CN115793414A - 一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，属于微纳加工技术领域，利用激光直写灰度光刻技术制备多级光刻胶层，通过控制残留光刻胶层厚度和分级去胶的方式，利用Bosch工艺刻蚀实现可调控比例的多级高深宽比微结构的制备，首先对衬底低转速旋涂一层光刻胶，通过激光直写设备进行非均匀剂量的灰度曝光并进行显影；随后对多级高度的光刻胶柱进行第一次刻蚀，刻蚀时间和刻蚀深度根据多级结构的比例进行选择；然后使用氧等离子体对第一级结构的刻蚀后残留的光刻胶去除干净；然后对第二级结构进行刻蚀；随后对第二级结构上层残胶进行去除；以此类推，循环刻蚀和去胶的过程，直至最后一级结构顶层光刻胶去除完成。
Description
技术领域
本发明属于微纳加工技术领域，更具体地说，是涉及一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法。
背景技术
激光直写是目前加工制作各种微结构与器件的主要技术之一，其具有加工精度高，三维结构加工能力强，无须掩膜板等特点，适合制作各种大面积、高精度的阵列结构，是一种效率高、成本低的微加工技术。激光直写技术中的灰度曝光是一种非常有特色的三维加工工艺，其可以在无需曝光掩膜板的条件下，根据需要直接在光刻胶层表面上曝光得到含有3D灰度信息的曝光图案，通过灰度光刻得到的光刻胶图案经过刻蚀即可得到三维图形。
然而，灰度光刻设备制作三维图像和利用刻蚀图形化衬底技术目前主要应用于曲面三维结构。受到激光直写光刻机和光刻胶分辨率的限制，利用激光直写灰度光刻很难制备出棱角分明的高分辨率的台阶状结构；同时，为了最大限度的保证刻蚀环节的选择比，在坚膜的过程中高温同样会使光刻胶变形，台阶结构边角处分辨率降低，从而导致刻蚀形貌发生变化；除此之外，激光束扫描拼接会使光刻胶层表面出现不可避免的条纹，通过光刻胶回流虽可以减缓激光直写曝光产生的拼接条纹，但同时也降低了台阶结构边缘的分辨率。上述在光刻胶层出现的诸多缺陷会在刻蚀环节被比例放大，影响后端元器件性能。
使用传统方法制作多级微结构需要多次涂胶、多次曝光显影、多次清洗等繁琐的工艺流程，制作过程比较繁琐，操作效率较低。为满足集成电路、MEMS和其他各类光电元器件制造的需求，需开发一种新的工艺以实现高灵活度、高效率的多级高深宽比微结构的加工。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，旨在解决使用传统方法制作多级微结构的过程比较繁琐，操作效率较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，在硅片基底上旋涂一层厚度为12-14μm的光刻胶，通过程控热板进行烘烤，以烘干光刻胶中的溶剂和减少光刻胶内层的微小气泡；
步骤二，在激光直写光刻机中导入已设计的灰度设计图，根据激光直写曝光得到的光刻胶对比度曲线，设计每级结构光刻胶残留高度对应的灰度值，使每级光刻胶层达到目标高度；
步骤三，曝光后进行显影，显影后对残留的光刻胶柱进行烘烤，烘烤温度是在低于玻璃态转化温度的条件下进行烘烤5-6分钟，使光刻胶产生细微流动，以消除各级光刻胶柱因激光直写光束拼接或能量波动产生的条纹，同时提高刻蚀选择比；
步骤四，使用Bosch工艺对第一级结构进行刻蚀，光刻胶与单晶硅的刻蚀比定为1:29-1：31，以保证微结构高度比例的可调控性，刻蚀循环次数为29-31次；
步骤五，去掉第一级结构残留的光刻胶层，使用氧等离子体对第一级结构的残胶进行去除，使其它结构的上层光刻胶也被去掉相同厚度；使第一级结构上层无光刻胶，使第二级结构上方光刻胶的厚度为1μm，使第三级结构上方的光刻胶的厚度为2μm，使第四级结构上方的光刻胶的厚度为3μm，以此类推，使第十级结构上方的光刻胶的厚度为9μm；
步骤六，对第二级结构进行刻蚀，同时使第一级结构等比例刻蚀，并使形貌高度保持原状，使其余结构的高度与第二级结构的高度相同；
步骤七，去掉第二级结构上层残留的光刻胶层，使用去胶机或反应离子刻蚀对第二级结构的残胶进行去除，除第一级结构和第二级结构之外，使其余结构均被去除相同厚度的光刻胶，使第三级结构上方光刻胶的厚度为1μm，使第四级结构上方光刻胶的厚度为2μm，以此类推，使第十级结构上方的光刻胶的厚度为8μm；
步骤八，循环操作步骤四和步骤五的过程，直至最后一级结构的残胶被清除干净。
作为本申请另一实施例，步骤一中，使所述程控热板逐次分50℃、75℃和100℃三个温度段进行烘烤。
