PDMS微流控芯片光刻加工的套刻對準(zhǔn)方法

趙幸福，馮澤宇，陳榮進(jìn)，袁佳琪，趙曉曉

（南通大學(xué)醫(yī)學(xué)院，江蘇南通 226001）

0 引言

近30 年，微流控芯片技術(shù)發(fā)展迅速［1-2］，與集成電路芯片加工工藝類似，光刻是其加工制作中的關(guān)鍵步驟［3-5］。復(fù)雜微流控芯片往往具有多個(gè)不同高度的通道結(jié)構(gòu)，即多層通道結(jié)構(gòu)［6-7］，其制作工藝的陽模加工中，每次曝光都需要掩膜和硅片上已經(jīng)光刻成型的圖像進(jìn)行對準(zhǔn)，以保證每一層圖形有精確的相對位置，此為套刻［8-9］。套刻精度是光刻的重要技術(shù)指標(biāo)，光刻機(jī)英文名稱即為掩膜對準(zhǔn)曝光機(jī)（Mask aligner）［10-11］。在廣泛使用低端光刻機(jī)進(jìn)行的微流控芯片套刻加工制作中，套刻精度對操作工藝的依賴性更大。受高分子材料PDMS（聚二甲基硅氧烷）有伸縮性［12］及設(shè)備、顯影工序等因素［13-14］的影響，PDMS 微流控芯片套刻加工對準(zhǔn)精度要求相對不高［7］，目前，系統(tǒng)的針對微流控芯片套刻對準(zhǔn)工藝的報(bào)道較少。微流控芯片加工使用的套刻對準(zhǔn)標(biāo)記多是借鑒集成電路加工中使用的十字架、米字型、方框等結(jié)構(gòu)［15］，使用十字架對準(zhǔn)標(biāo)記。分析判斷位置偏差仍有難度。然而，對準(zhǔn)操作需要反復(fù)搜索標(biāo)記、反復(fù)調(diào)整，耗時(shí)較長，初試者往往需數(shù)小時(shí)才能完成套刻對準(zhǔn)，本文將開發(fā)高效的對準(zhǔn)標(biāo)記用于套刻對準(zhǔn)操作。

套刻對準(zhǔn)其操作時(shí)間較長并不意味著套刻對準(zhǔn)精度的提升，對準(zhǔn)也不是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程而是帶有一定隨機(jī)性，一旦調(diào)出更大偏差將會(huì)前功盡棄，往往操作10 min達(dá)到的對準(zhǔn)效果比操作1 h 后的效果還要好。長時(shí)間顯微操作還會(huì)造成的人員疲勞及資源浪費(fèi)，降低效率。套刻對準(zhǔn)的首要難題是掩膜、硅片之間有旋轉(zhuǎn)偏差［16-17］，伴有硅片偏離硅片臺(tái)中心又會(huì)給旋轉(zhuǎn)矯正帶來困難，對于缺乏經(jīng)驗(yàn)的操作者將是較大的挑戰(zhàn)。光刻機(jī)顯微鏡下物體運(yùn)動(dòng)方向與實(shí)際不一致等，也加大了操作難度。本文將開發(fā)能夠克服旋轉(zhuǎn)偏差等不利因素并系統(tǒng)穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)套刻對準(zhǔn)的操作工藝以及高效的對準(zhǔn)標(biāo)記，力爭能為PDMS 微流控芯片套刻加工提供技術(shù)工藝參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 對準(zhǔn)標(biāo)記設(shè)計(jì)

（1）對位位置對準(zhǔn)標(biāo)記使用。相對于較多使用的4 對準(zhǔn)標(biāo)記位點(diǎn)，本文使用如圖1（a）所示共線的3 個(gè)對準(zhǔn)標(biāo)記做套刻對準(zhǔn)。掩膜邊緣設(shè)計(jì)兩小圓套十字架結(jié)構(gòu)處于掩膜對位位置，掩膜中央為十字架，用以標(biāo)識(shí)中心位點(diǎn)，兩小圓結(jié)構(gòu)與中央十字架共線。用以對準(zhǔn)的主要是此二小圓結(jié)構(gòu)，對準(zhǔn)時(shí)需兼顧兩個(gè)標(biāo)記，同時(shí)完全對準(zhǔn)表示對準(zhǔn)成功，缺一不可。

