PDMS微流控芯片光刻加工的套刻對準方法

趙幸福，馮澤宇，陳榮進，袁佳琪，趙曉曉

（南通大學醫學院，江蘇南通 226001）

0 引言

近30 年，微流控芯片技術發展迅速［1-2］，與集成電路芯片加工工藝類似，光刻是其加工制作中的關鍵步驟［3-5］。復雜微流控芯片往往具有多個不同高度的通道結構，即多層通道結構［6-7］，其制作工藝的陽模加工中，每次曝光都需要掩膜和硅片上已經光刻成型的圖像進行對準，以保證每一層圖形有精確的相對位置，此為套刻［8-9］。套刻精度是光刻的重要技術指標，光刻機英文名稱即為掩膜對準曝光機（Mask aligner）［10-11］。在廣泛使用低端光刻機進行的微流控芯片套刻加工制作中，套刻精度對操作工藝的依賴性更大。受高分子材料PDMS（聚二甲基硅氧烷）有伸縮性［12］及設備、顯影工序等因素［13-14］的影響，PDMS 微流控芯片套刻加工對準精度要求相對不高［7］，目前，系統的針對微流控芯片套刻對準工藝的報道較少。微流控芯片加工使用的套刻對準標記多是借鑒集成電路加工中使用的十字架、米字型、方框等結構［15］，使用十字架對準標記。分析判斷位置偏差仍有難度。然而，對準操作需要反復搜索標記、反復調整，耗時較長，初試者往往需數小時才能完成套刻對準，本文將開發高效的對準標記用于套刻對準操作。

套刻對準其操作時間較長并不意味著套刻對準精度的提升，對準也不是一個循序漸進的過程而是帶有一定隨機性，一旦調出更大偏差將會前功盡棄，往往操作10 min達到的對準效果比操作1 h 后的效果還要好。長時間顯微操作還會造成的人員疲勞及資源浪費，降低效率。套刻對準的首要難題是掩膜、硅片之間有旋轉偏差［16-17］，伴有硅片偏離硅片臺中心又會給旋轉矯正帶來困難，對于缺乏經驗的操作者將是較大的挑戰。光刻機顯微鏡下物體運動方向與實際不一致等，也加大了操作難度。本文將開發能夠克服旋轉偏差等不利因素并系統穩步實現套刻對準的操作工藝以及高效的對準標記，力爭能為PDMS 微流控芯片套刻加工提供技術工藝參考。

1 實驗設計

1.1 對準標記設計

（1）對位位置對準標記使用。相對于較多使用的4 對準標記位點，本文使用如圖1（a）所示共線的3 個對準標記做套刻對準。掩膜邊緣設計兩小圓套十字架結構處于掩膜對位位置，掩膜中央為十字架，用以標識中心位點，兩小圓結構與中央十字架共線。用以對準的主要是此二小圓結構，對準時需兼顧兩個標記，同時完全對準表示對準成功，缺一不可。

（2）對準標記的結構。如圖1（b）所示，使用小圓套十字架結構作為對準標記。小圓與十字架同心，十字架（線寬15 μm）線段長度大于圓直徑，以大于3 倍圓直徑為宜。如圖1（c）所示，對準時以掩膜、硅片十字架線條重合表示完全對準。圓套十字架結構對準標記中，圓便于識別，克服了傳統使用的十字架標記線條較細不易被察覺的缺陷，便于快速找到標記進行對準。操作時，調整掩膜及硅片的位置先使兩圓標記對準，此為粗對準，進一步以標記中小十字架細線做精對準（圖1（c）、（d））。第2 層掩膜小圓面積應略大于硅片小圓（直徑比約5∶4，圖3（c）），便于透過掩膜觀察小圓標記。這里，設計掩膜時兩張掩膜的小圓對準標記應位于相同位置。

圖1 不同對準標記示意圖

1.2 套刻工藝中前后兩次曝光掩膜、硅片原位安裝

第1 層曝光與套刻時第2 層曝光兩次硅片放置位置相同，兩次掩膜安裝位置完全相同也可實現套刻對準，此為另一種對準方法，可以把這一方法稱為掩膜、硅片原位安裝。掩膜臺可以相對硅片臺運動，兩次曝光掩膜臺相對硅片臺的位置有變化將難以對準，所以這里掩膜的原位安裝包擴兩部分內容：①參照位置記號掩膜原位裝在掩膜臺上；②兩次曝光中掩膜臺相對于硅片臺的位置一致，這里以掩膜臺都置于硅片臺的正上方為參照。安裝為手動操作目測對準，雖然精確度不高，但可較大幅度消除硅片掩膜的旋轉偏差，旋轉矯正使用微調即可。此方法還能將掩膜對準標記盡量靠近硅片標記，便于透過掩膜快速找到硅片對準標記，大大降低粗對準難度。

