曾永彬，蔡偉偉，李寒松，陳曉磊，張西方

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院/江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210016）

基于光致抗蝕干膜的掩膜制備及其應(yīng)用研究

曾永彬，蔡偉偉，李寒松，陳曉磊，張西方

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院/江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210016）

在傳統(tǒng)工藝流程中，必須先將干膜貼于工件表面，然后進(jìn)行光刻，但干膜不可重復(fù)使用?，F(xiàn)提出一種新型干膜光刻工藝流程，在干膜貼于工件表面之前，先對(duì)干膜單獨(dú)進(jìn)行光刻試驗(yàn)研究?；谠撔滦凸に嚵鞒?，研究了杜邦干膜GPM220的曝光及顯影特性。經(jīng)過對(duì)曝光量（曝光時(shí)間）及顯影時(shí)間的參數(shù)優(yōu)化，最終在干膜上獲得了平均直徑為99.7 μm的通孔陣列，并將其作為掩膜應(yīng)用于微細(xì)電解加工，通過選擇合理的加工參數(shù)，在工件表面獲得了平均直徑為125 μm、平均深度為10 μm的微坑陣列。電解實(shí)驗(yàn)后的干膜易與工件分離，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，提高了干膜的利用率。

光致抗蝕劑（干膜）；曝光；顯影；掩膜電解

機(jī)械運(yùn)動(dòng)中總是不可避免地產(chǎn)生摩擦，研究表明，物體表面具有一定的表面織構(gòu)，會(huì)對(duì)其摩擦特性產(chǎn)生明顯影響[1-2]。目前，表面織構(gòu)的加工技術(shù)有機(jī)械振動(dòng)加工[3]、電火花加工[4]、激光加工[5]、磨料氣射流加工[6]及掩膜電解加工[7]等。其中，掩膜電解加工將光刻工藝與電解加工相結(jié)合，是一種高品質(zhì)的無應(yīng)力加工方法。光刻膠作為光刻工藝的核心材料，主要分為液態(tài)光刻膠和固態(tài)光刻膠兩種。目前，光刻以液態(tài)光刻膠為主，如SU-8膠等；但液態(tài)光刻膠需經(jīng)過勻膠、前烘、曝光、后烘、顯影等步驟，工序較復(fù)雜，且經(jīng)常出現(xiàn)光刻膠厚度不均勻的現(xiàn)象[8]。

光致抗蝕干膜（俗稱干膜）作為一種新型光敏有機(jī)材料，屬于固態(tài)光刻膠，光刻時(shí)避免了勻膠、前烘、后烘等工序，且厚度較均勻。自1968年杜邦公司提出干膜以來，其已被成熟地應(yīng)用于印刷線路板（printed circuit board，PCB）的制造工藝中[9]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)干膜的研究做了較多的探索。Petr Smejkal等[10]利用干膜光刻工藝制造出了嵌入式微流控芯片，并成功應(yīng)用于人類血清乳酸的檢測(cè)分析。Steven等[11]提出使用干膜進(jìn)行基于顯微鏡的無掩膜微成像研究。秦健等[12]對(duì)一種新型的丙烯酸酯干膜光刻膠的曝光及顯影特性進(jìn)行了研究，并將其成功應(yīng)用于微溝道結(jié)構(gòu)的制造。朱昊樞等[13]對(duì)干膜光刻的貼膜、曝光和顯影等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并將其應(yīng)用于深槽刻蝕。琚金星[14]提出采用光致抗蝕干膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)光刻膠作為微細(xì)掩膜電解加工的掩膜，在工件表面獲得了平均直徑為319.3 μm、群凹坑直徑標(biāo)準(zhǔn)差為25.7 μm的15×15圓形凹坑陣列。上述關(guān)于干膜的光刻工藝都需先將干膜與工件貼緊，再進(jìn)行干膜曝光等步驟。該傳統(tǒng)工藝中，干膜與工件經(jīng)高溫貼合，加工后的干膜不易與工件分離，因此干膜僅為一次性使用，利用率較低。本文提出一種新型干膜光刻工藝流程，直接對(duì)干膜單獨(dú)進(jìn)行曝光、顯影工藝研究，制出滿足要求的干膜，再將其作為掩膜應(yīng)用于微細(xì)電解加工試驗(yàn)。經(jīng)光刻后的干膜硬度提高，粘性下降，電解試驗(yàn)后易與工件分離，可實(shí)現(xiàn)干膜的重復(fù)使用，提高了其利用率。

