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电子束光刻技术在三维微加工中的应用与邻近效应校正
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更新于2024-07-01
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"这篇博士学位论文主要探讨了电子束光刻技术在三维加工和邻近效应校正方面的应用,针对微机电系统(MEMS)器件制造的需求,深入研究了如何利用电子束光刻技术实现高精度的三维结构制作。作者郝慧娟在导师张玉林的指导下,对电子束光刻工艺进行了全面研究,包括曝光模拟、工艺优化以及邻近效应的校正技术。 论文首先介绍了现有的三维微结构制造技术,如体硅微加工、LIGA和IH工艺,分析了各自的优势和局限性。其中,电子束光刻技术因其高分辨率特性,被认为是精密二维掩模制造的理想选择,但在三维结构的制作上存在挑战。论文的重点在于探索如何克服这些挑战,提升电子束光刻技术在三维加工中的应用。 作者提出了电子束重复增量扫描方式,这是一种创新的曝光策略,它允许在不改变曝光剂量的情况下,通过重复和重叠的曝光实现三维结构的形成。这一方法简化了图形处理,减少了数据传输时间,提高了曝光效率,并且避免了在光刻过程中调整束斑参数带来的复杂性。 论文还涉及了邻近效应校正,这是电子束光刻中一个重要的技术环节。通过对抗蚀剂吸收能量密度的计算,可以校正三维结构的邻近效应,以获得更精确的加工结果。此外,结合显影模型,论文模拟了三维结构的显影过程,研究了不同曝光和显影条件对抗蚀剂吸收、显影线宽和边墙陡度的影响,进一步优化了工艺参数。 总体来说,这篇论文的工作集中于发展电子束光刻的三维加工方法,建立曝光的计算机模拟模型,以及通过工艺优化提高加工精度和效率。这些研究成果对于推动电子束光刻技术在微纳制造领域的应用,尤其是对于需要高精度三维结构的微机电系统,具有重要的理论和实践价值。"
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山东犬学博士学位论文
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微系统研究的投入也高达7000万美元。
从20世纪九十年代初开始,我国有关部门投入了一定的经费支
持MEMS的研究。通过微齿轮、微泵、微电机、微马达、微型飞机
和微型陀螺等的研究,在MEMS领域取得了突出进展。在基础理论
方面,开展了微运动学、微动力学、微摩擦学、微流体力学等研究,
提出和发展了由于尺度效应而产生的微机械学;在材料方面,开展了
微结构特性、记忆合金、新压电材料、薄膜材料等的制备和应用研究;
在工艺方面,创造性地发展了微细电火花加工、硅微半导体工艺、深
层刻蚀、准LIGA-r艺等微细加工工艺;在应用研究方面,重点研究
开发了微电机、微泵、微传感器、微阀、微光开关等,并应用于实际
的微系统中.部分成果已达到了国际先进水平。
§1.1.2微细加工技术
微细加工技术是MEMS技术的核心技术,是MEMS技术的关键
和基础,也是MEMS技术研究中最活跃的领域。微细加工技术是将
图形高精度转移到芯片上的技术,按照加工尺寸,可划分为微米级
(1I.tm以上)、亚微米(O.8um~0.59m)、深亚微米(O.5|lm~0.19m)、
纳米级(100nm~lnm)。最近二十年来,Ic制造技术已经从微米级
发展到深亚微米级。
在MEMS制作中,不仅要加工出二维平面微结构,而且还要加
工出带有曲面、斜面及微尖形阵列等形状的三维微结构。目前,二维
平面微结构的IC加工工艺已经非常成熟,因此能加工含有曲面、斜
坡、高密度微尖阵列器件和高深宽比等微结构的三维加工工艺必将成
为下一步MEMS加工领域的竞争热点。
目前,微细加工技术中使用最普遍的三维加工工艺主要是:(1)
以美国为代表的利用集成电路工艺对硅材料进行加工,形成的硅基
MEMS器件【6】:
(2)以德国为代表的利用x射线光刻技术,通过电
