CN102096318A

CN102096318A - 激光直写技术制备多级结构微阵列的方法

Info

Publication number: CN102096318A
Application number: CN 201110009205
Authority: CN
Inventors: 于敏; 浦东林; 耿路峰; 陈林森; 戴振东
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Suzhou University
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Suzhou University
Priority date: 2011-01-17
Filing date: 2011-01-17
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2031-01-17
Also published as: CN102096318B

Abstract

一种激光直写技术制备多级结构微阵列的方法，属于激光微加工领域。阵列制备过程中，平面几何结构由输入计算机的平面图形决定，分辨率取决于光路中的缩微镜头倍数和纳米电机的精度，可达到0.3μm；基于实验得出的曝光深度与曝光时间的关系，显影深度与显影时间的关系，通过曝光时间和显影时间的调控来控制加工尺寸的深度。本发明无需掩膜，也无需光刻制模，大大降低了阵列的制备成本，本发明具有制备多级结构的可行性，且效率高，适合于工业化生产普及。

Description

激光直写技术制备多级结构微阵列的方法

技术领域：

本发明涉及一种激光直写技术制备多级结构微阵列的方法，属于激光微加工领域。

背景技术：

壁虎优异的攀爬能力正是依赖于它脚掌的数百万根微米级刚毛和纳米级绒毛阵列与接触表面接触产生的范德华力。借助于壁虎脚的灵感仿壁虎机器人能够在3维空间无障碍的运动，在航天、反恐及日常生活领域有着广阔的应用空间。因此制备仿壁虎刚毛微纳阵列有重要意义。

目前，与光刻法相关的制备微纳二级结构阵列的方法有厚胶直接光刻（附图1）（J. Micromech. Microeng. 17 (2007) R81–R95）及光刻制模（聚氨酯材料浇注固化）（附图2）（Christian Greiner, Eduard Arzt. Adv. Mater. 2009, 21, 479–482）等方法。例如厚胶直接光刻，其步骤为：(1)旋转涂胶，烘干。(2)一次掩膜光刻。(3)二次旋转涂胶。(4)二次掩膜光刻。(5)显影，烘干。其中掩膜板的制备具有高昂的成本，尤其是掩模版的价格随着特征的减小而急剧地增加，而且掩膜板一经制备则尺寸固定，无法做到自由选取尺寸。对于光刻制模法，也用到掩膜，同时随着几何尺寸的减小，阴极模板的制备有很大困难，大长细比的微孔也使脱模变得异常困难，容易发生结构在脱模时破坏的情况，很难制备出完好的二级结构。

激光直写技术是衍射光学元件的一种先进制作技术，随着大规模集成电路的发展于20世纪80年代提出的，因其不需要掩模就可以在绝缘基板表面直接制备各种高精度、复杂形状的导电层而受到广泛重视，其原理是利用强度可变的激光束对基片表面的抗蚀材料实施变剂量曝光，显影后在抗蚀层表面形成所要求的任意浮雕轮廓。激光直写技术最大的问题是不能精确地控制轮廓的深度，目前主要是制作平面精密图形掩模的专用设备，用于制作集成电路光刻掩模，也可用于制作二元光学掩模以及光栅、码盘、鉴别率板等其它特殊图形掩模。激光直写技术还用于集成电路柔性布线，精密铺设电阻、电容等微电子元器件，修复制备电路板存在的大量短路和缺损，从而大大提高工作效率。此外在光学方面主要用于二元光学元件的制作和检测，光学防伪等领域（陈林森等. 光电子技术与信息. 2004,17(6)）。国内激光直写制作技术的水平远没有达到广泛实际应用的要求。浙大、中科院等国内科研单位致力于进行激光直写系统、工艺的研究，苏州大学研制的数码激光立体光刻系统，基于SLM的双光束激光直写系统，用于制作激光数码光变图像，已经实现设备出口。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种激光直写技术制备多级结构微阵列的方法。该方法能用于制备仿壁虎刚毛高长细比二级微结构阵列。

