CN102213919B - 一种悬架结构光刻胶的涂胶方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种悬架结构光刻胶的涂胶方法，具有能够在沟槽、孔洞、微柱等结构上形成悬架结构，并用于光刻掩膜的特性。其具体步骤为：首先将少量一定浓度的光刻胶滴于极性溶液表面，使之在气-液界面自组装形成一定厚度的光刻胶膜，再将该光刻胶膜转移至已刻蚀出图形的半导体材料上，使之跨过沟槽和孔洞等形成悬架的光刻胶结构，之后对该光刻胶膜进行前烘、曝光、显影及后烘等步骤形成光刻图形。该光刻胶膜可实现刻蚀掩膜、牺牲层材料、胶保护等功能，其工艺过程简单、用料节省、成本低廉。

Description

一种悬架结构光刻胶的涂胶方法

技术领域

本发明涉及一种光刻胶的涂胶方法，尤其是一种悬架结构光刻胶的涂胶方法，涉及微电子制造中的光刻领域。

背景技术

目前，光刻胶的涂敷工艺主要有提拉法、滚涂法、喷涂法和旋涂法四种。其中提拉法和旋涂法容易获得均匀性好、厚度可低至亚微米级的光刻胶，滚涂法和喷涂法容易获得厚度至10μm以上的光刻胶，喷涂法还特别适用于对三位结构的涂覆和悬空结构的填充。这些涂胶方法在涂覆时避免了空气和水分的包覆，都是光刻胶和衬底紧密接触和贴合的，然而在应对特殊工艺要求的悬架涂覆时，传统涂胶方法遇到了难以逾越的困难。

随着微电子工业的发展，各种功能特别、结构特异的器件和元件层出不穷，特别是在微机械(MEMS)领域，器件中常包含大跨度的沟槽、高深宽比的孔洞、高而细窄的柱墙等结构，有时在实现特殊工艺，如牺牲层上材料的平坦化沉积、三维结构上表面的选择性涂胶保护、互联通孔的胶封口时会遇到很多麻烦，而涂覆一层悬架结构的光致抗蚀胶膜是解决这些问题的捷径。目前，业界能够实现这种悬架光刻胶结构的产品主要是被广泛应用于印制电路制造的光致抗蚀干膜。光致抗蚀干膜(由美国杜邦公司于1954年首先推出)是由聚醋薄膜、感光层和聚乙烯薄膜三层组成的夹心式结构，使用时作为一层薄膜贴覆于衬底材料的表面后再进行光刻，这种具有一定的强度的固态薄膜能够实现对较大尺寸的沟槽和孔洞的跨越。然而，光致抗蚀干膜的厚度通常都在几十微米以上，无法适用于当今飞速发展的微电子工业微型化、集约化的趋势。本方法提供了一种悬架光刻胶的涂覆方法，光刻胶作为平整的胶膜结构贴覆于刻蚀有图形的硅片表面，能够在沟槽、孔洞、微柱等结构上形成悬架结构，并光刻图形。

发明内容

本发明主要解决的技术问题在于提供一种悬架结构光刻胶的涂胶方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种悬架结构光刻胶的涂胶方法，包括以下步骤：

1)使光刻胶在极性溶液表面自组装形成光刻胶膜；

2)将所述光刻胶膜转移至已刻蚀有图形的半导体材料上；

3)晾干水份，之后对所述光刻胶膜依次进行前烘、曝光、显影、后烘。

其中，所述光刻胶为固化后具有曝光显影特性的混合液体，其包括树脂、感光剂和有机溶剂。

作为本发明的优选方案之一，所述极性溶液包括去离子水。

进一步地，所述半导体材料上刻蚀有沟槽、孔洞、凹坑、微柱或其组合。

作为本发明的优选方案之一，步骤2)将所述光刻胶膜转移至所述半导体材料上的方法为：从上向下将所述半导体材料缓慢接触所述光刻胶膜，使所述光刻胶膜粘贴在所述半导体材料上，再脱离所述极性溶液表面。

作为本发明的优选方案之一，步骤2)将所述光刻胶膜转移至所述半导体材料上的方法为：将所述半导体材料置于所述极性溶液中，待所述光刻胶膜在所述极性溶液表面形成后，缓慢排液以使所述光刻胶膜下降并贴覆于所述半导体材料上，或从下向上将半导体材料缓慢接触并粘黏所述光刻胶膜，然后取出并倾斜放置所述半导体材料以排干所述半导体材料和所述光刻胶膜之间的大部分水分。

