浅谈曲面直写式光刻工艺

甄万财，孙明睿

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

通常所说的光刻工艺基本上分为两大类，一是投影式光刻，它主要用纯净的紫外光源将掩模版的像投影到基片上实现基片上光刻胶的感光，再通过更换掩模版实现基片上线条的多次套刻，从而完成超大规模集成电路的光刻工艺，这种方法实现的光刻精度非常高，但价格昂贵，通常用于超大规模集成电路器件的光刻工艺，二是接触接近式光刻，这种方法是将基片与掩模版紧密接触或间隔极小的距离，当纯净的紫外光源通过掩模版投射到涂有光刻胶的基片上时，就实现了无线条遮盖的基片区域的光刻胶曝光，根据工艺的不同，可以采用正胶或负胶实现。除了这两种常规的方式外，还可以采用紫外激光束聚焦成一定尺寸的光斑，并通过电脑控制一系列激光脉冲的开关及频率，当光斑在基片上按一定的线路和速度相对移动后，基片上对应位置的光刻胶就实现了直接曝光，这种方式不需要制作掩模版，可以快速地实现相应的光刻工艺，以进行后续的工序验证，在半导体器件研发之初，可以极大地缩短研发周期，是未来光刻工艺发展的重要方向之一。通常的器件都是平面的，激光焦点尺寸不需要随时调焦，然而有的器件如行波管的栅网是一个球冠型的栅网结构，如何实现它的曲面直写式光刻工艺，与常规的光刻工序相比，有许多值得探讨和实验的地方。

1 曲面激光直写式光刻的两种方式

激光直写式光刻，一般有两种方式，一种是激光束直接聚焦成一定的光斑尺寸到设备承片台的基片表面上，通过工作台的x、y、z 方向的平移及绕x、y 甚至还包括z 轴一定角度的θ 向运动的协同，实现复杂图形的光刻工艺，这种方式的优点是激光焦斑尺寸很小，可以实现精细的图形光刻，但工作台要实现五维的运动，复杂度很高，设计与制作难度很大，另一种是激光通过扩束和反射后，通过x、y 二维振镜系统的摆动及与f-theta 透镜的配合，实现激光束焦点在基片表面的运动，在振镜系统和扩束及反射系统之间还有一套动态调焦系统，通过改变其中镜组的间距，实时地改变了激光的发散角，从而改变了其通过f-theta 透镜后聚焦点的z 向高度位置，这种方式因为用f-theta 透镜实现激光束焦点在一定范围内的聚焦，其聚焦精度是不如第一种方式的，但是极大地降低了工作台的设计难度，而诸如行波管栅网等器件的线条尺寸一般在50～200 μm，对光斑的要求并不高，完全可以用第二种方式来实现，本文主要探讨第二种方式。

2 曲面直写式光刻工艺流程探讨

本文主要以行波管栅网为例，探讨相关的光刻工艺。行波管栅网的传统加工手段主要是电火花加工，电火花加工的毛刺大，制作精度不一致是其主要缺点，目前报道的还有采用传统的接触式光刻工艺将栅网图形的间隔按一定的放大比例系数放大，将栅网图形转移到平面器件上，经刻蚀等后续工艺后，再将栅网图形冲压成应有的球冠形状，这种方式克服了加工精度不一致的缺点，但是图形从平面到球面之间需要转换计算，给加工的面型精度又带来了影响，而且目前该方法仍停留在实验室研究。用激光直写的方式实现曲面器件上的光刻加工是最复杂的方式，其难度主要是对设备的要求要高得多。

2.1 器件准备

行波管的球栅器件主要是采用硬而坚韧的金属钼作为加工材料，首先要将钼片冲压成需要加工的球冠型结构，并设计相应的夹具便于器件固定。

2.2 器件预处理。

将该球冠器件预清洗，去除器件表面的脏东西及附着物，并在干燥箱中进行干燥，便于器件能够与光刻胶更好的粘附。预处理后的器件应该尽快涂胶，以免表面吸附空气中的水分，降低其粘附效果。

2.3 涂胶工艺

涂胶工艺主要有喷雾式涂胶和离心式涂胶，这两种方法各有优劣。

行波管栅网是一种凹球面器件，将其固定到工装上，进行离心式涂胶时，其基底形状会影响离心力的分布，随着半径的增大和凹球面的抬升，分布在朝向球心方向上的离心力会被球冠挡住抵消，分布在球形切线上的离心力是影响光刻胶走势的关键因素，一方面随着球冠口径的增大，离心力增大，而随着图1 所示θ 角的增大，分布在切向的分量同时在减小，使离心力从中心到边缘的涂胶效果比较均匀，另一方面适当减小光刻胶的黏度，减小了球形器件对涂胶带来的影响，其作用力分布示意图如图1 所示。根据试验，形成的经验参数为：采用AZGXR-601-12mpa 正性光刻胶，在Kingsemi/1spIN-C-234568 手动独立匀胶机上给钼材料球冠涂胶，胶黏度0.025 Pa·s，涂胶机转速3 000 r/min，涂胶时间30 s。

