CN104614947A - 柔性、可拉伸、可变形曲面光刻模板与光刻方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纳米加工领域，为实现(1)该系统可以实现在具有复杂曲面的基底上进行光刻；(2)该光刻系统使用一个模板，可以实现具有相似图形的光刻，这些图形差别在于周期或者间距不同，本发明：柔性、可拉伸、可变形的曲面光刻模板与光刻方法，制作可拉伸的柔性光刻掩模板；制作柔性紫外发光二极管LED面板作为曝光用的光源；将柔性可拉伸的模板在可控应力的作用下紧密附着在涂有光刻胶的基底上；将柔性LED面板紧密附着在柔性模板上；按照适当的剂量和相应的曝光时间，打开LED，对光刻胶进行曝光；取下柔性LED面板；取下掩模板；本次曝光完成；接下来可进行显影和后续加工工艺。本发明主要应用于开关电容积分器的设计制造。

Description

柔性、可拉伸、可变形曲面光刻模板与光刻方法和装置

技术领域

本发明涉及纳米加工领域，具体讲，涉及柔性、可拉伸、可变形的曲面光刻模板与光刻方法和装置。

技术背景

光刻(optical lithography)是微纳加工(micro-and-nano-fabrication)领域常用技术。几乎所有的电子芯片都是用包括光刻技术在内的微纳加工过程制造而成。光刻是将附有光刻胶的基片用紫外灯通过光刻模板的照射，光刻胶按照模板上的图形在透光的部分改变了性状，经过显影之后，模板上的图形就转移到了光刻胶上。目前，用于集成电路加工的光刻技术可以达到14nm的空间分辨率；可以说，是光刻胶技术推动了集成电路基本按照摩尔定律向前发展。

光刻大都是在平面基底上进行，但许多应用需要在曲面上进行微纳加工，而曲面光刻技术很难实现，主要原因是目前的光刻模板都是做在玻璃这样刚性材质上，无法对曲面基底进行贴合，另外，由于曝光光源大都采用紫外汞灯，造成被照面上光强分布并不均匀，影响曝光效果，其他因素如复杂曲面喷胶技术等等，均会对曲面光刻造成不利影响。另外，目前的光刻模板都是做在玻璃这样刚性材质上，一种图形需要一个模板。而很多应用需要相似的图形和模板，差别仅仅在图形的周期或间距。

发明内容

为了克服现有技术的不足，实现以往光刻系统不能实现的如下两个功能：

(1)该系统可以实现在具有复杂曲面的基底上进行光刻。

(2)该光刻系统使用一个模板，可以实现具有相似图形的光刻，这些图形差别在于周期或者间距不同，为此，本发明采取的技术方案是，柔性、可拉伸、可变形的曲面光刻模板与光刻方法，制作可拉伸的柔性光刻掩模板；制作柔性紫外发光二极管LED面板作为曝光用的光源；将柔性可拉伸的模板在可控应力的作用下紧密附着在涂有光刻胶的基底上；将柔性LED面板紧密附着在柔性模板上；按照适当的剂量和相应的曝光时间，打开LED，对光刻胶进行曝光；取下柔性LED面板；取下掩模板；本次曝光完成；接下来可进行显影和后续加工工艺。掩模板和柔性LED面板可以多次使用。

制作可拉伸的柔性光刻掩模板步骤具体为：可拉伸的柔性掩模板的材质是低杨氏模量的硅胶,而掩模板上的遮光部分为金属材料，可拉伸的柔性光刻模板的制作工艺如下：首先加工出一个厚度为200-500nm的硅基板作为掩模板，将硅基板打孔后，放置到PDMS薄层表面。在硅基板放置到PDMS薄层之后，通过蒸镀或者溅射的方法在PDMS上蒸镀或溅射上金属，PDMS薄层被加工成光刻所需的掩模板。

