甄萬財(cái)，孫明睿

(中國電子科技集團(tuán)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(shí)現(xiàn)基片上光刻膠的感光，再通過更換掩模版實(shí)現(xiàn)基片上線條的多次套刻，從而完成超大規(guī)模集成電路的光刻工藝，這種方法實(shí)現(xiàn)的光刻精度非常高，但價(jià)格昂貴，通常用于超大規(guī)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(dāng)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(shí)，就實(shí)現(xiàn)了無線條遮蓋的基片區(qū)域的光刻膠曝光，根據(jù)工藝的不同，可以采用正膠或負(fù)膠實(shí)現(xiàn)。除了這兩種常規(guī)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(guān)及頻率，當(dāng)光斑在基片上按一定的線路和速度相對(duì)移動(dòng)后，基片上對(duì)應(yīng)位置的光刻膠就實(shí)現(xiàn)了直接曝光，這種方式不需要制作掩模版，可以快速地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的光刻工藝，以進(jìn)行后續(xù)的工序驗(yàn)證，在半導(dǎo)體器件研發(fā)之初，可以極大地縮短研發(fā)周期，是未來光刻工藝發(fā)展的重要方向之一。通常的器件都是平面的，激光焦點(diǎn)尺寸不需要隨時(shí)調(diào)焦，然而有的器件如行波管的柵網(wǎng)是一個(gè)球冠型的柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如何實(shí)現(xiàn)它的曲面直寫式光刻工藝，與常規(guī)的光刻工序相比，有許多值得探討和實(shí)驗(yàn)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(shè)備承片臺(tái)的基片表面上，通過工作臺(tái)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(yùn)動(dòng)的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖形的光刻工藝，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是激光焦斑尺寸很小，可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)的圖形光刻，但工作臺(tái)要實(shí)現(xiàn)五維的運(yùn)動(dòng)，復(fù)雜度很高，設(shè)計(jì)與制作難度很大，另一種是激光通過擴(kuò)束和反射后，通過x、y 二維振鏡系統(tǒng)的擺動(dòng)及與f-theta 透鏡的配合，實(shí)現(xiàn)激光束焦點(diǎn)在基片表面的運(yùn)動(dòng)，在振鏡系統(tǒng)和擴(kuò)束及反射系統(tǒng)之間還有一套動(dòng)態(tài)調(diào)焦系統(tǒng)，通過改變其中鏡組的間距，實(shí)時(shí)地改變了激光的發(fā)散角，從而改變了其通過f-theta 透鏡后聚焦點(diǎn)的z 向高度位置，這種方式因?yàn)橛胒-theta 透鏡實(shí)現(xiàn)激光束焦點(diǎn)在一定范圍內(nèi)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(tái)的設(shè)計(jì)難度，而諸如行波管柵網(wǎng)等器件的線條尺寸一般在50～200 μm，對(duì)光斑的要求并不高，完全可以用第二種方式來實(shí)現(xiàn)，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(wǎng)為例，探討相關(guān)的光刻工藝。行波管柵網(wǎng)的傳統(tǒng)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(diǎn)，目前報(bào)道的還有采用傳統(tǒng)的接觸式光刻工藝將柵網(wǎng)圖形的間隔按一定的放大比例系數(shù)放大，將柵網(wǎng)圖形轉(zhuǎn)移到平面器件上，經(jīng)刻蝕等后續(xù)工藝后，再將柵網(wǎng)圖形沖壓成應(yīng)有的球冠形狀，這種方式克服了加工精度不一致的缺點(diǎn)，但是圖形從平面到球面之間需要轉(zhuǎn)換計(jì)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(shí)驗(yàn)室研究。用激光直寫的方式實(shí)現(xiàn)曲面器件上的光刻加工是最復(fù)雜的方式，其難度主要是對(duì)設(shè)備的要求要高得多。

2.1 器件準(zhǔn)備

行波管的球柵器件主要是采用硬而堅(jiān)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(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的夾具便于器件固定。

2.2 器件預(yù)處理。

將該球冠器件預(yù)清洗，去除器件表面的臟東西及附著物，并在干燥箱中進(jìn)行干燥，便于器件能夠與光刻膠更好的粘附。預(yù)處理后的器件應(yīng)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(yōu)劣。

行波管柵網(wǎng)是一種凹球面器件，將其固定到工裝上，進(jìn)行離心式涂膠時(shí)，其基底形狀會(huì)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(huì)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(shì)的關(guān)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(shí)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(dāng)減小光刻膠的黏度，減小了球形器件對(duì)涂膠帶來的影響，其作用力分布示意圖如圖1 所示。根據(jù)試驗(yàn)，形成的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為：采用AZGXR-601-12mpa 正性光刻膠，在Kingsemi/1spIN-C-234568 手動(dòng)獨(dú)立勻膠機(jī)上給鉬材料球冠涂膠，膠黏度0.025 Pa·s，涂膠機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min，涂膠時(shí)間30 s。

