基于光致抗蝕干膜的掩膜制備及其應用研究

曾永彬，蔡偉偉，李寒松，陳曉磊，張西方

（南京航空航天大學機電學院/江蘇省精密與微細制造技術(shù)重點實驗室，江蘇南京 210016）

基于光致抗蝕干膜的掩膜制備及其應用研究

曾永彬，蔡偉偉，李寒松，陳曉磊，張西方

（南京航空航天大學機電學院/江蘇省精密與微細制造技術(shù)重點實驗室，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，然后進行光刻，但干膜不可重復使用。現(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，先對干膜單獨進行光刻試驗研究。基于該新型工藝流程，研究了杜邦干膜GPM220的曝光及顯影特性。經(jīng)過對曝光量（曝光時間）及顯影時間的參數(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，并將其作為掩膜應用于微細電解加工，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。電解實驗后的干膜易與工件分離，可實現(xiàn)重復使用，提高了干膜的利用率。

光致抗蝕劑（干膜）；曝光；顯影；掩膜電解

機械運動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)，會對其摩擦特性產(chǎn)生明顯影響[1-2]。目前，表面織構(gòu)的加工技術(shù)有機械振動加工[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材料，屬于固態(tài)光刻膠，光刻時避免了勻膠、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，其已被成熟地應用于印刷線路板（printed circuit board，PCB）的制造工藝中[9]。近年來，國內(nèi)外學者對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，并成功應用于人類血清乳酸的檢測分析。Steven等[11]提出使用干膜進行基于顯微鏡的無掩膜微成像研究。秦健等[12]對一種新型的丙烯酸酯干膜光刻膠的曝光及顯影特性進行了研究，并將其成功應用于微溝道結(jié)構(gòu)的制造。朱昊樞等[13]對干膜光刻的貼膜、曝光和顯影等工藝參數(shù)進行優(yōu)化，并將其應用于深槽刻蝕。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、群凹坑直徑標準差為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，直接對干膜單獨進行曝光、顯影工藝研究，制出滿足要求的干膜，再將其作為掩膜應用于微細電解加工試驗。經(jīng)光刻后的干膜硬度提高，粘性下降，電解試驗后易與工件分離，可實現(xiàn)干膜的重復使用，提高了其利用率。

1 試驗原理

干膜光刻工藝主要包括曝光和顯影兩大步驟。由于本試驗在干膜曝光之前無需貼膜，為保證干膜曝光時能放置平整，設計了干膜夾持裝置（圖1）。將干膜平鋪于基臺上，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。進行曝光時，紫外光線無法穿透不透光區(qū)域，故相應區(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性光刻膠，干膜被紫外光線照射的區(qū)域會發(fā)生交聯(lián)反應，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出現(xiàn)陣列通孔結(jié)構(gòu)。

2 試驗研究

本試驗采用杜邦干膜GPM220系列（圖3），干膜主要由三部分組成：聚乙烯膜是一層保護膜，防止灰塵等污物玷污干膜，避免在卷膜時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)，本試驗采用的顯影液為質(zhì)量分數(shù)1%、溫度25℃的碳酸鈉溶液。

3 工藝參數(shù)試驗及分析

3.1 曝光試驗

由于本工藝流程在曝光前不用去除干膜的保護膜，而試驗中紫外光對底層聚乙烯保護膜會產(chǎn)生反射、折射等現(xiàn)象，對感光膠層產(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)對干膜成像的影響。

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

式中：T為曝光時間。

根據(jù)式（1）可知，由于I為定值，曝光量將隨著曝光時間的增加而增大。本試驗分別選取曝光時間為1、2、3、4、5、6 s，干膜顯影時間為90 s，進而研究不同曝光時間對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，黏性相對下降。由圖4可知，曝光1 s時，干膜已曝光充分；當曝光時間達到2 s后，圓孔周圍開始出現(xiàn)明顯的黑影區(qū)域；當曝光時間達到6 s時，感光膠層的脆性增加，圓孔直徑尺寸變小。

圖4 不同曝光時間干膜上的圓孔

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

圖5 不同曝光時間的干膜通孔尺寸

3.2 顯影試驗

顯影時間是干膜顯影質(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膜剝?nèi)?，由于干膜在顯影時并未貼著工件，干膜的兩面均會接觸顯影液，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間對干膜的影響。

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

圖6 不同顯影時間干膜上的圓孔

圖7是不同顯影時間下，在干膜各個區(qū)域隨機選取20個陣列通孔中的最大及最小尺寸變化趨勢?？煽闯?，當顯影時間在90～120 s區(qū)間時，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間可超過的程度，反映了顯影工藝的寬容度）；隨著顯影時間繼續(xù)增加，干膜通孔直徑有增大的趨勢。這是因為干膜作為一種負性光刻膠，具有溶脹性，顯影時間過長，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；當顯影時間超過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。考慮到顯影時間短，可提高加工效率，故采用90 s的顯影時間最佳。

圖7 不同顯影時間的干膜通孔尺寸

3.3 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上述試驗所得結(jié)果，本文得出優(yōu)化后的參數(shù)為曝光時間1 s、顯影時間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是在干膜各個區(qū)域隨機選取20個通孔測得的孔徑尺寸圖，可見在測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 干膜上隨機抽樣的通孔尺寸

4 干膜在掩膜電解中的應用

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烘干處理后進行電解加工。電解加工試驗系統(tǒng)見圖10，該系統(tǒng)主要包括機床主體、電解液循環(huán)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)及夾具。

圖10 電解加工試驗系統(tǒng)圖

實驗所用的電解液是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。當加工電壓為14 V、加工時間為10 s時，測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得單個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，先對干膜單獨進行光刻試驗研究。

圖11 工件表面微坑形貌SEM圖

圖12 單個微坑的三維形貌及截面圖

（2）研究了曝光量（曝光時間）、顯影時間對干膜上的陣列通孔的影響。結(jié)果表明：曝光量和顯影時間對微孔影響顯著。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，并可實現(xiàn)干膜的重復使用。

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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)合基金重點項目（U1134003）；航空科學基金資助項目（2012ZE52068）

曾永彬，男，1978年生，副教授。