制作柔性曝光光源步骤具体为：基底为PDMS的可拉伸的紫外LED阵列，PDMS基底上附着有贴片LED紫外光源阵列，每个LED之间的距离d为3mm左右，LED之间的连接线通过微纳加工的工艺制作，连接线可以承受拉伸形变；该光源的制作工艺为CINE(combinationof interconnects and electronics)process，即单独生产电子组件和可伸缩的连接线，然后使用flip-chip焊接技术结合他们；具体过程包括三个步骤：1)使用标准的微纳加工技术制造金属接触垫和可伸缩的连接线；2)使用可分解的粘合剂将接触垫和可伸缩的连接线粘到一个可伸缩的衬底；3)使用flip-chip技术将金属接触垫和电子组件连接起来。

曝光过程及其过程方法具体为：

1)在复杂曲面上喷射光刻胶，以喷涂的方式进行，并加热烘干去除有机溶剂；

2)将可拉伸的柔性模板紧密附着在基底上，金属的表面向下，与光刻胶接触；

3)如果需要，对可拉伸的柔性模板进行拉伸，改变图形的周期或间距；

4)将LED柔性平板紧密附着在可拉伸的柔性光刻模板，然后打开LED，进行曝光；曝光时PDMS掩模板附着在光刻胶上之后，再将柔性LED光源附着在PDMS之上，LED表面朝下，与PDMS表面紧密接触，然后打开LED灯进行曝光；

5)移开曝光用的柔性LED和可拉伸的柔性光刻模板，光刻胶显影。

一种柔性、可拉伸、可变形的曲面光刻模板与光刻装置，可拉伸的柔性光刻掩模板的材质是低杨氏模量的硅胶,而掩模板上的遮光部分为金属材料，通过蒸镀或者溅射的方法在PDMS上蒸镀或溅射上金属，PDMS薄层即为掩模板；柔性曝光光源基底为PDMS的可拉伸的紫外LED阵列，PDMS基底上附着有贴片LED紫外光源阵列，每个LED之间的距离d为3mm左右。

曝光光源采用贴片LED紫外光源阵列替代传统的光刻所使用的紫外汞灯。贴片LED大小为2mm*1mm左右，每个LED之间的间距为1mm左右，LED阵列发出的光通过光刻掩模板即PDMS薄膜后，由于散射的作用使得被照面上的光强分布更加均匀，光刻效果更好，避免了由于曝光不均匀产生的曝光不足和过度曝光的现象。

LED阵列可以采用二维可拉伸的电路系统替代一维可拉伸的电路系统，即在一维横向可拉伸的电路结构基础上，在纵向也添加可拉伸的结构。LED阵列变为二维可拉伸光源，便于柔性光源的拉伸。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

(1)可在具有复杂曲面的基底上进行光刻，而之前的光刻技术只能在平面基底上进行。

(2)可用一个模板实现相似但不相同的图形的光刻。这些图形具有不同的间距或者空间周期，大大扩展了光刻技术的应用范围并实现模板的复用，降低模板的制作成本。

附图说明

图1具体加工过程图，图中，(a)准备硅基片作为掩模板，基片厚度200-500nm；(b)在掩模板上，打出的孔要贯穿整个掩模板，使得金属溅射后可以附着在基底上；(c)将掩模板转移到基底上，基底为PDMS；(d)蒸镀或溅射金属(以下以Au为例)，金属附着到基底上后，移开掩模板。

图2曝光所用光源为分布式柔性LED平板图。

图3.制作LED阵列示意图。

图4.二维LED阵列电极示意图。

图5.喷涂过程示意图。

图6.附着柔性掩模板的示意图。

图7拉伸过程图。

图8LED柔性平板曝光过程示意图。

图9显影后的光刻胶与基底

具体实施方式

本发明的技术方案为：制作可拉伸的柔性光刻掩模板；制作柔性紫外发光二极管(LED)面板作为曝光用的光源；将柔性可拉伸的模板在可控应力的作用下紧密附着在涂有光刻胶的基底上(可以是平面或者复杂曲面)；将柔性LED面板紧密附着在柔性模板上；按照适当的剂量和相应的曝光时间，打开LED，对光刻胶进行曝光；取下柔性LED面板；取下掩模板；本次曝光完成。接下来可进行显影和后续加工工艺。掩模板和柔性LED面板可以多次使用。