（2）對準(zhǔn)標(biāo)記的結(jié)構(gòu)。如圖1（b）所示，使用小圓套十字架結(jié)構(gòu)作為對準(zhǔn)標(biāo)記。小圓與十字架同心，十字架（線寬15 μm）線段長度大于圓直徑，以大于3 倍圓直徑為宜。如圖1（c）所示，對準(zhǔn)時(shí)以掩膜、硅片十字架線條重合表示完全對準(zhǔn)。圓套十字架結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)標(biāo)記中，圓便于識(shí)別，克服了傳統(tǒng)使用的十字架標(biāo)記線條較細(xì)不易被察覺的缺陷，便于快速找到標(biāo)記進(jìn)行對準(zhǔn)。操作時(shí)，調(diào)整掩膜及硅片的位置先使兩圓標(biāo)記對準(zhǔn)，此為粗對準(zhǔn)，進(jìn)一步以標(biāo)記中小十字架細(xì)線做精對準(zhǔn)（圖1（c）、（d））。第2 層掩膜小圓面積應(yīng)略大于硅片小圓（直徑比約5∶4，圖3（c）），便于透過掩膜觀察小圓標(biāo)記。這里，設(shè)計(jì)掩膜時(shí)兩張掩膜的小圓對準(zhǔn)標(biāo)記應(yīng)位于相同位置。

圖1 不同對準(zhǔn)標(biāo)記示意圖

1.2 套刻工藝中前后兩次曝光掩膜、硅片原位安裝

第1 層曝光與套刻時(shí)第2 層曝光兩次硅片放置位置相同，兩次掩膜安裝位置完全相同也可實(shí)現(xiàn)套刻對準(zhǔn)，此為另一種對準(zhǔn)方法，可以把這一方法稱為掩膜、硅片原位安裝。掩膜臺(tái)可以相對硅片臺(tái)運(yùn)動(dòng)，兩次曝光掩膜臺(tái)相對硅片臺(tái)的位置有變化將難以對準(zhǔn)，所以這里掩膜的原位安裝包擴(kuò)兩部分內(nèi)容：①參照位置記號(hào)掩膜原位裝在掩膜臺(tái)上；②兩次曝光中掩膜臺(tái)相對于硅片臺(tái)的位置一致，這里以掩膜臺(tái)都置于硅片臺(tái)的正上方為參照。安裝為手動(dòng)操作目測對準(zhǔn)，雖然精確度不高，但可較大幅度消除硅片掩膜的旋轉(zhuǎn)偏差，旋轉(zhuǎn)矯正使用微調(diào)即可。此方法還能將掩膜對準(zhǔn)標(biāo)記盡量靠近硅片標(biāo)記，便于透過掩膜快速找到硅片對準(zhǔn)標(biāo)記，大大降低粗對準(zhǔn)難度。

第1 層曝光時(shí)需要在掩膜臺(tái)上做記號(hào)留下掩膜的位置信息，在硅片呈物臺(tái)上做記號(hào)留下硅片位置信息，第2 層光刻即套刻時(shí)參照記號(hào)將掩膜、硅片放入第1層光刻的相同位置，將掩膜臺(tái)置于硅片臺(tái)正上方后可進(jìn)行對準(zhǔn)。曝光前需要做好位置記號(hào)，操作流程如下：①掩膜的位置標(biāo)記及安裝（圖2）。先找到兩掩膜X、Y軸與掩膜邊緣的4 個(gè)交點(diǎn)（圖2（a））。如圖2（b）所示，固定掩膜時(shí)將此4 位點(diǎn)位置留在掩膜臺(tái)上，第2 層曝光即套刻曝光時(shí)，參照此位置信息將第2 掩膜上的4 個(gè)交點(diǎn)與之對應(yīng)安裝好。②硅片位置標(biāo)記。第1 層曝光時(shí)將硅片置于硅片呈物臺(tái)中央，用記號(hào)筆描出邊緣留下位置信息（圖3）。第2 層曝光參照標(biāo)記硅片、掩膜放入原位置。③第1 層曝光前，目測將掩膜臺(tái)移到硅片臺(tái)正上方，再進(jìn)行光刻。第2 層曝光對準(zhǔn)時(shí)也要先把掩膜臺(tái)移到硅片臺(tái)正上方。

