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

摘要 摘要 近年來，隨著m e m s 研究及其應用的快速發(fā)展，微細加工技術(shù)作為其中的 一個重要組成部分，獲得了長足的進步。u v - l i g a 技術(shù)是現(xiàn)代微細加工中的熱 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，故其有著工藝簡單，成本低廉的優(yōu)勢，可以進行大規(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)，對其進行理論仿真研究一直都是熱 點。隨著具有復雜高深寬比結(jié)構(gòu)的m e m s 器件獲得越來越多的需求，采用計算 機模擬的方法對光刻工藝仿真，可以降低研制成本，縮短研制周期，并對于提高 微機電產(chǎn)品質(zhì)量、指導實際加工過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程作為接近式光 刻中的兩個重要組成部分，首先應當考慮。曝光過程的研究主要集中對膠表面曝 光圖形和膠體深層曝光圖形的預測兩個方面。后烘過程則主要是對曝光過程的延 續(xù)，也是膠體發(fā)生實質(zhì)改變的一個重要步驟。而s u 8 負性化學放大膠由于其優(yōu) 秀的性質(zhì)也獲得了微細加工領(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 曝光后烘過程的理論模型。不論是曝 光過程還是后烘過程，無法用單一的學科理論進行解釋，需要交叉學科知識的支 持，這正是m e m s 領(lǐng)域研究的特點之一。本文以國家自然科學基金( n o 6 0 4 7 3 1 3 3 ) “基于準l i g a 技術(shù)的m e m s 制造誤差修正方法計算機仿真研究”為 基礎(chǔ)而展開研究，對接近式紫外光刻工藝的曝光及后烘過程中涉及的理論進行深 入研究，克服了光刻技術(shù)中交叉學科應用帶來的難點，對曝光及后烘工藝實質(zhì)進 行深層分析，提出了能充分反映工藝過程的理論模型。 對于膠表面曝光，本文以純光學標量衍射理論為基礎(chǔ)，結(jié)合課題組的研究， 提出用模擬退火算法結(jié)合波前分割法對光場影響最大掩模范圍進行灰階編碼掩 模矯正。通過在一定范圍內(nèi)對二元灰階編碼掩模的面元網(wǎng)格進行局部搜索優(yōu)化， 最終得到光學臨近矯正后的掩模編碼及其矯正光場。 摘要 此外，在深度曝光過程仿真方面，以d i l l 曝光模型為代表的光化學曝光模型 更能反映其主要實質(zhì)。本文以d i l l 經(jīng)典曝光模型為基礎(chǔ)，對該模型在時間軸和深 度軸方向進行擴展，形成了更為完整的曝光仿真理論。在時間軸模型的擴展方面， 分析了s u 8 光刻膠的組成及其曝光交聯(lián)化學反應過程，建立了適合于s u 8 膠 的光交聯(lián)反應動力學模型。而在深度軸上，以復折射率擴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算某曝光時刻下膠體內(nèi)部的光場分 布。本文在深度軸上建立的光學模型解決了接近式光刻中光束傳播路線上折射率 跳變問題，且對標量衍射理論在微不均勻介質(zhì)的應用上進行擴展。最后，通過復 折射率分布作為紐帶，將兩個軸上的模型耦合起來，形成了能夠反映s u 8 曝光 實質(zhì)的新型光化學曝光模型。 在后烘仿真方面，本文從s u 8 后烘反應過程中的光聚合反應入手，分析了 s u 8 后烘過程中的主要機理，并以f e r g u s o n 后烘反應動力學模型為基礎(chǔ)，并加 入光致酸的擴散模型，形成新的后烘反應擴散模型。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散理論，通過對v r e n t a s d u d a 擴散系數(shù)公式按s u 8 后烘擴散過程的需要進行簡化，結(jié)合f e r g u s o n 后烘反應動 力學模型，最終形成了可以描述s u 8 后烘過程中光致酸環(huán)氧交聯(lián)鏈擴散體系的 后烘反應第二類擴散模型。 實驗結(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加工過程模擬理論。 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 中國科學技術(shù)大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文，是本人在導師指導下進行研究工作所取得的成 果。除已特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含任何他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫 過的研究成果。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻均已在論文中作了明確 的說明。 