用于PolyStrata技術(shù)的光刻工藝探索研究

汪郁東，趙廣宏，陳青松，金小鋒，張 姍

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

引 言

微機(jī)電系統(tǒng)MEMS是21世紀(jì)科技與產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)之一，隨著MEMS技術(shù)向更小型化、高集成度、高頻段需求發(fā)展，RF MEMS集成系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)逐漸顯露出來。RF MEMS系統(tǒng)在小型化、高集成度的同時(shí)，滿足高精度、低功耗的需求，比起微帶線、共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，微同軸結(jié)構(gòu)在微波毫米波段優(yōu)勢(shì)更加明顯。微同軸器件由外導(dǎo)體屏蔽結(jié)構(gòu)、懸空的內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)組成，內(nèi)外導(dǎo)體之間形成空氣腔結(jié)構(gòu)，使得器件隔離度高、無色散且損耗低。2004年，美國Rohmand Haas公司開發(fā)出PolyStrata技術(shù)[1]，應(yīng)用電化學(xué)增材的三維堆疊集成并在同軸結(jié)構(gòu)中引入內(nèi)導(dǎo)體的介質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)，在美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局DAPRA（Defense Advanced Research Projects Agency）的支持下實(shí)現(xiàn)封閉外導(dǎo)體與內(nèi)導(dǎo)體之間為空氣介質(zhì)的同軸傳輸線結(jié)構(gòu)[2]。從研究至今，國外基于PolyStrata技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)天線[3,4]、天線陣列[5]、耦合器[6]、功分器[7]、諧振器[8]等MEMS微小型器件的三維集成，集成度高、頻帶寬且損耗低，在毫米波甚至太赫茲頻段優(yōu)勢(shì)更為明顯，且能與MMIC電路或其他無源器件互連[9]，實(shí)現(xiàn)一體化封裝集成。國內(nèi)對(duì)于PolyStrata技術(shù)的研究剛剛起步，目前，已有加工的同軸器件只有五層的較基礎(chǔ)的傳輸線、耦合器及天線結(jié)構(gòu)等[10,11]，遠(yuǎn)不如國外已經(jīng)完成的十層結(jié)構(gòu)及一體化集成器件。

PolyStrata技術(shù)是在硅基表面利用光刻膠制作電鑄母型，電化學(xué)沉積在其上電鑄金屬Cu，利用研磨或拋光將基片表面平坦化處理，根據(jù)器件結(jié)構(gòu)重復(fù)上述過程，最后釋放光刻膠得到懸空的內(nèi)導(dǎo)體及空氣腔結(jié)構(gòu)。微同軸器件一般通過五到十一層金屬銅堆疊實(shí)現(xiàn)，圖1以五層同軸傳輸線結(jié)構(gòu)為例介紹PolyStrata技術(shù)的工藝流程。如圖1所示，每層銅厚50μm～100μm，傳輸線截面寬高都在百微米左右，復(fù)雜結(jié)構(gòu)根據(jù)器件需求在層數(shù)及尺寸上都有增加，但整體尺寸在毫米級(jí)。

圖1 基于PolyStrata技術(shù)的五層同軸傳輸線工藝流程Fig.1 Process flow chart of five-layer coaxial transmission line based on PolyStrata technology

作為整個(gè)金屬銅器件的支撐模型，光刻工藝是PolyStrata技術(shù)的基礎(chǔ)工藝之一。PolyStrata技術(shù)的PolyStrata工藝?yán)肬V-LIGA技術(shù)得到電鑄母型，光刻圖形的線條精度及對(duì)準(zhǔn)精度直接影響電鑄Cu堆疊面的平整度，尤其在狹縫結(jié)構(gòu)中細(xì)微的偏差會(huì)直接影響器件性能。PolyStrata技術(shù)中，每層金屬Cu的高度在50μm～100μm，光刻膠的厚度至少在120μm以上才能保證平坦化之后100μm厚Cu的平整圖形，根據(jù)器件需求要經(jīng)過五到十一次重復(fù)性迭代，光刻膠多次長時(shí)間浸泡在酸性電解質(zhì)溶液中，光刻膠的超粘附性、熱穩(wěn)定性極其重要，厚膠的制備時(shí)長、熱穩(wěn)定性決定器件的制作周期和成品率。光刻膠的選擇成為PolyStrata技術(shù)中難點(diǎn)之一。

