大高寬比光柵的搖床式輔助顯影工藝

王 藝，侯雙月，熊 瑛，田揚超，劉 剛

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 國家同步輻射實驗室，安徽 合肥 230029)

1 引 言

近年來，X射線光柵相襯成像技術(shù)得到了快速發(fā)展。該方法擺脫了同步輻射光源與微焦點光源的限制，為X射線相襯技術(shù)的臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了可能。為了滿足臨床醫(yī)學(xué)CT成像中高能量、大視場的需求，對X射線光柵相位襯度成像系統(tǒng)的核心器件——大尺寸大高寬比結(jié)構(gòu)的X射線吸收光柵的研究具有重要的意義[1-4]。

大尺寸大高寬比光柵的制作工藝復(fù)雜[5-8]，顯影是光刻膠微結(jié)構(gòu)成形的重要步驟[9-10]。光刻膠顯影常用的方法有浸沒法、噴淋法和攪拌法[11-12]三種。對于低高寬比微結(jié)構(gòu)，顯影比較容易實現(xiàn)，通常采用浸沒法；但對于大高寬比結(jié)構(gòu)，由于顯影液的對流傳質(zhì)嚴重受限，而光刻膠層又非常厚，往往需要較長的顯影時間，這容易出現(xiàn)光刻膠結(jié)構(gòu)頂部過度顯影而底部顯影不足的現(xiàn)象。解決這一問題的關(guān)鍵在于改善顯影傳質(zhì)條件，加快顯影過程中新鮮顯影液的傳遞速度和溶解物的排出速度。所以，在大高寬比光柵結(jié)構(gòu)的顯影過程中，通常需要借助旋轉(zhuǎn)攪拌或兆聲輔助等方法來加快顯影液的傳質(zhì)[13-14]，提高顯影效率。

基于旋轉(zhuǎn)攪拌的輔助顯影過程中，沿旋轉(zhuǎn)中心向外顯影液流速會迅速增大，因此當基片尺寸較大時，樣品中心的顯影速率會遠遠小于樣品邊緣的顯影速率。為了適應(yīng)樣品中心的顯影，大尺寸光刻膠的邊緣部分微結(jié)構(gòu)就會過度顯影，容易對光柵底部產(chǎn)生侵蝕，使大高寬比光柵結(jié)構(gòu)從基底脫落，這種現(xiàn)象會隨著樣品尺寸的增大而加劇。所以，利用旋轉(zhuǎn)攪拌輔助顯影難以均勻顯影?；谡茁曒o助的顯影也難以實現(xiàn)顯影液的均勻傳質(zhì)，同樣不能實現(xiàn)均勻顯影。為了適應(yīng)大尺寸光柵的顯影，需要找到一種高效、均勻的顯影工藝。

大高寬比光柵的顯影比較復(fù)雜，主要是因為其高寬比大、膠層厚，不同厚度下的微結(jié)構(gòu)高寬比不同，這就使得不同厚度下每種微結(jié)構(gòu)的顯影速率很難把握。針對大尺寸大高寬比微結(jié)構(gòu)的顯影特點，本文研究了基于翹板式搖床輔助的顯影方法，并提出了一種快速的顯影參數(shù)確定方法，實現(xiàn)了大尺寸大高寬比光柵的均勻顯影。

2 基本原理

不均勻傳質(zhì)導(dǎo)致的坍塌光柵如圖1所示。為了使顯影液可以均勻地在光刻膠表面進行傳質(zhì)，本文提出了翹板式搖床輔助的顯影方法[15]。由于顯影液具有流動性，當翹板式搖床上下擺動的時候，在慣性力的作用下顯影盒內(nèi)的液體會隨之發(fā)生左右流動。由于搖床的運動頻率較低，顯影盒腔體較大，針對大面積大尺寸的光柵樣片，流體具有相對均勻的流速，流速的波動范圍小，顯影液可以實現(xiàn)較好的層流，從而使顯影液可以在光刻膠表面進行均勻傳質(zhì)。