作者簽名： 中國科學技術(shù)大學學位論文授權(quán)使用聲明 作為申請學位的條件之一，學位論文著作權(quán)擁有者授權(quán)中國科學技術(shù)大學擁 有學位論文的部分使用權(quán)，即：學校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交 論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱，可以將學位論文編入中國學 位論文全文數(shù)據(jù)庫等有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制 手段保存、匯編學位論文。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 ，簡稱m e m s ，中文含義是微電子機械 系統(tǒng)。m e m s 還可以簡稱為微機電系統(tǒng)，這是美國的叫法。目前世界上對于微 機電系統(tǒng)，還沒有一個統(tǒng)一的定義。在日本，它通常被稱之為“微機械”，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， 我們認同m e m s 這個名稱。因為m e m s 比較完整、準確地刻畫了微機電系統(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以下，構(gòu)成它的機械零 件和半導體元器件尺寸在微米納米量級( 10 擊米10 。9 米) ，可對聲、光、熱、磁、 運動等自然信息進行感知、識別、控制和處理的微型機電裝置。m e m s 是正在 飛躍發(fā)展的微，納米技術(shù)中一項十分重要的成果【2 】【3 】，它通過把微型電機、 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，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平。m e m s 是多種學科交叉融合并具有戰(zhàn)略意義的前沿高技術(shù)，是未來的主導產(chǎn)業(yè)之一?？?以預見，m e m s 將以其微型化的優(yōu)勢，對未來科學技術(shù)、生產(chǎn)方式及質(zhì)量產(chǎn)生 深遠影響，它不僅可以帶動許多相關(guān)學科的發(fā)展，更將是關(guān)系到國家經(jīng)濟繁榮、 科技發(fā)展和國防安全等方面的一項關(guān)鍵技術(shù)【4 】【5 】【6 1 。 1 2 微細加工技術(shù) 在m e m s 發(fā)展過程中，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。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)稱為微細加工技術(shù)，或稱為微制造。微細加工的出現(xiàn)和發(fā)展與大規(guī)模集成電 路密切相關(guān)，微細加工工藝中包括大量過去5 0 年中為微電子工業(yè)開發(fā)的加工工 藝【7 l 。目前微細加工主流技術(shù)主要包括：基于半導體集成電路微細加工工藝的硅 表面加工和體硅加工技術(shù)，2 0 世紀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、超精密機械加工技術(shù)發(fā)展而來的微細機械加工技術(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硅材料進行加工，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、微型加速度計及各種制動器等。該技 術(shù)的優(yōu)點是與i c 工藝有著良好的兼容性，與集成電路集成性好，是現(xiàn)在應用較 為廣泛的微細加工技術(shù)【8 1 【9 】。 腐蝕( e t c h i n g ) 技術(shù)：對硅等硬材料，沒有現(xiàn)成的傳統(tǒng)機械加工手段可以 實現(xiàn)微納尺寸級別的加工。用物理或化學技術(shù)，即通過于法或者濕法腐蝕來進行 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異性腐蝕。對于硅這種具有金剛石立體晶體結(jié)構(gòu)的材 料來說，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。對于相同材料的基底采用 不同種類腐蝕劑進行腐蝕，也會得到不同的加工效果。如用來腐蝕硅材料的普通 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。干法 腐蝕有三種實用技術(shù)：等離子刻蝕、離子研磨以及反應離子刻蝕。這些加工技術(shù) 克服了濕法化學腐蝕的缺點，是目前微機械加工的主流技術(shù)。