铸成型和铸塑形成深层微结构的LIGA[s-101及准LIGA技术;(3)日
本开发的IH及其系列微立体光刻技术。
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山东人学博十学位论文
§1.1.2.1硅基MEMS技术
硅基MEMS技术是微结构制作中一种常用的技术,它来源于Ic
加工技术,将传统的IC加工技术由二维的平面加工技术发展为三维
的立体加工技术,主要包括体硅微加工技术、表面硅微加工技术和键
合技术。体硅微加工技术通常利用硅腐蚀的各向异性来制造各种几何
结构,再通过键合技术将两部分硅的微结构结合在一起形成机电装
置;表面硅微加工技术则是在硅基片表面加工出可动微机电结构【81。
其优点是可以充分利用IC工艺中大量成熟的工艺技术:缺点是加工
出的微结构深度较小。
(1)表面硅微加工工艺
表面硅微加工技术【11,121是以硅片为基体,利用微电子加工技术
中的氧化、淀积、光刻、腐蚀等工艺,在硅片表面上形成多层薄膜图
形,然后把下面的牺牲层腐蚀掉,以保留上面的微结构图形。薄膜层
材料常用多晶硅、氧化硅、氮化硅、玻璃和金属等,为微结构器件提
供敏感元件、电接触线、结构层、掩膜和牺牲层。牺牲层(常用Si02)
做在淀积和光刻形成图形的结构层的下面,可用湿法腐蚀除去,使结
构层与基底隔开。
这种技术是在硅片上用连续淀积结构层、牺牲层和光刻工艺来制
作微机械结构的,硅片本身并不被刻蚀。因而是一种平面加工或准三
维加工工艺,适用于制作厚度几至十几微米和深宽比为几至十几的微
机械结构.这种技术的另一个特点是可以制作可活动构件,如转子、
齿轮等。利用硅表面微加工技术可以制造多种谐振式、电容式、应变
式传感器和静电式、电磁式执行器(如微电机、谐振器等)。
(2)体硅微加工技术
体硅微加工技术[tO-141是以单晶硅材科为加工对象,采用腐蚀、镀
膜、键合等工艺,在硅体上有选择性地去除一部分材料,从而获得所
需的微结构。当腐蚀剂为液体时所进行的腐蚀称为湿法腐蚀,而腐蚀
剂为气体时则称为干法腐蚀。若腐蚀是在硅片的所有方向均匀腐蚀
时,称为各向同性腐蚀;若腐蚀速度与单晶硅的晶向有密切关系,即
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山东人学博十学佗论文
不同晶向的腐蚀速度相差很大时,则称为各向异性腐蚀I¨】。
湿法腐蚀工艺可使用不同的腐蚀溶液对硅片进行各向同性、各向
异性或自停止腐蚀,加工深度可达几百微米。各向同性腐蚀剂是由氧
化溶液组成的,常用的是HF—HN03腐蚀剂。各向异性腐蚀剂主要有
有机腐蚀剂(如EPW一乙二胺、邻苯二酸和水)和碱性腐蚀剂(如
KOH)两类。其中最常用的是KOH(氢氧化钾)腐蚀液,它在(100)和
(111)硅晶面方向上的腐蚀速率差别最大,高达400:1。
干法腐蚀是靠腐蚀剂的气态分子与被腐蚀的样品表面接触来实
现腐蚀功能的。干法腐蚀的种类很多,主要包括:离子溅射(Ion
Etching,IE)、等离子体刻蚀(Plasma
Etching,PE)、反应离子刻蚀
(Reactive
Ion
Etching,RIE)和反应离子束刻蚀(Reactive
Ion
Beam
Etching,RIBE)等。其中,PE和RIE是目前主要采用的干法刻蚀工艺。
前者主要是气体放电产生的游离基对基体的化学刻蚀过程,一般为各
向同性,选择性好;后者对基体的刻蚀既有反应中性游离基的作用,
又有反应离子的作用,控制工艺参数可进行各向同性或异性刻蚀,选
择性也较好。这些工艺的特点是刻蚀速率较高,获得的微结构侧壁陡
直,深宽比可达几十。
体硅微加工技术可以制作较大深宽比的三维微结构,但不能直接
制作可活动构件,需要通过静电键合或热键合工艺来获得含活动件的
微结构。体硅微加工技术和表面硅微加工技术均由微电子加工技术发
展起来的,其工艺已相当成熟,与微电子工艺的兼容性较好,适合于
批量制作含有集成电路的微结构。国内外利用这些技术己成功地研制
了多种硅微传感器和微执行器,如微加速度计、微压力传感器、微电
机、微泵等.
