光刻胶的应用研究和优化

光刻胶的应用研究和优化

刘涛

身份证号码：362101197910100674

摘要：近年来，随着社会建设的不断发展，在超快时间尺度上以二维空间分辨率揭示激光脉冲在光刻胶之间的运动过程，将有助于了解激光加工过程和优化加工工艺。然而现有记录激光脉冲在光刻胶中运动过程的成像技术都存在需要多次重复拍摄或时间分辨率受限等问题。为了克服这些问题，通过使用压缩超快摄影来观测光刻胶中激光脉冲的运动。实验结果表明，搭建的实验系统能以１．５４×１０１１ｆｐｓ的帧率，单次成像数百帧的图像序列深度，实时观测到这一不可重复的超快事件。

关键词：光刻胶；应用；优化

引言

模压成形法是微透镜阵列加工的主要制造方法之一。随着微透镜阵列向着面积极大化、单元形状复杂化的方向发展，模具材料也从普通金属材料向着高硬度、高耐磨性的硬脆材料发展。微切削-刻蚀加工能够在硬脆材料上加工微透镜阵列，采用单点金刚石车削在聚合物掩膜上切出微透镜阵列，然后采用离子束刻蚀的方法将掩膜形状转移到基底材料上。在此过程中，聚合物掩膜的加工质量对模具结构的质量有很大影响。与传统金属材料不同，聚合物的玻璃转化温度较低，在加工过程中更容易处于软化状态导致更大的变形，需要结合聚合物本身的性能以及加工参数进行分析。聚合物由于制备参数不同，机械性能有很大的差异。Yan等采用动态热机械分析（Dynam⁃icMechanicalAnalysis，DMA）测试了光学树脂PMMA在不同温度下的力学性能，确定了PM⁃MA的存储模量、损耗模量和玻璃转化温度等黏弹性参数。PMMA的玻璃转化温度为116℃，在微铣削过程中，PMMA处于玻璃态和黏弹态，在玻璃态下的表面粗糙度更好。Chung等采用单轴拉伸实验，获得SU8在一定温度范围内杨氏模量和泊松比随应变率的函数关系，研究了温度对SU8黏弹性的影响。

1光刻胶概述

光刻技术是利用光照，在有光刻胶存在下，将掩膜上的图形转移到衬底上的过程，首先在衬底表面形成一层光刻胶薄膜（A过程）；然后紫外光通过掩膜板照射到光刻胶薄膜上，曝光区域发生一系列的化学反应（B过程）；再通过显影的作用将曝光区域或未曝光区域溶解而去除（C过程），最后再通过刻蚀等过程将图形转移到衬底上．

光刻胶根据在显影过程中曝光区域的去除或保留，分为正像光刻胶和负像光刻胶．其中正像光刻胶，曝光区域的光刻胶发生光化学反应，在显影液中软化而溶解，而未曝光区域仍然保留在衬底上，将与掩膜版上相同的图形复制到衬底上．相反，负像光刻胶曝光区域的光刻胶因交联固化而不溶于显影液，将与掩膜版上相反的图形复制到衬底上．

现代半导体工业要求集成电路的尺寸越来越小，集成度越来越高，并能按照摩尔定律而向前发展，其内在驱动力就是光刻技术的不断深入发展．自20世纪80年代开始，光刻技术从I线（365nm），发展到深紫外（DUV，248nm和193nm），以及下一代光刻技术中最引人注目的极紫外（EUV，13．5nm）光刻技术，而对应于各曝光波长的光刻胶组分（成膜树脂、感光剂和添加剂等）也随之发生变化。2011年国际光学工程学会先进光刻技术会议上，与会人员一致认为极紫外（EUV）光刻技术将是22nm节点最合适的技术．由于EUV光刻具有不同于其他光刻技术的特点，与之相对应的光刻胶材料也将具备更加苛刻的性能要求．EUV光刻胶需要有低吸光率、高透明度、高抗蚀刻性、高分辨率（小于22nm）、高灵敏度、低曝光剂量（小于10 mJ／cm2）、高的环境稳定性、低产气作用和低的线边缘粗糙度（小于1．5nm）等．由于这种技术采用波长只有13．5nm的光源，这就要求主体材料中应尽量减少高吸收元素，提高C／H比也将有利于降低材料在13．5nm处的吸收．

到目前为止，文献中报道的在EUV光刻中所采用的光刻胶体系主要有3类：非化学放大（Non－CA）聚合物体系、分子玻璃体系（Molecular glass，MG）和聚合物（或小分子）－PAG体系等．

