CN102520591A - 一种基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，该方法包括如下步骤：首先，在衬底表面涂覆光刻胶，然后进行前烘，将旋涂有负性光刻胶的衬底进行前烘，去除负性光刻胶的溶剂；接着曝光，扩散片位于掩膜板之上，利用扩散片和掩膜板作为掩膜对负性光刻胶进行紫外曝光；最后进行后烘和显影，曝光区域中的负性光刻胶在后烘中交联，不溶于显影液，得到具有特定的截面结构；扩散片和掩膜板一起作为掩膜参与光刻胶的曝光。本发明具有适用范围广泛，工艺过程简单，工艺重复性好，不需要改造现有光刻设备，成本低廉，易实现批量生产等优点。

Description

一种基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域、微机电***（MEMS）领域和集成光学领域的光刻工艺方法，特别涉及一种基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，更确切的说是一种同时使用扩散片和掩膜板作为光刻掩膜的负性光刻胶光刻工艺方法。

背景技术

光刻技术在集成光电子器件制造中起着举足轻重的作用。光刻工艺通常指采用照相复印的方法将光刻掩模的图形精确地复印到涂有待刻蚀材料表面的光刻胶上面。光刻在集成光学器件、MEMS制造和集成电路芯片（lC）工艺制造过程中占据着举足轻重的地位，光刻已被广泛认为是在批量制造微纳结构和器件的关键技术之一，是大规模制造微纳结构和器件的主要途径。

目前常规光刻工艺都是采用传统的微电子加工工艺制作，用于制备微结构器件、波导等，这些光刻微结构往往具有整齐清晰的边角，其3D表面通常为长方体形或多面体形，上表面和下表面图形一致。不过，随着集成光学技术和MEMS技术应用的发展，需要制作更复杂形状和结构的微型器件，尤其是具有特定曲面特征的微结构或微器件(如微透镜)，即微结构的上下表面有显著的不同。传统的光刻工艺无法制备这些特殊的图形微结构，针对这种需求有人发展了灰阶光掩膜技术，该技术利用具有灰度梯度分布的光掩膜版进行曝光，使得光刻胶因感受不同强度紫外光作用而呈现不同程度交联或溶解，从而制作得到具有曲面特征的微结构。但是，灰阶光掩膜技术需要昂贵、高分辨率的灰阶光掩膜，该类掩膜加工复杂、成本较高，不适于推广应用。虽然基于正性光刻胶回流技术制作的曲面微结构在一定范围内可以满足复杂形状和结构的微型器件制作需要，但是由于通常正性光刻胶粘度相对较低，其旋涂厚度往往较小，限制了可制得的微结构高度，且正性光刻胶材料本身往往易受酸碱或有机试剂侵蚀，在紫外光照下极易发生光化学反应分解，稳定性较差，应用范围受到很大局限。因此，需要寻找适于高深宽比结构制作、且物化性质稳定的材料制作曲面微结构。负性光刻胶由于其优良的物理、化学性质，与传统微电子工艺兼容和适于制作高深宽比结构的特点，使其成为复杂截面微结构制作的最佳候选材料。但是，由于交联后的负性光刻胶往往玻璃化温度很高，接近其碳化热解温度，使其很难采用正性光刻胶回流方法，即通过光刻、显影、回流的流程，制作曲面结构。同时，采用回流方法仅能够制造球冠状截面的单一结构。在复杂的三维结构的制作方面，有人提出了LIGA、激光烧蚀、激光全息等光刻工艺方法。但这些方法往往需要昂贵、高分辨率的专用曝光设备，工艺过程中需要多次成膜和套刻，部分工艺需要化学机械抛光和干法刻蚀，工艺复杂，很难保证结构尺寸的准确性和结构表面的光滑，不利于制作高质量的集成光学器件和MEMS器件。因此，针对三维结构制作的需求，迫切需要发展新的、工艺简单、成本低廉的工艺方法。

扩散片在平板显示、激光、LED 照明、成像等***中有重要应用。扩散片的主要功能是将入射光转变为漫射或者具有一定空间分布的光。入射的平行光在扩散片中经过折射和散射，形成特定能量分布的光场。基于对入射光的扩散原理不同，主要分为两类：一类是掺杂粒子型，另一类是表面微结构型。前者目前在平板显示中得到了广泛应用，但其透过率低，光场不可控，并且由于存在掺杂不均匀的情况，导致光场不均匀。后一类包括毛玻璃型、全息型和微透镜阵列型。微透镜阵列扩散片具有高透过率，通过改变微透镜阵列形状和排布可以调整扩散角度、光场的空间和能量分布，具有极大的灵活性。

