CN113044803A - 一种t型结构的微制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种T型结构的微制造方法，在衬底材料表面上依次旋涂第一光刻胶层和第二光刻胶层；对其曝光后溶解第一曝光部分；将待制备T型结构的足部材料淀积到第一曝光部分露出的衬底表面上；剥离第二光刻胶层上的足部材料层；在第一光刻胶层和曝光部分的足部材料层上旋涂第三光刻胶层；对第三光刻胶层进行曝光，并采用第二显影液溶解第三光刻胶层的第二曝光部分；将待制备T型结构的头部材料淀积到第三光刻胶层、第二曝光部分露出的足部材料层和第二曝光部分露出的第一光刻胶层上；剥离第三光刻胶层和其上的头部材料层，得到待制备T型结构；本发明可以根据需要调节头部和足部的材料和尺寸，扩充了T型结构的应用范围。
Description
技术领域
本发明属于微机电技术领域，尤其涉及一种T型结构的微制造方法。
背景技术
在微机电及微型机械结构中，经常需要制造像桌子一样的结构，其上部是一个较大的头部，下部有一个或几个起支撑作用的足部，头部下方除了被足部支撑的部分，另外一些部分是悬空的。将这一结构的三维特征提取出来，其横截面形如字母T，称之为T型结构。通过微制造工艺制造的T型结构主要被使用于微机电系统中的场效应管(Field EffectTransistor，FET)，在场效应管中被称为T型栅。
为了制造出T型栅，通常使用双层胶剥离工艺(bilayer liftoff)或在双层胶剥离工艺原理上发展出来的其他技术。但是，由于技术原理的限制，难以突破传统T型栅尺寸、材料等限制，导致传统T型栅难以扩展应用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种T型结构的微制造方法，可以根据需要调节头部和足部尺寸以及材料，扩充了T型结构的应用范围。
本发明采用以下技术方案：一种T型结构的微制造方法，包括以下步骤：
在衬底材料表面上依次旋涂第一光刻胶层和第二光刻胶层；
基于第一掩膜，对第一光刻胶层和第二光刻胶层进行曝光，并采用第一显影液溶解第一光刻胶层和第二光刻胶层的第一曝光部分；
将待制备T型结构的足部材料淀积到第二光刻胶层和第一曝光部分露出的衬底表面上；足部材料的淀积厚度小于等于第一光刻胶层的厚度；
溶解第二光刻胶层，并剥离第二光刻胶层上的足部材料层；
在第一光刻胶层和曝光部分的足部材料层上旋涂第三光刻胶层；
基于第二掩膜，对第三光刻胶层进行曝光，并采用第二显影液溶解第三光刻胶层的第二曝光部分；第二曝光部分的面积包含且大于第一曝光部分的面积；
将待制备T型结构的头部材料淀积到第三光刻胶层、第二曝光部分露出的足部材料层和第二曝光部分露出的第一光刻胶层上；其中，淀积的头部材料层的厚度小于等于第三光刻胶层的厚度；
溶解第一光刻胶层，并剥离第三光刻胶层和其上的头部材料层，得到待制备T型结构。
进一步地，溶解第一光刻胶层时，将溶剂气化后进行溶解剥离。
进一步地，第一光刻胶不溶于第二显影液。
进一步地，足部材料的淀积厚度等于第一光刻胶层的厚度。
进一步地，淀积的头部材料层的厚度等于第三光刻胶层的厚度。
进一步地，足部材料与头部材料相同。
进一步地，当足部材料与头部材料不同时，采用第二显影液溶解第三光刻胶层的第二曝光部分之后、以及淀积头部材料之前，向足部材料层表面淀积中间连接层。
进一步地，足部材料为铝，头部材料为镍。
进一步地，第一光刻胶为SF6，第二光刻胶为maN1410，第三光刻胶为SU8-2002。
进一步地，第一显影液为mad533，第二显影液为SU8专用显影液。
本发明的有益效果是：本发明通过使用三种光刻胶进行T型结构的微制造，可以分开进行头部材料和足部材料的淀积，进而可以采用不同的头部材料和足部材料制造T型结构，而且足部材料层的厚度不受头部材料层厚度的约束，可以制造出适用于各种不同场景的不同参数的T型结构。
附图说明
图1为传统的T型结构制造流程图；