目前，應(yīng)用最廣泛的紫外厚膠是SU-8系列光刻膠，UV-LIGA工藝中SU-8光刻膠厚可達(dá)數(shù)百微米甚至1000μm，結(jié)構(gòu)深寬比達(dá)到50:1[12-14]，但在PolyStrata技術(shù)中作為犧牲材料，SU-8光刻膠很難去除干凈，同時(shí)價(jià)格昂貴、對(duì)光敏感程度高、影響參數(shù)多。在同軸器件中，常將SU-8膠作為支撐層介質(zhì)層應(yīng)用[15]。紫外厚膠種類較多，如AZ4000系列正性光刻膠，制備出20μm～30μm厚度、5μm線條圖形[16,17]；大連理工大學(xué)應(yīng)用AZ50XT正性光刻膠制備出60μm厚的光刻圖形[18,19]，并通過多層堆疊工藝完成微射頻T形功分器的制備[20]；蘇州大學(xué)應(yīng)用40μm干膜光刻膠研究了干膜光刻的整套工藝過程[21]。中電38所和中北大學(xué)利用BPN光刻膠與SU-8膠結(jié)合制備出傳輸線結(jié)構(gòu)[22,23]，但BPN光刻膠對(duì)溫差反應(yīng)敏感，在電鑄過程中易出現(xiàn)裂紋，工藝穩(wěn)定性難以保證。基于PolyStrata技術(shù)中對(duì)光刻工藝的要求，常規(guī)厚膠在厚度、穩(wěn)定性及工藝兼容上都難以滿足。

對(duì)比正性厚膠，負(fù)膠粘附性更強(qiáng)，在膠膜較厚時(shí)光刻圖形精度更高。本文選用干膜光刻膠A和光刻膠B兩種光刻負(fù)膠進(jìn)行試驗(yàn)，研究100μm以上的紫外厚膠光刻工藝，對(duì)兩種光刻膠的工藝參數(shù)和圖形質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比研究。

1 紫外厚膠光刻的工藝過程

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

作為典型的干法光刻工藝，干膜光刻工藝是用來制備電鑄母型的一種較為典型的紫外厚膠工藝方法，其實(shí)施工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。可用于制備高深寬比微納結(jié)構(gòu)的最常見的干膜厚膠厚度有120μm、60μm和40μm，本次試驗(yàn)光刻膠A選用120μm的干膜光刻膠，使用覆膜機(jī)進(jìn)行貼膜操作，選用碳酸鈉溶液作為顯影液。光刻膠B選用德國Microchemicals公司提供的負(fù)性光刻膠，單次勻膠可得到20μm～130μm的勻膠厚度，且可以實(shí)現(xiàn)垂直度較高的顯影效果，選用四甲基氫氧化銨水溶液（TMAH）作為顯影液。曝光時(shí)采用的設(shè)備是ABM雙面對(duì)準(zhǔn)光刻機(jī)，光強(qiáng)為13.5mW/cm2。

1.2 光刻膠A光刻實(shí)驗(yàn)

本次試驗(yàn)選用的120μm干膜貼片由三層組成，中間為對(duì)紫外光敏感的可光刻膠膜，膠膜兩側(cè)一面為保護(hù)膜，一面為透光膜。貼膜時(shí)，撕下一側(cè)的保護(hù)膜，保護(hù)膜墊在待加工基片下，透光膜在上放于基片上一起送入加熱滾筒進(jìn)行貼膜操作，加熱過程使干膜中的粘結(jié)劑發(fā)揮作用與基片牢固結(jié)合，保留透光膜曝光以防止光刻時(shí)發(fā)生粘板現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)過程中,采用110℃加熱滾筒，將干膜貼在鍍上金屬膜的硅圓片上，待冷卻后曝光8s，1%無水碳酸鈉溶液加熱至35℃，將透光膜撕下顯影4分鐘。

干膜光刻圖形如圖2（a）所示，黃色區(qū)域?yàn)楣饪虉D形，圖形內(nèi)區(qū)域顯影干凈，但是邊緣黑邊較重，光刻膠頂部膠膜時(shí)刻處于最大光強(qiáng)狀態(tài)，頂部膠膜和底部膠膜的曝光劑量相差較大，顯影后圖形頂部線寬大于底部線寬，膠膜頂部530μm圖形顯影后尺寸大于580μm，膠膜底部530μm圖形顯影后尺寸小于510μm。根據(jù)負(fù)膠特性可知，膠膜曝光過量，顯影液溫度較高顯影時(shí)間過長。將曝光時(shí)間調(diào)整至7s后，光刻圖形如圖（b）所示，顯影后線條精度改善；將曝光時(shí)間調(diào)整為6.5s，顯影液溫度降到25℃顯影4分鐘，此時(shí)光刻圖形如圖2（c）所示，線條較（a）明顯，圖形外黑邊明顯改善。圖形尺寸如圖2（d）所示，圖形偏差小于10μm。

