專利名稱：基于濕法刻蝕mems壓印模板制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)制造領(lǐng)域，涉及一種基于濕法刻蝕MEMS壓印模板制造工藝，該工藝采用單層負(fù)性光刻膠作為刻蝕掩模，適用于基于壓印光刻MEMS分層制造工藝中壓印模板的制作，也可以應(yīng)用于微流控分析芯片中微通道的刻蝕及微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)中光學(xué)元件的制作。
背景技術(shù)：
壓印光刻已被證明是一種能夠進(jìn)行納米特征尺寸結(jié)構(gòu)制造的工藝，由于其高精度、低成本以及適用于批量生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)而成為下一代光刻技術(shù)(NGL)的有力競(jìng)爭(zhēng)者，并且取得了一定的應(yīng)用。壓印光刻工藝中壓印模板的制作是其關(guān)鍵技術(shù)之一，在常溫壓印光刻中，由于曝光以及多層壓印對(duì)正的要求，需要采用透明模板。通常，壓印模板的制作是采用電子束直寫技術(shù)在石英玻璃上刻蝕出圖形，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以刻蝕出小于100nm特征尺寸的圖形，適用于集成電路(IC)壓印模板的制作，其缺點(diǎn)是效率低、成本高。MEMS圖形特征尺寸在微米級(jí)，相對(duì)IC制造來說尺寸較大，采用電子束直寫工藝制作如此大圖形的壓印模板時(shí)，由于成本太高而使得工藝不具有合理性。由于MEMS相對(duì)于IC精度要求較低，用基于玻璃濕法刻蝕的工藝制作壓印模板可以達(dá)到降低成本，提高效率的目的。
玻璃濕法刻蝕中，刻蝕掩模的制作是決定刻蝕質(zhì)量及刻蝕成本的關(guān)鍵工藝。傳統(tǒng)的刻蝕掩模為光刻膠+Cr/Au金屬層，其工藝成熟，但金屬層沉積時(shí)間長、成本高，而且容易出現(xiàn)“針孔”刻蝕缺陷。采用等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)多晶硅薄膜或采用與玻璃鍵合的硅片作刻蝕掩模可以進(jìn)行深刻蝕，但這些方法由于工藝過于復(fù)雜導(dǎo)致成本太高。采用雙層Cr/Au金屬層加一層20μm的光刻膠作為刻蝕掩模，可以消除了刻蝕表面缺陷，但工藝更為復(fù)雜。用單層光刻膠作掩模具有工藝簡(jiǎn)單成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是必須解決耐刻蝕時(shí)間短和鉆蝕率高的問題，以得到需要的刻蝕深度和側(cè)壁陡直度，滿足壓印的需要。另外，考慮到壓印中易于脫模，需要采取措施提高玻璃刻蝕表面質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述壓印模板制作中為了簡(jiǎn)化工藝、降低成本、提高效率而帶來的一系列的問題，提出一種適用于MEMS制造的壓印模板的制造方法，該方法簡(jiǎn)單、廉價(jià)、高效、可控，同時(shí)能為隨后的壓印步驟提供有益的圖形輪廓。采用該方法可以制作圖形特征尺寸小至100μm的壓印模板。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下的技術(shù)解決方案一種基于濕法刻蝕MEMS壓印模板制造工藝，其特征在于，該工藝包括以下步驟1)基材清洗步驟，基材為載玻片材質(zhì)的玻璃，首先用丙酮擦洗玻璃，然后再用蒸餾水沖洗，沖洗后的玻璃置入濃硫酸中浸泡10min；撈出后再用蒸餾水沖洗，在100℃條件下烘干10min，去除玻璃上的污物；2)蒸鍍偶聯(lián)劑及后處理步驟，將清洗后的玻璃在溫度為80℃的條件下，蒸鍍30min，然后在120℃條件下，烘烤40min；在玻璃上得到均勻致密的偶聯(lián)劑薄層；3)涂鋪