图2为本发明实施中T型结构制造流程图。
其中：1-1.第一硅片；1-2.A光刻胶；1-3.M掩膜；1-4.第一紫外线光线；1-5.B光刻胶；1-6.N掩膜；1-7.T型结构材料层；1-8.曝光后的A光刻胶；1-9.曝光后的B光刻胶；
2-1.第二硅片；2-2.SF6光刻胶；2-3.正胶S1811；2-4.P掩膜；2-5.第二紫外线光线；2-6.Ni金属层；2-7.光刻胶SU8-2002；2-8.Q掩膜；2-9.Al金属层；2-10.曝光后的SF6光刻胶；2-11.曝光后的正胶S1811；2-12.曝光后的光刻胶SU8-2002。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
场效应管和晶体管在射频和微波等需要大功率和高频率的领域均有极其广泛的应用。而射频功率器件的制造工艺中，T型栅电极的加工工艺是关键点之一。T型栅是指截面形状像T型的栅电极。其较窄的足部接触半导体的栅根，用来增加器件的截止频率，上部的头部需要做的比较宽，使栅极的电阻降低。
为了制造出T型栅，通常使用双层胶剥离工艺(bilayer liftoff)(工艺流程如图1)或在双层胶剥离工艺原理上发展出来的其他技术，由此制造的T型栅此处成为传统T型结构。
传统的T型结构制造步骤如下所示：
步骤a：将一层A光刻胶1-2旋涂在干净的第一硅片1-1上；
步骤b：使用光刻机通过M掩膜1-3对胶体进行曝光，使A光刻胶1-2的一部分被第一紫外线光线1-4照射，其余部分保持未曝光状态，如图1中(b)所示，即为曝光后的A光刻胶1-8；
步骤c：使用显影液A处理A光刻胶1-2，使胶体形成与M掩膜相同的图形；
步骤d：将B光刻胶1-5旋涂到第一硅片1-1上，覆盖A光刻胶1-2形成的图案；
步骤e：使用光刻机通过N掩膜1-6对胶体进行曝光，使B光刻胶1-5的一部分被第一紫外线光线1-4照射，如图1中(e)所示，形成曝光后的B光刻胶1-9，其余部分保持未曝光状态，由于T型结构的头部面积较大，此时N掩膜1-6的图案应该比M掩膜1-3面积更大，并且能够完全覆盖M掩膜1-3的图案。并且，在对不同的光刻胶进行曝光时，由于光刻胶的性质不同，需要设定不同的第一紫外线光线1-4的光线参数。
步骤f：使用显影液B处理B光刻胶1-5，使胶体形成与N掩膜相同的图形；
步骤g：将想要得到的传统T型结构的金属材料使用物理气相沉积或者其他薄膜加工技术淀积到第一硅片1-1表面，覆盖前面已经旋涂的胶体和暴露出的硅片表面，形成T型结构材料层1-7；
步骤h：使用溶剂A将未曝光的A光刻胶1-2溶解掉，使A光刻胶1-2上方的B光刻胶1-5和金属材料一起被剥离，在第一硅片1-1上留下传统T型结构材料层1-7。
由于双层胶剥离工艺的技术特点，头部和足部由一次薄膜加工过程同时制造完成，由此带来传统T型结构的3个典型缺陷。虽然传统T型结构制造完成后可能会通过一定的打磨和刻蚀技术使表面平整，但是传统T型结构的制造流程本身是带有以下三个缺陷的。
1、无法按照需求采用不同的材料制造头部和足部，降低了传统T型结构在实际应用中对任务的适应性；
2、在头部中间部分会形成凹陷，但是有一些情况需要头部的表面保持足够的平整才不影响整体结构性能，例如需要在T型结构上方叠加更多结构时，不平整的头部会影响上层结构的稳定性。在这类问题中，传统的制造流程只能通过尽量减小凹陷来提高良品率，却无法从根本上避免凹陷；
3、由于足部的形成与头部凹陷紧密相关，所以传统T型结构的头部厚度必须比足部厚度更大，否则头部和足部连接处会发生断裂或者强度不足。
本发明提出全新的制造流程，不使用传统的双层胶剥离工艺，可以从根本上解决以上三个问题。本发明使用3种不同的光刻胶，利用其显影液、玻璃液的不相溶性对T型结构的头部和足部进行单独的显影、淀积和剥离，得到平头T型结构。
具体的，本发明公开了一种T型结构的微制造方法，如图2所示，包括以下步骤：