作为本发明的优选方案之一，所述半导体材料上刻蚀有沟槽和与沟槽连通的排水孔。

作为本发明的优选方案之一，在步骤1)之前，添加有机溶剂稀释所述光刻胶。

作为本发明的优选方案之一，在步骤1)之前，挥发所述光刻胶中的有机溶剂以浓缩所述光刻胶。

作为本发明的优选方案之一，重复利用步骤1)形成多层光刻胶膜后，再利用步骤2)将其转移至所述半导体材料上，以得到更高的膜厚和机械强度。

作为本发明的优选方案之一，重复利用步骤1)、2)，在所述半导体材料上多次贴覆，得到多层光刻胶膜，以得到更高的膜厚和机械强度。

本发明提供的悬架光刻胶涂覆工艺，利用自组装(self-assembly)的方法使光刻胶在极性溶液表面形成极薄的胶膜，即形成自组装膜，再将该光刻胶自组装膜贴覆转移至已刻蚀图形的半导体材料表面，能够在沟槽、孔洞、凹坑、微柱等结构上形成悬架结构，之后再光刻出图形。此悬架光刻胶结构同样具备一般光刻胶作为刻蚀掩膜和沉积层下牺牲层等的作用。该方法具有工艺过程简单、用料节省、成本低廉等特点，为光刻工艺提供了新的思路和方法。

附图说明

图1a-1e为本发明的一种悬架结构光刻胶的涂胶方法的基本工艺流程示意图。

图2a-2d为实施例一的基本工艺流程示意图。

图3为实施例一中AZ5214光刻胶膜在沟槽上方形成的悬架结构的金相显微镜照片。

图4为实施例一中AZ5214光刻胶膜光刻后在沟槽上方形成的胶桥结构的金相显微镜照片。

图5为实施例三中AZ5214光刻胶膜的悬架胶桥结构在溅射沉积1000

厚的Al膜后的金相显微镜照片。

图6为实施例五中一种双层光刻胶膜的悬架结构光刻胶的涂胶方法示意图。

图7为实施例五中AZ5214双层光刻胶膜光刻后在沟槽上方形成的胶桥结构的金相显微镜照片。

图8为实施例六利用LC100光刻胶在微柱阵列上实现的悬架结构光刻胶膜的最终结构示意图。

具体实施方式

请参看图1a-1e，本发明的悬架光刻胶涂覆方法，包括以下步骤：1)使光刻胶在极性溶液表面自组装形成光刻胶膜，如图1a所示；2)将所述光刻胶膜转移至已刻蚀有图形的半导体材料上，转移之后如图1d所示，所述半导体材料上刻蚀有沟槽、孔洞、凹坑、微柱或其组合；3)晾干水分，之后对光刻胶进行前烘、曝光、显影、后烘，如图1e所示。

其中，所述光刻胶即光致抗蚀剂，是一种固化后具有曝光显影特性的混合液体，其包括树脂、感光剂和有机溶剂三种主要成分。步骤1)中所述光刻胶应根据工艺要求的不同进行选择。由于所述光刻胶中所包含的物质由具有亲水和疏水基头的两性大分子组成，两性分子容易在气-液界面自组装形成薄膜(LB，Langmuir Blodgett薄膜)。而不同光刻胶在极性溶液(如去离子水)和空气的气-液界面自组装形成薄膜的粘度、厚度、硬度、均匀性等性质也不同，为增大粘附性、增大薄膜面积和提高均匀性通常选择自组装速度快、粘度较大的光刻胶。同时，可以通过去离子水的温度调节亲水基头的溶解性，以优化光刻胶膜的自组装过程。例如，AZ5214光刻胶(AZ电子材料公司生产)在2-5℃的去离子水水面上自组装形成的薄膜较20℃的具有更加均匀的厚度和更大的刚度。非特殊性地，也可根据光刻胶的特性选择除去离子水之外的其它极性溶液，使光刻胶在此极性溶液表面发生自组装成膜，该溶液的化学特性不应对光刻胶膜的感光特性发生较大影响。一般情况下，自组装形成的光刻胶膜的厚度通常在0.3-2μm量级，工艺上根据对刻蚀掩膜和牺牲层功能的不同要求，常需要制作不同厚度的光刻胶膜。基于本发明悬架结构光刻胶涂覆工艺的原理，可通过添加有机溶剂稀释光刻胶后自组装的方法形成厚度更低的光刻胶薄膜，并通过挥发光刻胶中有机溶剂以浓缩光刻胶后自组装的方法形成厚度更高的光刻胶薄膜。特别地，也可通过贴覆多层光刻胶薄膜的方法获得更高厚度的光刻胶薄膜，例如：重复利用步骤1)、2)，在所述半导体材料上多次贴覆，得到多层光刻胶膜，即多次贴覆光刻胶自组装单层膜；或重复利用步骤1)形成多层光刻胶膜后，再将其转移至所述半导体材料上，即形成多层结构的光刻胶自组装薄膜后一次贴覆。

