CN110928142B - 一种光刻厚胶与金属基底结合力的改善方法 - Google Patents

一种光刻厚胶与金属基底结合力的改善方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于提高光刻厚胶与金属晶圆基底结合力的工艺方法，特别适用于需要通过厚胶光刻作为金属电铸母型的UV‑LIGA工艺过程。过程在于选取一紫外厚胶，采用光刻胶稀释剂稀释紫外厚胶至目标浓度，先在金属基底表面实现5μm以下的薄胶涂覆工艺，通过坚膜热处理增强与金属基底的结合力；再采用二次涂覆同种类型紫外厚胶，并实现单次涂覆厚度10～150μm的厚胶图形光刻；最终通过氧等离子体干法刻蚀工艺，去除金属基底表面首次涂覆及坚膜处理的薄光刻胶膜，获得带有厚胶图形的金属基底晶圆，可用于后续UV‑LGA工艺过程。

Description

一种光刻厚胶与金属基底结合力的改善方法
技术领域
本发明涉及一种增强光刻胶与金属基底结合力的工艺形成方法，尤其涉及一种SU8紫外厚胶与晶圆镀膜形成金属基底的结合力的改善方法，适用于采用紫外厚胶进行金属基底电铸的UV-LIGA工艺等。
背景技术
UV-LIGA工艺是一种制备微纳金属结构的MEMS(微机电系统)技术，通常在金属基底表面形成微小的光刻胶母型结构，再采用电铸的方法形成金属微结构。UV-LIGA技术可用于制作各种精密、异形、难以采用传统机加工艺实现的金属微结构，适用于航空航天、精密仪表、微机械等高新技术领域。紫外厚胶作为UV-LIGA工艺中电铸金属的母型结构，其在金属基底上的稳定程度是影响UV-LIGA后续工艺实现的关键，目前最为常用的紫外厚胶材料是美国MicroChem公司生产的SU8光刻胶。该种光刻胶是一种具有高度透光性的环氧基聚合物材料，其本身具有耐腐蚀性好、光刻图形精度高、实现深宽比大等优点，因此，在UV-LIGA工艺的众多研究中多采用该种光刻胶。但是，由于SU8光刻胶本身与金属基底结合力较差，尤其是导电性高，成本低的金属铜基底材料的结合力更差，经常在涂覆光刻胶材料后，在对光刻胶进行显影的过程中，SU8光刻胶就与金属铜基底分离，更无法保证后续UV-LIGA工艺在电铸过程中光刻胶的完整性。
为了改善光刻胶与金属基底胶膜的结合力水平，人们提出过一些针对性的工艺方法。如采用MicroChem公司推荐的增粘剂处理是一种常用方法。又如早在2002年，刘景全等人就在《SU8胶与基底结合特性的实验研究》一文中指出，SU8胶与金属铜，铬，钛等基底的结合力都不佳，并对结合力不好的原因开展了分析研究，对比了接触角，反射率，粗糙度等因素，并指出近紫外光折射率高的基底与SU8光刻胶具有更好的结合力，并采用氧化处理金属钛膜表面，来提升其与SU8的结合力，获得良好效果。又如专利201110206446.6中，提出了一种采用在传统工艺中加入氧化气氛并生长粘结过渡层的方法来提升光刻胶与金属基底的结合力的方法。又如专利CN 108751125A中，提出了一种SU8胶与电铸金属层界面结合力的改善方法，通过在沉积金属之前，利用紫外光刻形成的凹槽胶层结构，增加与电铸层的基础面积来改善电铸层与胶膜的结合力。上述提及的光刻胶与金属基底的结合力的改进方法可以起到良好的改善作用，但对于某些金属基底或用于后续电铸的UV-LIGA工艺来说，不能起到很好的改善作用，或引入了其他问题。比如，采用HMDS(六甲基二硅胺)做为增粘剂在铜基底上涂覆后，在旋涂较厚的SU8光刻胶时无法改善结合力；采用氧化金属表面的方法，会降低金属的导电率，尤其是在晶圆表面采用镀膜形成的金属基底，对导电率影响更大，从而影响UV-LIGA工艺后续的电铸过程。目前改善SU8光刻胶与金属基底表面结合力方法的不足可以概括为：(1)改善方法存在附加的过渡层；(2)需要改变金属基底表面的粗糙度或光反射特性才能提升结合力；(3)改善方法可能影响金属基底的导电性能，会对UV-LIGA工艺的电铸过程产生影响。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光刻厚胶与金属基底结合力的改善方法，不添加异种材料过渡层且不用改变金属基底表面状态，就可以提高光刻厚胶与金属晶圆基底结合力。
本发明的技术解决方案是：一种光刻厚胶与金属基底结合力的改善方法，该方法包括如下步骤：
(1)、采用物理气相沉积方法在晶圆表面制备金属薄膜，形成晶圆金属基底；