圖2 干膜光刻工藝圖形Fig.2 Dry film lithography process graphics

使用臺(tái)階儀測(cè)量光刻膠的均勻性，結(jié)果如表1所示，120μm厚的干膜光刻膠高度為120±2μm，均勻性98.6%。

表1 干膜光刻膠的均勻性測(cè)試結(jié)果Table 1 Uniformity testresults of dry film photoresist

該光刻后基片進(jìn)行去膠試驗(yàn)，光刻膠可溶于丙酮，在去膠溶劑中可溶解干凈。

1.3 光刻膠B光刻實(shí)驗(yàn)

根據(jù)該光刻膠產(chǎn)品的說明資料，本次試驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)厚度100μm以上的光刻圖形，將勻膠速度設(shè)置為1000rpm/min，熱處理采用熱板加熱方式，該光刻膠粘度較大，曝光時(shí)采用接觸式曝光，若烘烤時(shí)間不夠容易粘板，可適當(dāng)延長烘烤時(shí)長，溫度120℃烘烤20min，曝光時(shí)間為280s，顯影采用2.5%四甲基氫氧化銨水溶液，顯影2min～3min將基片從顯影液中取出，用去離子水清洗1min。

本次實(shí)驗(yàn)中，1000rpm/min旋涂速度得到的圖形厚度在60μm左右，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，同時(shí)延長烘烤時(shí)間。旋涂參數(shù)及可獲得的光刻膠厚度，如表2所示。

將轉(zhuǎn)速調(diào)整至500rpm/min，得到光刻圖形如圖3（a）所示。該光刻膠形成的圖形結(jié)構(gòu)清晰，從圖3（b）可以看出，光刻圖形偏差小于5μm。

表2 旋涂參數(shù)及獲得的光刻膠厚度Table 2 Spin coating parameters and the obtained photoresist thickness

圖3 光刻膠B光刻工藝圖形Fig.3 The lithography process graphics of photoresist B

使用臺(tái)階儀測(cè)量勻膠的均勻性時(shí)其測(cè)試結(jié)果如表3所示，從測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，勻膠基片中間位置最薄，左側(cè)區(qū)域較厚。由于基片的對(duì)準(zhǔn)采用手動(dòng)校準(zhǔn)方式，倒膠也采用手動(dòng)方式，另外，該光刻膠的流平性有限，造成該次光刻試驗(yàn)基片的均勻性約在80.4%，均勻性相對(duì)較差。

表3 光刻膠B的光刻均勻性測(cè)試結(jié)果Table 3 Uniformity testresults of photoresist B

在后續(xù)去膠實(shí)驗(yàn)中，采用丙酮浸泡、去膠溶劑中加熱浸泡等方式進(jìn)行溶解，未進(jìn)行電鑄時(shí)長時(shí)間處理可從基底剝離，但在電鑄后很難完全溶解干凈。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

結(jié)合兩組結(jié)果，對(duì)光刻膠A及光刻膠B的結(jié)果作對(duì)比，如表4所示。

表4 干膜光刻膠A及光刻膠B性能對(duì)比結(jié)果Table 4 The performance comparison results of dry film photoresist A and photoresist B

干膜光刻膠A的工藝操作簡(jiǎn)單，膠膜均勻性好，且去膠容易。但由于干膜光刻膠對(duì)紫外光敏感程度高，分辨率不高，更適用于大尺寸深刻蝕中，其固定膠膜厚度也局限了光刻圖形的高度；光刻膠B光刻后膠膜均勻性較差，但是由于光刻膠對(duì)紫外光的敏感程度較低，形成的圖形結(jié)構(gòu)線條更加清晰，且圖形尺寸光刻偏差小，滿足精細(xì)微小器件的需求。根據(jù)PolyStrata技術(shù)工藝需求，最后兩種光刻膠材料需要完全去除，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中光刻膠A可完全去除，而光刻膠B的去除過程時(shí)間較長，長時(shí)間的去膠處理會(huì)影響器件結(jié)構(gòu)，因此，光刻膠A更能滿足基于PolyStrata技術(shù)的微同軸器件制備工藝要求。

3 結(jié)束語

本文探索兩種典型的干法和濕法紫外厚膠的光刻工藝參數(shù)及圖形結(jié)果，兩種光刻膠穩(wěn)定性好，在電鑄、平坦化后均可滿足多次重復(fù)光刻要求，但光刻膠B去膠后仍有部分殘膠很難去除，干膜光刻膠A的去膠試驗(yàn)效果更好。在PolyStrata技術(shù)工藝需求下，光刻膠A更能滿足微同軸器件制備工藝要求，后續(xù)的研究中將進(jìn)一步突破犧牲層釋放技術(shù)，應(yīng)用于同軸器件制備中。