(3)键合技术
键合技术就是不用液态粘连剂而将两块固体材料键合在一起,而
且键合过程中材料始终处于固相状态的方法。主要包括阳极键合和直
接键合两种。阳极键合主要用于硅一玻璃键合,在外加电场的作用下,
使硅与玻璃两者的表面之间的距离达到分子级,键合强度可达数兆
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山东人学博十学位论文
帕。直接键合主要用于硅一硅键合,它是两种高度抛光的硅晶片在02
或N2气氛中经过lOOO~1100"C高温处理,使邻近原子问相互反应而
产生共价键,形成键合。键合工艺主要用作微机电器件的集成与封装。
§1.1.2.2
L
J
G^工艺及准Ll
GA工艺
(1)LIGA工艺
LIGA【¨“7】技术是1986年由德国卡尔斯鲁厄核物理研究中心的
W.Ehrfeld教授等研发出来的,被公认为是一种全新的三维微细加工
技术。LIGA技术是深度X射线曝光、微电铸和微复制工艺的完美结合。
它能够制造平面尺寸在微米级、结构高度达几百微米的微结构.其工
艺流程如图1.1【¨1所示,主要工艺过程如下:
①深度X射线曝光:将光刻胶涂
在有很好导电性能的基片上,然后利
用同步x射线将X光掩膜上的二维图
形转移到数百微米厚的光刻胶上,刻
蚀出深宽比可达几百的光刻胶图形。
②显影:将曝光后的光刻胶放到
显影液中进行显影处理。曝光后的光
刻胶(如:PMMA)分子长键断裂,
发生降解,降解后的分子可溶于显影
液中,而未曝光的光刻胶显影后依然
存在,这样就形成了一个与掩模图形
相同的三维光刻胶微结构。
J I J J
J士~同步x射线辐射
1rrr。。1r日r鼍!二羞蓑层
圆嘎阐皿薹妒
上U露U上i辨艄杓
J互匠=习】k
脱戡
属
蚀剂结构
片
膜版插件
膜版空腔
膜版插件
浇铸材料
盖板
注射孔
塑料结构
幽1.I
LIGA—l:艺流程幽
③微电铸:以光刻胶层下面的金属薄层为阴极对显影后的三维光
刻胶微结构进行电镀,将金属填充到光刻胶结构的空隙中,直到金属
层将光刻胶浮雕完全覆盖,形成一个稳定的、与光刻胶结构互补的密
闭金属结构。此金属结构可以作为最终的微结构产品,也可以作为批
量复制的模具。
④模铸:以上述金属微结构为模板,采用注塑成型或模压成型等
工艺,重复制造所需的微结构。
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山东大学博七学位论文
与传统的其它微细加工工艺相比,LIGA技术的优点1”。1
81是:
精度为亚微米级,深宽比可达几百以上,且沿深度方向的直线性和垂
直度非常好:可用材料的种类较多,如金属、塑料、陶瓷等。缺点是:
由于使用昂贵的同步X射线和x射线掩膜,所以成本很高;得到的
微结构是直柱状的,难于加工含有曲面、斜面和高密度微尖阵列的微
器件等。
(2)准LIGA工艺
由于L1GA技术需要昂贵的同步x射线源进行x光深层曝光,
获得高深宽比的光刻胶微结构后,才能开展后续工艺,因而限制了
LIGA技术的研究和使用。为此,探索低成本、高深宽比的准LIGA
技术成为微细加工研究领域的新热点,于是相继产生了uv.LIGA、
Laser.L1GA!旧1、DEM等准LIGA技术,但其精度、深宽比、侧壁垂
直度等均不如LIGA工艺好。
●UV.LIGA技术
UV.LIGA技术是美国威斯康星大学H.Guckel教授等在1990年
研究开发提出的,它可以用于刻蚀适中厚度的光刻胶,节省成本。
UV.LIGA工艺实际上是用深紫外光的深度曝光来取代LIGA工艺中
的同步x射线深度曝光,其余工艺与LIGA相同。常用于深度x射
线光刻的光刻胶是PMMA(聚甲基丙烯酸甲脂),它能够被波长为
2300A的深紫外线曝光,深度可达4微米。与同步x光相比,uV光
的曝光深度显然要低得多。现在IBM公司已研发出了一种新型的负
型深紫外光刻胶SU.8【2们,它在深紫外光波段内光吸收度低,可以使
数百微米厚的光刻胶曝光,整个光刻胶层所获得的曝光量均匀一致,
可得到具有垂直侧壁外形和深宽比大于20t211的厚膜图形,其精度可
达亚微米级。
●Laser.LIGA技术
Laser.LIGA是W.Ehrfeld等在1995年首次提出并使用的.它采
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