CN1556027A - 与集成电路工艺兼容的三维微结构模压刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种与集成电路工艺兼容的三维微结构模压刻蚀方法。该方法是利用叠层原理制造具有任意曲面的三维模压刻蚀模具，然后将该三维模具对衬底上的软质材料层进行模压刻蚀，得到微系统的三维结构。该方法的关键技术三维模具的制造，是通过叠层制造的方法获得，其中每一单层的制作属于二维平面结构制造，因此与集成电路工艺完全兼容；将对准过程集中在三维模具的制作过程中一次完成，降低了模压刻蚀工艺对套刻对准需求，提高了生产效率。此外，可以使用一块三维模具对不同材料多次重复使用，进行大批量生产，进一步降低了成本。

Description

与集成电路工艺兼容的三维微结构模压刻蚀方法
技术领域
本发明属于微机电系统刻蚀加工技术领域。
背景技术
微机电系统(MEMS)制造工艺是在IC工艺的基础上，将电路与执行部件集成在一起的工艺过程。与IC工艺不同，MEMS工艺需要对不同材料加工三维结构。现有的MEMS制造工艺可以分为：以光刻、化学刻蚀为主要工艺手段的体硅微加工和表面微加工；以X光深光刻、电铸制模和注模复制为主要工艺手段的非硅结构加工(LIGA工艺)；以激光、微电火花和超精密切削与磨削为主要手段的特种微加工。在这些制造技术中只有硅表面微加工能与集成电路工艺完全兼容，但却不能加工三维微结构。其它的体硅加工、LIGA工艺和特种微加工虽然能制造多种材料的三维结构，但要通过键合、微装配实现系统集成。显然，这些工艺与集成电路工艺很难兼容，从而导致生产成本增加，MEMS功能也受到限制。
一种压印光刻技术可用比较简单的设备实现nm级图案转移。Stephen Y.Chou在1995年首先提出小于25nm的模压光刻新思想。他用接触压印实现图形转移与复制，已成功地用于低成本、大批量生产CD盘的塑料压印生产线。其工艺过程为：首先在不同模板材料上，如金属、石英、玻璃、陶瓷、绝缘材料和半导体等，采用电子束扫描光刻与反应离子刻蚀(RIE)制造出具有nm级结构的模板；然后采用模板对硅片上厚度为55nm的聚合物有机玻璃(PMMA)薄膜，进行压印光刻，在压印期间，模板和PMMA薄膜先被加热到200℃，在这个温度条件下，聚合物就像粘性流体那样在压力作用下流动，直到与模板图形相吻合为止，并保持这个状态直到温度降低到其玻璃转换温度(105℃)之下；接着移去模板，一个纳米级的图形就成功转移了。但现在已开发的多种模压刻蚀技术主要用于纳米级结构的转移，包括三维特征的刻蚀也是针对纳米级尺寸的，而且这些三维特征是在二维基础上的两维半结构，不是具有任意曲面的三维结构，这是由于他们研究的目标是实现高分辨率的光刻，而不是针对微系统的三维结构制造。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的三维微制造工艺与集成电路工艺不能兼容的问题，提供一种与集成电路工艺兼容的三维微结构模压刻蚀方法，利用该方法可提高因结构受限制的微机电系统的功能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种与集成电路工艺兼容的三维微结构模压刻蚀方法，包括：
(1)根据三维结构模型，在计算机中生成模具的三维CAD模型，然后将该三维模型切片，形成记录一系列模具截面薄层信息的切片文件；
(2)以上述各层截面几何形状的切片文件，生成对应截面薄层的掩膜文件，并按照单层掩模文件生成二维工作台的数控代码；
(3)利用数控代码驱动光刻设备，对单层模板上的图形转移材料进行二维图形曝光、显影，结合干法刻蚀生成承载三维结构的某一截面层图案的模板；
(4)重复步骤(3)制作所有模板薄层，将各薄层模板按照对准标记组合在一起，形成三维模具，并对模具表面进行处理，以提高模压刻蚀的成型精度；
(5)利用上述三维模具对衬底上的软质材料层进行模压；
(6)针对不同的软质材料，采用光照射固化或者热源固化，然后将模具移开；
(7)去掉衬底上没有固化的软质材料，通过干法刻蚀将衬底层底残余已固化的软质材料刻蚀去除，即可形成与模板形状相反的三维微结构。
本发明的优点在于：利用本发明可以实现三维微结构的制作，其关键技术三维模具的制造，通过叠层制造的方法获得，其中每一单层的制作属于二维平面结构制造，因此与集成电路工艺完全兼容。将对准过程集中在三维模具的制作过程中一次完成，降低了模压刻蚀工艺对套刻对准需求，提高了生产效率。此外，可以使用一块三维模具对不同材料多次重复使用，进行大批量生产，进一步降低了成本。
附图说明
图1(a)～图1(e)为三维模具制作的示意图。
图2(a)～图2(f)为三维模具的每一单层一种实施例的制作工艺流程图。
图3(a)～图3(e)为采用三维模具进行模压刻蚀的一种实施例的工艺流程图。
