CN112882358A - 一种加工制作pdms微流控芯片中对准曝光系统的对准标记设计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加工制作PDMS微流控芯片中对准曝光系统的对准标记设计，本发明的对准标记将复杂高难度的对准工艺拆分成粗对准与精对准两步，降低了难度，又由于微流控芯片加工制作对精对准要求不高，同时本工艺又能降低粗对准难度，所以本方法较适合微流控芯片加工，能够节省时间提高效率，提高产品的合格率。

Description

一种加工制作PDMS微流控芯片中对准曝光系统的对准标记 设计

技术领域

本发明涉及一种光刻装置的对准曝光(aligner)系统，具体涉及一种加工制作PDMS微流控芯片中对准曝光系统的对准标记设计。

背景技术

随着UV光刻技术是微纳加工领域的常用技术，例如，用于集成电路制造、微光学、微机械及近年来迅速发展的微流控芯片加工等。光刻工艺是通过曝光技术将掩膜上的图形转移到涂覆于基片(硅片)表面的光刻胶上，然后通过显影、坚模、刻蚀等工艺将图形转移到基片上。对于PDMS微流控芯片的制作加工则是将UV(紫外光)敏感的光刻胶(例如SU-8负性光刻胶)均匀涂布在硅片上，预先设计好掩膜带有芯片通道图案，在使用SU-8负性光刻胶进行光刻时，掩膜通道区域为透明，其他为不透明，UV穿过掩膜透明区域照在光刻胶上会使光刻胶分子发生交联反应，对显影试剂不再敏感，不会被后续显影液洗掉，未被照射区域可被显影液清洗掉，如此可在硅片上制作出凸起物类似模具，称之阳模。液态PDMS胶倒在模具上，固化后揭起，形成PDMS上的微通道，通道图案与掩膜上的设计一致。如此通过光刻、显影、PDMS注塑工序掩膜上的几何图形转移到PDMS上制作出微流控芯片，此制作过程与集成电路制造相同。光刻工艺是微流控芯片制作、集成电路制造技术和微光学、微机械技术的先导和基础。

复杂多层微流控芯片加工过程中掩膜与基片的对准是光刻中的关键步骤。复杂多层微流控芯片需要将两种或多种高度的微通道设计在同一个芯片上，一次光刻胶涂布只能制作出一个高度的微通道，多种高度的微通道需要经过多次涂布、曝光、显影才能完成。每次曝光都需要一块掩膜，光刻曝光时每一块掩膜都需要和前次已经光刻的图像进行对准，以保证每一层图形有精确的相对位置，这称为套刻对准。套刻精度是光刻机的重要技术指标，而对准精度是影响套刻精度的主要因素。掩膜及基片上的对准记号对于套刻精确度有较大影响。常用于集成电路制造的掩膜对准有基于几何图案、波带片的强度探测、激光干涉、莫尔条纹等对准标记，对准误差只允许在光刻分辨率(小于1微米)的1/3-1/5 范围，对技术设备要求较高。对于微流控芯片，套刻精度要求相对较低，普通曝光机对准偏差控制在10微米以内就可满足应用，采用基本的几何图案对准即可。如此，微流控芯片制作对准标记的设计对套刻精度的影响相对更大，对准效果将对人为因素依赖性更大。光刻机(曝光机)上掩膜与基片的对准时掩膜平台与基片平台都可平移，基片平台还可以上下移动及旋转。掩膜上的对准标记与基片上的标记完全重合时即表示完全对准。微流控芯片加工中使用的对准标记图形不宜太大，不能像集成电路制作中设计的大块对准标记那样，因为为了提高套刻精度光刻机显微镜放大倍率较大，导致视野较小，标记图形太大会超出了光刻机显微镜观察视野，使用放大倍率小的物镜又会降低套刻精确度，另外，标记较大也不利于硅片的回收再利用。常用的对准标记有“十”字架、“米”字型、方框等结构，其中十字架标记使用较多，但是此标记为两条垂直的线所覆盖面积较少，在用负性光刻胶进行光刻操作时，掩膜十字架为透明，线条窄，较难透过掩膜上面积有限的十字架(图1左白色)探查位于下方基片上的十字架(图1左深灰色)对准标记，增大了对准难度，使用效果差。米字型与方框也有类似的缺点。另外，常用的对准标记多设计在掩膜边缘位于前后左右四个位置，标记个数多理论上可以增加对准精确度，但实际操作中较多的对准位点反而会导致顾此失彼的结果，降低对准效率，高倍显微镜下大范围内搜索目标标记也比较困难。对于对准精度要求不高的微流控芯片制作加工，我们使用处在对位的两个标记即可，观察此两点仅需调节移动工作台进行横向或纵向单向的移动(图1右)，直线运动便于快速找到标记，方便快速，也较容易观察因旋转导致的偏差，提高了对准效率。硅片的旋转偏差是套刻操作都会面临的问题，相对于前后左右的平移操作，旋转偏差更难校正，因为只要旋转的中心与硅片不同心，就难以判断旋转的效果，甚至造成更大的偏差。另外，显微镜目镜下物体运动方向与我们的认知习惯不一致，这也增加了对准操作的难度等。