隨著i c 工藝的發(fā) 展，感應耦合等離子體刻蝕、高密度等離子體刻蝕技術(shù)及設(shè)備被不斷引用進來， 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，通過化學鍵和物理 作用將硅片與硅片、硅片與玻璃或其它材料緊密地結(jié)合起來的方法。它常與其它 微細加工手段同時運用，可以對微結(jié)構(gòu)進行支撐和保護以及實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)之間或 機械結(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 】。 一般說來，硅加工技術(shù)與傳統(tǒng)i c 工藝結(jié)合性好，可方便地對微機械和微電 子系統(tǒng)進行集成，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加工過程都是從i c 技術(shù)演變而來的，故 而大多數(shù)用于i c 產(chǎn)品和集成電路的理論、經(jīng)驗以及設(shè)備，經(jīng)過細微調(diào)整后也都 適用于某些微細加工。然而，這些良好的繼承性卻伴有兩個主要欠缺：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械 系統(tǒng)在加工過程中都是用標準尺寸和厚度的晶片作基底j 通過此基底上作腐蝕或 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。它沒有前述硅 基微細加工技術(shù)的兩個缺點。該工藝在制作非硅基底的微結(jié)構(gòu)上具有巨大的潛 力，如用來制造金屬或塑料的微齒輪或微馬達等。l i g a 是德語光刻 ( 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 ) 的簡稱，是2 0 世 紀8 0 年代中期，德國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。在這個過程中所使用的x 射線是由同步輻射加速器產(chǎn)生 的，它波長短，具有很強的穿透力來穿透光刻膠層，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。當采 用光刻技術(shù)獲得所需圖形時，采用微電極沉積等電鑄技術(shù)可在電絕緣的光刻膠間 隙中制造一個銅、金、鎳或鎳合金等材料構(gòu)成的與設(shè)計圖形互補的金屬結(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)具有更強的韌性，且受溫 度影響較小，制作也相對方便，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注射成型等工藝制造大批量的塑料復制 品，而這些微型復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電結(jié)構(gòu)，擴展了硅微加工技術(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，人們設(shè)法用其他光源進行替代。近 年來，國內(nèi)外開發(fā)出了多種不需同步輻射光源的準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l i g a 技術(shù)中的代表，而其中又以u v - l i g a 技術(shù)最為常見【1 3 1 。 u v - l i g a 采用成本相對低廉的紫外光線代替x 射線源進行光刻工藝，除了 所用光刻光源和掩模外，其它工藝過程則與l i g a 1 - 藝基本相同。根據(jù)各頻段紫 外光的特點，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l i g a 加工技術(shù)外，其它的一些微 細加工技術(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 射線掩模版標準鉻金屬掩模版 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)周期較長較短 1 2 3 微細加工技術(shù)中的多學科性 除了最初的微細加工工藝是從集成電路加工技術(shù)發(fā)展而來的這一事實，今天 的微細加工工藝中包括了眾多方面的學科及各學科的交叉。這里之所以要強調(diào)微 細加工技術(shù)中的多學科性，是因為在本文第3 第4 章中將集中討論幾個學科方面 的交叉理論進行建模仿真，從而說明微細制造并非單一學科方面的理論知識即可 解釋和解決加工過程中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象和問題，而正是這種多學科交叉的前沿性、高 新性使得微細加工技術(shù)發(fā)展前景如此光明，使其成為新世紀中極具潛力的產(chǎn)業(yè)之 一【2 1 1o 如圖1 2 ，自然科學將在微細加工技術(shù)及其理論中的下述領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作 用【7 】： 1 在一些微細加工工藝中，電化學被廣泛應用于將基底離子化的電解中； 而光化學則是光刻工藝中進行的一種重要化學反應。