保持時間10 min 左右，溫度過高和時間過長將破壞光刻膠的感光成分。

2.5 直寫式光刻系統初始化

因為紫外激光束對CCD 不敏感，在初始化裝置的時候，為了使激光出射光束準確地聚焦到工作臺上器件的中心底部，如圖2 所示，另外設計了一款紅光激光器，通過反射鏡、動態調焦鏡組和x、y二維振鏡后，激光束會聚于器件底部，反射回來的光斑通過鏡頭成像于CCD 靶面，調節工作臺z 向高度位置，使成像的光斑尺寸最小，能量最高，則表明系統的初始位置已經調整完畢，實際的初始化位置確定還要根據光刻效果進行實際調整。

圖2 曲面激光直寫式實驗裝置示意圖

將涂好的球冠器件放置到工作臺上，開啟激光器，保證激光功率溫度，能量波動范圍小于5%，使紫外激光束的焦點初始位置落到球冠的中心底部。行波管柵網的圖形如圖3 所示。

圖3 行波管柵網球柵圖形

在接觸式光刻的曝光工藝中，1 μm 膠厚實現完全曝光所采用的經驗參數為：曝光功率10 mW/cm2，時間4 s，因此單位面積上的曝光功率為：

J=10×4=40 mJ/cm2

本實驗裝置的激光器功率范圍為0～100 mW，頻率范圍為0～100 kHz，振鏡最高掃描速度可達3.5 m/s，f-theta 透鏡在50 mm×50 mm 的掃描范圍內激光束的聚焦光斑尺寸小于40 μm，以最高功率100 mW 和最高頻率100 kHz 運行的激光器，其一個脈沖點的單位能量約為：

J1=[100/(100×103)/(π×0.0022)≈79.6 mJ/cm2

當功率為100 mW 時，單個光刻點上的能量超出了光刻膠的曝光要求，會過度曝光，激光頻率也已達上限，不利于拼接位置處的激光頻率與速度控制，而且激光器滿負荷運行，也會影響激光器的壽命。

當激光功率控制在25 mW，激光脈沖頻率控制在50 kHz 時：

J=[25/(50×103)/(π×0.0022)≈39.8 mJ/cm2

可滿足光刻點40 mJ/cm2的能量要求，但是考慮到激光點移動步距為20 μm，激光脈沖頻率為50 kHz，則激光束的掃描速度為：

V=0.02×50×103=1000 mm/s=10 m/s

超出了二維x、y 振鏡掃描速度最高3.5 m/s的上限，因此以上參數還不合適。

經反復計算和實驗，設定激光功率為5 mW，激光脈沖頻率為10 kHz，激光束掃描速度為2 m/s，此時一個脈沖點上的單位能量為：

J1=[5/(10×103)/(π×0.0022)≈39.8 mJ/cm2

因此，以上參數基本滿足該柵網的光刻工藝，具體根據光刻的實際效果對激光功率和頻率作實時調節。

在光刻過程中，因為激光束焦點邊緣對周邊光刻膠產生影響，造成感光，產生的臨近效應使光刻線條寬度超過要求值，且焦點的疊加也會對光強有一個加強，因此要通過對光刻膠、光強與掃描速度進行匹配實驗，尋找合適的光刻參數。

光刻膠中的光敏化合物發生光化學反應，濃度隨時間發生改變，光強在光刻膠中的散射服從Lambert 定律，公式為：

I(Z)=I0×e-az

式中：

a 為光刻膠吸收系數；

Z 為光刻膠深度；

I0為Z=0 處的光強

光刻膠初始時有一個光敏化合物濃度，該光敏化合物對特定波長的紫外光有一個吸收系數，發生反應后的光敏化合物對光的吸收系數發生了變化，使進入光刻膠的光強發生了改變，當充分曝光后，光刻膠中的光敏化合物不再發生反應和生成新的物質，這時對光強的吸收趨于恒定。在直寫式光刻過程中，要對使用的光刻膠反復實驗，尋找到光強變化和光刻深度、寬度之間的對應關系，以應對厚膠時直寫式光刻的要求。

3 總 結

本文從原理上和設備要求上對曲面激光直寫式光刻技術進行了分析，并對直寫式光刻工藝的步驟和注意事項進行了說明，并形成了一定的工藝參數，為以后深入開展中低精度的曲面直寫式光刻打下了基礎。

[1] 畢克允，胡先發，王長河，等.微電子技術（第二版）[M].國防工業出版社，2008.

[2] 安連生. 應用光學[M]. 北京理工大學出版社，2000.

[3] 于殿泓，李琳，姜明，等. 激光快速成型系統的誤差分析與校正[J]. 西安理工大學學報，2005，21(3)：232-235.

[4] 趙曰峰，陳興海，孫元峰，等. 振鏡式在線激光打標機精確定位方案的實現[J].激光雜志，2004，25(1)：65-66.

[5] 巴音賀希格，張浩泰，李文昊. 凹球面基底離心式涂膠的數學模型及實驗驗證[J].光學精密工程，2008，16(2)：229-234.

[6] 葉喬. 高速振鏡理論研究及實踐[D]. 武漢：華中科技大學，2004.