基于湿法刻蚀MEMS压印模板制造工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种基于玻璃湿法刻蚀的压印光刻模板的制造工艺，该工艺包括对基材清洗、蒸镀偶联剂及蒸镀后处理、涂覆光刻胶、曝光、显影、二次固化、刻蚀、去胶等工艺步骤，得到压印模板。本发明专利技术采用单层负性光刻胶作为刻蚀掩模，采用硅烷偶联剂增强刻蚀掩模与玻璃表面的黏附力，通过蒸镀的方式涂覆偶联剂降低钻蚀率，采用ＨＣｌ作为刻蚀液添加剂提高刻蚀表面质量，通过厚胶层工艺消除刻蚀表面缺陷。本发明专利技术适用于ＭＥＭＳ的分层压印制造。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子机械系统(MEMS)制造领域，涉及一种基于湿法刻蚀MEMS压印模板制造工艺，该工艺采用单层负性光刻胶作为刻蚀掩模，适用于基于压印光刻MEMS分层制造工艺中压印模板的制作，也可以应用于微流控分析芯片中微通道的刻蚀及微光机电系统(MOEMS)中光学元件的制作。
技术介绍
压印光刻已被证明是一种能够进行纳米特征尺寸结构制造的工艺，由于其高精度、低成本以及适用于批量生产的优势而成为下一代光刻技术(NGL)的有力竞争者，并且取得了一定的应用。压印光刻工艺中压印模板的制作是其关键技术之一，在常温压印光刻中，由于曝光以及多层压印对正的要求，需要采用透明模板。通常，压印模板的制作是采用电子束直写技术在石英玻璃上刻蚀出图形，该方法的优点是可以刻蚀出小于100nm特征尺寸的图形，适用于集成电路(IC)压印模板的制作，其缺点是效率低、成本高。MEMS图形特征尺寸在微米级，相对IC制造来说尺寸较大，采用电子束直写工艺制作如此大图形的压印模板时，由于成本太高而使得工艺不具有合理性。由于MEMS相对于IC精度要求较低，用基于玻璃湿法刻蚀的工艺制作压印模板可以达到降低成本，提高效率的目的。玻璃湿法刻蚀中，刻蚀掩模的制作是决定刻蚀质量及刻蚀成本的关键工艺。传统的刻蚀掩模为光刻胶+Cr/Au金属层，其工艺成熟，但金属层沉积时间长、成本高，而且容易出现“针孔”刻蚀缺陷。采用等离子体加强化学气相沉积(PECVD)多晶硅薄膜或采用与玻璃键合的硅片作刻蚀掩模可以进行深刻蚀，但这些方法由于工艺过于复杂导致成本太高。采用双层Cr/Au金属层加一层20μm的光刻胶作为刻蚀掩模，可以消除了刻蚀表面缺陷，但工艺更为复杂。用单层光刻胶作掩模具有工艺简单成本低的优点，但是必须解决耐刻蚀时间短和钻蚀率高的问题，以得到需要的刻蚀深度和侧壁陡直度，满足压印的需要。另外，考虑到压印中易于脱模，需要采取措施提高玻璃刻蚀表面质量。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决上述压印模板制作中为了简化工艺、降低成本、提高效率而带来的一系列的问题，提出一种适用于MEMS制造的压印模板的制造方法，该方法简单、廉价、高效、可控，同时能为随后的压印步骤提供有益的图形轮廓。采用该方法可以制作图形特征尺寸小至100μm的压印模板。