下面对技术方案中的步骤进行了详细说明

(1)制作可拉伸的柔性光刻掩模板

可拉伸的柔性掩模板的材质可以是低杨氏模量的硅胶，如PDMS(Polydimethylsiloxan),Eco-flex等。而掩模板上的遮光部分可以用金、铝、铜等金属，可拉伸的柔性光刻模板的制作工艺如下(以PDMS为例)：首先加工出一个厚度为200-500nm的硅基板作为掩模板，将硅基板打孔后，放置到PDMS薄层表面。在硅基板放置到PDMS薄层之后，通过蒸镀或者溅射的方法在PDMS上蒸镀或溅射上金属，PDMS薄层被加工成光刻所需的掩模板。具体加工过程如图1所示。

(2)柔性曝光光源

本发明中的曝光所用光源为分布式柔性LED平板，如图2所示。

图2.基底为PDMS的可拉伸的紫外LED阵列。PDMS基底上附着有贴片LED紫外光源阵列，每个LED之间的距离d为3mm左右。LED之间的连接线(以Au为例)可以通过微纳加工的工艺制作，连接线可以承受拉伸形变。

制作LED光源阵列的过程，如图3所示。该光源的制作工艺为CINE(combination ofinterconnects and electronics)process，即单独生产电子组件和可伸缩的连接线，然后使用flip-chip焊接技术结合他们。具体过程包括三个步骤：1)使用标准的微纳加工技术制造金属接触垫和可伸缩的连接线；2)使用可分解的粘合剂将接触垫和可伸缩的连接线粘到一个可伸缩的衬底；3)使用flip-chip技术将金属接触垫和电子组件连接起来。图3.制作LED阵列示意图。

LED阵列可以采用二维可拉伸的电路系统替代一维可拉伸的电路系统，如图4所示，在一维横向可拉伸的电路结构基础上，在纵向也添加可拉伸的结构。LED阵列变为二维可拉伸光源，便于柔性光源的拉伸。图4.二维LED阵列电极。

(3)曝光过程及其方法

1)在复杂曲面上喷射光刻胶，喷射过程如图5所示。有别于平面二维工艺，在复杂曲面上附光刻胶的过程不能通过离心进行，而代之以喷涂的方式进行，并加热烘干去除有机溶剂。

图5.喷涂过程示意图。采用喷胶工艺将光刻胶均匀的喷在复杂曲面基底上。

2)将可拉伸的柔性模板紧密附着在基底上，金属的表面向下，与光刻胶接触，如图6所示。

图6.附着柔性掩模板的示意图。曲面基底喷涂上光刻胶之后，将可拉伸的柔性PDMS掩模板附着在光刻胶之上，将有金属的表面朝下，与光刻胶紧密接触。

3)如果需要，可以对可拉伸的柔性模板进行拉伸，改变图形的周期或间距，拉伸过程如图7所示。

图7.掩模板拉伸过程示意图。若遇到相似但不相同的图形的光刻，例如这些图形具有不同的间距或者空间周期，可以在可拉伸的柔性掩模板侧面施加拉力，将模板拉伸为光刻所需要的形状。

4)将LED柔性平板紧密附着在可拉伸的柔性光刻模板，然后打开LED，进行曝光。曝光过程如图8所示。

图8.LED柔性平板曝光过程示意图。PDMS掩模板附着在光刻胶上之后，再将柔性LED光源附着在PDMS之上，LED表面朝下，与PDMS表面紧密接触，然后打开LED灯进行曝光。

5)移开曝光用的柔性LED和可拉伸的柔性光刻模板，光刻胶显影。显影结果如图9所示。

图9.显影后的光刻胶与基底。经过显影之后的光刻胶被刻蚀出所需形状，此次光刻完成。

该曲面光刻的曝光过程的实施需要在100级的超净间里进行，并且是光刻所需要的黄光区。可拉伸的柔性模板在材质上不应过粘，与光刻胶接触后还能够在不剥离光刻胶的情况下从光刻胶上剥离。

Claims (7)