发明内容

技术问题：本发明的目的是为了克服已有工艺方法的不足之处，提出一种基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，采用扩散片结合负性光刻胶的光刻工艺，利用扩散片将光源由线性光转变为漫散射光，并结合负性光刻胶的成像特性，制备出传统光刻法无法实现的三维微结构图形。本发明可利用单次光刻可得到圆弧形，双圆弧形等复杂截面图形结构，具有适用范围广泛，工艺过程简单，工艺重复性好，不需要改造现有光刻设备，成本低廉，易实现批量生产等优点。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，该方法包括如下步骤：

首先，在衬底表面涂覆负性光刻胶，

然后进行前烘：将旋涂有负性光刻胶的衬底进行前烘，去除负性光刻胶的溶剂；

接着曝光：扩散片位于掩膜板之上，利用扩散片和掩膜板作为掩膜对负性光刻胶进行紫外曝光；

最后进行后烘和显影：曝光区域中的负性光刻胶在后烘中交联，不溶于显影液，得到具有特定的截面结构，即顺序排列为衬底、负性光刻胶、掩膜板、扩散片，入射波从扩散片上射入；

扩散片和掩膜板一起作为掩膜参与光刻胶的曝光。

所述的曝光包括接触式曝光或微距曝光或步进投影曝光其中任意一种。

所述的入射波是单色光产生的单波长激光，单波长激光的波长范围是紫外、可见或者红外波段，入射波是有光谱宽度的光产生的光，光的波长范围是紫外至红外波段。

所述单色光产生的单波长激光是激光器产生的单波长激光，有光谱宽度的光产生的光是高压汞灯产生的光。

所述的扩散片的类型是掺杂粒子型或表面微结构型或者二者结合的类型，或扩散片是由多片扩散片组成的扩散片组。

所述的扩散片位于掩膜板之上，扩散片与掩膜板紧贴或者相隔数微米至几十厘米的距离，扩散片与掩膜板制作为一整体。

所述的衬底包括玻璃、硅片、聚合物薄片。

有益效果：本发明与现有的技术相比具有的有益效果为：

本发明所提出的基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，可利用一次光刻工艺光刻出传统光刻工艺无法制备的特殊的三维微结构。采用的负性光刻胶和正性光刻胶相比具有耐热性强，稳定性好的优点。当负性光刻胶充分曝光后，所制备的图形将实现彻底的交联并固化，不再溶于显影液，受紫外光影响小，折射率稳定。这种方法可用于制备各种三维微结构图形。采用扩散片的光刻工艺可以选用不同种类的扩散片和负性光刻胶从而得到各种不同的截面结构，一次曝光即可得到特定的截面形貌，制备工艺简单，与现有负性光刻胶光刻工艺兼容，可以不对现有光刻设备进行改造，并可实现批量生产，显著降低器件成本。

附图说明

图1是扩散片光刻方法示意图。

图2a是负性光刻胶光刻的原理图，

图2b是负性光刻胶扩散片光刻的原理图。

图3a是负性光刻胶光刻后的线条示意图，

图3b是负性光刻胶光刻后的线条示意图，

图3c是负性光刻胶光刻后的线条示意图。

图4a是负性光刻胶扩散片光刻后的线条示意图，

图4b是负性光刻胶扩散片光刻后的线条示意图，

图4c是负性光刻胶扩散片光刻后的线条示意图，

图4d是负性光刻胶扩散片光刻后的线条示意图，

图4e是负性光刻胶扩散片光刻后的线条示意图，

图4f是负性光刻胶扩散片光刻后的线条示意图，

图4g是负性光刻胶扩散片光刻后的线条示意图。

图5是负性光刻胶扩散片光刻后的凹槽示意图。

图6a是负性光刻胶扩散片光刻后的光子晶体结构单元示意图。

图6b是负性光刻胶扩散片光刻后的光子晶体结构单元示意图。

图7a是负性光刻胶扩散片光刻后的光子晶体示意图。 

图7b是负性光刻胶扩散片光刻后的光子晶体示意图。          

其中有：衬底1、负性光刻胶2、掩膜板3、扩散片4、入射波5。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

本发明提供的基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，包括涂覆光刻胶，前烘，曝光，后烘，显影，扩散片和掩膜板一起作为掩膜参与光刻胶的曝光，从上至下的结构包括：入射光、扩散片、掩膜板、光刻胶和衬底。

