CN104199252B - 一种实现光刻胶微结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现光刻胶微结构的方法，该方法包括：在衬底表面制备网状负胶微结构；将该网状负胶微结构从衬底上剥离并平铺在固体正胶衬底上，此固体正胶衬底放置于导电基底上；通过热压的方法，将该网状负胶微结构嵌入该固体正胶衬底表层，同时将该固体正胶衬底粘附在导电基底上；对上述表层已嵌入网状负胶微结构并已粘附在导电基底上的固体正胶衬底，在预设的掩模板下进行曝光、显影，得到光刻胶微结构。利用本发明，通过在正性光刻胶衬底表面热压一层网状负胶微结构，使得其经过曝光、显影后，得到的光刻胶微结构中各个易倾斜、倒塌的局部被表面的网状负胶微结构相连，成为一个整体，进而有效地防止了各个局部的倾斜、倒塌。

Description

一种实现光刻胶微结构的方法

技术领域

本发明涉及一种实现光刻胶微结构的方法，尤其是针对具有大高宽比、孤立微结构阵列这一特点的光刻胶微结构，属于微细加工技术领域。

背景技术

20世纪40年代以来，半导体微电子技术以及由此引发的微型化技术已经发展成为现代高科技产业的主要支柱。在过去的几十年中，微加工技术的发展促进了集成电路的发展，已经能够将上亿只晶体管制备在方寸大小的芯片上，还可以将普通机械齿轮传动系统微缩到肉眼无法观察的尺寸。人们设想将微传感器、微处理器、微执行器等集成在一个极小的几何空间内组成微型机电系统(Micro electro mechanical systems，MEMS)，将在医疗、精密仪器、航空航天、通讯、军事等领域获得广泛的应用前景。如今，MEMS技术已经相当成熟，但其主要面向硅材料加工，并且在一次工艺中只能获得二维图形，厚度为几个微米。微结构的广泛应用直接导致MEMS市场对三维微机械部件的需求大幅增长。因此三维微细加工技术在这个领域扮演越来越重要的角色。

LIGA技术是由德国卡斯鲁尔的原子核研究中心发展起来的并于1986年首次进行了公开报道。LIGA工艺包括X光深度光刻、电铸制模和注模复制三个步骤。首先在载有设计图案的掩模板的遮蔽下对导电衬底上的光刻胶进行X光曝光，显影后得到与掩模图案相对应的光刻胶的微结构图案；对其进行电铸，并利用溶剂去除光刻胶后得到金属模具；利用此金属模具，进行塑料等材料的灌注成型，脱模后得到塑料制品。LIGA技术制备出的产品一个显著特点是含有大高宽比(或大深宽比或大长径比)的局部特征，比如深度1毫米、直径20微米(即深宽比为50)的圆孔阵列。这是通常MEMS工艺所无法实现的。标准的LIGA技术是使用X光作为曝光光源，但是由于成本较高，也发展出其他的所谓准LIGA技术，如UV-LIGA，即使用普通紫外光源来代替X光实现对厚胶的曝光。准LIGA技术方向也是指向实现具有大高宽比局部特征的微结构。

具有大高宽比局部特征的微结构在许多领域都可以应用，目前在天文领域应用较为迫切。微孔光学(Micro Pore Optics)是一种利用大深宽比方孔的侧壁对X光进行反射而实现对X光聚焦成像的光学器件，用于卫星装载的望远镜。在使用LIGA技术对其进行制备的过程中，核心问题就是实现大高宽比的光刻胶方形柱、或长方形柱阵列，目前的技术在胶柱的高宽比方面还远达不到实际要求。国际上使用LIGA技术制备微孔光学器件也在积极研究中。另外，用于天文领域的准直器也具有类似的结构，需要进一步发展LIGA技术来实现。