1 試驗(yàn)原理

干膜光刻工藝主要包括曝光和顯影兩大步驟。由于本試驗(yàn)在干膜曝光之前無需貼膜，為保證干膜曝光時(shí)能放置平整，設(shè)計(jì)了干膜夾持裝置（圖1）。將干膜平鋪于基臺(tái)上，并用壓緊環(huán)壓緊。基于干膜的掩膜制備及掩膜電解加工工藝流程見圖2。

圖1 干膜曝光前的夾持裝置

圖2 掩膜制備及電解加工工藝流程圖

本試驗(yàn)采用的掩膜板可分為陣列分布的圓形不透光區(qū)域及其余的透光區(qū)域。進(jìn)行曝光時(shí)，紫外光線無法穿透不透光區(qū)域，故相應(yīng)區(qū)域的干膜無法照射到紫外光線。由于選用的干膜是一種負(fù)性光刻膠，干膜被紫外光線照射的區(qū)域會(huì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成不溶于顯影液的大分子結(jié)構(gòu)，其余未被照射的區(qū)域可溶于顯影液。因此，顯影后的干膜上便會(huì)出現(xiàn)陣列通孔結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)研究

本試驗(yàn)采用杜邦干膜GPM220系列（圖3），干膜主要由三部分組成：聚乙烯膜是一層保護(hù)膜，防止灰塵等污物玷污干膜，避免在卷膜時(shí)感光膠層的相互粘連；感光膠層是干膜的主體，黏性較大，厚度為50 μm；聚酯薄膜是支撐感光膠層的載體，具有一定的硬度。

圖3 干膜結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)選取規(guī)格為4英寸的掩膜板，板面陣列分布著直徑100 μm、中心距300 μm的圓形不透光區(qū)域。按GPM220系列的給定參數(shù)，本試驗(yàn)采用的顯影液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、溫度25℃的碳酸鈉溶液。

3 工藝參數(shù)試驗(yàn)及分析

3.1 曝光試驗(yàn)

由于本工藝流程在曝光前不用去除干膜的保護(hù)膜，而試驗(yàn)中紫外光對(duì)底層聚乙烯保護(hù)膜會(huì)產(chǎn)生反射、折射等現(xiàn)象，對(duì)感光膠層產(chǎn)生影響，與傳統(tǒng)曝光工藝有一定區(qū)別。因此，本工藝流程必須研究曝光參數(shù)對(duì)干膜成像的影響。

試驗(yàn)采用BG-401型的曝光機(jī)，高壓汞燈的功率為350 W，波長(zhǎng)為365 nm。試驗(yàn)選擇接觸式曝光，其曝光功率密度I為70 mW/cm2，則總曝光量E的表達(dá)式為：

式中：T為曝光時(shí)間。

根據(jù)式（1）可知，由于I為定值，曝光量將隨著曝光時(shí)間的增加而增大。本試驗(yàn)分別選取曝光時(shí)間為1、2、3、4、5、6 s，干膜顯影時(shí)間為90 s，進(jìn)而研究不同曝光時(shí)間對(duì)干膜上陣列通孔尺寸的影響。