一种激光直写技术制备多级结构微阵列的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、在光滑表面上（玻璃、硅片或铜片上）涂布负性光刻胶，完全曝光作为软基底；步骤2、在软基底上按照结构总高度要求涂布负性光刻胶；步骤3、按照第N级结构平面图形，利用激光直写装置对上述负性光刻胶进行第N级结构的曝光，并显影，则获得第N级结构；步骤4、按照第N-1级结构平面图形，利用激光直写装置对上述负性光刻胶进行第N-1级结构的曝光，并显影，则获得带有第N-1级结构的第N级结构；步骤5、上述第N级结构指上层尺寸较小的结构，第N-1级结构指第N级结构的下层结构；步骤6、上述激光直写制备的曝光强度为40mW，曝光深度与曝光时间为线性关系，其比例关系为H _b=aT _b, 比例系数a的范围为1.19~1.52。显影深度与显影时间为二次非线性关系H _x=bT _x ²+cT _x，比例系数b的范围为0.0001~0.0002，比例系数c的范围为0.20~0.29。步骤7、上述第N级结构“扎根”于第N-1级结构中，产生扎根深度H _zn，第N级结构曝光深度为H _bn，第N级结构设计高度为H _n，三者关系为H _bn=H _n+H _zn。步骤8、要求上述第N级结构的曝光深度略超过设计高度，但不能深至第N-2级结构，即要求H _bn< H _n+ H _n-1，其中H _n-1表示第N-1级结构设计高度。步骤9、上述第N级结构的设计高度H _n与第N级结构的显影高度H _xn相同。步骤10、第1级结构曝光时间T _b1无严格限制，应选择适度的过量曝光，以增加第一级结构与基底的结合力。

上述制备过程的顺序特征是“自上而下”进行，即先获得上级尺寸较小的结构（第N级结构），然后获得第N级结构的下层结构（第N-1级结构）。相比“自下而上”，即先获得底层基础结构，再制备上层结构，本发明“自上而下” 是将上层结构“扎根”于下层结构中，可以避免两层结构间结合力较差导致阵列倒伏或脱落等现象，从而根部结合牢固，制备成功率高，重复性好。

上述基于激光直写技术制备具有多级微结构阵列的方法，其特征在于：上述步骤4中的显影过程采用显影液置换的方法：首先用显影液显影，然后将其置于去离子水中置换掉残余的显影液，最后将试验置入无水乙醇中置换掉水，风干。

阵列制备过程中，显影风干阶段液体挥发产生的毛细力有时会导致阵列发生粘连倒伏现象。在显影阶段采用表面张力系数比水小的乙醇将水置换，可以减小风干时液体挥发产生的毛细力，因此有效地降低粘连倒伏现象的发生。

本发明采用的设备是苏州苏大维格光电科技股份有限公司研制的SVG4A-100并行激光直写光刻机（专利公开号：CN101846890A）。其扫描光束的形式为双光束方式，相比单光束扫描激光直写系统，加工速度快，制备效率高。另外，一般并行直写系统，在实际使用时，会发生离焦现象，由此影响光刻工件的质量。该设备通过对光学系统的改进，改善解决了现有技术中存在的离焦问题。

本发明是利用上述设备在激光直写技术的基础上提出的一种全新的制备二级结构微阵列的方法，通过曝光时间和显影时间对曝光强度、扫描速度等的匹配来控制加工尺寸的深度，具有成本低，效率高，方便快捷的特点。

附图说明：

图 1是文献（J. Micromech. Microeng. 17 (2007) R81–R95）掩膜厚胶光刻方法制备具有二级结构的阵列的步骤；

图 2是文献（Christian Greiner, Eduard Arzt. Adv. Mater. 2009, 21, 479–48）光刻制模聚氨酯浇注固化法制备具有二级结构的阵列的步骤；

图 3是本发明实验确定的负性光刻胶曝光深度与曝光时间的关系图；

图 4是本发明实验确定的负性光刻胶显影深度与显影时间的关系图；

图 5是激光直写光刻试验机原理图；

图 6是本发明“自上而下”方案制备具有二级结构的阵列的步骤；

图 7是本发明“自上而下”方案制备具有二级结构的阵列实物图；第二级结构的尺寸为直径20μm，间距40μm，高度40μm，第一级结构尺寸：直径200μm，间距500μm，高度120μm；

图 8是本发明“自上而下”方案制备具有二级结构的阵列实物图；第二级结构的尺寸为直径3μm，间距8μm，高度8μm，第一级结构尺寸：直径200μm，间距500μm，高度152μm；