最终实现具有大高宽比局部特征的微结构，与很多因素有关，比如掩模材料的结构和性能、衬底材料的性质、光刻胶的性质等等。而核心困难是实现电铸之前的具有大高宽比特征的光刻胶微结构。这些光刻胶微结构可以分为孤立微结构和互联微结构。互联微结构，即光刻胶虽然在局部具有大高宽比的特征，但是从整体上看，这些局部可以通过光刻胶本身连接在一起，互相支撑。这样的结构实现起来要相对容易很多。孤立微结构，即具有大高宽比特征的局部是孤立的光刻胶结构，周围没有任何结构对其支撑，比如直径10微米，高度1毫米的光刻胶圆柱。而对于单一的，即非阵列的，光刻胶孤立微结构实现也相对容易。实现最困难的一类结构，是这种孤立微结构的阵列。如上例，即圆柱与圆柱之间有一定间距的二维阵列。此时各个圆柱之间互不相连，成功实现较大高宽比的孤立微结构阵列非常困难。目前国际上能够实现局部高宽比超过几百的互联光刻胶微结构，而对孤立微结构，尤其是孤立微结构阵列，从公开的文献上看高宽比仅能实现十几。而我们更为关注如何实现这种孤立光刻胶微结构阵列。

对于孤立光刻胶微结构阵列，在实现中的具体困难表现在微结构与衬底脱附或微结构倾斜、倒塌。出现此种现象的物理原因是显影液、清洗液的流动冲击和烘干时的液面张力导致的间距很小的微结构之间产生的不可忽略的力，这些力作用在胶结构上，并以胶结构与衬底的接触点为支点产生一个力矩，促使胶结构倾斜，当倾斜角度过大或胶结构与衬底的附着力过小时，胶结构脱落。这种作用对于大高宽比孤立微结构的效果尤为显著。在相同条件下，胶结构高宽比越大，将越容易在显影及后续工艺中倾斜、倒塌，甚至脱附。

目前已有文献对这种孤立光刻胶微结构阵列的倾斜原理做过分析并对液体张力进行了理论计算，也提出了一些解决方案。比如，使用SU8型号的光刻胶，先利用最终图案的掩模板对其进行厚胶曝光，之后用套刻的方法，再用辅助的掩模板对其进行二次曝光。后者曝光深度控制到几十到一百微米左右，图案为胶结构阵列的连接部分。即光刻胶显影后能够得到胶结构阵列，并且胶结构的顶端几十到一百微米的厚度区域内被光刻胶互相连接。这个方法的目的是通过顶端连接的方法，把胶结构固定住，防止倾斜。但是，这个方法只适用于像SU8一样的负胶，即曝光区域无法显影掉，非曝光区域能够显影掉的胶。当使用正胶做相同的工艺时将完全不适用。第一次的曝光将使得胶结构连接处的光刻胶全部曝光，而再次曝光也无法使得已曝光的部分在显影时能够留下。而适用于厚胶工艺的SU8等负胶在曝光后是很难通过溶剂溶去的，即无法除胶。虽然国际上已经开发出许多方法去除SU8胶，比如使用氧离子刻蚀法、强氧化性酸腐蚀法等，但是对于具体应用很难普及。例如，在电铸金属完成后，对于一个直径20微米，深度1毫米的孔(里面填充有SU8胶)，深宽比达到50，用氧离子刻蚀法很难刻蚀完全；如果改用强氧化性酸，又要取决于金属本身的性质是否能够溶于这种氧化性酸。通常情况下，对于最终的金属模具或金属产品，很少是金、铂这类贵金属，而其他金属大多不能抵抗强氧化性酸的腐蚀。总之，使用负胶工艺实现大高宽比金属结构仍存在很多问题，而对于普遍使用的PMMA正胶材料，可以使用液态溶剂将其完全去除。因此开发出一种适用于正胶，并且能够实现大高宽比、孤立光刻胶微结构阵列的方法是很有实用价值的。对此类微结构的成功实现，将会推动整个LIGA技术的发展，提升LIGA技术在实现大高宽比、孤立光刻胶微结构这一工艺环节的能力。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种实现光刻胶微结构的方法，尤其是针对具有大高宽比、孤立微结构阵列这一特点的光刻胶微结构。通过在正性光刻胶衬底表面热压一层网状负胶微结构，使得其经过曝光、显影后，得到的光刻胶微结构中各个易倾斜、倒塌的局部被表面的网状负胶微结构相连，成为一个整体，来防止各个局部的倾斜、倒塌。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种实现光刻胶微结构的方法，该方法包括：步骤10：在衬底表面制备网状负胶微结构；步骤20：将该网状负胶微结构从衬底上剥离并平铺在固体正胶衬底上，此固体正胶衬底放置于导电基底上；步骤30：通过热压的方法，将该网状负胶微结构嵌入该固体正胶衬底表层，同时将该固体正胶衬底粘附在导电基底上；步骤40：对上述表层已嵌入网状负胶微结构并已粘附在导电基底上的固体正胶衬底，在预设的掩模板下进行曝光、显影，得到光刻胶微结构。