曝光后，干膜曝光的部分顏色較深，與未曝光部分區(qū)別明顯，曝光后的感光膠層硬度有一定提高，黏性相對(duì)下降。由圖4可知，曝光1 s時(shí)，干膜已曝光充分；當(dāng)曝光時(shí)間達(dá)到2 s后，圓孔周圍開始出現(xiàn)明顯的黑影區(qū)域；當(dāng)曝光時(shí)間達(dá)到6 s時(shí)，感光膠層的脆性增加，圓孔直徑尺寸變小。

圖4 不同曝光時(shí)間干膜上的圓孔

圖5是不同曝光時(shí)間下，在干膜各個(gè)區(qū)域隨機(jī)選取20個(gè)陣列通孔中的最大及最小尺寸變化趨勢(shì)。可看出，曝光前2 s，干膜上的陣列通孔直徑變化不明顯，均可滿足要求；但隨著曝光時(shí)間繼續(xù)增加，干膜表面的通孔直徑有減小的趨勢(shì)。這是由于紫外光線經(jīng)底層聚乙烯薄膜時(shí)，會(huì)有少部分的能量反射到干膜被掩膜板遮住的區(qū)域上；曝光時(shí)間較短時(shí)，反射總能量較低，無法使干膜發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。隨著時(shí)間的增加，反射光聚集的總能量達(dá)到交聯(lián)反應(yīng)要求，致使顯影后的通孔孔徑變小。此外，隨著曝光時(shí)間的增加，干膜上各個(gè)區(qū)域孔徑的均勻性降低。相關(guān)研究表明[15]：干膜的分辨率會(huì)隨著其曝光度增大而降低，因而采用1 s的曝光時(shí)間最佳。

圖5 不同曝光時(shí)間的干膜通孔尺寸

3.2 顯影試驗(yàn)

顯影時(shí)間是干膜顯影質(zhì)量的重要影響因素。在本工藝流程中，顯影前先將干膜的兩層保護(hù)膜剝?nèi)?，由于干膜在顯影時(shí)并未貼著工件，干膜的兩面均會(huì)接觸顯影液，而根據(jù)傳統(tǒng)的工藝方法，干膜只有單面接觸顯影液，因而必須研究顯影時(shí)間對(duì)干膜的影響。

試驗(yàn)中的掩膜板規(guī)格不變，曝光時(shí)間選取1 s，分別選用10、30、60、90、120、240 s的顯影時(shí)間進(jìn)行顯影。不同顯影時(shí)間測(cè)量的干膜上的圓孔見圖6?？煽闯?，顯影前30 s，由于顯影時(shí)間不充分，光致抗蝕劑層未感光部分的活性基團(tuán)與稀堿溶液還不能進(jìn)行充分反應(yīng)，無法全部溶解；當(dāng)顯影時(shí)間達(dá)到60 s時(shí)，大部分未曝光部分已溶解，但邊緣仍會(huì)有些許殘留；當(dāng)顯影時(shí)間達(dá)到90 s時(shí)，顯影已很充分；當(dāng)顯影時(shí)間為240 s時(shí)，孔徑明顯變大。

圖6 不同顯影時(shí)間干膜上的圓孔

圖7是不同顯影時(shí)間下，在干膜各個(gè)區(qū)域隨機(jī)選取20個(gè)陣列通孔中的最大及最小尺寸變化趨勢(shì)?？煽闯?，當(dāng)顯影時(shí)間在90～120 s區(qū)間時(shí)，干膜孔徑變化不明顯，體現(xiàn)了干膜的耐顯影性（耐顯影性指干膜顯影時(shí)間可超過的程度，反映了顯影工藝的寬容度）；隨著顯影時(shí)間繼續(xù)增加，干膜通孔直徑有增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)楦赡ぷ鳛橐环N負(fù)性光刻膠，具有溶脹性，顯影時(shí)間過長(zhǎng)，干膜已曝光部分開始溶脹，而使通孔直徑變大，干膜分辨率和重現(xiàn)性降低；當(dāng)顯影時(shí)間超過240 s，干膜曝光的部分開始逐漸溶解于顯影液，無法再作為后續(xù)電解的掩膜使用?？紤]到顯影時(shí)間短，可提高加工效率，故采用90 s的顯影時(shí)間最佳。