這些化學分支學科本身就是 學科交叉的產(chǎn)物。 第l 章緒論 電化學工藝l 盼子生物學 電液動力學 電子工程 能量供給 能量供給和信 號傳輸?shù)碾娐?：納米電子學： ：納米處理器： ：納米器件 ： 然科學、物 、化學和生物 函畫一 機械工程 機械部件設(shè)計 機構(gòu)和連接 熱力學( 固體和流體歹 學、熱傳導、斷裂力學 智能控制 微工藝設(shè)備設(shè)計與鋁 造 計算力學 封裝和裝備設(shè)計 化學工程 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 用于信號處理的 材料 用于微加工工藝 的材料 半導體摻雜材料 工業(yè)工程 工業(yè)設(shè)計 生產(chǎn)控制 微裝配 圖1 2m e m s 設(shè)計與制造包括的主要科學和工程學科 2 電液動力學原理被應用于微導管和微管道中驅(qū)動流體流動，如利用毛細 流體流動制成的制動器。 3 分子物理學中的一些模型被用于描述微電子機械系統(tǒng)中微尺度材料的特 性和特征變化。而分子動力學原理則為描述納米尺度材料力學性能所需要。 4 分子生物學在生物傳感器和生物醫(yī)學微設(shè)備的設(shè)計和制造中有著十分重 要的應用。納米技術(shù)中也利用了很多分子生物學的基礎(chǔ)原理，促進了納米工藝和 納米器件的發(fā)展。 5 等離子物理學是研究等離子體的形成、性質(zhì)和運動規(guī)律的物理學分支學 科。它是微細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題。 7 尺寸效應f 2 2 】：當構(gòu)件的幾何尺寸縮小到一定范圍時將出現(xiàn)的材料性能和 構(gòu)件力學行為發(fā)生較大變化的一種現(xiàn)象。這種效應讓我們認識到不是所有的物理 6 第1 章緒論 量都可以順利的按比例縮小即可進行設(shè)計和制造，同時該效應也催生了微摩擦、 微尺度熱學、微尺度流體學等學科的發(fā)展。 在科學技術(shù)突飛猛進的今天，任何理論和技術(shù)的發(fā)展都將伴隨著學科間的交 叉與融合。在交叉領(lǐng)域被逐漸重視的新時期，各學科各自的發(fā)展都將不斷對微電 子機械系統(tǒng)的理論及制造工藝中的缺陷或空白進行填補，這是一種新時代的挑 戰(zhàn)，我們需要在信息爆炸的時代不斷補充各方面的知識，但同時這也是一種難得 的機遇，各國雖然在m e m s 領(lǐng)域的研究永不停息，卻要受到交叉學科中各自學 科本身發(fā)展的制約，因而相對于傳統(tǒng)加工，在微細加工工藝方面我們可以縮短與 它國的差距【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( 負膠情形) 的感光區(qū)域， 再經(jīng)過化學顯影，去除或保留這些區(qū)域得到相補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)模復制微細圖形進行生產(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某些波長感光靈敏的膠狀混合液體。特定的光刻膠只對某些 特定波長的光敏感，而在相同光線照射下，不同光刻膠所進行的光化學反應和顯 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 ) 和負性膠( n e g a t i v ep h o t o r e s i s t ) 。負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，留下與掩模板相補的膠體圖形( 圖1 3 ) 。一般來說，正膠感光靈 敏度較低，分辨率較高；負膠感光靈敏度較高，分辨率較差，且負膠可以形成臺 階等結(jié)構(gòu)復雜的圖形【2 7 1 。 第1 章緒論 正膠掰 負膠科 圖1 - 3 正膠與負膠的顯影表現(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) 一起在國內(nèi)外市場上呈快速增長 的勢態(tài)，是極具生命力的產(chǎn)品，具有良好的市場前景和發(fā)展機遇，也越來越受到 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應的光刻膠可以分為光學光 刻、電子束光刻和離子束光刻等；而光學光刻又可以進一步根據(jù)光源光波波長分 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 分為無掩模直接光刻和基于掩模版的光刻。無掩模直接光刻技術(shù)( 如激光直寫技 術(shù)等) 通過計算機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)可以達到很高的直寫精度，而且省去了掩模板的設(shè)計加