聲表面波器件光刻的衍射效應(yīng)研究

孟騰飛，陳曉陽(yáng)，段英麗，于海洋，周培根，王永安(. 北京航天微電科技有限公司，北京 00854；. 北京無(wú)線電測(cè)量研究所，北京 00854)

0 引言

聲表面波(SAW)器件已廣泛應(yīng)用于手機(jī)、基站等通信系統(tǒng)及衛(wèi)星、導(dǎo)航等武器裝備的收發(fā)系統(tǒng)中。隨著5G通信和商用衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，SAW器件因其具有體積小，質(zhì)量小，一致性好的特點(diǎn)，應(yīng)用需求越來(lái)越廣[1-3]。

SAW器件一般采用光刻、鍍膜及剝離等工藝在壓電襯底上制備由數(shù)百根叉指線條組成的叉指換能器(IDT)來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振、濾波等功能，IDT的線寬是影響器件頻率特性的關(guān)鍵指標(biāo)。在光刻工序的圖形制作過(guò)程中，曝光時(shí)間和光強(qiáng)、烘烤溫度和時(shí)間、顯影液質(zhì)量濃度和顯影時(shí)間等工藝參數(shù)的變化均將影響制作的IDT線條寬度[4]。由于同一IDT處于同一晶圓和同一曝光場(chǎng)，上述工藝參數(shù)的改變會(huì)使同一IDT上的所有線條發(fā)生近似等幅的寬度變化，然而對(duì)于粗細(xì)相間或?qū)挾戎饾u變化的非均勻線條，這種等幅的變化會(huì)造成不同線條的寬度比偏離設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而影響產(chǎn)品性能。除上述工藝參數(shù)外，如何精確控制非均勻IDT線條寬度的難題尚未見(jiàn)報(bào)道。

在SAW器件曝光過(guò)程中，光源發(fā)出波長(zhǎng)為λ的光經(jīng)掩模版上明暗相間的叉指線條(即衍射光柵)照射到光刻膠(像平面)。根據(jù)光學(xué)衍射的基本原理，當(dāng)光遇到障礙物時(shí)將發(fā)生衍射，從而偏離原來(lái)的傳播路徑。當(dāng)障礙物或孔尺寸為波長(zhǎng)的幾十倍時(shí)，衍射效應(yīng)不能忽略。一般選擇SAW器件曝光的光刻機(jī)光波長(zhǎng)為365 nm，對(duì)于IDT線條寬度或縫隙為幾個(gè)微米的掩模版，曝光時(shí)光發(fā)生衍射偏離直線傳播，且光線偏離角度與掩模版上線條或縫隙大小有關(guān)，這將導(dǎo)致光刻膠被衍射光照射，進(jìn)而改變其顯影特性，表現(xiàn)為線條寬度發(fā)生變化。

本文針對(duì)SAW器件的一般特性(IDT線條尺寸或間距為曝光波長(zhǎng)的幾十倍)，用夫瑯禾費(fèi)衍射理論來(lái)分析光在曝光系統(tǒng)中的傳播過(guò)程，詳細(xì)分析了掩模版線寬、衍射光強(qiáng)、掩模版與光刻膠間距對(duì)線條寬度的影響。通過(guò)建立光學(xué)模型計(jì)算不同寬度線條經(jīng)曝光后的線寬變化值，從而達(dá)到精確計(jì)算線寬變化值的目的。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)耗材

本文所用耗材包括光刻膠AZ、去離子水(電阻率為18.2 MΩ·cm)、顯影液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.38%的四甲基氫氧化銨水溶液)及丙酮(分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.5%)。AZ反轉(zhuǎn)光刻膠的工藝條件：勻膠速度為5 000 r/min；曝光前，在94 ℃下烘烤2 min，曝光波長(zhǎng)為365 nm，光強(qiáng)為18 mW/cm2；曝光后，在94 ℃下烘烤2 min，泛曝光時(shí)間為5 s，顯影時(shí)間為10 s。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

通過(guò)OPTICoat型勻膠機(jī)旋涂制備光刻膠薄膜，RT-2型加熱平臺(tái)用于固化烘烤，曝光設(shè)備為ABM光刻機(jī)，采用OPTISpin正膠處理系統(tǒng)顯影，采用MX51顯微鏡觀察表面和測(cè)量長(zhǎng)度，采用DektakXT型臺(tái)階儀測(cè)量膜厚。

2 光學(xué)模型

2.1 曝光衍射效應(yīng)原理

SAW器件圖形化的步驟：在壓電晶圓上旋涂光刻膠后放到熱板上進(jìn)行前烘，再采用光刻機(jī)進(jìn)行曝光，最后進(jìn)行后烘和顯影，即可將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，制備出SAW器件的IDT膠圖形，工藝流程如圖1所示。

圖1 SAW器件光刻工藝流程

SAW器件掩模版上明暗相間、交錯(cuò)對(duì)插的叉指線條尺寸一般為0.4～15 μm，曝光一般選擇λ=365 nm的光刻機(jī)。光經(jīng)過(guò)掩模版照射光刻膠，此過(guò)程可用衍射理論進(jìn)行分析，以接近式曝光為例，掩模版和光刻膠可分別作為光學(xué)系統(tǒng)的衍射光柵和像平面，由于光柵(叉指線條)尺寸為曝光波長(zhǎng)的幾倍至幾十倍，根據(jù)光學(xué)理論，這一過(guò)程中光的衍射效應(yīng)不可忽略。