所以，针对这些问题我们提出一种新的对准标记结构，适用于用接触式、接近式及投影式光刻机进行的套刻操作。实验中，采用此对准标记在普通国产曝光机(型号JKG-2A)上也可以实现与进口光刻机(ABM.Inc.Mask Aligner) 同样的对准精度与效率。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种加工制作PDMS微流控芯片中对准曝光系统的对准标记设计，新的对准标记结构用于微流控芯片加工中掩膜与基片的快速对准(套刻)操作。

技术方案：一种加工制作PDMS微流控芯片中对准曝光系统的对准标记设计：

(1)采用圆面上嵌套十字架的结构作为套刻对准标记；

(2)此对准标记中圆的圆心与十字架中心重叠；

(3)十字架线段长度大于圆直径；

(4)此对准标记中圆的直径不做精确要求，在直径为80mm的硅片上以1-2mm 肉眼易察觉为宜；十字架线段长度亦不做精确要求，3-4mm为宜不影响芯片结构即可。

(5)为提高精对准的对准精度，十字架线宽设计较窄，20-30微米为宜，(低于20微米时已经接近光刻显影分辨率的极限，同时此线条结构稳定性也差，较宽则又会降低精确度，20-30微米为宜)；

(6)用作对准的圆十字架标记设计在掩膜边缘对位位置，如此两个对准标记即可完成对准，还可以另外在掩膜中心再设计一十字架对准标记标志中心位置，对位的对准标记应设计在掩膜边缘不影响芯片结构即可；

(7)套刻时，掩膜的圆对准标记应略大于硅片上的圆(硅片圆直径是掩膜的圆直径的0.85-0.95倍)，如此可方便透过掩膜观察硅片对准标记并进行调整；

进一步的，用圆作为对准标记，可以较为方便的透过面积较大的圆发现硅片上的对准标记，可以快速实现粗对准。

进一步的，由于对准标记位置肉眼能够观察到，在套刻前的掩膜安装时尽量将掩膜标记置于硅片标记的上方，安装完毕后再在显微镜下进一步对准。如此，仅需要两个此对准标记即可完成对准操作，用处在对位的两个标记点进行对准即可。如此我们可以把标记的搜索锁定在Y轴上。

进一步的，粗对准完成后，再用传统的十字架标记为参考完成精对准。

进一步的，对准时，掩膜上各对准标记中的圆外十字架线条与硅片十字架线条完全重合时即表示精对准完成，对准成功。

进一步的，圆联合十字架标记，先用圆标记实现粗对准，紧接着用十字架实现精对准，如此将高难度的对准操作分解为粗对准与精对准两步，降低难度，便于操作。

进一步的，用接触式曝光机进行套刻时，对准后硅片掩膜接触时有时因两者的接触作用会导致两者之间发生偏移，在两者接触力度较轻时通过旋转及X、 Y轴方向的平移可实现再对准，然后将硅片与掩膜压紧、曝光。

有益效果：本发明的具体优势如下：

1.本发明的共线的三点对准标记，工作平台仅需沿Y轴移动就能够锁定标记目标，不用在平面内“扫描”，如此，方便而快速，针对需要多次往复寻找标记的对准调试过程，可以节省大量时间。同时，共线的三点对准标记也有利于观察分析旋转偏差，并快速进行调整，降低了对准难度，精简了标记点数量，提高效率。