图 9是本发明研制过程中“自下而上”中方案1制备具有二级结构的阵列的步骤；

图 10是本发明研制过程中“自下而上”中方案2制备具有二级结构的阵列的步骤；

图 11 是本发明“自下而上”中方案2发生第二级结构被压入第一级结构空隙现象，实物图；

图 12 是本发明“自下而上”中方案2发生脱落现象，实物图；

图 13 是本发明“自下而上”中方案1发生粘连倒伏现象，实物图；

图5中标号名称：机械框架1，光源2，空间光调制器3，反射镜4，镜筒透镜5，反射镜6，物镜7，X、Y、R三轴精密运动平台8，透镜组9，CCD传感器10，Z向运动轴11，Z向小行程运动机构12，检测光源13，半透半反片14，象散光学器件15，光电探测器16，控制计算机17，控制驱动单元18。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步描述：

阵列材料选用负性光刻胶，紫外光照射，本发明中光源选择光强40mW，波长405nm的半导体激光器；平面几何结构由输入的平面图形决定，分辨率取决于光路中的缩微镜头倍数和纳米电机的精度，可达到0.3μm；基于实验得出的曝光深度与曝光时间的关系(附图3)，显影深度与显影时间的关系(附图4），试验方法为：

曝光深度与曝光时间关系获得的实验方法：1，在硬基底上覆膜4层(总厚度为160μm)，制备多个覆膜样品。2，对样品进行曝光，实验选取不同的曝光时间，曝光时间从10ms开始递增。3，对样品进行显影，显影过程中需在显微镜下对样品进行定时观察，当显影至曝光深度时，阵列完全倒伏，此时通过显微镜可以观察到完整的倒伏阵列。4，风干后在数码显微镜(KEYENCE VHX-600)下对其进行测量。对每个曝光时间数值点重复6次试验，得到曝光深度与曝光时间的散点图(附图3)。

显影深度与显影时间关系获得的实验方法：1，在硬基底上覆膜4层，制备多个覆膜样品。2，对样品进行阵列制备实验，实验选取曝光时间为300ms，确保阵列曝光至基底。3，显影步骤选取不同的显影时间，从3秒开始递增，随着显影时间的变化实验得到不同高度的阵列。4，风干后在数码显微镜(KEYENCE VHX-600)对其进行测量，视角确定为45°，经过换算得到阵列高度。对每个显影时间数值点重复6次试验，得到显影深度随显影时间变化的散点图(附图4）。

阵列制备采用设备为SVG4A-100并行激光直写光刻机，示意图为附图5，组成部分为机械框架1，光源2，空间光调制器3，反射镜4，镜筒透镜5，反射镜6，物镜7，X、Y、R三轴精密运动平台8，透镜组9，CCD传感器10，Z向运动轴11，Z向小行程运动机构12，检测光源13，半透半反片14，象散光学器件15，光电探测器16，控制计算机17，控制驱动单元18。基本工作流程是：用计算机制作VLSI掩膜结构数据；将数据转换成直写系统控制数据，由计算机控制高精度激光束在光刻胶上直接扫描曝光；纳米电机控制平台移动从而进行图形周期性刻蚀，无需掩模版，将任意复杂的图形直接写到光刻胶上，经显影和烘干得到所需要的阵列。

阵列材料选用美国杜邦公司RISTON LM8040干膜，它是一种负性光刻胶，具有良好的力学性能、抗化学腐蚀性和热稳定性,能形成结构复杂的图形。其主要组成部分为：黏结剂，单体，光启始剂，塑化剂及附着力促进剂，染料。利用纳米压痕仪（SA2，MTS，USA）测量得出干膜的硬度为0.0195GPa，弹性模量为1.402GPa。在紫外光照射下，光引发剂吸收了光能分解成游离基，游离基再引发光聚合单体进行聚合交联反应，反应后形成不溶于稀碱溶液的体型大分子结构。

