圖形反轉(zhuǎn)方法制備MEMS器件電極的研究*

彭自求，王 軍，袁 凱，蔣亞東

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院， 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 610054)

微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)具有體積小、價格低廉、精度高、性能穩(wěn)定、可靠性高、耗能低、多功能和智能化等優(yōu)點，因而在眾多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[1]。在MEMS器件的制備過程中，制作均勻性好、性能優(yōu)越的金屬電極，對器件性能的影響極大。

對于離子轟擊難以刻蝕的金屬材料，傳統(tǒng)的電極圖形的制備一般采用濕法腐蝕，即蒸鍍、濺射金屬薄膜，然后在金屬上覆蓋掩膜圖形，再通過腐蝕液對金屬進(jìn)行腐蝕。但該方法不易控制，難以制備細(xì)線條且均勻性較好的金屬電極，而且容易產(chǎn)生殘留。而采用剝離技術(shù)來制作金屬電極則不存在以上問題，有利于制備性能優(yōu)異的器件。

目前，剝離技術(shù)主要有圖形反轉(zhuǎn)法、氯苯浸泡法、負(fù)性光刻膠法、多層掩膜剝離法等方法。但由于氯苯有毒，對人體有害，對設(shè)備要求極高[2]；負(fù)性光刻膠存在分辨率不高和溶脹問題[3]；多層掩模剝離法在常規(guī)的工藝和設(shè)備條件下難以應(yīng)用[4]，所以圖形反轉(zhuǎn)法成為研究和應(yīng)用的熱點[5-8]。

正性光刻膠經(jīng)紫外線照射后發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)鍵斷裂重組，曝光的區(qū)域會溶于顯影液，未曝光的區(qū)域不溶，形成的圖形與掩模版上圖形相同。負(fù)性膠性質(zhì)則相反，其得到的圖形與掩模版上圖形相反。而圖形反轉(zhuǎn)是利用光刻膠的特殊化學(xué)性質(zhì)，用正性光刻膠來實現(xiàn)用負(fù)性光刻膠得到的光刻圖形[9]。

利用AZ5214膠的圖像反轉(zhuǎn)性質(zhì)，對形成倒臺面圖形的機理進(jìn)行了分析和討論，通過改變前曝光時間，反轉(zhuǎn)烘溫度和時間得到最佳的金屬層剝離的倒臺面光刻膠圖案，最終得到了符合要求的電極線條。

1 實驗

實驗采用的襯底為6 inch單晶硅硅片，光刻膠為AZ-5214，顯影液為RZX-3038。勻膠、顯影機為DǜNA700，光刻機為Nikon的NSR2005i9C。

首先讓硅襯底在120 ℃環(huán)境中烘烤，去除水分。然后HMDS氣相成底膜，以增加表面的粘附性。采用靜態(tài)滴膠涂膠，然后涂膠臺高速運動將膠涂均勻。涂膠后在熱板上進(jìn)行前烘，去除光刻膠中的溶劑成分。待硅片冷卻后進(jìn)行首次曝光，光經(jīng)過掩膜版后照射到硅片表面的光刻膠，使其發(fā)生化學(xué)變化。曝光后用熱板對已曝光硅片進(jìn)行反轉(zhuǎn)烘，烘烤過程中被曝光區(qū)域再次發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而失去光敏特性。待硅片冷卻后再進(jìn)行泛曝光，此次曝光下光源和硅片之間沒有掩膜版。曝光完成后進(jìn)行顯影、清洗，并最終在120 ℃氛圍中固化堅膜。

光刻膠形成“倒臺面”圖形后，將基片置于磁控濺射儀器內(nèi)制備NiCr金屬。濺射完成后，將硅片置于丙酮內(nèi)，輔以超聲清洗對其進(jìn)行剝離。剝離完成后清洗，即完成了NiCr金屬電極的制備。圖一分別是光刻反轉(zhuǎn)后的圖案、濺射金屬后的圖案和剝離完成后的圖案。