2.本发明的标记点图形设计为传统的十字架加一圆形。圆形扩大了面积，利于识别，圆形可以视为一个较大的点，能够更为形象的代表标记点，比十字架更为直观。圆形加十字架的设计，圆形有面积用来进行粗对准，十字架为线条进行进一步的精对准，如此，能充分发挥“面”与“线”各自独特的优势，并把对准过程分为了两步，先粗对准后精对准，降低难度，压缩时间，提高效率。

3.针对接触式光刻机，对准后硅片与掩膜接触导致发生偏移，可以在小力度接触时再对准，然后加大接触力度，进而进行曝光，实现精确对准，对于接触式光刻机这一步较重要。

4.本发明的套刻精度是衡量光刻机性能的标准之一，也是制约电子工业中集成电路芯片开发的瓶颈问题。高精度套刻不仅对光刻机性能要求要高，而且需要适合的对准标记及工艺技术。应用此对准工艺及对准标记，可以较为方便地使用普通国产曝光机JKG-2A进行套刻，偏差可控制在5微米内，对准效率不亚于进口光刻机ABM.Inc.Mask Aligner。本发明的技术方案适用于所有类型光刻机。

附图说明

图1是常规的对准标记示意图；其中，左图示为十字架标记对准情况；右图示为上下两标记点对准进行的旋转偏差；

图2是本发明的对准标记示意图；

图3是本发明的实际设计标记示意图，其中，外围大圆直径为80mm；

图4是本发明的图2的标记圆形标记结构放大示意图；

图5是本发明的硅片对准标记与掩膜标记完全对准示意图；

图6是本发明的实物示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

更快速、更精确、更便捷地实现掩膜与硅片的对准套刻是本发明的目标。相对于传统的周围型四标记位点，本发明采用如图2所示的共线的三个对准标记位点进行对准。上下各有一个圆，中央为十字架。上下圆心与十字架中心共线，这样在对准操作时只要沿Y轴移动平台即可。光刻机工作台可灵活移动，可在水平面内随意移动，但是沿X、Y轴做直线运动更易于控制。实验操作中，光刻机(或曝光机)显微镜目镜视野小，手动移动光刻机工作平台在较大的掩膜上搜索目标较为困难。对准操作需要反复调试，能够快速锁定目标可以大大减少操作时间，提高效率。通过本发明的三点设计将标记锁定在Y轴上，就只需在Y轴上往复搜索即可。同时，由于分析的对准点位于Y轴上，较易分析硅片旋转偏差(图1右)并快速进行调整，降低了套刻难度。

在上下圆标记上再设计一个以圆心为中心的小十字架，小十字架线段长度大于圆直径。圆形设计相对于传统的十字架标记面积较大，也更方便透过掩膜找到硅片上标记并能够显示位置偏差，方便进行调整。圆面也比十字架更易于识别。圆可以看作是放大的点，圆面代表对准点相对于十字架、米字型等更为形象、直观。用十字架作为对准标记，需要经过分析才能确定硅片十字架中心位置，使用圆面标记可以直观显示标记点所在。设计时，掩膜标记圆面积应略大于硅片上的圆面积(如图5)，方便透过掩膜观察硅片对准标记，并进行调整，这一过程为粗对准。进一步以小十字架标记做精确对准，上下两个小十字架的四条线段与掩膜上小十字架完全重合则表示对准。对于直径80mm的硅片此圆的直径为1-2mm肉眼可见为宜，十字架线段长度3-4mm，如实际设计图3所示。

微流控芯片套刻对准曝光工序如下：一次曝光时硅片放在硅片呈物台中央，并在呈物台上做好硅片位置记号。安装掩膜，尽量将掩膜中心置于掩膜台中心并做好掩膜位置记号，掩膜图案上的上下两对准标记所在直线应与掩膜台Y轴共线。二次曝光即套刻时，参照事先记号笔做好的硅片位置记号与掩膜位置记号放好硅片、安装掩膜。显微镜下进行对准，Y轴方向移动工作台，透过掩膜上圆形标记的透明区找下方硅片上的对准标记，观察两个对准点情况，分析硅片与掩膜的偏差，通过X、Y轴方向的平移调节掩膜位置及通过硅片旋转调节硅片位置实现对准。上下两对准标记完全对准后，再观察中心位置，掩膜大十字架与硅片十字架完全重合即表示对准效果好。