在衬底材料表面上依次旋涂第一光刻胶层和第二光刻胶层；基于第一掩膜，对第一光刻胶层和第二光刻胶层进行曝光，并采用第一显影液溶解第一光刻胶层和第二光刻胶层的第一曝光部分；将待制备T型结构的足部材料淀积到第二光刻胶层和第一曝光部分露出的衬底表面上；足部材料的淀积厚度小于等于第一光刻胶层的厚度；溶解第二光刻胶层，并剥离第二光刻胶层上的足部材料层；在第一光刻胶层和曝光部分的足部材料层上旋涂第三光刻胶层；基于第二掩膜，对第三光刻胶层进行曝光，并采用第二显影液溶解第三光刻胶层的第二曝光部分；第二曝光部分的面积包含且大于第一曝光部分的面积；将待制备T型结构的头部材料淀积到第三光刻胶层、第二曝光部分露出的足部材料层和第二曝光部分露出的第一光刻胶层上；其中，淀积的头部材料层的厚度小于等于第三光刻胶层的厚度；溶解第一光刻胶层，并剥离第三光刻胶层和其上的头部材料层，得到待制备T型结构。
本发明通过使用三种光刻胶进行T型结构的微制造，可以分开进行头部材料和足部材料的淀积，进而可以采用不同的头部材料和足部材料制造T型结构，而且足部材料层的厚度不受头部材料层厚度的约束，可以制造出适用于各种不同场景的不同参数的T型结构。
本发明可以给予制造者极大的自由，通过使用3种光刻胶，可以通过设计第一光刻胶层的厚度来调节T型结构足部材料的厚度，只要足部材料层的厚度小于等于第一光刻胶层的厚度即可，另外，通过第三光刻胶层，可以调节T型结构头部材料的厚度，只要头部材料的厚度小于等于第三光刻胶层的厚度即可，这样实现了头部材料层和足部材料层的厚度。而且，在本发明中通过两次的淀积，可以在淀积的过程中使用不同的材料作用头部材料和足部材料。
进而，本发明使T型栅的头部结构和足部结构尺寸与材料可调、互不约束，从而有利于根据使用场景和参数要求对T型栅的结构进行自由的调整。本发明中的“T型”并不是特指T型，而是泛指“下面的部分横截面积小，上面的部分横截面积大”的结构，此类微结构均可通过本发明的制造流程进行制造。对于本发明中“微结构”的定义，可以是尺度在10微米级以下，可以使用微制造(micro fabrication)或者薄膜制造(thin film manufacture)技术完成制造的结构。微制造的途径包括但不限于物理气相沉积、化学生长、微(钠)米级3D打印等微尺度增材制造方式。
在本发明的最后步骤中溶解第一光刻胶层时，常规的做法是采用溶液将第一光刻胶层进行溶解剥离，但是由于本发明中可以淀积出较宽大的头部材料层，在剥离过程中，由于部分头部材料是悬空的，在溶液中可能会由于液体表面张力而发生坍塌断裂，为了预防这一情况，本发明中可以酌情将溶剂气化以后进行溶解剥离，这样，溶液以气体的形式进入到第一光刻胶层的边缘，将第一光刻胶溶解并带离T型结构，就不会产生液体表面张力，就可以避免头部材料层发生坍塌断裂。
在本发明实施例中，通过第二显影液溶解第三光刻胶层时，为了避免同时溶解第三光刻胶层下方的第一光刻胶层，在选材时，选用的第一光刻胶不溶于第二显影液。
另外，作为优选的实施例，足部材料的淀积厚度等于第一光刻胶层的厚度，进而可以保证足部材料层的顶面与第一光刻胶层的顶面位于同一平面，并在淀积头部材料层时，使得头部材料层的下表面为平面，还能使得头部材料层的上表面为平面。
为了增加头部材料层的厚度，使淀积的头部材料层的厚度等于第三光刻胶层的厚度，即可达到最大的头部材料层厚度。若头部材料层的厚度大于第三光刻胶层，则必然会导致第三光刻胶层上部的头部材料层和第二曝光部分的头部材料层互相连接，那么再最后剥离时，第三光刻胶上部的头部材料层难以剥离，就会导致T型结构制造失败。
作为一种具体的实现方式，足部材料与头部材料也可以是相同的。具体可以根据T型结构的制作要求具体选择。
进一步地，当足部材料与头部材料不同时，采用第二显影液溶解第三光刻胶层的第二曝光部分之后、以及淀积头部材料之前，向足部材料层表面淀积中间连接层。中间连接层可以考虑与头部材料与足部材料均具有良好粘合度的材料，进而将头部材料层和足部材料层实现良好的连接。