圖2 第1層光刻及第2層光刻（套刻）掩膜的原位安裝

圖3 第1層曝光時(shí)硅片安裝及硅片位置標(biāo)記

第2 種掩膜在安裝臺(tái)上的位置標(biāo)記方法：掩膜為方形塑料片需要根據(jù)掩膜臺(tái)大小修整其邊緣，可順便修剪出用對準(zhǔn)標(biāo)記結(jié)構(gòu)。將用于套刻曝光的兩層掩膜重疊對準(zhǔn)并捏緊，把其直角拐角修剪成鈍角結(jié)構(gòu)（圖4），可作為對準(zhǔn)標(biāo)記，選擇對位位置兩拐角修剪制作對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。第1 層曝光時(shí)沿鈍角結(jié)構(gòu)邊緣畫線留下掩膜位置信息，第2 層光刻時(shí)將掩膜放入同一位置即可。

圖4 掩膜拐角修剪出鈍角結(jié)構(gòu)用于沿邊緣做位置記號(hào)

1.3 微流控芯片套刻對準(zhǔn)操作工序

第1 層曝光時(shí)按上文所述進(jìn)行掩膜、硅片原位安裝。目測將硅片及掩膜安裝在中央位置，避免較大幅度偏離中心造成旋轉(zhuǎn)偏差矯正困難，掩膜臺(tái)移到硅片臺(tái)正上方再進(jìn)行曝光。曝光后要顯影、堅(jiān)膜以增加第1 層陽模結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與獨(dú)立性，如果不經(jīng)顯影直接涂第2 層膠而進(jìn)行套刻會(huì)導(dǎo)致硅片標(biāo)記不明顯，第1層結(jié)構(gòu)顯影時(shí)出現(xiàn)“過顯”或精密結(jié)構(gòu)部分顯影不充分的結(jié)果。第2 層曝光即套刻時(shí)，參照事先做好的位置記號(hào)安裝硅片、掩膜（圖2（b））。隨后參照圓套十字架對準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)一步進(jìn)行對準(zhǔn)：移動(dòng)顯微鏡或光刻機(jī)工作臺(tái)找到掩膜小圓標(biāo)記，微調(diào)移動(dòng)掩模臺(tái)搜索硅片小圓標(biāo)記，然后在掩模Y軸上掃描找到兩對準(zhǔn)小圓標(biāo)記，分析掩膜、硅片旋轉(zhuǎn)偏差，旋轉(zhuǎn)硅片臺(tái)進(jìn)行矯正，然后微調(diào)移動(dòng)掩膜臺(tái)實(shí)現(xiàn)粗對準(zhǔn)。旋轉(zhuǎn)偏差的矯正要使用光刻機(jī)硅片臺(tái)的旋轉(zhuǎn)旋鈕，是多層光刻的必備，單層光刻常不用此功能，旋轉(zhuǎn)分為粗調(diào)與精調(diào)兩種模式。遇到搜索小圓標(biāo)記較為困難時(shí)，考慮是硅片中心偏離硅片臺(tái)中心距離較大，應(yīng)先進(jìn)行硅片偏心矯正，也有可能是掩模偏心造成，應(yīng)再次把硅片、掩模安裝在中央位置，參照硅片中央十字架對準(zhǔn)標(biāo)記，分析、矯正掩膜、硅片與中心的偏差，再調(diào)整矯正旋轉(zhuǎn)偏差。參照兩圓套十字架對準(zhǔn)標(biāo)記的十字架線條進(jìn)一步進(jìn)行精對準(zhǔn)，最后，硅片與掩膜接觸并壓緊，實(shí)施曝光。