上述方案中，步骤10中所述网状负胶微结构，为含有大量微小通孔结构的负性光刻胶薄膜，该微小通孔结构使得负性光刻胶薄膜形成网状结构，且为一个连续的整体。所述网状负胶微结构为厚度为20微米的负性光刻胶薄膜，该薄膜中含有边长为50微米、间距10微米的正方形通孔阵列，阵列周期数为60×60。

上述方案中，步骤20中所述剥离，是将衬底上已制备的网状负胶微结构在去离子水中清洗，自然脱落，实现网状负胶微结构的剥离。

上述方案中，步骤20中所述固体正胶衬底，为正性光刻胶，状态为固体，采用的材料为固体的聚甲基丙烯酸甲酯。

上述方案中，步骤30中所述热压的方法，是在表面铺有网状负胶微结构的固体正胶衬底表面压重物，并将网状负胶微结构、固体正胶衬底和导电基底一起加热到一定的温度，使得固体正胶衬底软化，进而将其表面的网状负胶微结构包裹，使网状负胶微结构嵌入固体正胶衬底表层，同时固体正胶衬底与导电基底粘附；之后降温，固体正胶衬底固化，获得表面层嵌入网状负胶微结构并与导电基底粘附的固体正胶衬底。

上述方案中，步骤30中所述导电基底，为金属基底，在步骤40得到光刻胶微结构之后，该导电基底作为后续电镀工艺的籽层。

上述方案中，步骤40中所述预设的掩模板，该掩模板中的图形将能够使曝光显影后的固体正胶衬底产生孤立的光刻胶微结构阵列。

上述方案中，步骤10中所述网状负胶微结构具有特定图样，该特定图样与步骤40中所述的预设的掩模板的图样有对应关系，使得该网状负胶微结构非孔位置的实体部分与步骤40中所得到的光刻胶微结构中的孤立微结构相接触。

上述方案中，步骤40中所述预设的掩模板的图样，其遮光区域为边长为50微米、间距10微米的正方形阵列，阵列的周期数为50×50；通过曝光和显影后，将能够得到横截面为边长50微米正方形的长方体阵列，此阵列各个长方体间距10微米，周期数为50×50；所有长方体为孤立胶柱；步骤10中所述网状负胶微结构具有的特定图样，其参数为：薄膜厚度20微米，薄膜中含有边长为50微米、间距10微米的正方形通孔阵列，阵列周期数为60×60。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，通过在正胶表面热压嵌入网状负胶微结构，获得了待曝光的衬底。此衬底经过通常的曝光、显影工艺后，能够获得光刻胶微结构，进而通过电镀工艺、打磨工艺，能够获得对应的金属微结构。对于显影后的孤立光刻胶微结构阵列，当其高宽比很大时，在实现中非常困难，通常会出现微结构与衬底脱附或微结构倾斜、倒塌。出现此种现象的物理原因是显影液、清洗液的流动冲击和烘干时的液面张力导致的间距很小的微结构之间产生的不可忽略的力，这些力作用在胶结构上，并以胶结构与衬底的接触点为支点产生一个力矩，促使胶结构倾斜，当倾斜角度过大或胶结构与衬底的附着力过小时，胶结构脱落。这种作用对于大高宽比的孤立胶结构的效果尤为显著。在相同条件下，胶结构高宽比越大，将越容易在显影及后续工艺中倾斜、倒塌，甚至脱附。而解决此问题的方法仅通过增加光刻胶与衬底的附着力是远远不够的，因为即使光刻胶不与衬底脱附，也可能因为自身的机械强度不够而在液体冲击下变得弯曲，使得微结构与预期结构相差甚远。本发明通过利用网状负胶微结构固定光刻胶微结构顶端的方法，可以使大量的孤立光刻胶微结构成为顶端互相连接、支撑的整体，这样可以有效的防止每个孤立的胶结构由于受到随机方向的液体冲击力而向随机方向的倾斜，进而获得预期的光刻胶微结构。

