一文读懂电子束光刻技术与MEMS制造

作者：曹富林 / 中科院微电子研究所

MEMS发展的前世今生

微机电系统也称MEMS，是一种结合了机械和电子等技术的微小装置，尺寸不超过1mm。1959年，著名物理学家费曼(Richard Feynman)在加州理工学院的物理年会上发表了题为“There's Plenty of Room at the Bottom（底部还有很大空间）”的著名演讲，首次提出微机械的概念。1987年，加州大学伯克利分校的科学家借鉴集成电路(IC)工艺，制作出了直径仅为100μm左右的硅微静电微电机，与人类头发丝的粗细相当，这被认为是MEMS时代到来的标志。此后，MEMS技术进入飞速发展的时代，各种MEMS产品层出不穷，应用在各种尖端技术领域。

硅微静电微电机

MEMS与我们的生活息息相关

MEMS技术广泛应用于国防航天、光电影像、生化医疗、微波通讯及汽车工业等各个领域。例如汽车上用的微型加速度计、投影仪中用的微镜、打印机中用的微型喷头，极大地方便了人们的生产生活。下图是利用微加工技术制造的微型指叉式加速度计，它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度，在汽车电子中被广泛应用。

指叉式加速度计

下图的数字微镜装置（DMD）由美国德州仪器公司(TI)所开发。DMD技术也称为"数字光线处理技术"。通过数字信息控制数十万到上百万个微小的反射镜，将不同数量的光线投射出去。每个微镜的面积只有16×16微米，微镜按矩阵行列排布,每个微镜可以在二进制0/1数字信号的控制下做正10度或负10度的角度翻转。

数字微镜

MEMS装置的制造

体积如此小且功能高度集成的装置是如何制造出来的呢？MEMS的制造广泛的借鉴了集成电路中的光刻、刻蚀以及镀膜等工艺。光刻是整个微加工工艺中技术难度最大，也是最为关键的技术步骤。所谓光刻就是通过对光束进行控制，在一层薄薄的光刻胶表面“刻蚀”出我们需要的图案，光束照过的位置光刻胶的化学性质会发生变化，通过显影液的浸泡会使照射过的部分去除（正胶）或者保留（负胶），流程示意图如图所示。

曝 光

正胶显影

负胶显影

按照光刻机的光源种类划分，目前主流的光刻技术包括X射线光刻、紫外线光刻以及电子束光刻等。光源的波长是影响光刻精度的主要原因，由于光源波长的限制，X射线曝光可达到50nm左右的精度，深紫外光源的曝光精度在100nm左右，而电子的波长较小，因而电子束光刻的加工精度可以达到10nm以内。

电子束光刻以其分辨率高、性能稳定，成本相对较低的特点，因而成为人们最为关注的下一代光刻技术之一，下图是麻省理工学院的科技人员利用电子束曝光技术加工出2.2nm的线宽。

电子束曝光2.2nm线宽

光 刻分辨率对比

电子束光刻的原理

电子束光刻的主要原理是利用高速的电子打在光刻胶表面，使光刻胶的化学性质改变。在电子束光刻中电子的产生方式有两种，一种是热发射，另一种是场发射。热发射是通过对阴极材料高温加热，使电子获得足够的能量从阴极中逸出；场发射是将阴极置于高强度电场中，利用电场对电子的强作用力使电子脱离原子核的束缚。直写式电子束的曝光原理是将聚焦的电子束斑直接打在光刻胶的表面，加工中不需要成本高昂的掩模版和昂贵的投影光学系统，其加工方式也更为灵活，适合小批量器件的光刻，在实际中应用更为广泛。

电子束光刻的分类

电子束光刻按照曝光方式划分可分为两种，投影式曝光与直写式曝光。投影式曝光通过控制电子束照射掩模图形，将掩模图形投影至光刻胶表面，把掩模板上的图案转移到光刻胶上，原理类似于照相机，拍摄对象好比掩模板，光刻胶就像是胶卷，通过光线的照射把拍摄对象投影到胶卷上，如图所示。

投影式电子束曝光

直写式光刻不需要掩模版，通过磁场直接控制电子束斑按照预设的轨迹在光刻胶表面照射，完成图案转移，就像是画画，铅笔类似于电子束，纸类似于光刻胶，而我们的手类似于磁场，通过手控制铅笔的移动完成图画的绘制。