圖1 電極制備各階段金像顯微圖

2 結(jié)果與討論

2.1 圖像反轉(zhuǎn)機理分析及仿真

AZ5214光刻膠主要由3部分組成：光敏成分、樹脂、溶劑。經(jīng)光照后的區(qū)域光敏成分轉(zhuǎn)變成羧酸，親水，可溶于堿性顯影液中。在反轉(zhuǎn)烘步驟中，高溫使得光刻膠中的咪唑與以上產(chǎn)生的酸發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)生不溶于堿液的酰胺類化合物。反轉(zhuǎn)烘溫度相對較高，曝光的區(qū)域發(fā)生的交聯(lián)反應(yīng)比未曝光的區(qū)域中多得多，結(jié)果在泛曝光后掩模曝光區(qū)域比未掩模曝光區(qū)域溶解性低，從而實現(xiàn)了曝光區(qū)域的圖像反轉(zhuǎn)[10-11]。

光刻膠因各種輻射源的輻照所引起的的化學(xué)反應(yīng)基本上可分為光化學(xué)反應(yīng)和輻射化學(xué)反應(yīng)兩種。紫外光對AZ5214光刻膠引發(fā)的是光化學(xué)反應(yīng)。光的吸收可按 Beer定律和Lambert定律進(jìn)行。 Beer定律指出，被吸收的光的數(shù)量和吸收物質(zhì)的濃度成正比。Lambert定律指出，入射光所能被吸收的百分比和光的強度無關(guān)。凡是厚度相等的連續(xù)介質(zhì)層都吸收同樣百分率的入射光。根據(jù) Lambert-Beer定律， Dill等人對正膠的光化學(xué)反應(yīng)機理進(jìn)行了定量的研究[12]，根據(jù)Dill理論，當(dāng)光無反射透過光刻膠時，可將光強的變化用下式描述：

其中I為光強(單位mJ)， X為該點到光刻膠與空氣接觸面的距離(單位μm)， ai為第i種成分的摩爾濃度(單位mol/L)， mi為第i種成分的每摩爾光吸收系數(shù)。

對于AZ5214正膠來說，需要考慮三種吸收成分：光敏成分(PAC)、樹脂、反應(yīng)生成物。其中光敏成分在光學(xué)曝光過程中生成反應(yīng)生成物，這一過程將減少膠膜對光的吸收，由式(1)可得I(x， t)光強隨深度x和曝光時間t的分布：

其中a1、a2、a3分別為光敏成分、樹脂、反應(yīng)生成物的摩爾吸收常數(shù)。 m1(x， t)、m2(x， t)、m3(x， t)分別為光敏成分、樹脂、反應(yīng)生成物的摩爾濃度。

光敏成分濃度m1(x， t)隨深度x和時間t的變化由下式描述：

其中C為光敏成分的分解系數(shù)。在光化學(xué)反應(yīng)中，一摩爾光敏成分分解可得到一摩爾反應(yīng)生成物，而樹脂不會發(fā)生分解，因此可將此光化學(xué)反應(yīng)的初態(tài)設(shè)為：

式(4)表示初始光強；式(5)為光敏成分的初始濃度；式(6)表明反應(yīng)過程中樹脂濃度保持不變；式(7)表明一摩爾光敏成分分解可得到一摩爾反應(yīng)生成物。

將(4)、(5)、(6)式代入(2)式得：

定義：

由以上變換， (2)、(3)兩式可化為：

根據(jù)曝光條件，在曝光以前，初始條件為：

相應(yīng)的邊界條件為：

當(dāng)A、B、C及I0的值確定后，結(jié)合邊界條件和初始條件可求出光強隨深度和時間的變化I(x， t)及光敏成分隨深度和時間的變化M(x， t)。

在以上分析的基礎(chǔ)上對AZ5214光刻膠的曝光機理進(jìn)行了模擬仿真，假設(shè)光刻膠厚度為3 μm，初始光強為6 000 m J，經(jīng)過t0=200 ms的曝光后在顯影得到光刻膠側(cè)壁的形狀。代入邊界條件和初始條件后算得光強隨深度和時間的變化I(x， t)及光敏成分濃度隨深度和時間的變化M(x， t)。光強隨時間位置的變化關(guān)系如圖2(a)所示。光敏成分隨時間位置的變化關(guān)系如圖2(b)所示。