此外，步骤2)中将光刻胶膜转移至所述半导体材料表面的方法，可以采用从上向下将所述半导体材料缓慢接触光刻胶膜，使所述光刻胶膜粘贴在所述半导体材料上，再脱离所述极性溶液表面的方法，见图1b。该方法粘覆的光刻胶膜不会引入过多的水分，粘附性较好，但薄膜在粘覆过程中容易断裂和缺损。转移也可采用从下向上的方式，将所述半导体材料置于所述极性溶液中，待所述光刻胶膜在所述极性溶液表面形成后，缓慢排液以使所述光刻胶膜下降并贴覆于所述半导体材料上，或从下向上将半导体材料缓慢接触并粘黏所述光刻胶膜，然后取出并倾斜放置所述半导体材料以排干所述半导体材料和所述光刻胶膜之间的大部分水分，见图1c。该方法容易粘覆得到完整大面积的光刻胶膜，更适用于整片硅片的平坦化工艺，但在硅片表面的沟槽中往往含有难以排出的水分。水分在前烘过程中的汽化及膨胀常会造成局部光刻胶膜的破损，该问题可以通过器件版图的排水孔设计进行规避，即在所述半导体材料上除了刻蚀沟槽，还刻蚀有与沟槽连通的排水孔。如设计大尺寸的方孔以人为使光刻胶膜在此处断裂，从而保护与之连通的小宽度沟槽上方的光刻胶膜。通过这些方法转移至半导体材料上的光刻胶膜，具有能够跨过较宽沟槽的、平整的、均匀的悬架结构，可实现大面积的掩膜结构或牺牲层结构。

其次，步骤3)中前烘的作用在于彻底去除光刻胶膜和半导体材料表面的水分，提高薄膜的粘附性，但同时应避免薄膜在软化过程中的形变拉伸，前烘的温度和时间应基于此进行优化，通常选用低于旋涂光刻胶工艺的前烘温度，并适当延长前烘时间。另外，曝光强度及时间、显影时间应根据光刻胶膜的不同胶型和厚度等进行优化。后烘应避免温度过高而引起光刻胶膜的拉伸变形。

以下通过各具体实施例对本发明的一种悬架结构光刻胶的涂胶方法进行详细说明。

实施例一

本实施例为利用AZ5214光刻胶实现的悬架结构光刻胶涂覆工艺。

AZ5214光刻胶具有较高的粘度，其成分中包含的两性分子具有强度适中的亲水和疏水性能，容易形成大面积，厚度均匀的光刻胶膜。参考图2a-2d，其具体工艺步骤如下：

(1)在硅片表面刻蚀出宽度2至50μm不等，深度15μm，长度3000μm的若干沟槽，沟槽均连接至300×300μm尺寸的排水方孔，如图2a所示。

(2)将已刻蚀形成沟槽的硅片浸于4℃的去离子水中，将0.05ml左右的AZ5214光刻胶滴于去离子水水面，AZ5214光刻胶将快速在气-液界面自组装形成100cm²左右的光刻胶膜，如图2b所示。

(3)缓慢从容器底部排水使光刻胶膜粘覆于硅片表面，也可以从下向上将硅片缓慢接触并粘黏所述光刻胶膜，然后取出并倾斜放置硅片以排干硅片和光刻胶膜之间的大部分水份。

(4)如图2c将硅片置于100℃的热板上前烘120s。在热应力作用下，排水孔上方的光刻胶膜将优先发生破裂，使热膨胀的水汽得以排出，起到保护与排水孔相连的沟槽上方光刻胶膜的作用。再将硅片置于50℃的烘箱内10min，以彻底排除水分。在前烘过程中，光刻胶适当软化增加了附着力。图3是该光刻胶膜在15μm宽的沟槽上形成的悬架结构的金相显微镜照片，其胶膜的厚度大约为500nm，该厚度的AZ5214胶膜可至少在约50μm宽的沟槽上形成悬架结构。

(5)对光刻胶膜进行曝光(约3s)显影(约70s)至无图形遮光区域的光刻胶膜完全溶解去除，形成所需的结构，如图2d所示，最后在125℃的烘箱中后烘光刻胶膜约20min。图4为光刻后该光刻胶膜在6-10μm宽的沟槽上方形成的40μm宽的胶桥结构。