1.一种柔性、可拉伸、可变形的曲面光刻模板与光刻方法，其特征是，制作可拉伸的柔性光刻掩模板；制作柔性紫外发光二极管LED面板作为曝光用的光源；将柔性可拉伸的模板在可控应力的作用下紧密附着在涂有光刻胶的基底上；将柔性LED面板紧密附着在柔性模板上；按照适当的剂量和相应的曝光时间，打开LED，对光刻胶进行曝光；取下柔性LED面板；取下掩模板；本次曝光完成；接下来可进行显影和后续加工工艺；掩模板和柔性LED面板能够多次使用。

2.如权利要求1所述的柔性、可拉伸、可变形的曲面光刻模板与光刻方法，其特征是，制作可拉伸的柔性光刻掩模板步骤具体为：可拉伸的柔性掩模板的材质是低杨氏模量的硅胶,而掩模板上的遮光部分为金属材料，可拉伸的柔性光刻模板的制作工艺如下：首先加工出一个厚度为200-500nm的硅基板作为掩模板，将硅基板打孔后，放置到PDMS薄层表面。在硅基板放置到PDMS薄层之后，通过蒸镀或者溅射的方法在PDMS上蒸镀或溅射上金属，PDMS薄层被加工成光刻所需的掩模板。

3.如权利要求1所述的柔性、可拉伸、可变形的曲面光刻模板与光刻方法，其特征是，制作柔性曝光光源步骤具体为：基底为PDMS的可拉伸的紫外LED阵列，PDMS基底上附着有贴片LED紫外光源阵列，每个LED之间的距离d为3mm左右，LED之间的连接线通过微纳加工的工艺制作，连接线可以承受拉伸形变；该光源的制作工艺为CINE(combination of interconnects and electronics)process，即单独生产电子组件和可伸缩的连接线，然后使用flip-chip焊接技术结合他们；具体过程包括三个步骤：1)使用标准的微纳加工技术制造金属接触垫和可伸缩的连接线；2)使用可分解的粘合剂将接触垫和可伸缩的连接线粘到一个可伸缩的衬底；3)使用flip-chip技术将金属接触垫和电子组件连接起来。

4.如权利要求1所述的柔性、可拉伸、可变形的曲面光刻模板与光刻方法，其特征是，曝光过程及其过程方法具体为：

1)在复杂曲面上喷射光刻胶，以喷涂的方式进行，并加热烘干去除有机溶剂；

2)将可拉伸的柔性模板紧密附着在基底上，金属的表面向下，与光刻胶接触；

3)如果需要，对可拉伸的柔性模板进行拉伸，改变图形的周期或间距；

4)将LED柔性平板紧密附着在可拉伸的柔性光刻模板，然后打开LED，进行曝光；曝光时PDMS掩模板附着在光刻胶上之后，再将柔性LED光源附着在PDMS之上，LED表面朝下，与PDMS表面紧密接触，然后打开LED灯进行曝光；

5)移开曝光用的柔性LED和可拉伸的柔性光刻模板，光刻胶显影。

5.一种柔性、可拉伸、可变形的曲面光刻模板与光刻装置，其特征是，可拉伸的柔性光刻掩模板的材质是低杨氏模量的硅胶,而掩模板上的遮光部分为金属材料，通过蒸镀或者溅射的方法在PDMS上蒸镀或溅射上金属，PDMS薄层即为掩模板；柔性曝光光源基底为PDMS的可拉伸的紫外LED阵列，PDMS基底上附着有贴片LED紫外光源阵列，每个LED之间的距离d为3mm左右。

6.一种柔性、可拉伸、可变形的曲面光刻模板与光刻装置，其特征是，曝光光源采用贴片LED紫外光源阵列替代传统的光刻所使用的紫外汞灯。贴片LED大小为2mm*1mm左右，每个LED之间的间距为1mm左右，LED阵列发出的光通过光刻掩模板即PDMS薄膜后，由于散射的作用使得被照面上的光强分布更加均匀，光刻效果更好，避免了由于曝光不均匀产生的曝光不足和过度曝光的现象。

7.一种柔性、可拉伸、可变形的曲面光刻模板与光刻装置，其特征是，LED阵列可以采用二维可拉伸的电路系统替代一维可拉伸的电路系统，即在一维横向可拉伸的电路结构基础上，在纵向也添加可拉伸的结构。LED阵列变为二维可拉伸光源，便于柔性光源的拉伸。