光刻膠步驟，采用旋涂的方式進(jìn)行光刻膠的涂鋪，光刻膠層厚度為60μm，其光刻膠含有下列重量比原料環(huán)氧丙烯酸酯40～70％，一縮三丙二醇二丙烯酸酯8～15％，三環(huán)癸烷二丙烯酸甲基酯20～50％，1-羥基已基苯基甲酮2～4％，有機(jī)烷偶聯(lián)劑KH-570，0.2～2％，有機(jī)醇消泡劑0.2～1％，有機(jī)烷流平劑0.2～1％，原料的總和為100％；4)曝光步驟，以高分辨率激光照排機(jī)輸出的感光軟片作為曝光掩模，在光刻膠與曝光掩模之間放置聚全氟乙丙烯透明防粘薄膜，然后用曝光機(jī)進(jìn)行曝光；5)顯影步驟，用無水乙醇作為顯影液進(jìn)行顯影，顯影時(shí)間為15s；6)二次固化步驟，顯影后用功率為500W的紫外線高壓汞燈照射2min，使光刻膠完全固化；7)刻蝕步驟，刻蝕是在超聲攪拌環(huán)境下進(jìn)行，刻蝕溫度為25℃，刻蝕劑的成分為HF∶NH4F∶HCL＝0.5mol/L∶0.75mol/L∶0.5mol/L，刻蝕速率為0.5μm/min；當(dāng)刻蝕劑的成分中去掉鹽酸，其刻蝕速率為0.4μm/min，此時(shí)的刻蝕劑的成分為HF∶NH4F∶＝0.5mol/L∶0.75mol/L；8)去膠工藝，將玻璃置入超聲波清洗機(jī)中，并加熱至100℃，去除單層負(fù)性光刻膠，即得到壓印模板。
本發(fā)明采用單層負(fù)性光刻膠作為刻蝕掩模，采用硅烷偶聯(lián)劑增強(qiáng)刻蝕掩模與玻璃表面的黏附力，通過蒸鍍的方式涂鋪偶聯(lián)劑降低鉆蝕率，采用HCL作為刻蝕液的添加劑，提高了刻蝕表面質(zhì)量，通過厚膠層工藝則消除了刻蝕的表面缺陷。


圖1為本發(fā)明的工藝原理圖，描述本發(fā)明的工藝過程。
圖2為鉆蝕率示意圖，用以定義鉆蝕率和描述鉆蝕的形成的原因及本發(fā)明中解決的方法。
圖3為本發(fā)明偶聯(lián)劑涂鋪工藝優(yōu)化前(圖3a)和優(yōu)化后(圖3b)的刻蝕圖形截面輪廓對(duì)比圖片，描述了偶聯(lián)劑涂鋪工藝優(yōu)化的效果。
圖4為根據(jù)本發(fā)明刻蝕液中不加入HCL(圖4a)和以HCL作為刻蝕液添加劑的刻蝕結(jié)果對(duì)比圖，照片是在175倍的顯微鏡下拍攝，描述了加入HCL后的效果。
圖5a為未采用厚膠工藝時(shí)產(chǎn)生的刻蝕缺陷照片，圖5b為采用本發(fā)明的厚膠工藝后得到的完好刻蝕圖形照片，上述照片是在175倍的顯微鏡下拍攝的，描述了采用厚膠工藝的效果。
圖6為采用本發(fā)明中的工藝制作的MEMS壓印模板。
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
具體實(shí)施例方式
圖1為本發(fā)明的總體工藝流程圖，包括以下步驟玻璃清洗工藝(圖1a)為首先用丙酮擦洗玻璃，然后再用蒸餾水沖洗，沖洗后的玻璃置入濃硫酸中浸泡10min；取出后再用蒸餾水沖洗，在100℃條件下烘干10min，去除玻璃上的污物；徹底的清洗能夠大大減少由于玻璃表面污染帶來的刻蝕缺陷。
清洗后采用蒸鍍的方式進(jìn)行硅烷偶聯(lián)劑的涂鋪(圖1b)，所使用的偶聯(lián)劑型號(hào)為KH-570，使用偶聯(lián)劑是為了提高光刻膠與玻璃的結(jié)合力，蒸鍍偶聯(lián)劑的工藝為溫度為80℃，蒸鍍時(shí)間為30min，蒸鍍后進(jìn)行后處理，后處理方法是在120℃條件下烘烤40min。
接下來進(jìn)行涂膠、曝光、顯影(圖1c-e)。為了實(shí)現(xiàn)低成本，申請(qǐng)人研制了一種負(fù)性光刻膠作為刻蝕掩模，這種光刻膠的重量比配方為環(huán)氧丙烯酸酯40％，一縮三丙二醇二丙烯酸酯9％，三環(huán)癸烷二丙烯酸甲基酯45％，1-羥基己基苯基甲酮3％，有機(jī)烷偶聯(lián)劑KH-570，1％，有機(jī)醇消泡劑1％，有機(jī)烷流平劑1％。