图4为三维模具进行模压刻蚀的微透镜阵列示意图。
图5为三维模具进行模压刻蚀的超高密度存储器示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
三维模具的制作可以通过图1(a)～图1(e)加以说明。根据任意三维结构，如图1(a)所示的MEMS三维结构(微球冠)模型1，在计算机中生成模具的三维CAD模型2，见图1(b)。然后将三维模型2切片，分解为逐个截面薄层3，见图1(c)，形成记录一系列模具截面薄层信息的切片文件，以其截面几何形状的切片文件，生成对应截面薄层的掩模文件，并按照单层掩模文件生成二维工作台的数控代码。利用数控代码驱动光刻设备对模板(例如，石英)表面的图形转移材料，例如光刻胶，进行曝光显影，结合反应离子刻蚀(RIE)工艺，生成承载三维MEMS结构的某一截面层图案的模板4，见图1(d)。重复上面这一步骤，制作所有模具薄层，最后将各薄层模板按照对准标记6键合在一起，形成三维MEMS(微球冠)模具5，如图1(e)所示。
对于承载三维MEMS结构的某一截面层图案的模板的制作，可采用如图2(a)～图2(f)所示的平面工艺流程。首先，对模板衬底7进行清洗，见图2(a)；对应每一层的模板，根据该层的衬底材料与层厚，确定甩胶参数，在模板衬底7上涂覆光刻胶8，见图2(b)；采用电子束进行扫描接触曝光，见图2(c)；经过显影去除没有感光的光刻胶，见图2(d)；通过刻蚀的方法进行单层模板二维图形转移，直至刻蚀出该单层模板的结构，见图2(e)，例如对层厚1μm的膜板可选择功率为150W，压力为2.5Pa的反应离子刻蚀加工出单层模板，在此步骤，同时要刻蚀出对准标记；最后，去除单层模板衬底7上的光刻胶8，获得可以用来键合成三维模具的某一单层模板微结构7，见图2(f)。依次制作三维模具的所有单层模板结构，最后，按照对准标记将所有单层键合在一起，即可制成一定形状的三维模具。
使用上述的三维模具9可以对衬底上不同的软质材料进行模压刻蚀，衬底可为硅材料，或压电、磁性、热电、光电等功能材料。软质材料可为固化胶或聚合物。其工艺过程如图3(a)～图3(e)所示，首先对硅基板11用丙酮等进行清洗，然后将光致固化液体胶10旋涂于硅基片11上，例如，以225cp粘度和8000rmp转速旋涂于硅基片11上，可得厚900nm的光刻胶，见图3(a)；当模具9压向液体胶10后，可用100J/cm2的远紫外光12对其进行曝光、照射固化，见图3(b)；然后移去模具9，见图3(c)；接着将在硅基片11上没有固化的胶体用丙酮冲去，对基底层已固化的残余胶体用O2反应离子13在100W功率和5Pa压力下进行刻蚀，见图3(d)；最后得到如图3(e)所示的三维微结构。
图4和图5是分别采用上述三维模压刻蚀方法加工的微透镜阵列以及高密度存储器三维微结构。
对于微透镜阵列，采用模压刻蚀工艺微型球冠阵列，在其背面制作相关电路，以组成微透镜阵列，如图4所示。对于集成光电系统的关键部件，微透镜阵列及与之相关的光电信息处理电路，采用该项技术，可以在基片的一面制作出三维球面微透镜阵列，而在其对应的一面制作相关的光电探测与信息处理电路，使光、机、电等器件达到有机的集成。
对于超高密度磁存储器来说，现有的连续磁介质存储器不能突破单位密度为100Gb/in2的容量，其原因是当磁粉颗粒过小后，会出现“超顺磁”行为。克服这一问题的最有效方法就是将连续介质制作成阵列式的离散数据。如图5所示，采用模压刻蚀技术制作的高分辨率阵列式磁畴，然后结合磁介质薄膜淀积技术，可以得到超高密度的存储装置，预计可达到单位存储密度为100Gb/in2。

Claims (1)

1.一种与集成电路工艺兼容的三维微结构模压刻蚀方法，其特征在于，包括：
(1)根据三维结构模型，在计算机中生成模具的三维CAD模型，然后将该三维模型切片，形成记录一系列模具截面薄层信息的切片文件；
(2)以上述各层截面几何形状的切片文件，生成对应截面薄层的掩膜文件，并按照单层掩模文件生成二维工作台的数控代码；
(3)利用数控代码驱动光刻设备，对单层模板上的图形转移材料进行二维图形曝光、显影，结合干法刻蚀生成承载三维结构的某一截面层图案的模板；
(4)重复步骤(3)制作所有模板薄层，将各薄层模板按照对准标记组合在一起，形成三维模具，并对模具表面进行处理，以提高模压刻蚀的成型精度；
(5)利用上述三维模具对衬底上的软质材料层进行模压；
(6)针对不同的软质材料，采用光照射固化或者热源固化，然后将模具移开；
(7)去掉衬底上没有固化的软质材料，通过干法刻蚀将衬底层底残余已固化的软质材料刻蚀去除，即可形成与模板形状相反的三维微结构。
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