第1 層曝光時需要在掩膜臺上做記號留下掩膜的位置信息，在硅片呈物臺上做記號留下硅片位置信息，第2 層光刻即套刻時參照記號將掩膜、硅片放入第1層光刻的相同位置，將掩膜臺置于硅片臺正上方后可進行對準。曝光前需要做好位置記號，操作流程如下：①掩膜的位置標記及安裝（圖2）。先找到兩掩膜X、Y軸與掩膜邊緣的4 個交點（圖2（a））。如圖2（b）所示，固定掩膜時將此4 位點位置留在掩膜臺上，第2 層曝光即套刻曝光時，參照此位置信息將第2 掩膜上的4 個交點與之對應安裝好。②硅片位置標記。第1 層曝光時將硅片置于硅片呈物臺中央，用記號筆描出邊緣留下位置信息（圖3）。第2 層曝光參照標記硅片、掩膜放入原位置。③第1 層曝光前，目測將掩膜臺移到硅片臺正上方，再進行光刻。第2 層曝光對準時也要先把掩膜臺移到硅片臺正上方。

圖2 第1層光刻及第2層光刻（套刻）掩膜的原位安裝

圖3 第1層曝光時硅片安裝及硅片位置標記

第2 種掩膜在安裝臺上的位置標記方法：掩膜為方形塑料片需要根據掩膜臺大小修整其邊緣，可順便修剪出用對準標記結構。將用于套刻曝光的兩層掩膜重疊對準并捏緊，把其直角拐角修剪成鈍角結構（圖4），可作為對準標記，選擇對位位置兩拐角修剪制作對準結構。第1 層曝光時沿鈍角結構邊緣畫線留下掩膜位置信息，第2 層光刻時將掩膜放入同一位置即可。

圖4 掩膜拐角修剪出鈍角結構用于沿邊緣做位置記號

1.3 微流控芯片套刻對準操作工序

第1 層曝光時按上文所述進行掩膜、硅片原位安裝。目測將硅片及掩膜安裝在中央位置，避免較大幅度偏離中心造成旋轉偏差矯正困難，掩膜臺移到硅片臺正上方再進行曝光。曝光后要顯影、堅膜以增加第1 層陽模結構的穩定性與獨立性，如果不經顯影直接涂第2 層膠而進行套刻會導致硅片標記不明顯，第1層結構顯影時出現“過顯”或精密結構部分顯影不充分的結果。第2 層曝光即套刻時，參照事先做好的位置記號安裝硅片、掩膜（圖2（b））。隨后參照圓套十字架對準標記進一步進行對準：移動顯微鏡或光刻機工作臺找到掩膜小圓標記，微調移動掩模臺搜索硅片小圓標記，然后在掩模Y軸上掃描找到兩對準小圓標記，分析掩膜、硅片旋轉偏差，旋轉硅片臺進行矯正，然后微調移動掩膜臺實現粗對準。旋轉偏差的矯正要使用光刻機硅片臺的旋轉旋鈕，是多層光刻的必備，單層光刻常不用此功能，旋轉分為粗調與精調兩種模式。遇到搜索小圓標記較為困難時，考慮是硅片中心偏離硅片臺中心距離較大，應先進行硅片偏心矯正，也有可能是掩模偏心造成，應再次把硅片、掩模安裝在中央位置，參照硅片中央十字架對準標記，分析、矯正掩膜、硅片與中心的偏差，再調整矯正旋轉偏差。參照兩圓套十字架對準標記的十字架線條進一步進行精對準，最后，硅片與掩膜接觸并壓緊，實施曝光。

套刻前，如果對準標記較小，可以用彩色水筆在SU-8 光刻膠對準標記位置涂布顏色擴大標記面積，便于快速捕捉到硅片標記，涂布的彩色可在顯影前用不影響顯影的溶劑除去。光刻結束，所有記號應及時除去以免影響下次光刻。使用接觸式光刻機曝光前硅片與掩膜接觸時可能會發生微量偏移，可以在小力度接觸時進行矯正，然后加大接觸力度即可。