2、利用本发明，通过在正性光刻胶衬底表面热压一层网状负胶微结构，使得其经过曝光、显影后，得到的光刻胶微结构中各个易倾斜、倒塌的局部被表面的网状负胶微结构相连，成为一个整体，进而有效地防止了各个局部的倾斜、倒塌。

3、通过利用本发明提供的方法，能够制备出光刻胶微结构，尤其是具有大高宽比、孤立微结构阵列这一特点的光刻胶微结构，比现有技术下实现相同结构具有更大的优势，这样的结构通过后续的工艺制备出的最终器件在性能上会有很大提升。

附图说明

图1是本发明提供的实现光刻胶微结构的方法流程图；

图2是依照本发明实施例的实现光刻胶微结构的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

下面首先介绍本发明的实现原理，本发明能够实现光刻胶微结构，尤其是具有大高宽比、孤立微结构阵列这一特点的光刻胶微结构，其原理如下：当不使用本发明的方法时，对于经过曝光并显影后得到的光刻胶微结构，尤其是对于高宽比很大、孤立的微结构阵列，通常会出现微结构与衬底脱附或微结构倾斜、倒塌。出现此种现象的物理原因是显影液、清洗液的流动冲击和烘干时的液面张力导致的间距很小的微结构之间产生的不可忽略的力，这些力作用在胶结构上，并以胶结构与衬底的接触点为支点产生一个力矩，促使胶结构倾斜，当倾斜角度过大或胶结构与衬底的附着力过小时，胶结构脱落。这种作用对于大高宽比、孤立光刻胶微结构的效果尤为显著。在相同条件下，胶结构高宽比越大，将越容易在显影及后续工艺中倾斜、倒塌，甚至脱附。本发明通过利用网状负胶微结构固定光刻胶微结构顶端的方法，使大量的孤立光刻胶微结构成为顶端互相支撑的整体，这样可以有效的防止每个孤立的胶结构由于受到随机方向的液体冲击力而向随机方向的倾斜，进而获得预期的光刻胶微结构。

基于上述实现原理，图1示出了本发明提供的实现光刻胶微结构的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤10：在衬底表面制备网状负胶微结构；

步骤20：将该网状负胶微结构从衬底上剥离并平铺在固体正胶衬底上，此固体正胶衬底放置于导电基底上；

步骤30：通过热压的方法，将该网状负胶微结构嵌入该固体正胶衬底表层，同时将该固体正胶衬底粘附在导电基底上；

步骤40：对上述表层已嵌入网状负胶微结构并已粘附在导电基底上的固体正胶衬底，在预设的掩模板下进行曝光、显影，得到光刻胶微结构。

其中，步骤10中所述网状负胶微结构，为含有大量微小通孔结构的负性光刻胶薄膜，该微小通孔结构使得负性光刻胶薄膜形成网状结构，且为一个连续的整体。例如：网状负胶微结构的实体为SU8型负性光刻胶薄膜，厚度20微米，薄膜中含有边长为50微米、间距10微米的正方形通孔阵列，阵列周期数为60×60；即形成了网状的、含有微结构的负性光刻胶薄膜。