曝光時(shí)，光經(jīng)過(guò)掩模版上的縫隙(即線條間距)發(fā)生衍射，縫隙寬度為w，隨著像平面與縫隙的間距D的增大(見(jiàn)圖2)，衍射效應(yīng)分別符合基爾霍夫(D<λ/2)、菲涅耳(D≈w)、夫瑯禾費(fèi)(D?w)衍射理論。對(duì)于SAW器件的接近式曝光,建立以夫瑯禾費(fèi)衍射理論為基礎(chǔ)的光學(xué)模型來(lái)定量描述曝光衍射效應(yīng)。

圖2 衍射效應(yīng)理論適用范圍

根據(jù)夫瑯禾費(fèi)衍射理論，光經(jīng)過(guò)掩模版上的線條縫隙后光強(qiáng)為

(1)

(2)

式中：θ為衍射光與入射光間的夾角；I0為通過(guò)縫隙的最大光強(qiáng)。

衍射光強(qiáng)分布如圖3所示。中心主極強(qiáng)位于縫隙中心位置，稱為零級(jí)條紋，光強(qiáng)I=I0/2對(duì)應(yīng)的角度稱為半角寬度θ0，即：

θ0=λ/w

(3)

圖3 衍射光強(qiáng)分布圖

其他各次極強(qiáng)依次出現(xiàn)在sinθ=±1.43λ/w,±2.46λ/w，…；相對(duì)光強(qiáng)I/I0分別為4.7%,1.7%，…。

2.2 光學(xué)模型

針對(duì)SAW器件的接近式曝光(λ=365 nm)，當(dāng)掩模版與光刻膠的間距遠(yuǎn)大于縫隙尺寸時(shí)，建立基于夫瑯禾費(fèi)衍射理論的光學(xué)模型，設(shè)掩模版上非均勻IDT的線條和縫隙尺寸分別為a、b、c、d，如圖4所示，寬度為b的線條兩側(cè)存在寬度為a、c的縫隙，光通過(guò)縫隙后發(fā)生衍射，偏離原來(lái)的傳播方向，從而照射到a′、c′處的光刻膠。根據(jù)不同的衍射光強(qiáng)，通過(guò)設(shè)定曝光時(shí)間控制曝光量可改變a′、c′處光刻膠的顯影特性，從而改變線條b、d的寬度。

圖4 接近式曝光衍射效應(yīng)示意圖

首先確定曝光時(shí)間T與線條寬度變化值a′、c′的關(guān)系，設(shè)光刻膠被強(qiáng)度為I0的光照射時(shí)間為T0后，經(jīng)固定的后烘、顯影工藝后溶于顯影液。當(dāng)掩模版與光刻膠的距離為L(zhǎng)時(shí)，將曝光時(shí)間從T0增加至T，可實(shí)現(xiàn)部分衍射光使光刻膠充分曝光，衍射光強(qiáng)與曝光時(shí)間的關(guān)系為

(4)

(5)

根據(jù)式(1)、(2)、(4)、(5)可分別得到縫隙a、c的衍射光強(qiáng)I(θ)對(duì)應(yīng)的角θ1、θ2，從而得到線條b的變化值：

Δb=L·tanθ1+L·tanθ2

(6)

針對(duì)掩模版上縫隙尺寸a=c，且非均勻線寬包括4 μm、4.5 μm、5 μm的SAW器件，在L為25 μm、50 μm、100 μm時(shí)，計(jì)算線條尺寸變化值。根據(jù)式(2)、(5)、(6)，通過(guò)編程建立數(shù)學(xué)模型可計(jì)算出線寬變化值Δb與曝光時(shí)間T/T0的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 Δb與T/T0的關(guān)系

3 結(jié)果與討論

選擇型號(hào)為SBP60.19的SAW器件，其陽(yáng)性掩模版上，a=b=c=d=6.82 μm，采用接近式曝光，根據(jù)式(2)、(5)、(6)可得Δb與T/T0的關(guān)系，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)選擇AZ光刻膠用5 000 r/min旋涂得到厚1.2 μm的光刻膠薄膜，然后用94 ℃熱板烘烤2 min，采用接觸式曝光，光強(qiáng)18 mW/cm2，曝光2 s，再經(jīng)后烘、泛曝光和顯影后得到間距7.95 μm的線條，如圖7所示。

圖6 線寬變化值與曝光時(shí)間的曲線圖

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

調(diào)整掩模版與光刻膠的間距L=28 μm，分別曝光2.5 s、3 s、4 s、6 s，其他工藝參數(shù)不變，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，所得線條寬度分別為7.19 μm、6.87 μm、6.69 μm和6.47 μm，線寬變化值分別為0.76 μm、1.08 μm、1.26 μm、1.48 μm，與計(jì)算結(jié)果相符。線條寬度6.69 μm的器件頻率響應(yīng)曲線如圖8所示。

圖8 頻率響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)SAW器件掩模版上線條和縫隙尺寸為曝光波長(zhǎng)的幾十倍的特點(diǎn)，采用夫瑯禾費(fèi)衍射理論分析接近式曝光的過(guò)程，并建立了光學(xué)模型。根據(jù)掩模版線條和縫隙尺寸、掩模版與光刻膠間距、衍射光角度及曝光時(shí)間等變量可計(jì)算出線條尺寸的變化值，通過(guò)程序編程可對(duì)掩模版數(shù)據(jù)中不同尺寸的線條和縫隙進(jìn)行寬度補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)非均勻線條寬度的精確控制。