當(dāng)然，上述負(fù)性光刻膠的重量比配方還可以是，環(huán)氧丙烯酸酯60％，一縮三丙二醇二丙烯酸酯15％，三環(huán)癸烷二丙烯酸甲基酯20％，1-羥基己基苯基甲酮3％，有機(jī)烷偶聯(lián)劑KH-570，0.5％，有機(jī)醇消泡劑0.5％，有機(jī)烷流平劑1％。
經(jīng)申請(qǐng)人的多次試驗(yàn)證明，只要在上述配方的范圍內(nèi)，所制得的負(fù)性光刻膠都能夠滿足要求。
采用厚膠層工藝，膠層厚度為60μm；以高分辨率激光照排機(jī)輸出的感光軟片作為曝光掩模，首先在CorelDRAW11軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后用分辨率為5500dpi的高分辨率激光照排機(jī)打印到透明膠片上作為曝光掩模；采用單層光刻膠作為刻蝕掩模；所用光刻機(jī)型號(hào)為SB-401B雙面型曝光機(jī)，曝光時(shí)間為3s；用無水乙醇作為顯影液進(jìn)行顯影，顯影時(shí)間為15s。
顯影后進(jìn)行二次固化，其方法是用功率為500W的紫外線高壓汞燈照射2min，使光刻膠完全固化，以進(jìn)一步增強(qiáng)膠層的耐刻蝕能力；(圖1f)。
接著進(jìn)行刻蝕(圖1g)，刻蝕是在超聲攪拌環(huán)境下進(jìn)行，刻蝕溫度為25℃，刻蝕劑的成分為HF∶NH4F∶HCL＝0.5mol/L∶0.75mol/L∶0.5mol/L，刻蝕速率為0.5μm/min；刻蝕劑的成分中去掉鹽酸，其刻蝕速率為0.4μm/min，此時(shí)的刻蝕劑的成分為HF∶NH4F＝0.5mol/L∶0.75mol/L。
最后，將玻璃置入超聲波清洗機(jī)中，并加熱至100℃去掉光刻膠(圖1h)，即得到壓印模板。
本發(fā)明的工藝，采用單層光刻膠作為刻蝕掩模時(shí)，必須解決由于鉆蝕造成刻蝕圖形輪廓不佳的問題，從而使制作的模板適應(yīng)壓印光刻工藝中后續(xù)刻蝕等步驟的需要。本發(fā)明中，通過優(yōu)選偶聯(lián)劑并優(yōu)化蒸鍍偶聯(lián)劑及蒸鍍后處理工藝，使刻蝕側(cè)向鉆蝕率降低到0.6，得到較為理想的刻蝕圖形輪廓。圖2中虛線表示理想情況下玻璃(1)的刻蝕輪廓，此時(shí)，刻蝕截面的傾斜角度僅由玻璃濕法刻蝕各向同性的本質(zhì)引起，斜坡的角度為45°，而實(shí)線輪廓?jiǎng)t為存在鉆蝕的情況下的刻蝕結(jié)果，圖中，W為理想刻蝕后刻線頂部的寬度，W’為存在鉆蝕情況下刻蝕后刻線頂部的寬度，d為刻蝕深度，W0為刻蝕掩模(2)的原始寬度，鉆蝕率定義為δ=ΔWd.]]>采用W0為200μm的刻蝕掩模進(jìn)行刻蝕時(shí)，使用偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理前，光刻膠在刻蝕液中5min后完全剝離。采用硅烷偶聯(lián)劑KH-570對(duì)玻璃表面進(jìn)行處理后，同樣的線條在刻蝕液中耐刻蝕時(shí)間提高到25min，粘接性能明顯提高，但鉆蝕率仍高達(dá)7.0。由于HF刻蝕液能很快破壞玻璃表面的偶聯(lián)劑層而對(duì)玻璃進(jìn)行腐蝕，也就是說，偶聯(lián)劑不能耐HF酸的腐蝕，因此在刻蝕過程中刻蝕液會(huì)侵蝕偶聯(lián)劑層，從玻璃表面與刻蝕掩模的界面處滲入，形成鉆蝕。偶聯(lián)劑涂層越厚，則與刻蝕液接觸面積越大，越容易遭受侵蝕。所以需要優(yōu)化偶聯(lián)劑的涂鋪工藝，以得到均勻致密而且盡量薄的偶聯(lián)劑薄層。申請(qǐng)人在實(shí)驗(yàn)過程中采用以下三種偶聯(lián)劑涂鋪方式進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)方式1直接在玻璃表面刷涂偶聯(lián)劑；方式2將偶聯(lián)劑稀釋成2％的酒精溶液，刷涂在玻璃表面；方式3在加熱溫度為80℃的條件下蒸鍍，使偶聯(lián)劑揮發(fā)，在玻璃表面形成一薄層，蒸鍍時(shí)間為2h。