实施例二

与实施例一采用类似的技术方案，不同之处在于：光刻胶膜转移至硅片上的方法。先将0.05ml左右的AZ5214光刻胶滴于去离子水水面，AZ5214光刻胶将快速在气-液界面自组装形成100cm²左右的光刻胶膜，然后从上向下将硅片缓慢接触至所述光刻胶膜，使所述光刻胶膜粘贴在所述硅片上，再脱离去离子水表面。晾干水份，之后对所述光刻胶膜进行前烘、曝光、显影、后烘等操作。

实施例三

本实施例为利用稀释的AZ5214光刻胶实现的超薄悬架结构光刻胶膜涂覆工艺。

在光刻胶被用在牺牲层材料时，特别是在平坦化工艺中，常需要牺牲层具有较低的厚度，以避免使其上沉积材料层和衬底层之间出现过大的距离。本方法可以利用有机溶剂稀释的光刻胶实现超薄的悬架光刻胶膜涂覆。其具体工艺步骤如下：

(1)将AZ5214光刻胶与丁酮按1∶1的体积比均匀混合稀释，稀释过程中应避免引入气泡。将已刻蚀形成沟槽的硅片浸于4℃的去离子水中，将0.05ml左右的光刻胶滴于去离子水水面，AZ5214光刻胶将快速在气-液界面自组装形成厚300nm左右的光刻胶膜。

(2)缓慢从容器底部排水使光刻胶膜粘覆于硅片表面，取出并倾斜放置硅片以排干硅片和光刻胶膜之间的大部分水份。

(3)将硅片置于100℃的热板上前烘120s后，再置于50℃的烘箱内10min。

(4)对光刻胶膜进行曝光(约2s)显影(约50s)至无图形遮光区域的光刻胶膜完全溶解去除，形成所需的胶桥结构，最后在125℃的烘箱中后烘光刻胶膜约20min。图5是溅射沉积1000厚的Al膜后的，在5-7μm宽的沟槽上的40μm宽的悬架胶桥结构。

实施例四

本实施例为利用浓缩的AZ5214光刻胶实现的较厚悬架结构光刻胶膜涂覆工艺。与实施例三采用类似的技术方案，不同之处在于：在所述光刻胶自组装之前不是将AZ5214光刻胶进行稀释，而是使光刻胶中的有机溶剂部分挥发后再进行后续步骤。由于通常的光刻胶中有机溶剂挥发速度较快，暗室中，在较低温度下，如50-70℃，挥发一定时间以浓缩所述光刻胶，之后自组装以得到更高厚度和更大强度的光刻胶薄膜。

实施例五

本实例为利用双层结构的自组装AZ5214光刻胶膜实现的较厚悬架光刻胶膜掩膜层的涂覆工艺。

在光刻胶被用于刻蚀掩膜时，应工艺要求常需要涂覆不同厚度的光刻胶掩膜。特别是在干法刻蚀时，较深的刻蚀深度需要涂覆更厚的光刻胶阻挡层。自组装单层薄膜的厚度通常都较低，无法使用于一次性高深度的干法刻蚀，而通过自组装形成双层或多层的光刻胶膜，能够实现更大刻蚀深度的悬架光刻胶掩膜。另外，在作为跨沟槽的悬空牺牲层结构时，由于机械强度的增大，更厚的光刻胶膜能够在更宽的沟槽上方形成更窄的光刻胶桥，为工艺图形的尺寸选择提供了更大的自由度。其具体工艺步骤如下：

(1)参见图6，将已刻蚀形成沟槽的硅片浸于4℃的去离子水中，将0.05ml左右的光刻胶滴于去离子水水面，AZ5214光刻胶将快速在气-液界面自组装形成100cm²左右的光刻胶膜，迅速在第一层薄膜上表面再次滴加0.05ml的AZ5214光刻胶，其会迅速自组装形成位于第一层之上的第二层薄膜，从而形成厚度约为1.2μm的双层光刻胶膜结构。

(2)缓慢从容器底部排水使该双层光刻胶膜粘覆于硅片表面，取出并倾斜放置硅片以排干硅片和光刻胶膜层之间的大部分水份。

(3)将硅片置于100℃的热板上前烘120s后，再置于50℃的烘箱内10min。

(4)对光刻胶膜进行曝光(约5s)显影(约90s)至无图形遮光区域的光刻胶膜完全溶解去除，形成所需的结构，最后在125℃的烘箱中后烘光刻胶膜约20min。图7是在40-48μm宽的沟槽上形成的18μm宽的光刻胶胶桥结构。

同样地，本实施例的双层光刻胶膜结构还可以有另一种形成方法：自组装形成第一层光刻胶膜后将其粘覆至硅片表面，排出水分并适当前烘后，自组装形成新一层光刻胶膜，再将其转移至粘覆有第一层光刻胶膜的硅片上，从而在硅片上形成双层结构的光刻胶膜。

