光刻技術(shù)在金屬板片刻蝕上的應(yīng)用

寧建華

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

層板噴注器由精確分布著異型孔的多層金屬板片組成，金屬板片型孔的雙面精密加工是采用光刻工藝完成的。液體推進(jìn)劑預(yù)包裝貯箱上的膜片閥金屬膜片刻痕也是采用單／雙面自對準(zhǔn)光刻工藝完成。

1 光刻工藝簡述

電子信息技術(shù)日新月異，迅猛發(fā)展，究其原因是由于半導(dǎo)體工業(yè)集成電路設(shè)計和制造水平在不斷提升和發(fā)展，而制造半導(dǎo)體集成電路的核心和關(guān)鍵技術(shù)就是光刻工藝。光刻工藝技術(shù)本身也在不斷發(fā)展和更新。金屬板片光刻技術(shù)是交叉性的邊緣學(xué)科，是一種將圖形精確復(fù)制和刻蝕技術(shù)相結(jié)合的綜合性超精密加工工藝技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)將微電子領(lǐng)域的光刻技術(shù)與精密微機(jī)械加工技術(shù)相結(jié)合，形成了超精密加工，加工精度在微米量級，是MEMS的核心工藝技術(shù)。其工藝過程是：先用照像復(fù)印的方法，采用400nm均勻平行紫外光束，將光刻掩模上的圖形精確地復(fù)印到涂在待刻蝕材料表面的光刻膠上面，然后在光刻膠的保護(hù)下對待刻蝕的材料進(jìn)行選擇性化學(xué)刻蝕，從而在待刻蝕材料上得到所需要的幾何型孔。

半導(dǎo)體工業(yè)電子和微電子領(lǐng)域是在半導(dǎo)體材料正面制造器件和集成電路的，因此所采用的光刻為單面光刻。層板噴注器、膜片閥膜片等均為雙面自對準(zhǔn)光刻，以獲得良好的使用性能。目前金屬板片上雙面自動對準(zhǔn)精度為0.1μm。

層板噴注器光刻工序流程見圖1。

半導(dǎo)體工業(yè)的光刻與金屬板光刻比較，各有特點(diǎn)，見表1。

表1 光刻技術(shù)應(yīng)用比較Tab.1 Comparison of photoetching technique applications

2 雙面光刻原理及流程

雙面自對準(zhǔn)光刻工藝原理見圖2所示。

雙面自對準(zhǔn)以及單／雙面自對準(zhǔn)是通過專門設(shè)計的光刻模具實(shí)現(xiàn)的，光刻時，只要將涂覆并經(jīng)過前烘的金屬板片安裝于該模具中，在光刻機(jī)上即可自動實(shí)現(xiàn)雙面自對準(zhǔn)光刻。

光刻流程見圖3。

3 光刻模具設(shè)計

光刻模具設(shè)計包括：夾具設(shè)計和版圖設(shè)計。夾具設(shè)計為機(jī)械圖紙?jiān)O(shè)計，版圖設(shè)計則要按照版圖設(shè)計規(guī)范，根據(jù)待加工材料的腐蝕余量，依據(jù)按比例縮小理論進(jìn)行設(shè)計。對于層板噴注器金屬板片光刻來說，光刻模具要求為雙面自對準(zhǔn)模具，對于膜片閥金屬膜片光刻來說，光刻模具要求為單／雙面光刻模具。

金屬膜片原理圖見圖4。

由圖4可見，內(nèi)圓為承壓刻痕，深度為母材厚度一半，由于要承壓，所以不能刻透，該刻痕為單面光刻。外圓為膜片輪廓，要求刻透，所以為雙面光刻。由此可見，金屬膜片光刻應(yīng)采用單／雙面光刻模具。

4 光刻工藝流程設(shè)計

光刻工藝生產(chǎn)流程見圖5。

由圖5可見，光刻工藝參數(shù)包括兩個部分，即化學(xué)試劑配方和工作參數(shù)。

4.1 化學(xué)清洗

4.2 雙面涂膠

金屬板片要求雙面光刻，那么板片必須進(jìn)行雙面涂膠。影響膠膜厚度的因素有：分辨率、針孔密度和粘附力。

負(fù)性光刻膠膠膜越厚，分辨率則越低，為了減少針孔提高成品率，又需要較厚的膠膜。因此，在選擇光刻膠的膜厚時，應(yīng)折衷考慮分辨率和成品率之間的矛盾。試驗(yàn)表明，光刻膠膜越薄，抗蝕能力越差，腐蝕時產(chǎn)生的針孔密度就越大。當(dāng)光刻膠涂層較厚時，由于曝光時大部分能量被上層光刻膠吸收，達(dá)不到光刻膠與金屬板片的界面，引起下層光刻膠曝光不足，在顯影過程中，底層光刻膠由于顯影液的作用會發(fā)生膨脹甚至溶解，從而影響光刻膠與金屬板片之間的粘附。

經(jīng)過大量試驗(yàn)，在雙面涂膠厚度、曝光量、留膜率以及成品率之間，確定了微米量級的膠層厚度、前烘工步特殊控制過程、前烘溫度和時間等重要參數(shù)。

4.3 最佳曝光量的確定

曝光的目的是用盡可能短的時間使光刻膠充分感光，在顯影后獲得盡可能高的留膜率、近似于垂直的光刻膠側(cè)壁和可控的條寬。留膜率越高，表明顯影后保留的光刻膠越厚，抗蝕能力越強(qiáng)。負(fù)膠典型的留膜率在90%左右。

光刻膠的成像反差定義為留膜率特性曲線直線部分的斜率。反差大，表明光刻膠的側(cè)壁形狀陡直，分辨率高；反差小，則表明光刻膠的“灰度”高，容易使光刻膠產(chǎn)生“底膜”。

4.4 化學(xué)銑切

化學(xué)銑切即腐蝕?；姽に噮?shù)有：化銑液配方、化銑溫度和時間。

經(jīng)過大量試驗(yàn)和研究，我們研制出了金屬板片化銑配方，該配方含有：腐蝕劑、緩蝕劑、穩(wěn)定劑、老化劑、促進(jìn)劑等化學(xué)成分。在有效時段之內(nèi)，其化學(xué)活性是穩(wěn)定和持續(xù)的。

5 結(jié)束語

光刻工藝技術(shù)成功應(yīng)用于層板噴注器所需的金屬板片和膜片閥所需的金屬膜片加工，其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求，并已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

光刻技術(shù)隨著光刻理論以及光刻裝備的不斷發(fā)展，也在不斷升級和發(fā)展，隨著193nm、157nm及其更短波長的準(zhǔn)分子激光光刻技術(shù)、同步輻射X射線光刻技術(shù)、極紫外光刻技術(shù)、電子束／離子束投影光刻技術(shù)的應(yīng)用，光刻技術(shù)水平將會邁進(jìn)納米世界。

[1]寧建華.光刻技術(shù)在流體動力密封研究中的應(yīng)用[J].火箭推進(jìn),2005,31(4):41－43.

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