圖7 不同顯影時(shí)間的干膜通孔尺寸

3.3 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上述試驗(yàn)所得結(jié)果，本文得出優(yōu)化后的參數(shù)為曝光時(shí)間1 s、顯影時(shí)間90 s，在干膜上加工出陣列通孔結(jié)構(gòu)，微孔平均直徑為99.7 μm。圖8是顯微鏡下觀察到的干膜通孔陣列的二維形貌。圖9是在干膜各個(gè)區(qū)域隨機(jī)選取20個(gè)通孔測(cè)得的孔徑尺寸圖，可見在測(cè)量誤差允許的范圍內(nèi)，使用優(yōu)化參數(shù)制備的干膜上的通孔尺寸均勻，符合要求。

圖8 干膜上的通孔陣列結(jié)構(gòu)

圖9 干膜上隨機(jī)抽樣的通孔尺寸

4 干膜在掩膜電解中的應(yīng)用

將經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化制備的干膜作為電解加工的掩膜，采用壓緊裝置保證干膜與工件的貼合，再將其放入烘箱（控制溫度為50℃），經(jīng)1 min烘干處理后進(jìn)行電解加工。電解加工試驗(yàn)系統(tǒng)見圖10，該系統(tǒng)主要包括機(jī)床主體、電解液循環(huán)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)及夾具。

圖10 電解加工試驗(yàn)系統(tǒng)圖

實(shí)驗(yàn)所用的電解液是10%的NaNO3溶液，電解加工溫度控制在（30±2）℃，加工電解液壓力為0.04 MPa。當(dāng)加工電壓為14 V、加工時(shí)間為10 s時(shí)，測(cè)得工件表面微坑形貌的SEM照片見圖11。利用三維視頻顯微鏡測(cè)得單個(gè)微坑的三維形貌及截面見圖12。

5 結(jié)論

（1）提出了一種新型干膜光刻工藝流程，在干膜貼于工件表面之前，先對(duì)干膜單獨(dú)進(jìn)行光刻試驗(yàn)研究。

圖11 工件表面微坑形貌SEM圖

圖12 單個(gè)微坑的三維形貌及截面圖

（2）研究了曝光量（曝光時(shí)間）、顯影時(shí)間對(duì)干膜上的陣列通孔的影響。結(jié)果表明：曝光量和顯影時(shí)間對(duì)微孔影響顯著。采用優(yōu)化參數(shù)，在干膜上加工出平均直徑為99.7 μm的通孔陣列。

（3）成功地將經(jīng)過光刻的干膜作為掩膜應(yīng)用于電解加工，在工件表面加工出平均直徑為125 μm、平均深度為10 μm的微坑陣列，并可實(shí)現(xiàn)干膜的重復(fù)使用。

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The Fabrication of Mask Base on Dry-film Photoresist and its Application

Zeng Yongbin，Cai Weiwei，Li Hansong，Chen Xiaolei，Zhang Xifang
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

In the traditional process，the dry-film is photoetched after it is sticked on the surface of the workpiece，but it can not be used repeatly.A new technological process of the dry-film is put forward，which the photoetching is proceeded with the dry-film before it pasting.Based on this process，the properties of exposure and development are studied.Optimizing the parameters，the micro throughhole array with diameter 99.7 μm is well generated in the dry-film，and it is successfully employed in the through-mask electrochemical micromachining.Selecting reasonable parameters，the micro-dimple array with diameter 125 μm and 10 μm deepth is well prepared on the workpiece.The dry-film is liable to separate from the workpiece and is used repeatly，thus its utilization is higher.

dry-filmphotoresist；exprosure；development；through-maskelectrochemical micromachining

TG662

A

1009－279X（2014）05－0024-04

2014-06-04

廣東聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U1134003）；航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2012ZE52068）

曾永彬，男，1978年生，副教授。