CN108801162B - 一种厚光刻胶膜厚度的非接触式光学测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微制造技术领域，提供一种厚光刻胶膜厚度的非接触式光学测量方法，该方法通过在利用光学显微镜进行光刻胶厚度测量时引入胶膜的折射率，将偷眼观察到的虚像转化为实像，得到准确的胶膜厚度。其测量步骤包括“基底预处理‑胶膜制作‑胶厚测量‑曝光、显影”，解决现有技术中电解法、水晶阵子法、干涉法、光谱扫描法、X射线法和椭圆偏振法等测量方法的不足和应用的局限性，实现了几百微米厚光刻胶厚度的准确测量，具有应用范围广，简单，高效的特点，能够提高金属微结构电铸型膜制作的尺寸精度和制作效率。
Description
技术领域
本发明属于微制造技术领域，涉及到光刻工艺中胶膜厚度的测量方法，尤其涉及一种匀胶后，曝光显影前测量厚光刻胶膜厚度的光学测量方法。
背景技术
基于光刻胶模的微电铸技术制作金属微器件的工艺中，光刻胶膜的厚度决定了电铸金属微结构的高度。在光刻胶模的制作过程中，对于厚度为几百微米的大厚度光刻胶膜，不合适的光刻工艺参数往往会引起胶膜前烘、曝光或后烘时间不足、光化学反应不充分、显影时无法得到合格的微电铸胶膜型腔，最终导致微电铸工艺无法进行。因此要想获得高质量的微电铸胶膜型腔，需要在曝光前准确地测量光刻胶膜的厚度，并根据胶厚确定合适的曝光剂量、后烘和显影时间等光刻工艺参数，以提高光刻胶模制作的成功率、减小金属微器件的开发成本。
目前，常用的薄膜厚度测量方法主要有光学方法和非光学方法。其中非光学方法主要包括电解法和水晶振子法。电解法主要用于测量金属薄膜的厚度。水晶振子法主要用于测量物理蒸镀膜的厚度，并且利用该方法测量膜厚时需要已知膜层材料的密度。因此，非光学方法均不适用于测量厚光刻胶膜的厚度。而光学方法主要包括干涉法、光谱扫描法、X射线法和椭圆偏振法。干涉法是利用相干光干涉形成等厚干涉条纹的原理来确定薄膜厚度的。然而，对于大厚度的光刻胶膜，往往需要进行多次甩胶、前烘才能得到。相干光在透过多层膜时不能出现清晰的干涉条纹，因此利用干涉法测量厚膜的厚度时容易产生较大的误差。光谱扫描法也是基于光的干涉理论，通过测量待测薄膜的反射或透射光谱曲线，分析薄膜的光谱特性，计算得到薄膜的厚度。但是，利用光谱法测量时，针对不同类型的待测薄膜需要使用不同波段的光谱对其进行测量，特定的光谱波段范围在实际测量过程中往往是很难保证的。X射线法是基于探测薄膜接收到X射线后产生的光子能量大小来计算薄膜厚度的。但是，对于测量混合成分的薄膜或两层以上的复合薄膜是很困难的。此外，一般用X射线法测量薄膜厚度的范围在几纳米到几百纳米。椭圆偏振法是利用偏振光束在界面和薄膜表面上反射时出现的偏振光的相位和振幅的变化来确定薄膜厚度的。该方法适合于测量透明的或弱吸收的各向同性的膜层厚度，且薄膜厚度测量范围在一个纳米到几十微米之间。
综上所述，现有的测量方法无法满足在制作大厚度光刻胶膜过程中，需要在曝光前准确测量胶膜厚度的测量要求。为此本发明提出一种基于折射率的非接触式光学测量方法。通过调节显微镜的细准焦螺旋得到胶膜的视觉厚度，再通过实验确定光刻胶对显微镜光线的折射率，二者的乘积就是胶膜的实际厚度。这种测量方法简单方便，误差较小，同样适用于其他透明薄膜的厚度测量，具有重要的实用价值。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于折射率测量厚胶膜厚度的非接触式光学测量方法，即通过在利用光学显微镜测量厚胶膜厚度的过程中，引入胶膜的折射率，将肉眼观察到的虚像转化为实像，得到准确的胶膜厚度，为后续光刻工艺参数的选择提供参考。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种测量厚光刻胶膜厚度的非接触式光学测量方法，该方法通过在光刻胶曝光前，利用光学显微镜结合光刻胶折射率测量出厚光刻胶的厚度。区别于普通胶厚测量流程“基底预处理-光刻-胶厚测量”，该方法采用“基底预处理-胶膜制作-胶厚测量-曝光、显影”。具体测量步骤如下：
步骤一，基板预处理