上述方式涂鋪后均進(jìn)行后處理，后處理是在120℃的條件下烘烤40min。用200μm的線條進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果耐刻蝕時(shí)間如下方式1為25min，方式2為50min，方式3為90min。
分析其原因是方式3相對(duì)于前兩種方式，蒸鍍的偶聯(lián)劑更薄更均勻。所以申請(qǐng)人在選擇蒸鍍的方式并進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，考慮蒸鍍溫度和蒸鍍時(shí)間兩個(gè)因素，以延長耐刻蝕時(shí)間為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，耐刻蝕時(shí)間隨著蒸鍍時(shí)間的延長而增加，到一定時(shí)間后則出現(xiàn)相反的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象解釋如下蒸鍍時(shí)間太短則偶聯(lián)劑層不夠均勻，但是當(dāng)?shù)玫骄鶆虻呐悸?lián)劑薄層后再增加蒸鍍時(shí)間只會(huì)增加偶聯(lián)劑層的厚度，使其刻蝕過程中更容易遭到刻蝕液的侵蝕，所以耐刻蝕時(shí)間在一定的蒸鍍時(shí)刻有一個(gè)峰值，蒸鍍時(shí)間太長或太短均會(huì)使耐刻蝕時(shí)間縮短。80℃蒸鍍時(shí)的曲線峰值明顯高于另外兩條曲線峰值，達(dá)到125min，說明80℃更有利于得到均勻致密的偶聯(lián)劑薄層。所以，本發(fā)明中蒸鍍偶聯(lián)劑工藝最后優(yōu)化為溫度為80℃，蒸鍍時(shí)間為30min，蒸鍍后進(jìn)行后處理，后處理方法是在120℃條件下烘烤40min。圖3a是偶聯(lián)劑蒸鍍工藝優(yōu)化前的刻蝕圖形截面輪廓，圖3b是優(yōu)化后的對(duì)比圖，優(yōu)化后鉆蝕率降低到0.6，刻蝕圖形形狀較為理想，能夠滿足壓印模板制作的需要。
本發(fā)明中，為了滿足壓印工藝容易脫模的要求，以HCl作為刻蝕液添加劑，提高了刻蝕表面質(zhì)量?？涛g液中未加入HCl時(shí)，刻蝕表面過于粗糙，難以滿足壓印工藝對(duì)壓印模板表面質(zhì)量的要求。這是由于在刻蝕過程中，玻璃中部分成分與刻蝕液反應(yīng)生成的難溶物質(zhì)沉積在玻璃表面，對(duì)其下面的玻璃起刻蝕掩模的作用，從而形成刻蝕表面的凹凸不平，使刻蝕表面質(zhì)量下降。為了解決這種問題，在刻蝕液中加入0.5mol/L的HCL，通過反應(yīng)將難溶的CaF2和MgF2轉(zhuǎn)分別轉(zhuǎn)化為易溶的CaCL2和MgCL2，避免刻蝕生成物的刻蝕掩模效應(yīng)，使刻蝕表面粗糙度明顯降低。圖4a和圖4b是加入HCl前后的刻蝕結(jié)果對(duì)比照片，可以看出，加入鹽酸后刻蝕表面質(zhì)量得到顯著提高，同時(shí)刻蝕邊緣輪廓也更清晰。
本發(fā)明中，采用厚膠層工藝，膠層厚度為60μm，消除了玻璃表面的刻蝕缺陷。由于光刻膠中不可避免地存在著微小氣泡，膠層太薄時(shí)，小氣泡的存在就容易破壞刻蝕掩模，這時(shí)，刻蝕液就會(huì)滲透到玻璃表面侵蝕玻璃，最終產(chǎn)生刻蝕缺陷。膠層厚度增加后，隨機(jī)分布的微小氣泡難以破壞刻蝕掩模，從而消除氣泡帶來的刻蝕缺陷。另外，當(dāng)玻璃表面有灰塵顆粒污染時(shí)，如果膠層厚度小于粒子直徑，刻蝕過程中刻蝕液就會(huì)沿著微粒所在的位置滲入刻蝕玻璃表面，從而形成刻蝕缺陷。這種問題可以通過提高刻蝕環(huán)境的潔凈程度得以解決，但是厚膠層可以覆蓋較大的表面微粒污染，降低對(duì)工藝環(huán)境條件的要求，從而降低成本。圖5a和圖5b是采用厚膠工藝前后的刻蝕結(jié)果對(duì)比照片，采用厚膠工藝后，消除了表面刻蝕的缺陷。