套刻前，如果對準(zhǔn)標(biāo)記較小，可以用彩色水筆在SU-8 光刻膠對準(zhǔn)標(biāo)記位置涂布顏色擴(kuò)大標(biāo)記面積，便于快速捕捉到硅片標(biāo)記，涂布的彩色可在顯影前用不影響顯影的溶劑除去。光刻結(jié)束，所有記號(hào)應(yīng)及時(shí)除去以免影響下次光刻。使用接觸式光刻機(jī)曝光前硅片與掩膜接觸時(shí)可能會(huì)發(fā)生微量偏移，可以在小力度接觸時(shí)進(jìn)行矯正，然后加大接觸力度即可。

2 結(jié)果與討論

使用本套刻對準(zhǔn)標(biāo)記及技術(shù)工藝以分步進(jìn)行的方式降低套刻難度，克服硅片與掩膜大幅度旋轉(zhuǎn)偏差的困擾，減少大面積內(nèi)反復(fù)搜索標(biāo)記的工作量，可實(shí)現(xiàn)偏差小于5 μm的套刻對準(zhǔn)。針對微流控芯片的套刻對準(zhǔn)精度要求相對不高的特征，有必要開發(fā)出一套有別于對準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛的集成電路芯片加工工藝的微流控芯片套刻對準(zhǔn)技術(shù)工藝。微流控芯片套刻分為粗對準(zhǔn)與精對準(zhǔn)兩個(gè)過程，由于精對準(zhǔn)要求不高，粗對準(zhǔn)難度相對更大，本技術(shù)方法能夠有針對性地降粗對準(zhǔn)難度，減少操作時(shí)間，也使得操作者有更多的精力投入到精對準(zhǔn)中以提高對準(zhǔn)精度。此對準(zhǔn)方法應(yīng)用在JKG-2A 型國產(chǎn)曝光機(jī)上可常規(guī)實(shí)現(xiàn)偏差小于5 μm 的套刻對準(zhǔn)，滿足絕大多數(shù)微流控芯片的應(yīng)用，效果與使用進(jìn)口光刻機(jī)ABM.Inc.Mask Aligner 無差異，操作時(shí)間可控制在0.5 h內(nèi)。圖5 為使用此對準(zhǔn)方法制作的芯片結(jié)構(gòu)結(jié)果，對準(zhǔn)偏差約2.5 μm，兩圖對準(zhǔn)通道設(shè)計(jì)寬度一致（760 μm），高、低通道高度約為90、45 μm。圖5（b）所示為芯片加工經(jīng)過曝光、顯影及堅(jiān)膜，兩通道寬度出現(xiàn)差異，高通道比低通道寬約5 μm，這種偏差是由芯片曝光、顯影加工及材質(zhì)造成，非對準(zhǔn)操作偏差。本文介紹的對準(zhǔn)方法適于PDMS微流控芯片的套刻加工制作。

圖5 使用此套刻對準(zhǔn)方法制作的微流控芯片結(jié)構(gòu)圖

圓套十字架對準(zhǔn)標(biāo)記的優(yōu)勢：與常用的十字架、米字型等對準(zhǔn)標(biāo)記相比，圓形擴(kuò)大了標(biāo)記面積，方便透過掩膜找到硅片上的標(biāo)記，也更易于識(shí)別。圓形可視為放大了的點(diǎn)，能更為形象的代表標(biāo)記點(diǎn)，比使用十字架代表“點(diǎn)”更為直觀，方便在對準(zhǔn)操作中實(shí)時(shí)判斷標(biāo)記點(diǎn)的位置。圓套十字架標(biāo)記結(jié)構(gòu)中圓形有面積用來進(jìn)行粗對準(zhǔn)，其十字架線條較細(xì)用以進(jìn)行隨后的精對準(zhǔn)，如此能充分發(fā)揮標(biāo)記結(jié)構(gòu)中“面”與“線”各自的優(yōu)勢，并把難度較大的對準(zhǔn)操作分作兩步進(jìn)行，先粗對準(zhǔn)后精對準(zhǔn)，從而有效降低難度、提高對準(zhǔn)效率。