用接触式曝光机进行套刻时，对准后硅片掩膜接触时有时因两者的接触作用会导致两者之间发生偏移，在两者接触力度较轻时通过旋转及X、Y轴方向的平移可实现再对准，然后将硅片与掩膜压紧、曝光。

本发明设计的光刻对准标记及对准工艺非常适合微流控芯片制作加工。如图6实物图所示，展示了应用此对准工艺制作出来的芯片结构。粗线围成的是高通道(高70μm)，其余为低通道(高30μm)。高低通道只要能够正常联通就能达到设计目标，图6中高低通道对接完好，偏差较小。

本发明的方法将复杂高难度的对准工艺步骤进行分解，以降低难度，提高效率。分粗对准与精对准两步，降低了难度，又由于微流控芯片加工制作对精对准要求不高，同时本工艺又能降低粗对准难度，所以本方法较适合微流控芯片加工，能够节省时间提高效率，保证产品的合格率。

Claims (7)

1.一种加工制作PDMS微流控芯片中对准曝光系统的对准标记设计，其特征在于：

(1)采用圆面上嵌套十字架的结构作为套刻对准标记；

(2)此对准标记中圆的圆心与十字架中心重叠；

(3)十字架线段长度大于圆直径；

(4)此对准标记中圆的直径不做精确要求，在直径为80mm的硅片上以1-2mm肉眼易察觉为宜；十字架线段长度亦不做精确要求，3-4mm为宜不影响芯片结构即可。

(5)为提高精对准的对准精度，十字架线宽设计较窄，20-30微米为宜，(低于20微米时已经接近光刻显影分辨率的极限，同时此线条结构稳定性也差，较宽则又会降低精确度，20-30微米为宜)；

(6)用作对准的圆十字架标记设计在掩膜边缘对位位置，如此两个对准标记即可完成对准，还可以另外在掩膜中心再设计一十字架对准标记标志中心位置，对位的对准标记应设计在掩膜边缘不影响芯片结构即可；

(7)套刻时，掩膜的圆对准标记应略大于硅片上的圆，硅片圆直径是掩膜的圆直径的0.85-0.95倍，如此可方便透过掩膜观察硅片对准标记并进行调整。

2.根据权利要求1所述的加工制作PDMS微流控芯片中对准曝光系统的对准标记设计，其特征在于：用圆作为对准标记，可以较为方便的透过面积较大的圆发现硅片上的对准标记，可以快速实现粗对准。

3.根据权利要求1所述的加工制作PDMS微流控芯片中对准曝光系统的对准标记设计，其特征在于：由于对准标记位置肉眼能够观察到，在套刻前的掩膜安装时尽量将掩膜标记置于硅片标记的上方，安装完毕后再在显微镜下进一步对准。如此，仅需要两个此对准标记即可完成对准操作，用处在对位的两个标记点进行对准即可。如此我们可以把标记的搜索锁定在Y轴上。

4.根据权利要求1所述的加工制作PDMS微流控芯片中对准曝光系统的对准标记设计，其特征在于：粗对准完成后，再用传统的十字架标记为参考完成精对准。

5.根据权利要求1所述的加工制作PDMS微流控芯片中对准曝光系统的对准标记设计，其特征在于：对准时，掩膜上各对准标记中的圆外十字架线条与硅片十字架线条完全重合时即表示精对准完成，对准成功。

6.根据权利要求1所述的加工制作PDMS微流控芯片中对准曝光系统的对准标记设计，其特征在于：圆联合十字架标记，先用圆标记实现粗对准，紧接着用十字架实现精对准，如此将高难度的对准操作分解为粗对准与精对准两步，降低难度，便于操作。

7.根据权利要求1所述的加工制作PDMS微流控芯片中对准曝光系统的对准方法，其特征在于：用接触式曝光机进行套刻时，对准后硅片掩膜接触时有时因两者的接触作用会导致两者之间发生偏移，在两者接触力度较轻时通过旋转及X、Y轴方向的平移可实现再对准，然后将硅片与掩膜压紧、曝光。

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