圖6為采用本發(fā)明中的工藝制作的不同尺寸、不同圖形高度的壓印模板實(shí)例，圖6a中齒輪的高度約為10μm，圖6b中的齒輪高度約為15μm，圖6c中齒輪的高度約為20μm。圖6a中齒輪的中間圓孔直徑為100μm，從圖中可以看出，刻蝕結(jié)果完好，說明本發(fā)明工藝具備制作圖形特征尺寸為100μm的壓印模板的能力。
權(quán)利要求
1.一種基于濕法刻蝕MEMS壓印模板制造工藝，其特征在于，該工藝包括以下步驟1)基材清洗步驟，基材為載玻片材質(zhì)的玻璃，首先用丙酮擦洗玻璃，然后再用蒸餾水沖洗，沖洗后的玻璃置入濃硫酸中浸泡10min；取出后再用蒸餾水沖洗，然后在100℃條件下烘干10min，去除玻璃上的污物；2)蒸鍍偶聯(lián)劑及蒸鍍后處理步驟，將清洗后的玻璃在溫度為80℃的條件下，蒸鍍30min，然后在120℃條件下，烘烤40min，在玻璃上得到均勻致密的偶聯(lián)劑薄層；3)涂鋪光刻膠步驟，以單層光刻膠作為刻蝕掩模，采用旋涂的方式進(jìn)行光刻膠的涂鋪，光刻膠層厚度為60μm，其光刻膠含有下列重量比原料環(huán)氧丙烯酸酯40～70％，一縮三丙二醇二丙烯酸酯8～15％，三環(huán)癸烷二丙烯酸甲基酯20～50％，1-羥基己基苯基甲酮2～4％，有機(jī)烷偶聯(lián)劑KH-570，0.2～2％，有機(jī)醇消泡劑0.2～1％，有機(jī)烷流平劑0.2～1％，原料的總和為100％；4)曝光步驟，以高分辨率激光照排機(jī)輸出的感光軟片作為曝光掩模，在光刻膠與曝光掩模之間放置聚全氟乙丙烯透明防粘薄膜，然后用曝光機(jī)進(jìn)行曝光；5)顯影步驟，用無水乙醇作為顯影液進(jìn)行顯影，顯影時(shí)間為15s；6)二次固化步驟，顯影后用功率為500W的紫外線高壓汞燈照射2min，使光刻膠完全固化；7)刻蝕步驟，刻蝕是在超聲攪拌環(huán)境下進(jìn)行，刻蝕劑的成分為HF∶NH4F∶HCL＝0.5mol/L∶0.75mol/L∶0.5mol/L；刻蝕溫度為25℃；刻蝕速率為0.5μm/min；8)去膠工藝，將玻璃置入超聲波清洗機(jī)中，并加熱至100℃，去除單層負(fù)性光刻膠，即得到壓印模板。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的基材為各種無機(jī)玻璃材料。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在刻蝕步驟中，刻蝕劑的成分中去掉鹽酸，其刻蝕速率為0.4μm/min；此時(shí)的刻蝕劑的成分為HF∶NH4F＝0.5mol/L∶0.75mol/L。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的聚全氟乙丙烯透明防粘薄膜的厚度為0.1mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于玻璃濕法刻蝕的壓印光刻模板的制造工藝，該工藝包括對(duì)基材清洗、蒸鍍偶聯(lián)劑及蒸鍍后處理、涂覆光刻膠、曝光、顯影、二次固化、刻蝕、去膠等工藝步驟，得到壓印模板。本發(fā)明采用單層負(fù)性光刻膠作為刻蝕掩模，采用硅烷偶聯(lián)劑增強(qiáng)刻蝕掩模與玻璃表面的黏附力，通過蒸鍍的方式涂覆偶聯(lián)劑降低鉆蝕率，采用HCl作為刻蝕液添加劑提高刻蝕表面質(zhì)量，通過厚膠層工藝消除刻蝕表面缺陷。本發(fā)明適用于MEMS的分層壓印制造。
文檔編號(hào)G03F7/26GK1731280SQ200510043070
公開日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2005年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月8日
發(fā)明者段玉崗, 王權(quán)岱, 丁玉成, 洪軍, 李滌塵, 盧秉恒 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)