作为本申请另一实施例，步骤二中，设置空白区域对应的灰度值为255，然后进行曝光，该空白区域的光刻胶显影后全部消失，而其他区域为欠曝光区域，设计的灰度值越低，则显影后残留的光刻胶柱的高度越高。
作为本申请另一实施例，步骤三中，光刻胶柱烘烤的温度为85℃，烘烤的时间为5分钟。
作为本申请另一实施例，步骤四中，刻蚀循环按照高度比例进行调控，使制作其它级结构的光刻胶厚度小于前一级光刻胶最大厚度。
作为本申请另一实施例，步骤一中，在硅片基底上旋涂的光刻胶的厚度为13μm。
作为本申请另一实施例，步骤一中，在硅片基底上旋涂的光刻胶为AZ4562光刻胶。
作为本申请另一实施例，步骤四中，光刻胶与硅片的刻蚀比定为1:30。
作为本申请另一实施例，步骤四中，刻蚀循环次数为30次。
作为本申请另一实施例，步骤一中，在硅片基底上旋涂的光刻胶为紫外光刻胶层。
本发明提供的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，利用激光直写灰度光刻技术制备多级光刻胶层，通过控制残留光刻胶层厚度和分级去胶的方式，利用Bosch工艺刻蚀实现可调控比例的多级高深宽比微结构的制备，首先对衬底低转速旋涂一层光刻胶，通过激光直写设备进行非均匀剂量的灰度曝光并进行显影；随后对多级高度的光刻胶柱进行第一次刻蚀，刻蚀时间和刻蚀深度根据多级结构的比例进行选择；然后使用氧等离子体对第一级结构的刻蚀后残留的光刻胶去除干净；然后对第二级结构进行刻蚀；随后对第二级结构上层残胶进行去除；以此类推，循环刻蚀和去胶的过程，直至最后一级结构顶层光刻胶去除完成，本发明避免了因光束拼接、光学邻近效应、设备分辨率、光刻胶分辨率和光刻胶层流动对刻蚀结果的影响，通过光刻胶对比度曲线精确控制每级结构的曝光剂量，实现了每级胶层厚度相同，通过转移实现了每级微结构高度和高度比例的可控性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法的制备步骤流程图；
图2为本发明另一实施例提供的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法的制备步骤流程图；
图3为本发明另一实施例提供的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法的制备步骤流程图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，现对本发明提供的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法进行说明。所述一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，在硅片基底上旋涂一层厚度为12-14μm的光刻胶，通过程控热板进行烘烤，以烘干光刻胶中的溶剂和减少光刻胶内层的微小气泡；
步骤二，在激光直写光刻机中导入已设计的灰度设计图，根据激光直写曝光得到的光刻胶对比度曲线，设计每级结构光刻胶残留高度对应的灰度值，使每级光刻胶层达到目标高度；
步骤三，曝光后进行显影，显影后对残留的光刻胶柱进行烘烤，烘烤温度是在低于玻璃态转化温度的条件下进行烘烤5-6分钟，使光刻胶产生细微流动，以消除各级光刻胶柱因激光直写光束拼接或能量波动产生的条纹，同时提高刻蚀选择比，形成第一级结构；
步骤四，使用Bosch工艺对第一级结构进行刻蚀，光刻胶与单晶硅的刻蚀比定为1:29-1：31，以保证微结构高度比例的可调控性，刻蚀循环次数为29-31次；
步骤五，去掉第一级结构残留的光刻胶层，使用氧等离子体对第一级结构的残胶进行去除，使其它结构的上层光刻胶也被去掉相同厚度；使第一级结构上层无光刻胶，使第二级结构上方光刻胶的厚度为1μm，使第三级结构上方的光刻胶的厚度为2μm，使第四级结构上方的光刻胶的厚度为3μm，以此类推，使第十级结构上方的光刻胶的厚度为9μm；
步骤六，对第二级结构进行刻蚀，同时使第一级结构等比例刻蚀，并使形貌高度保持原状，使其余结构的高度与第二级结构的高度相同；
步骤七，去掉第二级结构上层残留的光刻胶层，使用去胶机或反应离子刻蚀对第二级结构的残胶进行去除，除第一级结构和第二级结构之外，使其余结构均被去除相同厚度的光刻胶，使第三级结构上方光刻胶的厚度为1μm，使第四级结构上方光刻胶的厚度为2μm，以此类推，使第十级结构上方的光刻胶的厚度为8μm；