步骤20中所述剥离，是将衬底上已制备的网状负胶微结构在去离子水中清洗，自然脱落，实现网状负胶微结构的剥离。

步骤20中所述固体正胶衬底，为正性光刻胶，状态为固体，通常为固体的聚甲基丙烯酸甲酯，即PMMA材料。

步骤30中所述热压的方法，即在表面铺有网状负胶微结构的固体正胶衬底表面压重物，并将网状负胶微结构、固体正胶衬底和导电基底一起加热到一定的温度，使得固体正胶衬底软化，进而将其表面的网状负胶微结构包裹，使网状负胶微结构嵌入固体正胶衬底表层，同时固体正胶衬底与导电基底粘附。之后降温，固体正胶衬底固化，获得表面层嵌入网状负胶微结构并与导电基底粘附的固体正胶衬底。

步骤30中所述导电基底，通常为金属基底，在步骤40得到光刻胶微结构之后，该导电基底可以作为后续电镀工艺的籽层。通常获得此光刻胶微结构之后，都要进行随后的电镀工艺以获得胶图形对应的金属微结构。

步骤40中所述预设的掩模板，该掩模板中的图形将能够使曝光显影后的固体正胶衬底产生孤立光刻胶微结构阵列。例如，掩模图形的遮光区域为边长为50微米、间距10微米的正方形阵列，阵列的周期数为50×50。通过曝光和显影后，将能够得到横截面为边长50微米正方形的长方体阵列，此阵列各个长方体间距10微米，周期数为50×50。所有长方体为孤立胶柱。

进一步地，步骤10中所述网状负胶微结构具有特定图样，该特定图样与步骤40中所述的预设的掩模板的图样有对应关系，使得该网状负胶微结构的实体部分(非孔的位置)与步骤40中所得到的光刻胶微结构中的微结构相接触，尤其是与具有大高宽比、孤立微结构这一特点的孤立微结构相接触。例如，如果步骤40中所述预设的掩模板的参数为：单元为边长50微米正方形，单元间距10微米，周期数为50×50。那么此网状负胶微结构的参数可以为：薄膜厚度20微米，薄膜中含有边长为50微米、间距10微米的正方形通孔阵列，阵列周期数为60×60。此时，当此薄膜位置相对于显影后的胶柱阵列摆放合理时，能够保证薄膜中的实体部分与所有的长方体胶柱相连接，达到固定所有胶柱的目的。

基于图1所示的实现光刻胶微结构流程图，图2示出了依照本发明实施例的实现光刻胶微结构工艺流程图，具体如下：

步骤21：在干净的玻璃衬底上通过旋涂、烘干的方法，得到厚度在20微米左右的SU8负胶薄膜，并通过紫外光刻技术获得具有如下图样的微结构：边长为50微米，间距为10微米的正方形通孔阵列，周期数为60×60。最终获得的样品如图2(a)所示。注，图2为示意图，实际图样的周期数通常要大于图示的周期数；

步骤22：如图2(b)所示，将玻璃衬底上已制备好的SU8负胶网状薄膜在去离子水中清洗，自然脱落，实现SU8负胶网状薄膜的剥离；取出该SU8负胶网状薄膜，置于干净的正性光刻胶(例如固体PMMA)衬底上，正性光刻胶衬底厚度1毫米；将正性光刻胶衬底置于导电的金属基底上；

步骤23：把上述样品放入烘箱，并在顶端压放一玻璃片，玻璃片上压上一块重量5千克左右的铅砖，在180℃条件下，烘烤1小时，并自然降到室温，将该SU8负胶网状薄膜热压嵌入正性光刻胶衬底表层，同时将正性光刻胶衬底粘附在导电基底上，热压完后的样品如图2(c)所示；

步骤24：在掩模板的遮蔽下对上述样品进行曝光，其中的掩模板的图形为如下参数：掩模图形的遮光区域为边长为50微米、间距10微米的正方形阵列，阵列的周期数为50×50。上述遮光的正方形要对齐网状负胶微结构薄膜中的梁的交叉点，位置如图2(d)；