实施例六

本实例为利用LC100光刻胶在微柱阵列上实现的悬架结构光刻胶涂覆工艺。

在微机械工艺中，有些器件需要制作高深宽比的微柱阵列结构，并对微柱顶端进行选择性保护后再进行之后工艺。由于微柱结构的微小和较高的深宽比，再由于光刻胶的流淌性和毛吸现象，传统的涂胶工艺无法实现微柱顶端的涂覆而不使光刻胶流向微柱柱身和根部，这使得该工艺要求无法通过光刻胶实现结构保护，而往往只能通过化学修饰等其它方法来实现，其过程极为繁琐。该方法的悬架光刻胶涂覆方法为微柱阵列结构的顶端保护提供了简单工艺。其具体步骤如下：

(1)将已制作出图形和微柱阵列的硅片浸于4℃的去离子水中，将0.05ml左右的LC100光刻胶滴于去离子水水面，所述光刻胶将快速在气-液界面自组装形成光刻胶膜。

(2)缓慢从容器底部排水使该光刻胶膜粘覆于硅片表面，取出并倾斜放置硅片以排干硅片和光刻胶膜之间的大部分水份。

(3)将硅片置于100℃的热板上前烘120s后，再置于50℃的烘箱内10min。

(4)对光刻胶膜进行曝光(约5s)显影(约90s)至无图形遮光区域，即无柱状阵列的区域的光刻胶膜完全溶解去除，实现微柱阵列处的悬架光刻胶膜结构。

(5)最后在135℃的烘箱中后烘光刻胶膜约60min，使光刻胶膜在较高温度下发生软化，并适度下陷并包裹微柱端头，最后实现对微柱阵列端头的选择性保护，见图8。

综上所述，本发明的一种悬架结构光刻胶的涂胶方法，利用自组装的方法使光刻胶在极性溶液和空气的气-液界面处先形成极薄的胶膜，再将该光刻胶膜贴覆转移至已刻蚀图形的半导体材料表面，能够在沟槽、孔洞、凹坑、微柱等结构上形成悬架结构，之后再光刻出图形。其光刻胶膜的厚度可在一定范围内调控，可实现刻蚀掩膜、牺牲层材料、胶保护等功能，其具有工艺过程简单、用料节省、成本低廉等特点，为光刻工艺提供了新的思路和方法。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (8)

1.一种悬架结构光刻胶的涂胶方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)使光刻胶在去离子水表面自组装形成光刻胶膜；

2)将所述光刻胶膜转移至已刻蚀有图形的半导体材料上；

3)晾干水份，之后对所述光刻胶膜依次进行前烘、曝光、显影、后烘；

步骤2)将所述光刻胶膜转移至所述半导体材料上的方法为：从上向下将所述半导体材料缓慢接触所述光刻胶膜，使所述光刻胶膜粘贴在所述半导体材料上，再脱离所述去离子水表面；

或者为：将所述半导体材料置于所述去离子水中，待所述光刻胶膜在所述去离子水表面形成后，缓慢排液以使所述光刻胶膜下降并贴覆于所述半导体材料上，或从下向上将半导体材料缓慢接触并粘黏所述光刻胶膜。

2.根据权利要求1所述一种悬架结构光刻胶的涂胶方法，其特征在于：所述光刻胶为固化后具有曝光显影特性的混合液体，其包括树脂、感光剂和有机溶剂。

3.根据权利要求1所述一种悬架结构光刻胶的涂胶方法，其特征在于：所述半导体材料上刻蚀有沟槽、孔洞、凹坑、微柱或其组合。

4.根据权利要求1所述一种悬架结构光刻胶的涂胶方法，其特征在于：所述半导体材料上刻蚀有沟槽和与沟槽连通的排水孔。

5.根据权利要求1所述一种悬架结构光刻胶的涂胶方法，其特征在于：在步骤1)之前，添加有机溶剂稀释所述光刻胶。

6.根据权利要求1所述一种悬架结构光刻胶的涂胶方法，其特征在于：在步骤1)之前，挥发所述光刻胶中的有机溶剂以浓缩所述光刻胶。

7.根据权利要求1所述一种悬架结构光刻胶的涂胶方法，其特征在于：重复利用步骤1)形成多层光刻胶膜后，再利用步骤2)将其转移至所述半导体材料上。

8.根据权利要求1所述一种悬架结构光刻胶的涂胶方法，其特征在于：重复利用步骤1)、2)，在所述半导体材料上多次贴覆，得到多层光刻胶膜。

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