2 結果與討論

使用本套刻對準標記及技術工藝以分步進行的方式降低套刻難度，克服硅片與掩膜大幅度旋轉偏差的困擾，減少大面積內反復搜索標記的工作量，可實現偏差小于5 μm的套刻對準。針對微流控芯片的套刻對準精度要求相對不高的特征，有必要開發出一套有別于對準標準嚴苛的集成電路芯片加工工藝的微流控芯片套刻對準技術工藝。微流控芯片套刻分為粗對準與精對準兩個過程，由于精對準要求不高，粗對準難度相對更大，本技術方法能夠有針對性地降粗對準難度，減少操作時間，也使得操作者有更多的精力投入到精對準中以提高對準精度。此對準方法應用在JKG-2A 型國產曝光機上可常規實現偏差小于5 μm 的套刻對準，滿足絕大多數微流控芯片的應用，效果與使用進口光刻機ABM.Inc.Mask Aligner 無差異，操作時間可控制在0.5 h內。圖5 為使用此對準方法制作的芯片結構結果，對準偏差約2.5 μm，兩圖對準通道設計寬度一致（760 μm），高、低通道高度約為90、45 μm。圖5（b）所示為芯片加工經過曝光、顯影及堅膜，兩通道寬度出現差異，高通道比低通道寬約5 μm，這種偏差是由芯片曝光、顯影加工及材質造成，非對準操作偏差。本文介紹的對準方法適于PDMS微流控芯片的套刻加工制作。

圖5 使用此套刻對準方法制作的微流控芯片結構圖

圓套十字架對準標記的優勢：與常用的十字架、米字型等對準標記相比，圓形擴大了標記面積，方便透過掩膜找到硅片上的標記，也更易于識別。圓形可視為放大了的點，能更為形象的代表標記點，比使用十字架代表“點”更為直觀，方便在對準操作中實時判斷標記點的位置。圓套十字架標記結構中圓形有面積用來進行粗對準，其十字架線條較細用以進行隨后的精對準，如此能充分發揮標記結構中“面”與“線”各自的優勢，并把難度較大的對準操作分作兩步進行，先粗對準后精對準，從而有效降低難度、提高對準效率。

掩模、硅片的原位安裝促進對位的對準標記對準的使用，使搜索標記主要沿Y軸進行，加快操作速度，針對需要多次往復尋找標記及大范圍內“掃描”標記的對準過程，可以減少大量工作，避免使用多個對準標記時顧此失彼的結果。對位標記也利于掩膜、硅片間旋轉偏差的分析、矯正。

套刻工藝中掩膜、硅片原位安裝設計能有效克服旋轉偏差的難題，方便快速找到硅片對準標記實現對準。對準工作在曝光前的掩膜、硅片安裝環節即開始，也是對套刻對準工作的分步，以降低難度穩妥實現對準。初學者可按部就班地使用此方法完成套刻對準，0.5 h內能完成偏差小于5 μm的對準工作，操作的穩定性、時效性高。微流控芯片加工套刻對準中粗對準相對難度較大、耗時多，主要由硅片、掩膜偏離工作臺中心的偏心偏差及旋轉偏差造成，而此掩膜、硅片原位安裝設計能有效克服這些缺點，在安裝準備階段就將掩膜、硅片標記相互靠近，便于快速找到對準標記完成對準，有此操作往往可以跳過粗對準操作步驟直接進入精對準，從而有針對性地降低粗對準難度。

文中設計并使用了兩套對準方案：先是使用第1層曝光與第2 層曝光（套刻）掩膜、硅片的原位安裝，再使用處于對位的兩小圓對準標記進一步完成的粗對準與精對準。使用兩套對準方案對準精度及操作效率更有保障，而且兩套方案并非相互孤立而是有協同作用，實施有先有后，第1 方法的實施對第2 方案有促進作用，兩者結合使用成效顯著。第1 對準方法亦可看作是粗對準操作的分步，例如，第1 對準方案可以使掩膜標記與硅片標記靠得較近，便于發現小圓標記并進行粗對準。如此，曝光前做好系統而充分的準備工作，套刻光刻時便得心應手順利完成套刻對準。

3 結語

本文提出適用于使用低端光刻機進行的微流控芯片套刻加工對準技術方法，歷經了多次優化與實驗驗證，設計了高效的對準標記及多步驟套刻對準工藝，有針對性地使微流控芯片套刻加工對準工作中粗對準操作難度降低，能穩定及更為快速實現高精度套刻對準。通過對套刻對準操作進行分步，將較難的套刻對準操作轉化為較為規范并相對容易的多步驟操作，提高了操作的穩定性、時效性、套刻精度及成功率，可為PDMS微流控芯片套刻加工提供技術工藝參考。