用不同型号的砂纸对金属基板进行粗磨、精磨、抛光处理，使其表面粗糙度Ra小于0.04μm；用丙酮棉球擦洗基板表面；将擦拭干净的基板置于丙酮溶液中超声清洗15～25min，再置于乙醇溶液中超声清洗15～25min，经去离子水冲洗、氮气吹干后放入干燥箱内烘干；将烘干后的金属基板冷却至室温待用。
步骤二，制作胶膜
利用匀胶机在金属基板表面旋涂SU-8光刻胶，低速设置为500～700rpm，持续时间为15～30s；高速设置为800～1000rpm，持续时间为20～40s。将涂覆光刻胶的基板置于热板上进行前烘，采用阶梯式升温方式：65℃时烘20～40min，75℃时烘20～40min，85℃时烘1～2h，前烘结束后冷却至室温。
步骤三，测量胶厚
首先，确定光刻胶的折射率。取两块相同的带有光刻胶膜的金属基板。前烘后利用光学显微镜分别在两个样片的不同位置测量视觉厚度H’，曝光显影后利用工具显微镜在相同位置测量实际厚度H，得到两组不同厚度胶膜的视觉厚度值和实际厚度值.由于H'和H满足线性关系，以H'为横坐标，H为纵坐标将数据点描绘在直角坐标系中，并通过最小二乘法拟合得到线性方程，直线的斜率就是SU-8光刻胶的折射率n2。
其次，确定折射率后对厚胶膜进行测量。调节光学显微镜的细准焦螺旋，使其焦点分别聚焦到胶膜顶面和底面，二者的高度差即为胶膜的视觉厚度H’。根据公式(1)计算得到光刻胶的实际厚度H。
H＝n2H' (1)
步骤四，曝光、显影
光刻胶膜厚度测量后确定曝光剂量和曝光时间，曝光时间为60～90s，曝光剂量为480mJ/cm2～720mJ/cm2；将曝光后的基板放置在热板上进行后烘，热板温度为85℃，后烘时间为5～10min，随后冷却至室温；用光刻胶显影液对微电铸胶膜进行显影，显影时间为6～12min，用去离子水冲洗干净，氮气吹干即可得到具有微电铸型膜的金属基板。
本发明的效果与益处：提供了一种测量厚光刻胶膜厚度的非接触式光学测量方法。解决了现有测量方法的不足和应用的局限性，具有简单、高效、应用范围广的特点，能准确测量几百微米光刻胶胶膜的厚度，从而为后续工艺提供准确的曝光显影参数，提高金属微结构电铸型膜的制作精度和成功率。
附图说明
图1为基于折射率的厚胶膜厚度测量原理示意图；
图2为最小二乘法计算SU-8光刻胶的折射率；
图中：1为空气部分，折射率为n1。2为SU-8胶，折射率为n2。3为视觉观察点。P为基底上一点，即SU-8胶膜的最低点，P'为人眼看到的该点虚像。x为该点与法线的水平距离，H'为该点虚像到胶膜上表面的竖直距离，即胶膜的视觉高度，H为该点到胶膜上表面的竖直距离，即胶膜的实际高度。θ为光线的入射角，i为光线的折射角。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
附图1是基于折射率的厚胶膜厚度测量原理示意图。结合光的折射定律和三角函数关系可知SU-8胶的实际厚度为视觉厚度与其折射率的乘积，即公式(1)。基于图1的测量原理，利用图2计算了SU-8 2075光刻胶的折射率。一种测量厚光刻胶厚度的实验方法，其包括步骤如下：
(1)基板预处理
用不同型号的砂纸对金属铜基板进行粗磨、精磨、抛光处理，使其表面粗糙度Ra小于0.04μm；用丙酮棉球擦洗基板表面；将擦拭干净的基板置于丙酮溶液中超声清洗20min，再置于乙醇溶液中超声清洗20min，经去离子水冲洗、氮气吹干后放入真空干燥箱内烘干；将烘干后的金属铜基板冷却至室温待用。
(2)胶膜制作
利用台式匀胶机在金属铜基板表面旋涂SU-8 2075光刻胶，低速设置为600rpm，持续时间为18s；高速设置为900rpm，持续时间为30s。将涂覆光刻胶的铜基板置于热板上进行前烘，采用阶梯式升温方式：65℃时烘30min，75℃时烘30min，85℃时烘2h，前烘结束后冷却至室温。
(3)胶厚测量
首先，确定SU-8 2075光刻胶的折射率。取两块相同的带有光刻胶膜的铜基板。前烘后利用光学显微镜分别在两个样片的不同位置测量视觉厚度H’，曝光显影后利用工具显微镜在相同位置测量实际厚度H，得到一系列不同厚度胶膜的视觉厚度值和实际厚度值。H'和H满足线性关系，以H'为横坐标，H为纵坐标将数据点描绘在直角坐标系中，并通过最小二乘法拟合得到线性方程：：y＝1.6542x，直线的斜率就是折射率数值.