圖2 光強和光敏成分隨時間位置變化關(guān)系

同時，可以得出前曝光后光敏成分濃度M(x， t)與位置的關(guān)系，如圖3(a)所示。由Dill等人提出的光敏成分濃度對應(yīng)顯影速率的關(guān)系[12]，可得出顯影速率D(x， t)和位置的關(guān)系曲線，如圖3(b)。在反轉(zhuǎn)烘過程中，原本可以在顯影中溶解的羧酸與咪唑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而生成了難溶的酰胺類聚合物，在假設(shè)生成的羧酸完全反應(yīng)的情況下(即反轉(zhuǎn)烘溫度和時間充足)，泛曝光后的光敏成分濃度可以用M′(x，t)=1-M(x， t)表示，其對應(yīng)的顯影速率D′(x， t)和位置的關(guān)系曲線如圖3(c)。因此，顯影后的光刻膠截面將形成“上寬下窄”的倒“八”字倒臺面圖形。

圖3 光敏成分濃度M(x， t)和顯影速率D(x， t)對應(yīng)位置關(guān)系

2.2 前曝光時間和泛曝光時間對倒臺面影響

實驗證明，不同的前曝光時間和泛曝光時間組合，將影響反轉(zhuǎn)效果。為了達(dá)到良好的倒臺面效果，前曝光時間和泛曝光時間需要合理的分配。由實驗可得出，在一定曝光強度，反轉(zhuǎn)烘溫度相同條件下，若前曝光與泛曝光時間之比太小，則容易產(chǎn)生浮膠，留膜率低；若二者比值太大，會導(dǎo)致線條底部變寬，側(cè)壁的內(nèi)傾角度很小，斷面的倒梯形形狀不明顯，濺射金屬時斷面處容易粘連，最終不能有效的分離開。由實驗確定二者比值為0.1左右，內(nèi)傾角度在60 ℃時，剝離出的電極較好。選取膠厚所對應(yīng)的前曝光時間，則泛曝光時間也可確定。實驗中采取的轉(zhuǎn)速為4 000 轉(zhuǎn)/m in，膠厚為1.1 μm，選取前曝光時間和泛曝光時間為200 ms和2 s。

2.3 反轉(zhuǎn)烘對倒臺面影響

反轉(zhuǎn)烘的作用是使前曝光區(qū)域產(chǎn)生的羧酸發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，改變在顯影液中的溶解能力。交聯(lián)反應(yīng)須在一定的溫度下進(jìn)行，所以，若溫度過低，則曝光部分交聯(lián)反應(yīng)不充分，溶解性能改變不多，從而在泛曝光后，掩膜曝光區(qū)域也會部分溶于顯影液中，導(dǎo)致留膜率降低，圖形反差不大。若溫度過高，類似于前烘溫度過高，導(dǎo)致未曝光區(qū)域的光敏感特性下降，無法完全溶于顯影液中，從而圖形無法實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。圖4在前曝光與泛曝光時間相同條件下改變反轉(zhuǎn)烘溫度得到的倒臺面。

由圖4中可知，反轉(zhuǎn)烘溫度為105 ℃時內(nèi)傾嚴(yán)重，容易在顯影或剝離時脫落。而反轉(zhuǎn)烘溫度為115 ℃時倒臺面傾角約為60°，制作完成的電極線條均勻、無脫落。

圖4 AZ5214膠光刻圖形的掃描電鏡圖

3 結(jié)論

根據(jù)理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果，得出了光刻膠的顯影模型。利用AZ5214 光刻膠的特殊性質(zhì)， 可知剝離方法可以有效地解決金屬電極的制備問題。從實驗結(jié)果得出，當(dāng)前曝光與泛曝光時間之比為0.1，反轉(zhuǎn)烘溫度為115 ℃時，可以得到傾角約為60°的光刻膠倒臺面，并最終制備精度達(dá)到1 μm寬的MEMS器件中的金屬NiCr電極。

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