喷雾式涂胶操作简单快速，对于口径较小的球冠形器件，因制作工装和离心力控制不易，也可以采用喷雾法对其涂胶，其喷涂的胶层厚度较为均匀，但表面颗粒度较为严重，容易污染环境，使光刻分辨率下降，对于要求分辨率不太高的器件工艺可以选择此工艺。

图1 离心力在球冠形器件上的分布对涂胶的影响

2.4 前烘

将涂胶后的器件在电热恒温干燥箱内前烘，去除光刻胶中的残存溶剂，增加光刻胶与基片的附着力，使后续光刻时光刻胶有良好的重现性，经过试验，前烘时温度控制在90 ℃，保持时间10 min 左右，温度过高和时间过长将破坏光刻胶的感光成分。

2.5 直写式光刻系统初始化

因为紫外激光束对CCD 不敏感，在初始化装置的时候，为了使激光出射光束准确地聚焦到工作台上器件的中心底部，如图2 所示，另外设计了一款红光激光器，通过反射镜、动态调焦镜组和x、y二维振镜后，激光束会聚于器件底部，反射回来的光斑通过镜头成像于CCD 靶面，调节工作台z 向高度位置，使成像的光斑尺寸最小，能量最高，则表明系统的初始位置已经调整完毕，实际的初始化位置确定还要根据光刻效果进行实际调整。

图2 曲面激光直写式实验装置示意图

将涂好的球冠器件放置到工作台上，开启激光器，保证激光功率温度，能量波动范围小于5%，使紫外激光束的焦点初始位置落到球冠的中心底部。行波管栅网的图形如图3 所示。

图3 行波管栅网球栅图形

在接触式光刻的曝光工艺中，1 μm 胶厚实现完全曝光所采用的经验参数为：曝光功率10 mW/cm2，时间4 s，因此单位面积上的曝光功率为：

J=10×4=40 mJ/cm2

本实验装置的激光器功率范围为0～100 mW，频率范围为0～100 kHz，振镜最高扫描速度可达3.5 m/s，f-theta 透镜在50 mm×50 mm 的扫描范围内激光束的聚焦光斑尺寸小于40 μm，以最高功率100 mW 和最高频率100 kHz 运行的激光器，其一个脉冲点的单位能量约为：

J1=[100/(100×103)/(π×0.0022)≈79.6 mJ/cm2

当功率为100 mW 时，单个光刻点上的能量超出了光刻胶的曝光要求，会过度曝光，激光频率也已达上限，不利于拼接位置处的激光频率与速度控制，而且激光器满负荷运行，也会影响激光器的寿命。

当激光功率控制在25 mW，激光脉冲频率控制在50 kHz 时：

J=[25/(50×103)/(π×0.0022)≈39.8 mJ/cm2

可满足光刻点40 mJ/cm2的能量要求，但是考虑到激光点移动步距为20 μm，激光脉冲频率为50 kHz，则激光束的扫描速度为：

V=0.02×50×103=1000 mm/s=10 m/s

超出了二维x、y 振镜扫描速度最高3.5 m/s的上限，因此以上参数还不合适。

经反复计算和实验，设定激光功率为5 mW，激光脉冲频率为10 kHz，激光束扫描速度为2 m/s，此时一个脉冲点上的单位能量为：

J1=[5/(10×103)/(π×0.0022)≈39.8 mJ/cm2

因此，以上参数基本满足该栅网的光刻工艺，具体根据光刻的实际效果对激光功率和频率作实时调节。

在光刻过程中，因为激光束焦点边缘对周边光刻胶产生影响，造成感光，产生的临近效应使光刻线条宽度超过要求值，且焦点的叠加也会对光强有一个加强，因此要通过对光刻胶、光强与扫描速度进行匹配实验，寻找合适的光刻参数。

光刻胶中的光敏化合物发生光化学反应，浓度随时间发生改变，光强在光刻胶中的散射服从Lambert 定律，公式为：

I(Z)=I0×e-az

式中：

a 为光刻胶吸收系数；

Z 为光刻胶深度；

I0为Z=0 处的光强

光刻胶初始时有一个光敏化合物浓度，该光敏化合物对特定波长的紫外光有一个吸收系数，发生反应后的光敏化合物对光的吸收系数发生了变化，使进入光刻胶的光强发生了改变，当充分曝光后，光刻胶中的光敏化合物不再发生反应和生成新的物质，这时对光强的吸收趋于恒定。在直写式光刻过程中，要对使用的光刻胶反复实验，寻找到光强变化和光刻深度、宽度之间的对应关系，以应对厚胶时直写式光刻的要求。

3 总 结

本文从原理上和设备要求上对曲面激光直写式光刻技术进行了分析，并对直写式光刻工艺的步骤和注意事项进行了说明，并形成了一定的工艺参数，为以后深入开展中低精度的曲面直写式光刻打下了基础。

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