实施例1：

根据图6所示方法，“自上而下”进行制备二级结构（第一级结构尺寸：直径200μm，间距500μm，高度120μm；第二级结构尺寸：直径20μm，间距40μm，高度40μm）的具体实施步骤为：1. 热辊压涂布。采用650RS卷材覆膜机，温度为110℃，覆膜速度1m/min，将膜辊压贴合在基板上，单层膜厚40μm可以根据需要多次覆膜，本实施覆膜1层。2. 完全曝光，作为软基底。将贴合好的膜在紫外光下完全曝光，曝光5分钟，此时光刻胶颜色由淡蓝色变为深蓝色，形成软基底。3. 第二次涂布。采用热辊压的形式将膜贴合在软基底上，可以根据需要多次覆膜，本实施覆膜4层。4. 在光刻机上以点阵形式逐片曝光。精确控制曝光时间，此时曝光部分为径向尺寸较小的第二级结构。将涂布完备的试样固定到精密闭环控制运动平台上，由计算机控制曝光过程，第二级结构的设计高度为40μm，扎根深度设计为30μm，则根据权利要求1中步骤7以及附图3对所需曝光时间进行计算，选择曝光时间为50ms，所产生的曝光深度为约70μm。5. 显影、风干。放置在浓度1%的Na₂CO₃溶液显影，轻轻晃动以利于去胶，显影时间180s，显影高度为40μm，然后将其置于去离子水中50s置换掉残余的Na₂CO₃溶液，最后风干，得到步骤5所示的上层第二级结构。6. 二次曝光。将试样再次放置到纳米电机控制平台上，由计算机控制曝光过程，曝光出径向尺寸较大的第一级结构，曝光时间选择适度的过量曝光，以增加第一级结构与基底的结合力，此处选取300ms。7.显影、风干。将试样放置在浓度1%的Na₂CO₃溶液中显影，轻轻晃动以利于去胶，显影直至余胶去除，然后将其置于去离子水中50s置换掉残余的Na₂CO₃溶液，再置于乙醇中50s置换掉水，最后烘干，得到步骤7所示的二级结构，实物如图7所示。

实施例2：

根据图6所示方法，“自上而下”进行制备二级结构（第一级结构尺寸：直径200μm，间距500μm，高度152μm；第二级结构尺寸：直径3μm，间距8μm，高度8μm）的具体实施步骤为：1. 热辊压涂布。采用650RS卷材覆膜机，温度为110℃，覆膜速度1m/min，将膜辊压贴合在基板上，单层膜厚40μm可以根据需要多次覆膜，本实施覆膜1层。2. 完全曝光，作为软基底。将贴合好的膜在紫外光下完全曝光，曝光5分钟，此时光刻胶颜色由淡蓝色变为深蓝色，形成软基底。3. 第二次涂布。采用热辊压的形式将膜贴合在软基底上，可以根据需要多次覆膜，本实施覆膜4层。4. 在光刻机上以点阵形式逐片曝光。精确控制曝光时间，此时曝光部分为径向尺寸较小的第二级结构。将涂布完备的试样固定到精密闭环控制运动平台上，由计算机控制曝光过程，第二级结构的设计高度为8μm，扎根深度设计为15μm，则根据权利要求1中步骤7以及附图3对所需曝光时间进行计算，选择曝光时间为15ms，所产生的曝光深度约为23μm。5. 显影、风干。放置在浓度1%的Na₂CO₃溶液显影，轻轻晃动以利于去胶，显影时间为6s，显影高度为8μm，然后将其置于去离子水中50s置换掉残余的Na₂CO₃溶液，最后烘干，得到步骤5所示的上层第二级结构。6. 二次曝光。将试样再次放置到纳米电机控制平台上，由计算机控制曝光过程，曝光出径向尺寸较大的第一级结构，曝光时间应选择过量曝光，以增加第一级结构与基底的结合力，此处选取300ms，光强40mW。7.显影、风干。将试样放置在浓度1%的Na₂CO₃溶液中显影，轻轻晃动以利于去胶，显影直至余胶去除，然后将其置于去离子水中50s置换掉残余的Na₂CO₃溶液，再置于乙醇中50s置换掉水，最后烘干，得到步骤7所示的二级结构，实物如图8所示。

注：以上实验操作均需在室温20℃，超净光刻间进行。

研制过程补充：

在探索获得“自上而下”二级结构的制备过程中，前期实验探索了两种“自下而上”的制备方法，分别简述如下。阵列所用材料及设备参数同上，阵列材料选用负性光刻胶，美国杜邦公司RISTON LM8040干膜，光源选择光强40mW，波长405nm。

“自下而上”方案1：两次曝光，一次显影（制备流程见附图9）：(1)热辊压覆膜；(2)完全曝光，作为软基底；(3)第二次覆膜；(4)在光刻机上以点阵形式逐片曝光；(5)得到隐性一级结构； (6)第三次覆膜；(7)第二次曝光，精确控制曝光时间；(8)显影、风干。

“自下而上”方案2：两次曝光，两次显影（制备流程见附图10）：(1)热辊压贴膜；(2)完全曝光，作为软基底；(3)第二次贴膜；(4)在光刻机上以点阵形式逐片曝光； (5)显影、风干得到一级结构；(6)第三次贴膜；(7) 第二次曝光；(8)二次显影，风干。