作为一种具体的选择，在本发明中足部材料为铝，头部材料为镍，第一光刻胶为SF6，第二光刻胶为maN1410，第三光刻胶为SU8-2002，第一显影液为mad533，第二显影液为SU8专用显影液。
上述步骤只包含了平头T型结构的关键制造环节，不包含清洁硅片、烘干光刻胶以及超声辅助剥离等有利于提高制造精度的工艺环节，在实际应用中可以根据具体材料适当添加对应的辅助工艺提高良品率。
另外，在上述步骤中，由于第一光刻胶溶于第一显影液，为了使第一光刻胶和第二光刻胶同时转移得到第一掩膜的图形，在显影中应根据实际情况调节显影时间，尽量使第一光刻胶被溶解出与第一掩膜对应的图形并形成底切，同时不会显影过度。
通过本发明的方法，在微制造中可以按照需求采用不同的材料制造T型结构的头部和足部，拓宽T型结构在实际应用中对任务的适应性；有一些情况需要T型结构的头部表面保持平整，例如需要在T型结构上方叠加更多结构时，平整的头部表面有利于上层结构的稳定。在这类问题中，平头T型结构可以从根本上避免头部表面的凹陷；平头T型结构的足部厚度可以不受其头部厚度约束，有利于拓宽T型结构在实际应用中对任务的适应性。
针对各种用途制造过程中的平头T型结构可能会使用不同材料，而不同的材料对应的显影液、剥离溶剂等药剂，任何材料制造的平头T型结构都是平头T型结构，药剂的选择也不影响最后制造获得的平头T型结构这一物理结构；根据材料的不同，需要对制造流程中的若干参数进行调整，这些可调整参数包括但不限于光刻机的曝光强度、显影液的用量、光刻胶的旋涂转速等。这些参数做细微调整可能会有对平头T型结构的制造有正面或负面的影响，但是只要符合上述步骤的流程，均可以在不同程度下获得平头T型结构。
下面以一个具体的实施例来更为深刻的理解本发明，如图2所示，其步骤如下：
步骤a)取出一片干净的第二硅片，并且将SF6光刻胶2-2均匀旋涂在第二硅片上，旋涂参数为先预旋涂5s，速率500rpm，继续旋涂45s，速率1000rpm。将旋涂有SF6光刻胶2-2的第二硅片2-1置于烤盘进行前烘，前烘参数为180℃，5min。然后将正胶S1811 2-3旋涂在同一片第二硅片2-1上，旋涂参数为3000rpm，45s，使正胶S1811完全覆盖SF6光刻胶2-2。然后将第二硅片2-1置于烤盘烘干，烘干参数为110℃，2min；
步骤b)使用光刻机MA-6对涂有正胶S1811的第二硅片2-1曝光9s，具体过程采用第二紫外线光线2-5，光刻机UV光线参数为波长405nm，能量密度12mW/cm2，光刻过程中使用P掩膜2-4，得到曝光后的正胶S1811 2-11和曝光后的SF6光刻胶2-10；
步骤c)将经过曝光的第二硅片投入MF312溶液中，轻微摇晃震荡70s，将正胶S18112-3上曝光过的图形进行显影，同时对应图形的SF6光刻胶溶于MF312。取出第二硅片2-1并使用甲醇、IPA溶液和去离子水依次对第二硅片2-1进行冲洗；
步骤d)将第二硅片2-1固定在物理气相沉积仪中使用Ni金属进行沉积，真空腔气压小于5e-6torr(1torr＝1mmHg)，沉积速率为0.1nm/s，得到Ni金属层2-6作为足部材料层，Ni金属的沉积厚度与SF6光刻胶一致，覆盖前面已经旋涂的正胶S1811和下层的SF6，以及暴露出的第二硅片2-1表面；
步骤e)使用SU8-2002的显影液将第二硅片浸泡1h，使正胶S1811溶解，正胶S1811上方的一部分金属Ni被剥离第二硅片，在第二硅片上留下的是SF6光刻胶2-2和与SF6光刻胶2-2等厚的平头T型结构的Ni金属层2-6，该足部材料的图形与P掩膜2-4一致；
步骤f)将SU8-2002光刻胶2-7旋涂到经过上述步骤处理过的第二硅片2-1表面，预旋涂5s，速率为500rpm，再旋涂35s，速率为3000rpm，将硅片置于烘盘1min，温度100℃，继续烘干1min，温度65℃，使SU8-2002光刻胶覆盖第二硅片表面已经存在的光SF6刻胶2-2和Ni金属层2-6；