掩模、硅片的原位安裝促進(jìn)對位的對準(zhǔn)標(biāo)記對準(zhǔn)的使用，使搜索標(biāo)記主要沿Y軸進(jìn)行，加快操作速度，針對需要多次往復(fù)尋找標(biāo)記及大范圍內(nèi)“掃描”標(biāo)記的對準(zhǔn)過程，可以減少大量工作，避免使用多個(gè)對準(zhǔn)標(biāo)記時(shí)顧此失彼的結(jié)果。對位標(biāo)記也利于掩膜、硅片間旋轉(zhuǎn)偏差的分析、矯正。

套刻工藝中掩膜、硅片原位安裝設(shè)計(jì)能有效克服旋轉(zhuǎn)偏差的難題，方便快速找到硅片對準(zhǔn)標(biāo)記實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)。對準(zhǔn)工作在曝光前的掩膜、硅片安裝環(huán)節(jié)即開始，也是對套刻對準(zhǔn)工作的分步，以降低難度穩(wěn)妥實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)。初學(xué)者可按部就班地使用此方法完成套刻對準(zhǔn)，0.5 h內(nèi)能完成偏差小于5 μm的對準(zhǔn)工作，操作的穩(wěn)定性、時(shí)效性高。微流控芯片加工套刻對準(zhǔn)中粗對準(zhǔn)相對難度較大、耗時(shí)多，主要由硅片、掩膜偏離工作臺(tái)中心的偏心偏差及旋轉(zhuǎn)偏差造成，而此掩膜、硅片原位安裝設(shè)計(jì)能有效克服這些缺點(diǎn)，在安裝準(zhǔn)備階段就將掩膜、硅片標(biāo)記相互靠近，便于快速找到對準(zhǔn)標(biāo)記完成對準(zhǔn)，有此操作往往可以跳過粗對準(zhǔn)操作步驟直接進(jìn)入精對準(zhǔn)，從而有針對性地降低粗對準(zhǔn)難度。

文中設(shè)計(jì)并使用了兩套對準(zhǔn)方案：先是使用第1層曝光與第2 層曝光（套刻）掩膜、硅片的原位安裝，再使用處于對位的兩小圓對準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)一步完成的粗對準(zhǔn)與精對準(zhǔn)。使用兩套對準(zhǔn)方案對準(zhǔn)精度及操作效率更有保障，而且兩套方案并非相互孤立而是有協(xié)同作用，實(shí)施有先有后，第1 方法的實(shí)施對第2 方案有促進(jìn)作用，兩者結(jié)合使用成效顯著。第1 對準(zhǔn)方法亦可看作是粗對準(zhǔn)操作的分步，例如，第1 對準(zhǔn)方案可以使掩膜標(biāo)記與硅片標(biāo)記靠得較近，便于發(fā)現(xiàn)小圓標(biāo)記并進(jìn)行粗對準(zhǔn)。如此，曝光前做好系統(tǒng)而充分的準(zhǔn)備工作，套刻光刻時(shí)便得心應(yīng)手順利完成套刻對準(zhǔn)。

3 結(jié)語

本文提出適用于使用低端光刻機(jī)進(jìn)行的微流控芯片套刻加工對準(zhǔn)技術(shù)方法，歷經(jīng)了多次優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了高效的對準(zhǔn)標(biāo)記及多步驟套刻對準(zhǔn)工藝，有針對性地使微流控芯片套刻加工對準(zhǔn)工作中粗對準(zhǔn)操作難度降低，能穩(wěn)定及更為快速實(shí)現(xiàn)高精度套刻對準(zhǔn)。通過對套刻對準(zhǔn)操作進(jìn)行分步，將較難的套刻對準(zhǔn)操作轉(zhuǎn)化為較為規(guī)范并相對容易的多步驟操作，提高了操作的穩(wěn)定性、時(shí)效性、套刻精度及成功率，可為PDMS微流控芯片套刻加工提供技術(shù)工藝參考。