噴霧式涂膠操作簡單快速，對(duì)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(duì)其涂膠，其噴涂的膠層厚度較為均勻，但表面顆粒度較為嚴(yán)重，容易污染環(huán)境，使光刻分辨率下降，對(duì)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(duì)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(nèi)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(xù)光刻時(shí)光刻膠有良好的重現(xiàn)性，經(jīng)過試驗(yàn)，前烘時(shí)溫度控制在90 ℃，保持時(shí)間10 min 左右，溫度過高和時(shí)間過長將破壞光刻膠的感光成分。

2.5 直寫式光刻系統(tǒng)初始化

因?yàn)樽贤饧す馐鴮?duì)CCD 不敏感，在初始化裝置的時(shí)候，為了使激光出射光束準(zhǔn)確地聚焦到工作臺(tái)上器件的中心底部，如圖2 所示，另外設(shè)計(jì)了一款紅光激光器，通過反射鏡、動(dòng)態(tài)調(diào)焦鏡組和x、y二維振鏡后，激光束會(huì)聚于器件底部，反射回來的光斑通過鏡頭成像于CCD 靶面，調(diào)節(jié)工作臺(tái)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(tǒng)的初始位置已經(jīng)調(diào)整完畢，實(shí)際的初始化位置確定還要根據(jù)光刻效果進(jìn)行實(shí)際調(diào)整。

圖2 曲面激光直寫式實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

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

圖3 行波管柵網(wǎng)球柵圖形

在接觸式光刻的曝光工藝中，1 μm 膠厚實(shí)現(xiàn)完全曝光所采用的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為：曝光功率10 mW/cm2，時(shí)間4 s，因此單位面積上的曝光功率為：

J=10×4=40 mJ/cm2

本實(shí)驗(yàn)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(dá)3.5 m/s，f-theta 透鏡在50 mm×50 mm 的掃描范圍內(nèi)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(yùn)行的激光器，其一個(gè)脈沖點(diǎn)的單位能量約為：

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

當(dāng)功率為100 mW 時(shí)，單個(gè)光刻點(diǎn)上的能量超出了光刻膠的曝光要求，會(huì)過度曝光，激光頻率也已達(dá)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(fù)荷運(yùn)行，也會(huì)影響激光器的壽命。

當(dāng)激光功率控制在25 mW，激光脈沖頻率控制在50 kHz 時(shí)：

J=[25/(50×103)/(π×0.0022)≈39.8 mJ/cm2

可滿足光刻點(diǎn)40 mJ/cm2的能量要求，但是考慮到激光點(diǎn)移動(dòng)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(shù)還不合適。

經(jīng)反復(fù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，設(shè)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(shí)一個(gè)脈沖點(diǎn)上的單位能量為：

J1=[5/(10×103)/(π×0.0022)≈39.8 mJ/cm2

因此，以上參數(shù)基本滿足該柵網(wǎng)的光刻工藝，具體根據(jù)光刻的實(shí)際效果對(duì)激光功率和頻率作實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

在光刻過程中，因?yàn)榧す馐裹c(diǎn)邊緣對(duì)周邊光刻膠產(chǎn)生影響，造成感光，產(chǎn)生的臨近效應(yīng)使光刻線條寬度超過要求值，且焦點(diǎn)的疊加也會(huì)對(duì)光強(qiáng)有一個(gè)加強(qiáng)，因此要通過對(duì)光刻膠、光強(qiáng)與掃描速度進(jìn)行匹配實(shí)驗(yàn)，尋找合適的光刻參數(shù)。

光刻膠中的光敏化合物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，濃度隨時(shí)間發(fā)生改變，光強(qiáng)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(shù)；

Z 為光刻膠深度；

I0為Z=0 處的光強(qiáng)

光刻膠初始時(shí)有一個(gè)光敏化合物濃度，該光敏化合物對(duì)特定波長的紫外光有一個(gè)吸收系數(shù)，發(fā)生反應(yīng)后的光敏化合物對(duì)光的吸收系數(shù)發(fā)生了變化，使進(jìn)入光刻膠的光強(qiáng)發(fā)生了改變，當(dāng)充分曝光后，光刻膠中的光敏化合物不再發(fā)生反應(yīng)和生成新的物質(zhì)，這時(shí)對(duì)光強(qiáng)的吸收趨于恒定。在直寫式光刻過程中，要對(duì)使用的光刻膠反復(fù)實(shí)驗(yàn)，尋找到光強(qiáng)變化和光刻深度、寬度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以應(yīng)對(duì)厚膠時(shí)直寫式光刻的要求。

3 總 結(jié)

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

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