参见退1－图7b，基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，该方法包括如下步骤：

首先，在衬底表面涂覆光刻胶，

然后进行前烘，将旋涂有负性光刻胶的衬底进行前烘，去除负性光刻胶的溶剂；

接着曝光，扩散片位于掩膜板之上，利用扩散片和掩膜板作为掩膜对负性光刻胶进行紫外曝光

最后进行后烘和显影，曝光区域中的负性光刻胶在后烘中交联，不溶于显影液，得到具有特定的截面结构；

扩散片和掩膜板一起作为掩膜参与光刻胶的曝光。

所述的曝光包括接触式曝光或微距曝光或步进投影曝光其中任意一种。

所述的入射波5是单色光产生的单波长激光，单波长激光的波长范围是紫外、可见或者红外波段，入射波5是有光谱宽度的光产生的光，光的波长范围是紫外至红外波段。

所述单色光产生的单波长激光是激光器产生的单波长激光，有光谱宽度的光产生的光是高压汞灯产生的光。

所述的扩散片4的类型是掺杂粒子型或表面微结构型或者二者结合的类型，或扩散片4是由多片扩散片组成的扩散片组。

所述的扩散片4位于掩膜板3之上，扩散片4与掩膜板3紧贴或者相隔数微米至几十厘米的距离，扩散片4与掩膜板3制作为一整体。

所述的衬底1包括玻璃、硅片、聚合物薄片或者其他涂覆负性光刻胶的材料。

基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，包括以下步骤：首先，在衬底表面涂覆负性光刻胶，所述的衬底包括玻璃、硅片或者其他任何可以涂覆负性光刻胶的材料，一般光刻胶的厚度为几十纳米至数百微米；然后，将旋涂有负性光刻胶的衬底进行前烘，去除负性光刻胶的溶剂；接着，扩散片位于掩膜板之上，利用扩散片和掩膜板作为掩膜对负性光刻胶进行紫外曝光，所述的扩散片可以是掺杂粒子型、表面微结构型或者二者结合的类型，可以由多片扩散片组成扩散片组，所述的扩散片位于掩膜板之上扩散片可以与掩膜板紧贴或者相隔数微米至几十厘米的距离，所述的曝光包括接触式曝光、微距曝光和步进投影曝光，所述的的入射波的波长范围包括紫外、可见至红外波段，可以是单色光比如激光器产生的单波长激光，或者有一定光谱宽度的光比如高压汞灯产生的光；最后，进行后烘和显影，得到特定的截面结构，所述的截面结构由光刻掩膜的图形尺寸、曝光时间和负性光刻胶的种类决定。

更进一步地，前述基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，其中的掩膜可以为扩散片与掩膜板制作成一整体。

本发明所提出的基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法原理如下：平行的入射在扩散片中由于发生了折射和散射从而成为均匀的散射光，在负性光刻胶中形成发散的光强分布，入射光在负性光刻胶中被吸收减弱，满足曝光剂量的范围形成曝光区域。曝光区域中的负性光刻胶在后烘中交联，不溶于显影液，得到具有特定的截面结构。

本发明提出的一种基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，从工艺上来看包括以下步骤：

首先，在衬底1表面涂覆负性光刻胶2，所述的衬底包括玻璃、硅片或者其他任何可以涂覆负性光刻胶2的材料，一般光刻胶的厚度为几十纳米至数百微米；

然后，将旋涂有负性光刻胶2的衬底1进行前烘，去除负性光刻胶2中的溶剂；接着，扩散片4位于掩膜板3之上，利用扩散片4和掩膜板3作为掩膜对负性光刻胶2进行紫外曝光，所述的扩散片4可以是掺杂粒子型、表面微结构型或者二者结合的类型，可以由多片扩散片组成扩散片组，所述的扩散片4位于掩膜板3之上，扩散片4可以与掩膜板3紧贴或者相隔数微米至几十厘米的距离，或者制作成一整体，所述的曝光包括接触式曝光、微距曝光和步进投影曝光，所述的入射波5的波长范围包括紫外、可见至红外波段，可以是单色光比如激光器产生的单波长激光，或者有一定光谱宽度的光比如高压汞灯产生的光，平行的入射光在扩散片中由于发生了折射和散射从而成为均匀的散射光，在负性光刻胶中形成发散的光强分布，入射光在负性光刻胶中被吸收减弱，满足曝光剂量的范围形成曝光区域；

最后，进行后烘和显影，曝光区域中的负性光刻胶在后烘中交联，不溶于显影液，得到具有特定的截面结构，所述的截面结构由光刻掩膜的线条尺寸、曝光

时间和负性光刻胶的种类决定。采用扩散片光刻得到的负性光刻胶凹槽部分如图4所所示。

下面对本发明的实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下

进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限

于下述的实施例。

实施例1：

在单晶硅片上制作SU-8负性光刻胶凹槽

首先在单面抛光的单晶硅片衬底1上，旋涂SU-8光刻胶2，然后在热板上进行前烘，自然冷却至室温。接着将扩散片4放置于掩膜板3之上，使用光刻机进行紫外接触式曝光，之后在热板上进行前烘，最后在显影液PMGEA中显影，得到得到的SU-8负性光刻胶凹槽如图5所示，其部分横截面线条如图4所示。

