光刻技術在金屬板片刻蝕上的應用

寧建華

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

層板噴注器由精確分布著異型孔的多層金屬板片組成，金屬板片型孔的雙面精密加工是采用光刻工藝完成的。液體推進劑預包裝貯箱上的膜片閥金屬膜片刻痕也是采用單／雙面自對準光刻工藝完成。

1 光刻工藝簡述

電子信息技術日新月異，迅猛發展，究其原因是由于半導體工業集成電路設計和制造水平在不斷提升和發展，而制造半導體集成電路的核心和關鍵技術就是光刻工藝。光刻工藝技術本身也在不斷發展和更新。金屬板片光刻技術是交叉性的邊緣學科，是一種將圖形精確復制和刻蝕技術相結合的綜合性超精密加工工藝技術，該項技術將微電子領域的光刻技術與精密微機械加工技術相結合，形成了超精密加工，加工精度在微米量級，是MEMS的核心工藝技術。其工藝過程是：先用照像復印的方法，采用400nm均勻平行紫外光束，將光刻掩模上的圖形精確地復印到涂在待刻蝕材料表面的光刻膠上面，然后在光刻膠的保護下對待刻蝕的材料進行選擇性化學刻蝕，從而在待刻蝕材料上得到所需要的幾何型孔。

半導體工業電子和微電子領域是在半導體材料正面制造器件和集成電路的，因此所采用的光刻為單面光刻。層板噴注器、膜片閥膜片等均為雙面自對準光刻，以獲得良好的使用性能。目前金屬板片上雙面自動對準精度為0.1μm。

層板噴注器光刻工序流程見圖1。

半導體工業的光刻與金屬板光刻比較，各有特點，見表1。

表1 光刻技術應用比較Tab.1 Comparison of photoetching technique applications

2 雙面光刻原理及流程

雙面自對準光刻工藝原理見圖2所示。

雙面自對準以及單／雙面自對準是通過專門設計的光刻模具實現的，光刻時，只要將涂覆并經過前烘的金屬板片安裝于該模具中，在光刻機上即可自動實現雙面自對準光刻。

光刻流程見圖3。

3 光刻模具設計

光刻模具設計包括：夾具設計和版圖設計。夾具設計為機械圖紙設計，版圖設計則要按照版圖設計規范，根據待加工材料的腐蝕余量，依據按比例縮小理論進行設計。對于層板噴注器金屬板片光刻來說，光刻模具要求為雙面自對準模具，對于膜片閥金屬膜片光刻來說，光刻模具要求為單／雙面光刻模具。

金屬膜片原理圖見圖4。

由圖4可見，內圓為承壓刻痕，深度為母材厚度一半，由于要承壓，所以不能刻透，該刻痕為單面光刻。外圓為膜片輪廓，要求刻透，所以為雙面光刻。由此可見，金屬膜片光刻應采用單／雙面光刻模具。

4 光刻工藝流程設計

光刻工藝生產流程見圖5。

由圖5可見，光刻工藝參數包括兩個部分，即化學試劑配方和工作參數。

4.1 化學清洗

4.2 雙面涂膠

金屬板片要求雙面光刻，那么板片必須進行雙面涂膠。影響膠膜厚度的因素有：分辨率、針孔密度和粘附力。

負性光刻膠膠膜越厚，分辨率則越低，為了減少針孔提高成品率，又需要較厚的膠膜。因此，在選擇光刻膠的膜厚時，應折衷考慮分辨率和成品率之間的矛盾。試驗表明，光刻膠膜越薄，抗蝕能力越差，腐蝕時產生的針孔密度就越大。當光刻膠涂層較厚時，由于曝光時大部分能量被上層光刻膠吸收，達不到光刻膠與金屬板片的界面，引起下層光刻膠曝光不足，在顯影過程中，底層光刻膠由于顯影液的作用會發生膨脹甚至溶解，從而影響光刻膠與金屬板片之間的粘附。

經過大量試驗，在雙面涂膠厚度、曝光量、留膜率以及成品率之間，確定了微米量級的膠層厚度、前烘工步特殊控制過程、前烘溫度和時間等重要參數。

4.3 最佳曝光量的確定

曝光的目的是用盡可能短的時間使光刻膠充分感光，在顯影后獲得盡可能高的留膜率、近似于垂直的光刻膠側壁和可控的條寬。留膜率越高，表明顯影后保留的光刻膠越厚，抗蝕能力越強。負膠典型的留膜率在90%左右。

光刻膠的成像反差定義為留膜率特性曲線直線部分的斜率。反差大，表明光刻膠的側壁形狀陡直，分辨率高；反差小，則表明光刻膠的“灰度”高，容易使光刻膠產生“底膜”。

4.4 化學銑切

化學銑切即腐蝕。化銑工藝參數有：化銑液配方、化銑溫度和時間。

經過大量試驗和研究，我們研制出了金屬板片化銑配方，該配方含有：腐蝕劑、緩蝕劑、穩定劑、老化劑、促進劑等化學成分。在有效時段之內，其化學活性是穩定和持續的。

5 結束語

光刻工藝技術成功應用于層板噴注器所需的金屬板片和膜片閥所需的金屬膜片加工，其技術指標達到了設計要求，并已應用于實際生產。

光刻技術隨著光刻理論以及光刻裝備的不斷發展，也在不斷升級和發展，隨著193nm、157nm及其更短波長的準分子激光光刻技術、同步輻射X射線光刻技術、極紫外光刻技術、電子束／離子束投影光刻技術的應用，光刻技術水平將會邁進納米世界。

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