激光直寫光刻技術(shù)是一種利用曝光強(qiáng)度可控的激光束來光刻曝光，并在顯影后得到具有期望形貌微結(jié)構(gòu)的3D光刻技術(shù)。 

該技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)對激光的曝光位置與曝光強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)字化控制，實(shí)現(xiàn)對光刻膠的變劑量曝光，因此具有很高的制造靈活性。

下圖為激光直寫光刻設(shè)備的工作原理示意圖。

激光器出射激光，經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)對光束的光強(qiáng)和通光量進(jìn)行調(diào)控。最后，物鏡將光斑匯聚到光刻膠上表面。

計(jì)算機(jī)同時(shí)對激光器的出射激光功率以及二維移動(dòng)平臺的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，從而控制激光束的曝光能量和位置。最后，對經(jīng)過數(shù)字化曝光的光刻膠顯影，即可得到具有期望形貌的3D微結(jié)構(gòu)。

激光直寫光刻技術(shù)并不是單一獨(dú)立的技術(shù)，它是包括了以激光直寫光刻技術(shù)為核心的一套工藝技術(shù)。

這些技術(shù)具體包括有襯底表面處理技術(shù)、光刻膠旋涂技術(shù)、光刻膠前烘技術(shù)、激光直寫光刻曝光技術(shù)、顯影以及后烘(PBE)技術(shù)。具體的流程如下圖所示。

一、表面處理

表面處理技術(shù)是激光直寫光刻技術(shù)流程中的第一道工藝。

它主要目的是有效的清潔襯底的表面，從而使襯底的表面不具有灰塵。如果襯底的表面具有灰塵，旋涂后的光刻膠會(huì)因?yàn)榛覊m顆粒而不均勻的分布在襯底表面，進(jìn)而影響到后續(xù)的光刻工藝。

目前，常見的襯底有玻璃襯底與硅襯底。由于拋光后的硅片表面比較光滑，因此不需要表面處理，只需要用氮?dú)獯底咂浔砻娴念w粒即可。

較為常用的襯底為玻璃襯底。玻璃襯底表面較為粗糙，易于吸附灰塵，因此需要用酒精對表面進(jìn)行清洗。

二、涂光刻膠

在對表面處理后，需要對光刻膠進(jìn)行涂布。光刻膠的涂布方式有旋涂，噴涂以及浸涂3種方式。

其中，旋涂是常見的抗蝕劑涂層技術(shù)。該種方式涂抹后的光刻膠表面非常光滑和均勻。先將光刻膠滴涂到清理后的玻璃襯底上，然后再用勻膠機(jī)對光刻膠進(jìn)行旋涂。一般光刻膠涂抹厚度與自旋速度的平方根的倒數(shù)成正比。

同時(shí)，光刻膠的種類也會(huì)對光刻膠的膠厚有影響，而光刻膠的厚度會(huì)決定可制備微結(jié)構(gòu)的最大高度。有時(shí)為了增加涂布厚度，會(huì)使用Plasma清洗機(jī)對玻璃襯底的表面進(jìn)行親水處理：氣體為O2；時(shí)間為30s；功率為100W。

三、前烘

在完成對光刻膠的旋涂后，接下來需要對光刻膠進(jìn)行前烘。在制備厚膠微結(jié)構(gòu)時(shí)，即制備高度大于20μm的微結(jié)構(gòu)，需要對前烘的時(shí)間與前烘溫度進(jìn)行一定的改善。光刻膠的厚度越厚，前烘的時(shí)間越長。時(shí)間甚至可長達(dá)5min以上。

薄膠微結(jié)構(gòu)不需要考慮光刻膠中的N2逃逸問題，因此烘烤的主要目的是將光刻膠變得堅(jiān)固。而對厚膠微結(jié)構(gòu)，光刻膠中會(huì)產(chǎn)生N2氣泡。為此，在烘烤過程中緩慢升溫，以實(shí)現(xiàn)對N2氣泡的驅(qū)趕。

四、曝光

對光刻膠烘烤后，需要將光刻膠放置在激光直寫光刻設(shè)備中，以實(shí)現(xiàn)光刻膠的曝光。

激光直寫光刻設(shè)備的曝光參數(shù)主要有曝光光斑尺寸、曝光劑量、激光光斑移動(dòng)步長、離焦補(bǔ)償量。光斑中的光斑尺寸以及對應(yīng)焦深是決定可制備結(jié)構(gòu)尺寸的兩個(gè)重要的參數(shù)。