方案1与2存在不同之处，在方案1中，步骤5仅形成隐性（未显影）一级结构，整体上还是膜结构，因此步骤6第三次覆膜可以承受较大的覆膜压力，有助于二级结构与一级结构的结合，但步骤7对二次曝光时间的精确控制要求过高，既不能使二级结构曝光时间过短导致深度未到达一级结构，又不允许二级结构曝光时间过长导致深度直接透至基底；在方案2中，步骤5得到的一级结构对步骤6的覆膜压力有较高的要求，覆膜压力过高会出现第二级结构被压入第一级结构空隙的现象(附图11)，覆膜压力过低会导致二级结构与一级结构结合较差容易脱落(附图12)，但步骤7中二次曝光时间的控制要求较低，可以适当增加曝光时间以助于提高二级结构与一级结构的结合力。

“自下而上”制备方式的最大不足在于，这种制备方式第二级结构与第一级结构结合力较差，因而试验中会出现粘连倒伏(附图13)或脱落等现象，制备二级结构阵列的成功率较低。

而本发明的“自上而下”方案先制备顶部的二级结构，然后制备底部的一级结构，将第二级结构“扎根”于一级结构中，克服了“自下而上”方案1与方案2中二级结构与一级结构结合力差的缺点，这种二级结构“扎根”的效果是二级结构与一级结构很好结合，实验成功率高，重复性好。

Claims

1.一种激光直写技术制备多级结构微阵列的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、在光滑表面上涂布负性光刻胶，完全曝光作为软基底；

步骤2、在软基底上按照结构总高度要求涂布负性光刻胶；

步骤3、按照第N级结构平面图形，利用激光直写装置对上述负性光刻胶进行第N级结构的曝光，并显影，则获得第N级结构；

步骤4、按照第N-1级结构平面图形，利用激光直写装置对上述负性光刻胶进行第N-1级结构的曝光，并显影，则获得带有第N-1级结构的第N级结构；

步骤5、上述第N级结构指上层尺寸较小的结构，第N-1级结构指第N级结构的下层结构；

步骤6、上述激光直写制备的曝光强度为40mW，曝光深度与曝光时间为线性关系，其比例关系为H _b=aT _b, 比例系数a的范围为1.19~1.52；显影深度与显影时间为二次非线性关系H _x=bT _x ²+cT _x，比例系数b的范围为0.0001~0.0002，比例系数c的范围为0.20~0.29；

步骤7、上述第N级结构扎根于第N-1级结构中，产生扎根深度H _zn，第N级结构曝光深度为H _bn，第N级结构设计高度为H _n，三者关系为H _bn=H _n+H _zn；

步骤8、要求上述第N级结构的曝光深度超过设计高度，但不能深至第N-2级结构，即要求H _bn< H _n+ H _n-1，其中H _n-1表示第N-1级结构设计高度；

步骤9、上述第N级结构的设计高度H _n与第N级结构的显影高度H _xn相同；

步骤10、第1级结构曝光时间T _b1无严格限制，选择过量曝光，以增加第一级结构与基底的结合力。

2.根据权利要求1所述的激光直写技术制备多级结构微阵列的方法，其特征在于：上述步骤4中的显影过程采用显影液置换的方法：

首先用显影液显影，然后将其置于去离子水中置换掉残余的显影液，最后将试样置入无水乙醇中置换掉水，风干。

3.根据权利要求1所述的激光直写技术制备多级结构微阵列的方法，其特征在于：

上述N=2，第二级结构的尺寸为直径20μm，间距40μm，高度40μm，第一级结构尺寸：直径200μm，间距500μm，高度120μm；

上述激光直写装置的曝光强度为40mW；

上述步骤3中第二级结构的曝光时间为50ms，曝光深度为70μm；显影时间为180s，显影高度40μm，扎根深度30um。

4.根据权利要求1所述的激光直写技术制备多级结构微阵列的方法，其特征在于：

上述N=2，第二级结构的尺寸为直径3μm，间距8μm，高度8μm，第一级结构尺寸：直径200μm，间距500μm，高度152μm；

上述激光直写装置的曝光强度为40mW；

上述步骤3中第二级结构的曝光时间15ms，曝光深度为23μm；显影时间为6s，显影高度8μm，扎根深度15um。