直写式电子束曝光

电子束光刻的基石：光刻胶

电子束光刻是微纳制造领域中非常重要的技术手段。那么，在电子束光刻的具体工艺流程是怎么样的呢？影响光刻效果的主要因素又是什么？下面我们将一一解答。

光刻胶在电子束光刻技术中的地位举足轻重，是电子束光刻工艺中的核心材料，也是我国的一大短板，目前主要依赖进口。根据不同的MEMS装置的工艺需求选择合理的光刻胶种类是十分必要的。目前常用的电子束光刻胶有PMMA，ZEP520A及HSQ等，其主要光刻工艺特性如下表所示。

常用电子束光刻胶基本特性

PMMA光刻胶由于分辨率、对比度较高，且具有良好的热稳定性和化学稳定性，其成本也明显低于其余两种。特别需要指出的是，PMMA胶的极性并不是确定的，在高倍曝光剂量下会表现出负胶的性质。文章以PMMA胶为例，介绍直写式电子束光刻的工艺流程。

基于PMMA的电子束光刻工艺流程

通常，MEMS工艺中的电子束光刻主要流程依次为：基片表面预处理、涂覆光刻胶、前烘、电子束曝光、显影、定影、金属沉积及去胶等工艺环节。整个光刻工艺流程较为复杂，总体光刻示意图如下。

PMMA电子束光刻流程

(1) 基片表面预处理

硅片表面粗糙度、热膨胀系数低，在MEMS光刻中通常采用硅片作为基底。为确保光刻胶涂覆均匀，需要使用化学溶液对表面进行清洗，后用去离子水漂洗并干燥。

(2)旋涂光刻胶

涂胶方法有旋涂法、喷涂法和定量滴胶法。由于PMMA黏度较大，涂覆厚度一般不大于1微米，通常采用旋涂法。将光刻胶滴在硅片中心处，使硅片高速旋转，光刻胶在离心力的作用下均匀铺满整个硅片，如下图所示。

光刻胶旋涂示意

(3)前烘

前烘可使光刻胶中的溶剂挥发，使其与硅片之间的结合力更强。前烘过度则会导致胶膜硬化，胶膜硬化不利于其内应力的消除，前烘不足溶剂挥发不完全，胶膜出现缺陷，显影时存在浮胶现象。

光刻胶烘烤

(4)曝光

曝光是电子束光刻工序中最复杂的一步，曝光的图形尺寸精度直接影响零件的尺寸精度。曝光剂量对曝光效果的影响最大，若曝光剂量不足，显影时会出现光刻胶残留在硅片表面，显影图案不完整、形状不规则。

(a)曝光不足 (b)正常曝光

若曝光剂量增大到一定程度，被曝光区域的 PMMA 光刻胶将呈现出负胶性质，显影后无法被去除。下图是笔者在实验室利用电子束直写技术光刻的笛卡尔心脏线，输入心脏线参数方程，并设置较大的曝光剂量，使得PMMA显示出负胶性质，显影后得到心脏线图形。

电子束光刻笛卡尔心脏线

(5)显影

显影液可溶解光刻胶被曝光的部分(正胶)或未被曝光的部分(负胶)，是产生图形的关键工艺。显影工艺的关键是显影液类型的确定和显影时间的控制，此外，显影液的配比、温度也会对图形质量产生明显影响。

(6)坚膜

坚膜又称硬烘，目的是通过烘烤使光刻胶胶模中残留的显影液和定影液挥发出来，同时提高光刻胶与基片之间的结合力，烘烤的温度时间视光刻胶的种类及旋涂后的胶膜厚度而定，如果坚膜不到位可能会出现胶膜倒塌的情况，如下图所示。

胶模倒塌

(7)金属沉积及去胶

通过在光刻胶图案上回填器件设计所需的材料，例如沉积金属或非金属材料，去除多余的光刻胶后，就可以得到所需的器件，其原理类似于机械加工中的注塑。目前主要的金属沉积方式为微电铸、磁控溅射、蒸发镀膜等方法，但在微纳米尺寸的电铸中，由于电铸液表面张力的存在使其难以进入胶模。因此，目前主要采用磁控溅射及热蒸发的方法。PMMA 胶易溶于丙酮，选用丙酮作为去胶剂溶解光刻胶，光刻胶溶解后薄膜悬空，可使用超声波清洗机将悬空的金属薄膜去除，这样硅片上就只保留了我们需要的金属MEMS器件。

金属沉积及去胶的过程

总 结

电子束光刻是迄今为止分辨率最高的光刻技术，由于直写式的方法不需要昂贵且费时的掩模版，加工灵活，已经引起广泛的重视，随着产业界对MEMS技术要求的不断提高，电子束光刻已逐渐成为MEMS工艺的新支柱。（文中部分图片来源于网络）

来源：中科院微电子研究所供稿

本文经授权转自《中国科学院北京分院》微信公众号