當(dāng)光斑較小時(shí)，光斑適合制備具有較小特征尺寸的3D結(jié)構(gòu)。但是當(dāng)光斑較小時(shí)，數(shù)值孔徑較小，因此很難制備較高的結(jié)構(gòu)。

相反，當(dāng)光斑較大時(shí)，光斑不適合制備具有較小特征尺寸的3D結(jié)構(gòu)。但是光斑較大時(shí)，數(shù)值孔徑較大，焦深夠大，因此適合制備較高的結(jié)構(gòu)。

通常，當(dāng)制備較大結(jié)構(gòu)時(shí)，一般使用500nm光斑。激光光斑移動(dòng)步長為激光光斑尺寸的一半。通過這種光斑的疊加，可以制備具有更高高度和低粗糙度的高深寬比微結(jié)構(gòu)。曝光劑量需要根據(jù)制備微結(jié)構(gòu)的高度決定。焦點(diǎn)補(bǔ)償需要由光刻膠厚度決定。

五、光刻膠選擇

光刻膠的種類多種多樣，按照感光光源其種類可以分為紫外(300~450nm)光刻膠、深紫外(160~280nm)光刻膠以及極紫外光刻膠(曝光波長僅幾十納米)等。

隨著光刻結(jié)構(gòu)特征尺寸越來越小，化學(xué)放大膠逐步成為集成電路產(chǎn)業(yè)中常用的光刻膠。按照激光曝光后光刻膠內(nèi)化學(xué)成分的反應(yīng)，光刻膠也分為光刻正膠與光刻負(fù)膠。

一般激光直寫光刻技術(shù)的常用膠為光刻正膠。另一種3D光刻技術(shù)，雙光子光刻技術(shù)，一般運(yùn)用光刻負(fù)膠對微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行制備。

針對光刻膠的成分而言，盡管不同的光刻膠具有不同組分，但是目前主流光刻膠主要由感光劑、成膜樹脂、溶劑以及少量添加劑構(gòu)成。成膜樹脂作為成膜載體，具有很好的堿溶性。而光敏化合物的作用是對在堿性環(huán)境中的成膜樹脂溶解進(jìn)行抑制。當(dāng)它們混合在一起時(shí)，組成的六元化合物不溶于堿性溶液。然而，當(dāng)光敏化合物被激光輻照后，它會(huì)發(fā)生分解。光敏化合物分解后的產(chǎn)物反而會(huì)促進(jìn)堿性環(huán)境中的成膜樹脂的溶解。在被輻照前，光刻膠屬于大分子材料。當(dāng)其被輻照后，大分子材料裂解成小分子材料。顯影后，可能有部分小分子材料填充光刻膠圖案的表面，從而減少了結(jié)構(gòu)的粗糙度。

然而，隨著激光直寫光刻技術(shù)的興起，紫外(300~450nm)光刻正膠又重新走進(jìn)了激光直寫光刻行業(yè)內(nèi)相關(guān)從業(yè)人員的視野中。

根據(jù)光刻膠對激光的吸收效率，紫外(300~450nm)光刻膠進(jìn)一步劃分為G線(436nm)光刻膠以及I線(356nm)光刻膠。

六、顯影

當(dāng)光刻膠被激光直寫光刻設(shè)備曝光后，需要對其顯影，以得到期望的微結(jié)構(gòu)。AZ400K是一個(gè)較為常用的顯影液，其主要成分是KOH。為了防止顯影速度過快，倒入超純水以稀釋顯影液。

在顯影的過程中，當(dāng)制備的結(jié)構(gòu)較高時(shí)，有一些光刻膠會(huì)困在微結(jié)構(gòu)之間。這些困在微結(jié)構(gòu)之間的光刻膠會(huì)阻止顯影液與其下層的光刻膠反應(yīng)。

最后，需要將顯影后的光刻膠微結(jié)構(gòu)放置在熱板上進(jìn)行后烘。這一步是為了將光刻膠中的水分烘烤出來，并使光刻膠中的化學(xué)物質(zhì)充分反應(yīng)。一般后烘的溫度低于光刻膠的熔點(diǎn)。

在顯影后，初步得到光刻后微器件結(jié)構(gòu)，在后續(xù)的刻蝕與氧化后形成器件。

參考文獻(xiàn)：

(1)黃軼 飛秒激光直寫微光學(xué)器件及其光學(xué)特性研究[D].

(2)欒世奕 基于3D光刻技術(shù)的多功能微透鏡陣列制造及研究[D].

(3)陳力 基于激光誘導(dǎo)法的玻璃通孔制備技術(shù)及無源器件集成研究[D].