实施例2：

在K9光学玻璃上制作NR9-3000PY负性光刻胶光子晶体

首先在K9光学玻璃衬底上1，旋涂NR9-3000PY光刻胶2，然后在热板上进行前烘，自然冷却至室温。接着将扩散片4放置于掩膜板3之上，使用光刻机进行紫外接触式曝光，之后在热板上进行前烘，最后在显影液R6中显影，得到得到的NR9-3000PY负性光刻胶光子晶体单元如图6所示，其部分横截面如图4所示，由于掩膜板的不同可以制作出负性光刻胶柱以及负性光刻胶井，光子晶体如图7所示。）

根据实施例1和实施例2制作得到的图形截面线条，本发明所提出的扩散片负性光刻胶光刻的曝光工艺与现有负性光刻胶光刻的曝光工艺在曝光原理上相

比较，如图2所示：

现有负性光刻胶曝光工艺中，掩膜板3分为透光区域7和非透光区域8，平行的入射光5穿过透光区域7后，在掩膜板3的下的负性光刻胶2内为平行的光

6，形成矩形曝光区域9，在非透光区域8区域下的负性光刻胶内形成非曝光区

域10，由于光刻胶的光学特性和光化学反应特性，曝光区域9充分交联的负性光刻胶在显影中保留下来，所成图形的截面如图3所示，负性光刻胶2的上下表面相同或者相似；本发明所提出的扩散片曝光工艺中，掩膜板3分为透光区域7和非透光区域8，平行的入射光5首先穿过扩散片4，在扩散片4中折射和散射，穿过透光区域7后，在掩膜板3的下的负性光刻胶2内为具有一定角度的光6，形成具有一定光强分布的曝光区域9，曝光区域9的上下表面形貌和尺寸显著不同，在非透光区域8区域下的负性光刻胶内形成非曝光区域10，由于光刻胶的光学特性和光化学反应特性，曝光区域9中充分交联的负性光刻胶在显影中保留下来，所成图形的部分截面如图4所示，本发明所提出的扩散片负胶光刻的工艺方法与现有的负胶光刻的工艺方法相比具有多样的截面形状，上下表面形貌既可以相同或者类似，也可以显著不同。可以根据不同角度和波长范围的入射光5、不同型号的扩散片4、不同图案的掩膜板3和不同型号不同厚度的负性光刻胶2进行自由组合和调整得到多样的光刻图形的三维形貌。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

首先，在衬底（1）表面涂覆负性光刻胶（2），

然后进行前烘：将旋涂有负性光刻胶（2）的衬底进行前烘，去除负性光刻胶的溶剂；

接着曝光：扩散片（4）位于掩膜板（3）之上，利用扩散片和掩膜板作为掩膜对负性光刻胶进行紫外曝光；

最后进行后烘和显影：曝光区域中的负性光刻胶在后烘中交联，不溶于显影液，得到具有特定的截面结构，即顺序排列为衬底（1）、负性光刻胶（2）、掩膜板（3）、扩散片（4），入射波（5）从扩散片（4）上射入；

扩散片和掩膜板一起作为掩膜参与光刻胶的曝光。

2.根据权利要求1所述的基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，其特征在于：所述的曝光包括接触式曝光或微距曝光或步进投影曝光其中任意一种。

3.根据权利要求1所述的基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，其特征在于：所述的入射波（5）是单色光产生的单波长激光，单波长激光的波长范围是紫外、可见或者红外波段，入射波（5）是有光谱宽度的光产生的光，光的波长范围是紫外至红外波段。

4.根据权利要求3所述的基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，其特征在于：所述单色光产生的单波长激光是激光器产生的单波长激光，有光谱宽度的光产生的光是高压汞灯产生的光。

5.根据权利要求1所述的基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，其特征在于：所述的扩散片（4）的类型是掺杂粒子型或表面微结构型或者二者结合的类型，或扩散片（4）是由多片扩散片组成的扩散片组。

6.根据权利要求1所述的基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，其特征在于：所述的扩散片（4）位于掩膜板（3）之上，扩散片（4）与掩膜板（3）紧贴或者相隔数微米至几十厘米的距离，扩散片（4）与掩膜板（3）制作为一整体。

7.根据权利要求1所述的基于负性光刻胶的扩散片光刻工艺方法，其特征在于：所述的衬底（1）包括玻璃、硅片、聚合物薄片。

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