2光刻胶原理

2.1光刻胶掩膜制备工艺

光刻胶材料为SU8（瑞士，GersteltecSarl，GM1060），是一种负性、环氧树脂型光刻胶，在刻蚀过程中有良好的图案转移能力，因此常用作掩膜材料。通过旋涂法在基底材料表面制备掩膜材料，在厚度为1.5mm，直径为5.08cm（两英寸）的硅基底表面旋涂SU8，其最大旋涂厚度可达50μm。掩膜制备流程如下：在光刻胶旋涂前，将硅基底置于等离子体清洗设备（美国，PVATePlaMPS，310M）中处理，去除表面吸附的杂质，增强基底与光刻胶的结合力

2.2光刻胶掩膜材料

热机械性能与传统金属材料不同，热塑性高分子材料的切削特性受温度影响较大。热塑性高分子材料的导热系数较低，玻璃态转变温度也较低，在机械切削过程中很容易达到较高的切削温度。当切削速度和切削温度较高时，热塑性高分子材料发生软化，部分材料附着在前刀面上，随前刀面移动，在材料表面形成毛刺；在切削后，热塑性高分子材料会发生收缩和硬化，拉伸应力导致微裂纹，产生加工缺陷，从而影响表面质量。鉴于热塑性高分子材料在不同温度下力学性能显著变化的特点，有必要对光刻胶材料热机械特性进行测试，使用DSC对材料的玻璃转化温度进行测试。该实验是在程序控制温度和一定气氛下，测量试样和参比物之间的能量差随温度变化的关系。

2.3ＣＵＰ成像原理

在原始ＣＵＰ成像系统中，相机透镜捕获动态场景，然后通过管透镜和物镜组成的４ｆ光学系统传输到数字微镜器件（ＤＭＤ）。ＤＭＤ上已加载好预先设置的伪随机二进制编码，对到来的动态场景图像进行编码。编码后的图像通过同一４ｆ系统进入到条纹相机，编码图像在不同时间被条纹管偏移，这些偏移后的图像由条纹相机内部ＣＣＤ拍摄。此时，条纹相机记录的是每一时刻超快光信号在二维空间中的偏移和叠加后的一张压缩图片。采用压缩感知图像恢复算法计算求解每一时刻的二维超快光信号，重构出超快图像序列帧。在这个过程中，ＣＵＰ系统充分利用了条纹相机的超快成像能力和压缩感知算法的重构能力。在实际的光路搭建中，本文用掩码板代替了原始ＣＵＰ系统的ＤＭＤ。这有利于光路的搭建，同时可以减少观察图像中混合的无效编码信息，掩码板采用透红外光的石英作为支撑基底，编码图形使用２００ｎｍ厚度的铬刻写，图形镀铬位置对红外光有阻碍作用，红外光无法通过，其他位置红外光可以正常通过，从而实现对入射光的随机“０，１”编码，本论文中选取红框内的编码图样进行实验，编码图案像素大小为１２８×１２８，单个编码孔径尺寸为４０μｍ。本文还将原始ＣＵＰ光路中的同一个光学４ｆ系统拆分成两个不同的４ｆ系统，主要有三个目的：（１）由于掩模板编码尺寸较大，用第一个４ｆ系统放大超快动态场景，以充分照亮用于有效图像编码的区域；（２）编码后的超快动态场景被第二个４ｆ系统放大，有助于光路调整过程中图像的清晰成像；（３）改进后的光路无需使用分束器，可有效增强光信号的光强，提高图像对比度。这种设计对使用低强度光源的ＣＵＰ系统有积极的影响，有助于条纹相机更轻松地拍摄到清晰图像。

结语

在不同工艺参数下进行SU8端面车削实验，分析了表面粗糙度、切削力和切削温度对SU8切削性能的影响。当切削温度接近玻璃转化温度53.90°C时，SU8从玻璃态转变为黏弹态，从脆性去除转变为塑性去除，可以获得良好的表面质量。但是当温度进一步升高，SU8从黏弹态转变为橡胶态，切削表面质量变差。工艺参数影响SU8的车削表面质量，当进给速度减小时，能获得良好的表面；切削深度对切削力的变化影响不大；负前角刀具会增加挤压变形，从而获得较差的表面质量。

参考文献

［1］龚峰，李康森，闫超.玻璃精密模压成形的研究进展［J］.光学精密工程，2023，26（6）：1380-1391.

［2］王之岳，陈灶灶，朱利民，等.微透镜阵列单点金刚石车削补偿技术［J］.光学精密工程，2022，30（7）：813-820.

［3］解孟涛，刘俊标，王鹏飞，等.离心法曲面涂胶的胶层厚度研究［J］.光学精密工程，2022，30（1）：71-77.