步骤g)使用光刻机通过Q掩膜2-8对光刻胶SU8-20022-7进行曝光40s，光刻机UV光线具体采用第二紫外线光线2-5，其参数为波长405nm，能量密度12mW/cm2，光刻过程中使用Q掩膜2-8，将第二硅片置于烘盘1min，温度65℃，继续烘干1min，温度100℃；因为在进行紫外线光线曝光时所针对的光刻胶不同，所以，本次使用的第二紫外线光线2-5与第一次照射时使用的第二紫外线光线2-5参数设定不同。
步骤h)使用SU8-2002的显影液处理SU8-2002光刻胶2-7，显影时间40s，取出第二硅片并使用甲醇、IPA溶液和去离子水依次对硅片进行冲洗，使交替形成与Q掩膜2-8相同的图形；
步骤i)将第二硅片2-1固定在物理气相沉积仪中，使用Al金属进行沉积，真空腔气压小于5e-6torr(1torr＝1mmHg)，沉积速率为0.14nm/s，将金属材料Al淀积到硅片表面，得到Al金属层2-9作为头部材料层，目标厚度0.6微米，覆盖前面已经旋涂的胶体和平头T型结构足部材料Al金属层2-9；
步骤j)将第二硅片2-1浸泡入溶剂MF312，浸泡时间1min，使SF6光刻胶上方的SU8-2002光刻胶和Al金属层2-9一起被剥离，在第二硅片上留下平头T型结构，其足部为Ni，头部为Al。
Claims (10)
1.一种T型结构的微制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底材料表面上依次旋涂第一光刻胶层和第二光刻胶层；
基于第一掩膜，对所述第一光刻胶层和第二光刻胶层进行曝光，并采用第一显影液溶解所述第一光刻胶层和第二光刻胶层的第一曝光部分；
将待制备T型结构的足部材料淀积到所述第二光刻胶层和所述第一曝光部分露出的衬底表面上；所述足部材料的淀积厚度小于等于所述第一光刻胶层的厚度；
溶解所述第二光刻胶层，并剥离所述第二光刻胶层上的足部材料层；
在所述第一光刻胶层和所述曝光部分的足部材料层上旋涂第三光刻胶层；
基于第二掩膜，对所述第三光刻胶层进行曝光，并采用第二显影液溶解所述第三光刻胶层的第二曝光部分；所述第二曝光部分的面积包含且大于所述第一曝光部分的面积；
将待制备T型结构的头部材料淀积到第三光刻胶层、所述第二曝光部分露出的足部材料层和所述第二曝光部分露出的第一光刻胶层上；其中，淀积的头部材料层的厚度小于等于所述第三光刻胶层的厚度；
溶解所述第一光刻胶层，并剥离所述第三光刻胶层和其上的头部材料层，得到所述待制备T型结构。
2.如权利要求1所述的一种T型结构的微制造方法，其特征在于，溶解所述第一光刻胶层时，将溶剂气化后进行溶解剥离。
3.如权利要求1或2所述的一种T型结构的微制造方法，其特征在于，所述第一光刻胶不溶于所述第二显影液。
4.如权利要求3所述的一种T型结构的微制造方法，其特征在于，所述足部材料的淀积厚度等于所述第一光刻胶层的厚度。
5.如权利要求4所述的一种T型结构的微制造方法，其特征在于，淀积的头部材料层的厚度等于所述第三光刻胶层的厚度。
6.如权利要求4或5所述的一种T型结构的微制造方法，其特征在于，所述足部材料与所述头部材料相同。
7.如权利要求4或5所述的一种T型结构的微制造方法，其特征在于，当所述足部材料与所述头部材料不同时，采用第二显影液溶解所述第三光刻胶层的第二曝光部分之后、以及淀积所述头部材料之前，向所述足部材料层表面淀积中间连接层。
8.如权利要求4-6所述的一种T型结构的微制造方法，其特征在于，所述足部材料为铝，所述头部材料为镍。
9.如权利要求8所述的一种T型结构的微制造方法，其特征在于，所述第一光刻胶为SF6，所述第二光刻胶为maN1410，所述第三光刻胶为SU8-2002。
10.如权利要求9所述的一种T型结构的微制造方法，其特征在于，所述第一显影液为mad533，第二显影液为SU8专用显影液。
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