圖1 坍塌光柵的顯微圖Fig.1 Microscope image of collapsed gratings

對于不同高寬比的微結(jié)構(gòu)，為了快速有效地給出適當?shù)娘@影條件，我們提出了顯影參數(shù)的確定方法。利用旋轉(zhuǎn)式攪拌輔助顯影來篩選出合適的顯影條件，對大尺寸樣片進行旋轉(zhuǎn)式攪拌顯影，將該顯影狀態(tài)下的流速分布近似認為僅與旋轉(zhuǎn)半徑成正比，則可獲得大尺寸樣片各點的近似流速。顯影一段時間后，觀測樣片上各點的顯影情況，根據(jù)光刻膠微結(jié)構(gòu)的顯影情況給出合適的顯影液流速。

利用軟件來計算搖床的運動參數(shù)，確定出合適的搖床式輔助顯影條件?；诖诉\動參數(shù)進行大尺寸大高寬比樣品的搖床式輔助顯影實驗，根據(jù)光刻膠微結(jié)構(gòu)的顯影情況最終確定搖床式輔助顯影參數(shù)。

3 模擬與實驗

3.1 模 擬

為了探究搖床式輔助顯影方法的可行性，本文利用 COMSOL Multiphysics 來模擬翹板式搖床工作狀態(tài)下的動態(tài)自由表面流的流場分布。首先，模擬搖床工作時整個樣品表面的流場分布。在此基礎(chǔ)上，進一步模擬顯影液在不同高寬比微結(jié)構(gòu)光柵表面的流場分布，用來探究微觀狀態(tài)下顯影過程中不同高寬比的微結(jié)構(gòu)光柵對流場均勻性的影響。

研究模型是建立在不可壓縮式Navier-Stokes方程上，即有：

我一般用自然光進行拍攝，我會試著讓拍攝對象移動位置。如果在中午時分拍攝，我會盡量把這個人帶到他家的門廊上，將他置于較暗的背景中，并從戶外獲取光線。效果基本就像在攝影棚里拍的一樣，只是不用閃光燈。

(1)

另外，流體運動滿足連續(xù)性方程：

(2)

其中：ρ為流體密度，η為流體黏度。對于SU-8顯影液：ρ=0.960 kg/m3，η=1.1 mPa·s。

宏觀模型示意圖為顯影系統(tǒng)的剖面圖，如圖2所示。模型主要分為兩個部分，大矩形區(qū)域表示顯影盒中顯影液的填充部分，模擬中設(shè)計尺寸為32 cm×15 cm，小矩形區(qū)域表示實驗中需要顯影的樣片(基片面積為15 cm×15 cm，有效圖形面積為10 cm×10 cm)。

圖2 宏觀模型示意圖Fig.2 Schematic of macroscopic model

微觀模型示意圖如圖3所示，模型同樣分為兩個部分，長方體上半部分區(qū)域表示顯影液的填充部分，包括已經(jīng)顯影出的光刻膠部分，長方體上半部分的設(shè)計尺寸為670 μm×1 120 μm×500 μm。長方體下半部分區(qū)域表示尚未顯影的光刻膠部分?；谏厦娴恼w平面表面模擬計算得到顯影流速，作為此模擬中相應(yīng)位置的表面顯影流速。

圖3 微觀模型示意圖Fig.3 Schematic of microcosmic model

3.2 實 驗

為了驗證翹板式搖床輔助顯影的可行性并找出合適的工藝參數(shù)，本文制作了大高寬比光柵，并基于這個光柵進行顯影實驗。光柵制作工藝如下：(1)用丙酮擦洗硅片，然后將硅片置于130 ℃的熱臺上烘烤10 min；(2)旋涂上200 μm的SU8光刻膠，在熱臺上65 ℃烘烤7 min，95 ℃烘烤2 h；(3)通過紫外光刻機進行紫外曝光，曝光時間為50 s(I線接觸式曝光，特征波長為365 nm，工藝參數(shù)為200 J/cm2)，之后在熱臺上65 ℃烘烤7 min，95 ℃烘烤25 min；(4)使用SU8配套顯影液進行搖床式輔助顯影，搖床晃動頻率在0.8～1.5 Hz內(nèi)，將圖形轉(zhuǎn)移到SU8光刻膠上，獲得大高寬比微結(jié)構(gòu)光柵。

為了驗證模擬部分的合理性，實驗制備的光柵參數(shù)如下：光刻膠厚度為200 μm，周期為120 μm，線寬在15～50 μm內(nèi)，柵條高寬比為4～13.3，溝槽深寬比為1.9～2.9。