步骤25：上述样品显影后，将能够得到横截面为边长50微米正方形的长方体阵列，此阵列各个长方体间距10微米，周期数为50×50。所有长方体为孤立胶柱，胶柱顶端由网状负胶微结构连接，如图2(e)所示；

如果需要，上述样品可以进一步进行电镀工艺用以获得对应图形的金属微结构。

按照上述方法制备的光刻胶微结构，能够对于孤立的微结构实现更大的高宽比性能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种实现光刻胶微结构的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤10：在衬底表面制备网状负胶微结构；

步骤20：将该网状负胶微结构从衬底上剥离并平铺在固体正胶衬底上，此固体正胶衬底放置于导电基底上；

步骤30：通过热压的方法，将该网状负胶微结构嵌入该固体正胶衬底表层，同时将该固体正胶衬底粘附在导电基底上；

步骤40：对上述表层已嵌入网状负胶微结构并已粘附在导电基底上的固体正胶衬底，在预设的掩模板下进行曝光、显影，得到光刻胶微结构；

其中，步骤40中所述预设的掩模板，该掩模板中的图形将能够使曝光显影后的固体正胶衬底产生孤立的光刻胶微结构阵列；

步骤10中所述网状负胶微结构具有特定图样，该特定图样与步骤40中所述的预设的掩模板的图样有对应关系，使得该网状负胶微结构非孔位置的实体部分与步骤40中所得到的光刻胶微结构中的孤立微结构相接触。

2.根据权利要求1所述的实现光刻胶微结构的方法，其特征在于，步骤10中所述网状负胶微结构，为含有大量微小通孔结构的负性光刻胶薄膜，该微小通孔结构使得负性光刻胶薄膜形成网状结构，且为一个连续的整体。

3.根据权利要求2所述的实现光刻胶微结构的方法，其特征在于，所述网状负胶微结构为厚度为20微米的负性光刻胶薄膜，该薄膜中含有边长为50微米、间距10微米的正方形通孔阵列，阵列周期数为60×60。

4.根据权利要求1所述的实现光刻胶微结构的方法，其特征在于，步骤20中所述剥离，是将衬底上已制备的网状负胶微结构在去离子水中清洗，自然脱落，实现网状负胶微结构的剥离。

5.根据权利要求1所述的实现光刻胶微结构的方法，其特征在于，步骤20中所述固体正胶衬底，为正性光刻胶，状态为固体，采用的材料为固体的聚甲基丙烯酸甲酯。

6.根据权利要求1所述的实现光刻胶微结构的方法，其特征在于，步骤30中所述热压的方法，是在表面铺有网状负胶微结构的固体正胶衬底表面压重物，并将网状负胶微结构、固体正胶衬底和导电基底一起加热到一定的温度，使得固体正胶衬底软化，进而将其表面的网状负胶微结构包裹，使网状负胶微结构嵌入固体正胶衬底表层，同时固体正胶衬底与导电基底粘附；之后降温，固体正胶衬底固化，获得表面层嵌入网状负胶微结构并与导电基底粘附的固体正胶衬底。

7.根据权利要求1所述的实现光刻胶微结构的方法，其特征在于，步骤30中所述导电基底，为金属基底，在步骤40得到光刻胶微结构之后，该导电基底作为后续电镀工艺的籽层。

8.根据权利要求1所述的实现光刻胶微结构的方法，其特征在于，

步骤40中所述预设的掩模板的图样，其遮光区域为边长为50微米、间距10微米的正方形阵列，阵列的周期数为50×50；通过曝光和显影后，将能够得到横截面为边长50微米正方形的长方体阵列，此阵列各个长方体间距10微米，周期数为50×50；所有长方体为孤立胶柱；

步骤10中所述网状负胶微结构具有的特定图样，其参数为：薄膜厚度20微米，薄膜中含有边长为50微米、间距10微米的正方形通孔阵列，阵列周期数为60×60。