一文了解激光直写光刻技术

激光直写光刻技术是一种利用曝光强度可控的激光束来光刻曝光，并在显影后得到具有期望形貌微结构的3D光刻技术。 

该技术可以通过计算机对激光的曝光位置与曝光强度进行数字化控制，实现对光刻胶的变剂量曝光，因此具有很高的制造灵活性。

下图为激光直写光刻设备的工作原理示意图。

激光器出射激光，经由光学系统对光束的光强和通光量进行调控。最后，物镜将光斑汇聚到光刻胶上表面。

计算机同时对激光器的出射激光功率以及二维移动平台的运动进行控制，从而控制激光束的曝光能量和位置。最后，对经过数字化曝光的光刻胶显影，即可得到具有期望形貌的3D微结构。

激光直写光刻技术并不是单一独立的技术，它是包括了以激光直写光刻技术为核心的一套工艺技术。

这些技术具体包括有衬底表面处理技术、光刻胶旋涂技术、光刻胶前烘技术、激光直写光刻曝光技术、显影以及后烘(PBE)技术。具体的流程如下图所示。

一、表面处理

表面处理技术是激光直写光刻技术流程中的第一道工艺。

它主要目的是有效的清洁衬底的表面，从而使衬底的表面不具有灰尘。如果衬底的表面具有灰尘，旋涂后的光刻胶会因为灰尘颗粒而不均匀的分布在衬底表面，进而影响到后续的光刻工艺。

目前，常见的衬底有玻璃衬底与硅衬底。由于抛光后的硅片表面比较光滑，因此不需要表面处理，只需要用氮气吹走其表面的颗粒即可。

较为常用的衬底为玻璃衬底。玻璃衬底表面较为粗糙，易于吸附灰尘，因此需要用酒精对表面进行清洗。

二、涂光刻胶

在对表面处理后，需要对光刻胶进行涂布。光刻胶的涂布方式有旋涂，喷涂以及浸涂3种方式。

其中，旋涂是常见的抗蚀剂涂层技术。该种方式涂抹后的光刻胶表面非常光滑和均匀。先将光刻胶滴涂到清理后的玻璃衬底上，然后再用匀胶机对光刻胶进行旋涂。一般光刻胶涂抹厚度与自旋速度的平方根的倒数成正比。

同时，光刻胶的种类也会对光刻胶的胶厚有影响，而光刻胶的厚度会决定可制备微结构的最大高度。有时为了增加涂布厚度，会使用Plasma清洗机对玻璃衬底的表面进行亲水处理：气体为O2；时间为30s；功率为100W。

三、前烘

在完成对光刻胶的旋涂后，接下来需要对光刻胶进行前烘。在制备厚胶微结构时，即制备高度大于20μm的微结构，需要对前烘的时间与前烘温度进行一定的改善。光刻胶的厚度越厚，前烘的时间越长。时间甚至可长达5min以上。

薄胶微结构不需要考虑光刻胶中的N2逃逸问题，因此烘烤的主要目的是将光刻胶变得坚固。而对厚胶微结构，光刻胶中会产生N2气泡。为此，在烘烤过程中缓慢升温，以实现对N2气泡的驱赶。

四、曝光

对光刻胶烘烤后，需要将光刻胶放置在激光直写光刻设备中，以实现光刻胶的曝光。

激光直写光刻设备的曝光参数主要有曝光光斑尺寸、曝光剂量、激光光斑移动步长、离焦补偿量。光斑中的光斑尺寸以及对应焦深是决定可制备结构尺寸的两个重要的参数。

当光斑较小时，光斑适合制备具有较小特征尺寸的3D结构。但是当光斑较小时，数值孔径较小，因此很难制备较高的结构。

相反，当光斑较大时，光斑不适合制备具有较小特征尺寸的3D结构。但是光斑较大时，数值孔径较大，焦深够大，因此适合制备较高的结构。

通常，当制备较大结构时，一般使用500nm光斑。激光光斑移动步长为激光光斑尺寸的一半。通过这种光斑的叠加，可以制备具有更高高度和低粗糙度的高深宽比微结构。曝光剂量需要根据制备微结构的高度决定。焦点补偿需要由光刻胶厚度决定。

五、光刻胶选择

光刻胶的种类多种多样，按照感光光源其种类可以分为紫外(300~450nm)光刻胶、深紫外(160~280nm)光刻胶以及极紫外光刻胶(曝光波长仅几十纳米)等。

随着光刻结构特征尺寸越来越小，化学放大胶逐步成为集成电路产业中常用的光刻胶。按照激光曝光后光刻胶内化学成分的反应，光刻胶也分为光刻正胶与光刻负胶。

一般激光直写光刻技术的常用胶为光刻正胶。另一种3D光刻技术，双光子光刻技术，一般运用光刻负胶对微纳结构进行制备。

针对光刻胶的成分而言，尽管不同的光刻胶具有不同组分，但是目前主流光刻胶主要由感光剂、成膜树脂、溶剂以及少量添加剂构成。成膜树脂作为成膜载体，具有很好的碱溶性。而光敏化合物的作用是对在碱性环境中的成膜树脂溶解进行抑制。当它们混合在一起时，组成的六元化合物不溶于碱性溶液。然而，当光敏化合物被激光辐照后，它会发生分解。光敏化合物分解后的产物反而会促进碱性环境中的成膜树脂的溶解。在被辐照前，光刻胶属于大分子材料。当其被辐照后，大分子材料裂解成小分子材料。显影后，可能有部分小分子材料填充光刻胶图案的表面，从而减少了结构的粗糙度。

然而，随着激光直写光刻技术的兴起，紫外(300~450nm)光刻正胶又重新走进了激光直写光刻行业内相关从业人员的视野中。

根据光刻胶对激光的吸收效率，紫外(300~450nm)光刻胶进一步划分为G线(436nm)光刻胶以及I线(356nm)光刻胶。

六、显影

当光刻胶被激光直写光刻设备曝光后，需要对其显影，以得到期望的微结构。AZ400K是一个较为常用的显影液，其主要成分是KOH。为了防止显影速度过快，倒入超纯水以稀释显影液。

在显影的过程中，当制备的结构较高时，有一些光刻胶会困在微结构之间。这些困在微结构之间的光刻胶会阻止显影液与其下层的光刻胶反应。

最后，需要将显影后的光刻胶微结构放置在热板上进行后烘。这一步是为了将光刻胶中的水分烘烤出来，并使光刻胶中的化学物质充分反应。一般后烘的温度低于光刻胶的熔点。

在显影后，初步得到光刻后微器件结构，在后续的刻蚀与氧化后形成器件。

来源：半导体全解