4 結(jié)果與分析

4.1 搖床輔助顯影的流場分布

圖4給出了搖床晃動頻率為1 Hz，基片距槽底3 cm時顯影過程中不同時刻流體的瞬時流場分布。由圖4可以看出，在顯影過程中，顯影液表面流速分布不均，但隨著深度增加，表面到內(nèi)部的流速大小起伏明顯減小，內(nèi)部流速均勻性明顯變好。當基片置于一定深度位置時，可以在基片表面獲得分布均勻的流場。

圖4 頻率為1 Hz，基片距槽底3 cm時顯影過程中流體的瞬時流場分布

Fig.4 Instantaneous flow field distribution of liquid during development process with frequency of 1 Hz and 3 cm distance from substrate to bottom

為了驗證能否在基片表面獲得比較均勻的流場分布，在基片中心及中心位置左右各偏離3.5，5.5 cm處選取5處位置，對應(yīng)橫坐標位置分別為-5.5，-3.5，0，3.5和5.5 cm。其中0點對應(yīng)的是中心位置，研究這5點在顯影過程中的流速變化。圖5為不同時刻下基片不同位置的流速分布，可以看出，基片距離槽底3 cm處對應(yīng)各點的平均流速為0.134，0.142，0.153，0.147和0.136 m/s，平均流速變化范圍均在15%以內(nèi)，流場分布均勻。

圖5 不同時刻下基片表面顯影過程中的流速與位置關(guān)系

Fig.5 Relationship between flow rate and position of

substrate at different time during development

process

4.2 微結(jié)構(gòu)表面的流場分布

宏觀模擬表明，搖床式輔助顯影可以使基片整體表面流場分布均勻。這里通過進一步模擬來分析顯影液在微結(jié)構(gòu)光柵表面的流場分布情況，驗證微觀狀態(tài)下流場是否均勻。

光柵顯影工藝中，顯影液的流動方向會對顯影有較大影響。圖6給出了不同的流體流動方向，溝槽深寬比為0.33的顯影條件下流體在微深溝槽中的流場分布。由圖6可知，無論流體流動方向是平行于柵條還是垂直于柵條，都能實現(xiàn)柵條表面流場的均勻分布，流動方向?qū)︼@影的均勻性影響較小。同時，可以明顯看出當流動方向平行于柵條方向時，溝槽內(nèi)部的顯影液流動性較好，而當流動方向垂直于柵條方向時，溝槽內(nèi)部顯影液的流動性迅速惡化。由于顯影液在流動方向平行于柵條方向時可以獲得較好的流動性，所以之后的模擬和實驗都是基于流動方向平行于柵條方向來進行的。

圖6 溝槽深寬比為0.33時深溝槽中的流場分布Fig.6 Flow field distriution in micro-deep strench with aspect ratio of 0.33

通常的，流體在溝槽內(nèi)流動，研究溝槽內(nèi)流體的流場分布更有意義；同時，X射線吸收光柵是金屬光柵，而金屬光柵的尺寸對應(yīng)的是光刻膠溝槽的尺寸，所以下面討論以溝槽特征參數(shù)為主。圖7分別給出了顯影過程中不同深寬比下流體在微深溝槽中的流場分布。

(a)周期和線寬不變 (a)Constant period and line width

(b)線寬不變，周期改變 (b)Constant line width with variable periods

(c)周期不變，線寬改變 (c)Constant period with variable line widths圖7 微深溝槽中流體的流場分布

Fig.7 Flow rate distribution in micro-deep trenches under different aspect ratios of gratings

圖7(a)模擬了微觀狀態(tài)下光柵的真實顯影過程。具體參數(shù)如下：溝槽周期為120 μm，線寬為90 μm，高度分別為30，60，90和120 μm，溝槽深寬比分別為0.33，0.66，1，1.33。從圖7(a)可以看出，在顯影過程中，隨著溝槽深寬比的不斷增大，柵條表面的流體流速變化不大，流場分布均勻；同時，溝槽內(nèi)流速迅速減小，表明大高寬比微結(jié)構(gòu)存在顯影傳質(zhì)困難的問題，溝槽內(nèi)難以實現(xiàn)對流傳質(zhì)，傳質(zhì)以擴散為主。