步骤八，循环操作步骤四和步骤五的过程，直至最后一级结构的残胶被清除干净。
本发明提供的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，与现有技术相比，利用激光直写灰度光刻技术制备多级光刻胶层，通过控制残留光刻胶层厚度和分级去胶的方式，利用Bosch工艺刻蚀实现可调控比例的多级高深宽比微结构的制备，首先对衬底低转速旋涂一层光刻胶，通过激光直写设备进行非均匀剂量的灰度曝光并进行显影；随后对得到的多级高度的光刻胶柱进行第一次刻蚀，刻蚀时间和刻蚀深度根据多级结构的比例进行选择；然后使用氧等离子体对第一级结构的刻蚀后残留的光刻胶去除干净；然后对第二级结构进行刻蚀；随后对第二级结构上层残胶进行去除；以此类推，循环刻蚀和去胶的过程，直至最后一级结构顶层光刻胶去除完成，本发明的制备方法通过控制残胶厚度，利用分级刻蚀和分级去胶，避免了因光束拼接、光学邻近效应、设备分辨率、光刻胶分辨率和光刻胶层流动对刻蚀结果的影响，通过AZ4562光刻胶对比度曲线精确控制每级结构的曝光剂量，实现了每级胶层厚度相同，通过转移实现了每级微结构高度和高度比例的可控性。
上述使用Bosch工艺为感应耦合等离子体刻蚀Bosch工艺，对第二级结构的刻蚀工艺为感应耦合等离子体刻蚀Bosch工艺。
作为本发明提供的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法的一种具体实施方式，请参阅图1，步骤一中，作为优选，使所述程控热板逐次分50℃、75℃和100℃三个温度段进行烘烤。
作为本发明提供的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法的一种具体实施方式，请参阅图1，步骤二中，作为优选，设置空白区域对应的灰度值为255，然后进行曝光，该空白区域的光刻胶显影后全部消失，而其他区域为欠曝光区域，设计的灰度值越低，则显影后残留的光刻胶柱的高度越高。步骤二中，使用最大剂量进行曝光。
作为本发明提供的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法的一种具体实施方式，请参阅图1，步骤三中，作为优选，光刻胶柱烘烤的温度为85℃，烘烤的时间为5分钟。应最大限度保证微结构高度比例的可调控性。
作为本发明提供的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法的一种具体实施方式，请参阅图1，步骤四中，刻蚀循环按照高度比例进行调控，使制作其它级结构的光刻胶厚度小于前一级光刻胶最大厚度。对于第二级结构来说，前一级是指第一级结构。
作为本发明提供的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法的一种具体实施方式，请参阅图1，步骤一中，作为优选，在硅片基底上旋涂的光刻胶的厚度为13μm。
作为本发明提供的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法的一种具体实施方式，请参阅图1，步骤一中，作为优选，在硅片基底上旋涂的光刻胶为AZ4562光刻胶。
作为本发明提供的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法的一种具体实施方式，请参阅图1，步骤四中，作为优选，光刻胶与硅片的刻蚀比定为1:30。
作为本发明提供的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法的一种具体实施方式，请参阅图1，步骤四中，作为优选，刻蚀循环次数为30次。
作为本发明提供的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法的一种具体实施方式，请参阅图1，步骤一中，作为优选，在硅片基底上旋涂的光刻胶为紫外光刻胶层。
本发明还包括如附图2和附图3中的实施例。
本发明的目的是：提供一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，该方法能够避免传统方法中对于多级结构需要多次涂胶、多次曝光显影、多次清洗等繁琐的工艺流程，通过一次灰度曝光就可以实现多级光刻胶层的微结构，同时通过控制每层残胶的厚度，避免了图形转移因光刻胶形貌变化产生的刻蚀变形，同时实现了每级微结构高度的独立控制。