(2)、选取一定厚度的紫外胶，对紫外胶进行稀释处理，形成可涂覆5μm厚度以下的光刻胶液；
(3)、在步骤(1)所形成的晶圆金属基底表面涂覆(2)中所述稀释后的光刻胶液，并进行前烘处理，在晶圆金属基底表面形成第一层胶膜；
(4)、对涂覆有第一层胶膜的晶圆金属基底进行坚膜处理，使得第一层胶膜与金属表面通过充分结合紧密；
(5)、在步骤(4)中进行坚膜处理之后的晶圆基底表面，涂覆未经稀释的紫外胶并进行前烘处理，在晶圆金属基底表面形成第二层胶膜，得到达到目标厚度的光刻胶膜；
(6)、对步骤(5)得到的光刻胶膜，进行曝光、后烘、显影处理，获得光刻胶母型结构；
(7)、采用氧等离子体刻蚀工艺，光刻胶母型结构进行刻蚀，将露在晶圆表面紫外胶膜刻蚀干净，直至露出晶圆表面的金属薄膜结构，形成结合力良好的光刻厚胶与金属基底的UV-LIGA电铸母型结构。
所述步骤(1)中的金属薄膜类材料包括Ni、Cu、Ti、Au、Cr、Pt以及包含这些材料的复合薄膜或合金。
所述金属薄膜类材料的厚度范围50～1000nm。
所述步骤(2)选取一定厚度的紫外胶的厚度范围为10～150μm。
所述坚膜处理的温度为150～300℃，持续时间为15～60min。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
，由于在晶圆金属基底表面先通过涂覆较薄的同种紫外厚胶材料，并采用坚膜工艺改善薄胶与基底的结合情况，最终再通过氧等离子体干法刻蚀去除薄胶的工艺，因此
(1)、本发明没有在金属基底与紫外光刻厚胶间引入异种材料作为过渡层，本方法采用的是稀释后的同种紫外厚胶作为首次涂覆层，稀释溶剂在热处理的过程中从基底表面挥发，剩余胶膜的固化组分与后续涂覆紫外厚胶相同，不会引入过渡层与金属基底的匹配问题。
(2)、本发明不用改变金属基底的表面状态，即可以起到改善结合力的作用，又能够满足后续UV-LIGA工艺电铸过程需要表面金属具备高的电导率的需求。
(3)、本发明在镀覆金属薄膜的晶圆表面尤为适用，金属表面不用粗化，也不用进行氧化等工艺，直接在镀膜后的原始状态下进行旋涂薄胶，覆盖整个金属基底表面，坚膜热处理后，薄胶溶剂完全挥发，并与金属基底形成了良好的粘合作用，同时，再次涂覆厚胶时，该层薄胶可以起到过渡结合的作用，又避免了厚胶无法在折射率低的金属表面显影时易脱落的问题。
(4)、本发明同时能够实现对近紫外光反射率低的金属如铜、镍、金等基底结合力的改善，不会发生胶膜。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图；
图2为实施例所用晶圆示意图；
图3为实施例所用晶圆表面溅射沉积金属薄膜后的结构示意图；
图4为实施例所用晶圆首次涂覆稀释紫外厚胶结构示意图；
图5为实施例所用晶圆二次涂覆紫外厚胶；
图6为实施例所用晶圆二次涂覆紫外厚胶光刻后的结构示意图；
图7为实施例所用晶圆利用氧等离子体刻蚀去除首次涂覆薄胶整体结构示意图。
具体实施方式
为了实现本发明的目的，本发明所采用的增强光刻胶与金属基底结合力的工艺形成方法主要包括晶圆金属基底制备，选用紫外厚胶，稀释剂稀释紫外厚胶至目标浓度，首次涂覆，光刻胶坚膜处理，二次涂覆没有稀释的紫外厚胶，光刻工艺实现，氧等离子体实现首次涂覆薄胶的去除，实现与金属基底结合力良好的光刻厚胶结构等步骤，流程如图1所示，具体工艺步骤如下：
(1)、采用物理气相沉积技术在晶圆表面制备金属薄膜，形成晶圆金属基底，所述的金属薄膜类材料，如Ni、Cu、Ti、Au、Cr、Pt等以及它们的复合薄膜或合金等，厚度范围50～1000nm；具体做法可以是生长一层50～1000nm厚度范围的金属层，最为常用的如Cu、Au、Ni等。所述晶圆为按照UV-LIGA工艺的需求选取晶圆，沉积金属薄膜以前需对选取的晶圆进行去污清洗。可以采用湿法溶液清洗，如丙酮、乙醇等有机溶剂进行超声清洗10～20min，也可根据不同要求或晶圆材料采用浓H2SO4与H2O2按体积比配置清洗液，加热煮沸10～20min，再通过水洗后，用氮气吹扫晶圆表面残余水渍，放入烘箱做100℃以上烘干处理。
(2)、选用可进行UV-LIGA工艺的紫外厚胶；对选用的紫外厚胶采用稀释剂进行稀释处理，形成可涂覆5μm厚度以下的光刻胶液；
(3)、在所形成的晶圆金属基底表面涂覆(2)中所述稀释后的光刻胶液，并进行前烘处理，在晶圆金属基底表面形成第一层胶膜；