其次，确定SU-8 2075光刻胶的折射率为1.6542后，利用光学显微镜对厚光刻胶膜厚度进行测量。调节光学显微镜的细准焦螺旋，使其焦点分别聚焦到胶膜顶面和底面，二者的高度差即为胶膜的视觉厚度。利用公式(1)计算得到胶膜不同位置的厚度，如表1所示。
表1 SU-8 2075光刻胶视觉厚度与实际厚度
(4)曝光、显影
根据折射率测得的光刻胶膜厚度确定曝光剂量为640mJ/cm2、曝光时间为80s，后烘时间为7min，后烘温度为85℃。用SU-8胶专用显影液对微电铸胶膜进行显影，显影时间为10min，用去离子水冲洗干净，氮气吹干即可得到具有微电铸型膜的金属基板。
Claims (10)
1.一种厚光刻胶膜厚度的非接触式光学测量方法，其特征在于以下步骤：
步骤一，基板预处理
对金属基板进行粗磨、精磨、抛光处理后，超声清洗基板表面；
步骤二，制作胶膜
采用台式匀胶机在金属铜基板表面旋涂SU-8光刻胶，将涂覆光刻胶的铜基板置于热板上进行前烘；
步骤三，测量胶厚
3.1)确定光刻胶的折射率：取两块相同的带有光刻胶膜的金属基板；前烘后利用光学显微镜分别在两个金属基板样片的不同位置测量视觉厚度H’，曝光显影后利用工具显微镜在相同位置测量实际厚度H，得到两组不同厚度胶膜的视觉厚度值和实际厚度值；由于H'和H满足线性关系，以H'为横坐标，H为纵坐标将数据点描绘在直角坐标系中，并通过最小二乘法拟合得到线性方程，直线的斜率就是折射率数值；
3.2)确定光刻胶折射率后对厚胶膜进行测量：调节光学显微镜的细准焦螺旋，使其焦点分别聚焦到胶膜顶面和底面，二者的高度差即为胶膜的视觉厚度；光刻胶的实际厚度为视觉厚度与其折射率的乘积；
步骤四，曝光、显影
光刻胶膜厚度测量后确定曝光剂量和曝光时间；将曝光后的基板放置在热板上进行后烘，随后冷却至室温；用光刻胶显影液对微电铸胶膜进行显影，最后，采用去离子水冲洗干净，氮气吹干即可得到具有微电铸型膜的金属基板。
2.根据权利要求1所述的一种厚光刻胶膜厚度的非接触式光学测量方法，其特征在于，步骤二中旋涂SU-8光刻胶时：低速设置为500～700rpm，持续时间为15～30s；高速设置为800～1000rpm，持续时间为20～40s。
3.根据权利要求1或2所述的一种厚光刻胶膜厚度的非接触式光学测量方法，其特征在于，步骤二中SU-8光刻胶采用阶梯式升温方式进行前烘干：65℃时烘20-40min，75℃时烘20-40min,85℃时烘1-2h。
4.根据权利要求1或2所述的一种厚光刻胶膜厚度的非接触式光学测量方法，其特征在于，步骤四中SU-8光刻胶的曝光时间为60～90s，曝光剂量为480mJ/cm2～720mJ/cm2。
5.根据权利要求3所述的一种厚光刻胶膜厚度的非接触式光学测量方法，其特征在于，步骤四中SU-8光刻胶的曝光时间为60～90s，曝光剂量为480mJ/cm2～720mJ/cm2。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种厚光刻胶膜厚度的非接触式光学测量方法，其特征在于，步骤四中SU-8光刻胶的后烘温度为85℃，后烘时间为5～10min。
7.根据权利要求3所述的一种厚光刻胶膜厚度的非接触式光学测量方法，其特征在于，步骤四中SU-8光刻胶的后烘温度为85℃，后烘时间为5～10min。
8.根据权利要求4所述的一种厚光刻胶膜厚度的非接触式光学测量方法，其特征在于，步骤四中SU-8光刻胶的后烘温度为85℃，后烘时间为5～10min。
9.根据权利要求1或2或5或7或8所述的一种厚光刻胶膜厚度的非接触式光学测量方法，其特征在于，步骤四中所述的显影时间为6～12min。
10.根据权利要求6所述的一种厚光刻胶膜厚度的非接触式光学测量方法，其特征在于，步骤四中所述的显影时间为6～12min。
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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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