本发明有效益结果和优点：通过灰度光刻的方式制备了多级的光刻胶层，避免了多次套刻繁琐的工艺流程，提高了结构精度；通过分级去胶和分级刻蚀的方式，增加了各级结构的高度可调控性，同时对于顶层残胶的去除有效避免的光刻胶的曝光缺陷转移到衬底的现象。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，在硅片基底上旋涂一层厚度为12-14μm的光刻胶，通过程控热板5进行烘烤，以烘干光刻胶中的溶剂和减少光刻胶内层的微小气泡；
步骤二，在激光直写光刻机中导入已设计的灰度设计图，根据激光直写曝光得到的光刻胶对比度曲线，设计每级结构光刻胶残留高度对应的灰度值，使每级光刻胶层达到目标高度；
步骤三，曝光后进行显影，显影后对残留的光刻胶柱进行烘烤，烘烤温度0是在低于玻璃态转化温度的条件下进行烘烤5-6分钟，使光刻胶产生细微流动，以消除各级光刻胶柱因激光直写光束拼接或能量波动产生的条纹，同时提高刻蚀选择比；
步骤四，使用Bosch工艺对第一级结构进行刻蚀，光刻胶与单晶硅的刻蚀比定为1:29-1：31，以保证微结构高度比例的可调控性，刻蚀循环次数为29-315次；
步骤五，去掉第一级结构残留的光刻胶层，使用氧等离子体对第一级结构的残胶进行去除，使其它结构的上层光刻胶也被去掉相同厚度；使第一级结构上层无光刻胶，使第二级结构上方光刻胶的厚度为1μm，使第三级结构上方的光刻胶的厚度为2μm，使第四级结构上方的光刻胶的厚度为3μm，以此类推，0使第十级结构上方的光刻胶的厚度为9μm；
步骤六，对第二级结构进行刻蚀，同时使第一级结构等比例刻蚀，并使形貌高度保持原状，使其余结构的高度与第二级结构的高度相同；
步骤七，去掉第二级结构上层残留的光刻胶层，使用去胶机或反应离子刻蚀对第二级结构的残胶进行去除，除第一级结构和第二级结构之外，使其余结5构均被去除相同厚度的光刻胶，使第三级结构上方光刻胶的厚度为1μm，使第四级结构上方光刻胶的厚度为2μm，以此类推，使第十级结构上方的光刻胶的厚度为8μm；
步骤八，循环操作步骤四和步骤五的过程，直至最后一级结构的残胶被清除干净。
2.如权利要求1所述的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，其特征在于，步骤一中，使所述程控热板逐次分50℃、75℃和100℃三个温度段进行烘烤。
3.如权利要求1所述的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，其特征在于，步骤二中，设置空白区域对应的灰度值为255，然后进行曝光，该空白区域的光刻胶显影后全部消失，而其他区域为欠曝光区域，设计的灰度值越低，则显影后残留的光刻胶柱的高度越高。
4.如权利要求1所述的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，其特征在于，步骤三中，光刻胶柱烘烤的温度为85℃，烘烤的时间为5分钟。
5.如权利要求1所述的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，其特征在于，步骤四中，刻蚀循环按照高度比例进行调控，使制作其它级结构的光刻胶厚度小于前一级光刻胶最大厚度。
6.如权利要求1所述的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，其特征在于，步骤一中，在硅片基底上旋涂的光刻胶的厚度为13μm。
7.如权利要求1所述的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，其特征在于，步骤一中，在硅片基底上旋涂的光刻胶为AZ4562光刻胶。
8.如权利要求1所述的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，其特征在于，步骤四中，光刻胶与硅片的刻蚀比定为1:30。
9.如权利要求1所述的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，其特征在于，步骤四中，刻蚀循环次数为30次。
10.如权利要求1所述的一种可调控高度比例的高深宽比微结构的制备方法，其特征在于，步骤一中，在硅片基底上旋涂的光刻胶为紫外光刻胶层。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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