圖7(b)模擬了溝槽線寬不變，周期改變的條件下流場的分布情況。具體參數(shù)如下：溝槽線寬為90 μm，周期分別為105，110，120和130 μm，溝槽深寬比為2.2。由7(b)可知，在此顯影條件下流體在柵條表面的流場分布均勻；溝槽深寬比不變時，柵條寬度的改變對溝槽內(nèi)流速變化的影響不大。

圖7(c)模擬了溝槽周期不變，線寬改變的條件下流場的分布情況。具體參數(shù)如下：溝槽周期為120 μm，線寬分別為105，100，90和80 μm，溝槽深寬比為1.9，2，2.2和2.5。由圖可知，在此顯影條件下流體在柵條表面的流場分布均勻；同時，隨著溝槽深寬比的增大，溝槽內(nèi)的流速逐漸減小。

綜合圖7(a)～7(c)的模擬結(jié)果表明，在微觀狀態(tài)下顯影液在光柵表面可以實現(xiàn)均勻流動，搖床式輔助顯影可以在樣品表面獲得比較均勻的流速分布，流體流速受溝槽深寬比的影響較大。

4.3 工藝參數(shù)的確定

對大尺寸樣片進行旋轉(zhuǎn)式攪拌顯影，觀測顯影一段時間后樣片上不同位置處光柵的損壞情況，給出合適的顯影液流速范圍，溝槽深寬比和顯影速率之間的關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看出，在相同的顯影時間內(nèi)，對應(yīng)溝槽深寬比從1.9～2.9，需要外界施加的顯影速率從10.5 cm/s上升到了23 cm/s。同時可以看出，相同深寬比對應(yīng)的顯影速率的波動范圍不大。圖7(c)的模擬結(jié)果驗證了此工藝參數(shù)圖的合理性，當外部施加的流速相同時，溝槽深寬比越大，溝槽內(nèi)部的流體速率越小，完成顯影所需的顯影時間越長。所以在相同的時間內(nèi)完成顯影，溝槽深寬比越大，需要外界輔助施加的顯影速率就越大。

圖8 顯影過程中溝槽深寬比與顯影速率關(guān)系

Fig.8 Relationship between development rates and aspect ratios of trench during development process

4.4 實驗結(jié)果

本文利用翹板式搖床輔助顯影方法進行了光柵制作。基于上述的顯影工藝曲線，給出了合適的顯影條件：顯影時間為10 min，搖床運動參數(shù)設(shè)置為1.3 Hz，對應(yīng)的顯影液流速約為0.21 m/s。顯影后的大高寬比微結(jié)構(gòu)光柵如圖9所示。從圖9中可以看出，基于搖床式輔助顯影方法獲得的光柵同時顯影到底，結(jié)構(gòu)均勻，說明給出的搖床式輔助顯影參數(shù)較為合理。

(a)搖床顯影后的樣品 (a)Microscope image of sample after shaker assisted development method

(b)光柵實物樣品 (b)Physical sample圖9 120 μm周期的大高寬比光柵Fig.9 High aspect ratio gratings with a period of 120 μm

在顯影時間為10～12 min，顯影速率為0.21～0.23 m/s，溝槽深寬比為2.5，光刻膠厚度為200 μm時，光柵的顯影均勻性優(yōu)于96%，可以實現(xiàn)均勻顯影。

5 結(jié) 論

本文研究了基于翹板式搖床輔助的顯影方法，并提出了快速的顯影參數(shù)確定方法。通過有限元法模擬了搖床工作時整個基片表面的流場分布以及顯影液在不同高寬比微結(jié)構(gòu)光柵表面的流場分布。模擬結(jié)果表明，通過搖床擺動可以實現(xiàn)顯影液的均勻流動，溝槽內(nèi)顯影液流速主要受溝槽深寬比的影響，因此光柵溝槽深寬比越大，需要外界輔助施加的顯影速率就越大。通過實驗進一步探討了溝槽深寬比和顯影速率之間的關(guān)系，實現(xiàn)了大高寬比微結(jié)構(gòu)顯影參數(shù)的快速獲取，為搖床式輔助顯影方法提供了可參考的顯影工藝參數(shù)?；谠摴に噮?shù)制備了大高寬比光柵，顯影結(jié)果均勻，驗證了工藝參數(shù)的合理性。模擬和實驗證明了基于搖床式輔助顯影方法的可行性，表明該方法可以實現(xiàn)大高寬比微結(jié)構(gòu)的均勻顯影。