(4)对涂覆有第一层胶膜的晶圆金属基底进行坚膜处理，使得第一层胶膜与金属表面通过充分结合紧密；所述坚膜处理的温度为150～300℃，持续时间为15～60min。
(5)、在步骤(4)中进行坚膜处理之后的晶圆基底表面，涂覆未经稀释的紫外胶并进行前烘处理，在晶圆金属基底表面形成第二层胶膜，得到达到目标厚度的光刻胶膜。
(6)、对步骤(5)得到的光刻胶膜，进行曝光、后烘、显影处理，获得光刻胶母型结构，光刻胶单次形成的结构厚度在10～150μm，对应所述步骤(2)选取的紫外胶厚度范围。
(7)采用氧等离子体刻蚀工艺，对光刻胶母型结构进行刻蚀，将露在晶圆表面紫外胶膜刻蚀干净，直至露出晶圆表面的金属薄膜结构，形成结合力良好的光刻厚胶与金属基底的UV-LIGA电铸母型结构。
实施例：
(1)按照UV-LIGA工艺的需求选取晶圆1，对选取的晶圆进行去污清洗。可以采用湿法溶液清洗，如丙酮、乙醇等有机溶剂进行超声清洗10～20min，也可根据不同要求或晶圆材料采用浓H2SO4与H2O2按体积比配置清洗液，加热煮沸10～20min，再通过水洗后，用氮气吹扫晶圆表面残余水渍，放入烘箱做100℃以上烘干处理，最终晶圆如图2。
(2)选利用物理气相沉积方法在晶圆表面沉积金属薄膜，生长一层600nm厚金属Cu层2，如图3。
(3)选用光刻胶SU8 2075，采用环戊酮有机溶剂，对SU8 2075光刻胶稀释，稀释比例体积比2:1。
(4)旋涂稀释后光刻胶3，匀胶转速3500转/min，前烘65℃5min，95℃15min，在晶圆表面获得第一层薄胶厚度约2μm。
(5)在150℃下坚膜15min，使得使得第一层胶膜与金属表面通过充分结合紧密，形成如图4结构。
(6)旋涂未稀释SU8 2075光刻胶4，匀胶转速3000转/min，前烘65℃5min，95℃15min，如图5所示。
(7)对(6)中形成的第二层光刻胶膜进行曝光、后烘、显影处理。曝光能量160mJ/cm2，后烘参数为65℃5min，95℃15min，显影时间为300s，获得光刻胶母型，光刻胶结构厚度75μm。如图6所示。
(8)采用氧等离子体刻蚀工艺，对(6)中获得基片进行刻蚀，设置O2流量49sccm，腔室压力6mTorr，源电极功率250W，偏置电极功率100W，腔室上盖温度45℃，偏置电极冷却温度20℃，He背冷压力9800mTorr，刻蚀时间3min，去除薄胶3，形成最终结合力良好并能够用于UV-LIGA工艺的光刻胶母型结构。如图7所示。
实施例效果对比表
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种光刻厚胶与金属基底结合力的改善方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、采用物理气相沉积方法在晶圆表面制备金属薄膜，形成晶圆金属基底；
(2)、选取一定厚度的紫外胶，对紫外胶进行稀释处理，形成可涂覆5μm厚度以下的光刻胶液；紫外胶的厚度范围为10～150μm；
(3)、在步骤(1)所形成的晶圆金属基底表面涂覆(2)中所述稀释后的光刻胶液，并进行前烘处理，在晶圆金属基底表面形成第一层胶膜；
(4)、对涂覆有第一层胶膜的晶圆金属基底进行坚膜处理，使得第一层胶膜与金属表面通过充分结合紧密；
(5)、在步骤(4)中进行坚膜处理之后的晶圆基底表面，涂覆未经稀释的紫外胶并进行前烘处理，在晶圆金属基底表面形成第二层胶膜，得到达到目标厚度的光刻胶膜；
(6)、对步骤(5)得到的光刻胶膜，进行曝光、后烘、显影处理，获得光刻胶母型结构；
(7)、采用氧等离子体刻蚀工艺，光刻胶母型结构进行刻蚀，将露在晶圆表面紫外胶膜刻蚀干净，直至露出晶圆表面的金属薄膜结构，形成结合力良好的光刻厚胶与金属基底的UV-LIGA电铸母型结构。
2.根据权利要求1所述的一种光刻厚胶与金属基底结合力的改善方法，其特征在于所述步骤(1)中的金属薄膜类材料包括Ni、Cu、Ti、Au、Cr、Pt以及包含这些材料的复合薄膜或合金。
3.根据权利要求1所述的一种光刻厚胶与金属基底结合力的改善方法，其特征在于所述金属薄膜类材料的厚度范围50～1000nm。
4.根据权利要求1所述的一种光刻厚胶与金属基底结合力的改善方法，其特征在于所述坚膜处理的温度为150～300℃，持续时间为15～60min。
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