为了实现上述目的，本专利技术提供如下的技术解决方案一种基于湿法刻蚀MEMS压印模板制造工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤1)基材清洗步骤，基材为载玻片材质的玻璃，首先用丙酮擦洗玻璃，然后再用蒸馏水冲洗，冲洗后的玻璃置入浓硫酸中浸泡10min；捞出后再用蒸馏水冲洗，在100℃条件下烘干10min，去除玻璃上的污物；2)蒸镀偶联剂及后处理步骤，将清洗后的玻璃在温度为80℃的条件下，蒸镀30min，然后在120℃条件下，烘烤40min；在玻璃上得到均匀致密的偶联剂薄层；3)涂铺光刻胶步骤，采用旋涂的方式进行光刻胶的涂铺，光刻胶层厚度为60μm，其光刻胶含有下列重量比原料环氧丙烯酸酯40～70％，一缩三丙二醇二丙烯酸酯8～15％，三环癸烷二丙烯酸甲基酯20～50％，1-羟基已基苯基甲酮2～4％，有机烷偶联剂KH-570，0.2～2％，有机醇消泡剂0.2～1％，有机烷流平剂0.2～1％，原料的总和为100％；4)曝光步骤，以高分辨率激光照排机输出的感光软片作为曝光掩模，在光刻胶与曝光掩模之间放置聚全氟乙丙烯透明防粘薄膜，然后用曝光机进行曝光；5)显影步骤，用无水乙醇作为显影液进行显影，显影时间为15s；6)二次固化步骤，显影后用功率为500W的紫外线高压汞灯照射2min，使光刻胶完全固化；7)刻蚀步骤，刻蚀是在超声搅拌环境下进行，刻蚀温度为25℃，刻蚀剂的成分为HF∶NH4F∶HCL＝0.5mol/L∶0.75mol/L∶0.5mol/L，刻蚀速率为0.5μm/min；当刻蚀剂的成分中去掉盐酸，其刻蚀速率为0.4μm/min，此时的刻蚀剂的成分为HF∶NH4F∶＝0.5mol/L∶0.75mol/L；8)去胶工艺，将玻璃置入超声波清洗机中，并加热至100℃，去除单层负性光刻胶，即得到压印模板。本专利技术采用单层负性光刻胶作为刻蚀掩模，采用硅烷偶联剂增强刻蚀掩模与玻璃表面的黏附力，通过蒸镀的方式涂铺偶联剂降低钻蚀率，采用HCL作为刻蚀液的添加剂，提高了刻蚀表面质量，通过厚胶层工艺则消除了刻蚀的表面缺陷。附图说明图1为本专利技术的工艺原理图，描述本专利技术的工艺过程。图2为钻蚀率示意图，用以定义钻蚀率和描述钻蚀的形成的原因及本专利技术中解决的方法。图3为本专利技术偶联剂涂铺工艺优化前(图3a)和优化后(图3b)的刻蚀图形截面轮廓对比图片，描述了偶联剂涂铺工艺优化的效果。图4为根据本专利技术刻蚀液中不加入HCL(图4a)和以HCL作为刻蚀液添加剂的刻蚀结果对比图，照片是在175倍的显微镜下拍摄，描述了加入HCL后的效果。图5a为未采用厚胶工艺时产生的刻蚀缺陷照片，图5b为采用本专利技术的厚胶工艺后得到的完好刻蚀图形照片，上述照片是在175倍的显微镜下拍摄的，描述了采用厚胶工艺的效果。图6为采用本专利技术中的工艺制作的MEMS压印模板。以下结合附图和专利技术人给出的实施例对本专利技术作进一步详细描述。具体实施例方式图1为本专利技术的总体工艺流程图，包括以下步骤玻璃清洗工艺(图1a)为首先用丙酮擦洗玻璃，然后再用蒸馏水冲洗，冲洗后的玻璃置入浓硫酸中浸泡10min；取出后再用蒸馏水冲洗，在100℃条件下烘干10min，去除玻璃上的污物；彻底的清洗能够大大减少由于玻璃表面污染带来的刻蚀缺陷。清洗后采用蒸镀的方式进行硅烷偶联剂的涂铺(图1b)，所使用的偶联剂型号为KH-570，使用偶联剂是为了提高光刻胶与玻璃的结合力，蒸镀偶联剂的工艺为温度为80℃，蒸镀时间为30min，蒸镀后进行后处理，后处理方法是在120℃条件下烘烤40min。接下来进行涂胶、曝光、显影(图1c-e)。为了实现低成本，申请人研制了一种负性光刻胶作为刻蚀掩模，这种光刻胶的重量比配方为环氧丙烯酸酯40％，一缩三丙二醇二丙烯酸酯9％，三环癸烷二丙烯酸甲基酯45％，1-羟基己基苯基甲酮3％，有机烷偶联剂KH-570，1％，有机醇消泡剂1％，有机烷流平剂1％。当然，上述负性光刻胶的重量比配方还可以是，环氧丙烯酸酯60％，一缩三丙二醇二丙烯酸酯15％，三环癸烷二丙烯酸甲基酯20％，1-羟基己基苯基甲酮3％，有机烷偶联剂KH-570，0.5％，有机醇消泡剂0.5％，有机烷流平剂1％。经申请人的多次试验证明，只要在上述配方的范围内，所制得的负性光刻胶都能够满足要求。采用厚胶层工艺，胶层厚度为60μm；以高分辨率激光照排机输出的感光软片作为曝光掩模，首先在CorelDRAW11软件中进行设计，然后用分辨率为5500dpi的高分辨率激光照排机打印到透明胶片上作为曝光掩模；采用单层光刻胶作为刻蚀掩模；所用光刻机型号为SB-401B双面型曝光机，曝光时间为3s；用无水乙醇作为显影液进行显影，显影时间为15s。显影后进行二次固化，其方法是用功率为500W的紫外线高压汞灯照射2min，使光刻胶完全固化，以进一步增强胶层的耐刻蚀能力；(图1f)。接着进行刻蚀(图1g)，刻蚀是在超声搅拌环境下进行，刻蚀温度为25℃，刻蚀剂的成分为HF∶NH4F∶HCL＝0.5mol/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于湿法刻蚀ＭＥＭＳ压印模板制造工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：１）基材清洗步骤，基材为载玻片材质的玻璃，首先用丙酮擦洗玻璃，然后再用蒸馏水冲洗，冲洗后的玻璃置入浓硫酸中浸泡１０ｍｉｎ；取出后再用蒸馏水冲洗，然后在１００℃ 条件下烘干１０ｍｉｎ，去除玻璃上的污物；２）蒸镀偶联剂及蒸镀后处理步骤，将清洗后的玻璃在温度为８０℃的条件下，蒸镀３０ｍｉｎ，然后在１２０℃条件下，烘烤４０ｍｉｎ，在玻璃上得到均匀致密的偶联剂薄层；３）涂铺光刻胶步骤，以单层 光刻胶作为刻蚀掩模，采用旋涂的方式进行光刻胶的涂铺，光刻胶层厚度为６０μｍ，其光刻胶含有下列重量比原料：环氧丙烯酸酯４０～７０％，一缩三丙二醇二丙烯酸酯８～１５％，三环癸烷二丙烯酸甲基酯２０～５０％，１－羟基已基苯基甲酮２～４％，有机烷偶联剂ＫＨ－５７０，０．２～２％，有机醇消泡剂０．２～１％，有机烷流平剂０．２～１％，原料的总和为１００％；４）曝光步骤，以高分辨率激光照排机输出的感光软片作为曝光掩模，在光刻胶与曝光掩模之间放置聚全氟乙丙烯透明防粘薄膜，然后用曝光机进 行曝光；５）显影步骤，用无水乙醇作为显影液进行显影，显影时间为１５ｓ；６）二次固化步骤，显影后用功率为５００Ｗ的紫外线高压汞灯照射２ｍｉｎ，使光刻胶完全固化；７）刻蚀步骤，刻蚀是在超声搅拌环境下进行，刻蚀剂的成分为： ＨＦ：ＮＨ↓［４］Ｆ∶ＨＣＬ＝０．５ｍｏｌ／Ｌ∶０．７５ｍｏｌ／Ｌ∶０．５ｍｏｌ／Ｌ；刻蚀温度为２５℃；刻蚀速率为０．５μｍ／ｍｉｎ；８）去胶工艺，将玻璃置入超声波清洗机中，并加热至１００℃，去除单层负性光刻胶，即得到压印模板。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：段玉岗，王权岱，丁玉成，洪军，李涤尘，卢秉恒，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]