光刻技术在金属板片刻蚀上的应用

宁建华

（西安航天动力研究所，陕西西安710100）

0 引言

层板喷注器由精确分布着异型孔的多层金属板片组成，金属板片型孔的双面精密加工是采用光刻工艺完成的。液体推进剂预包装贮箱上的膜片阀金属膜片刻痕也是采用单／双面自对准光刻工艺完成。

1 光刻工艺简述

电子信息技术日新月异，迅猛发展，究其原因是由于半导体工业集成电路设计和制造水平在不断提升和发展，而制造半导体集成电路的核心和关键技术就是光刻工艺。光刻工艺技术本身也在不断发展和更新。金属板片光刻技术是交叉性的边缘学科，是一种将图形精确复制和刻蚀技术相结合的综合性超精密加工工艺技术，该项技术将微电子领域的光刻技术与精密微机械加工技术相结合，形成了超精密加工，加工精度在微米量级，是MEMS的核心工艺技术。其工艺过程是：先用照像复印的方法，采用400nm均匀平行紫外光束，将光刻掩模上的图形精确地复印到涂在待刻蚀材料表面的光刻胶上面，然后在光刻胶的保护下对待刻蚀的材料进行选择性化学刻蚀，从而在待刻蚀材料上得到所需要的几何型孔。

半导体工业电子和微电子领域是在半导体材料正面制造器件和集成电路的，因此所采用的光刻为单面光刻。层板喷注器、膜片阀膜片等均为双面自对准光刻，以获得良好的使用性能。目前金属板片上双面自动对准精度为0.1μm。

层板喷注器光刻工序流程见图1。

半导体工业的光刻与金属板光刻比较，各有特点，见表1。

表1 光刻技术应用比较Tab.1 Comparison of photoetching technique applications

2 双面光刻原理及流程

双面自对准光刻工艺原理见图2所示。

双面自对准以及单／双面自对准是通过专门设计的光刻模具实现的，光刻时，只要将涂覆并经过前烘的金属板片安装于该模具中，在光刻机上即可自动实现双面自对准光刻。

光刻流程见图3。

3 光刻模具设计

光刻模具设计包括：夹具设计和版图设计。夹具设计为机械图纸设计，版图设计则要按照版图设计规范，根据待加工材料的腐蚀余量，依据按比例缩小理论进行设计。对于层板喷注器金属板片光刻来说，光刻模具要求为双面自对准模具，对于膜片阀金属膜片光刻来说，光刻模具要求为单／双面光刻模具。

金属膜片原理图见图4。

由图4可见，内圆为承压刻痕，深度为母材厚度一半，由于要承压，所以不能刻透，该刻痕为单面光刻。外圆为膜片轮廓，要求刻透，所以为双面光刻。由此可见，金属膜片光刻应采用单／双面光刻模具。

4 光刻工艺流程设计

光刻工艺生产流程见图5。

由图5可见，光刻工艺参数包括两个部分，即化学试剂配方和工作参数。

4.1 化学清洗

4.2 双面涂胶

金属板片要求双面光刻，那么板片必须进行双面涂胶。影响胶膜厚度的因素有：分辨率、针孔密度和粘附力。

负性光刻胶胶膜越厚，分辨率则越低，为了减少针孔提高成品率，又需要较厚的胶膜。因此，在选择光刻胶的膜厚时，应折衷考虑分辨率和成品率之间的矛盾。试验表明，光刻胶膜越薄，抗蚀能力越差，腐蚀时产生的针孔密度就越大。当光刻胶涂层较厚时，由于曝光时大部分能量被上层光刻胶吸收，达不到光刻胶与金属板片的界面，引起下层光刻胶曝光不足，在显影过程中，底层光刻胶由于显影液的作用会发生膨胀甚至溶解，从而影响光刻胶与金属板片之间的粘附。

经过大量试验，在双面涂胶厚度、曝光量、留膜率以及成品率之间，确定了微米量级的胶层厚度、前烘工步特殊控制过程、前烘温度和时间等重要参数。

4.3 最佳曝光量的确定

曝光的目的是用尽可能短的时间使光刻胶充分感光，在显影后获得尽可能高的留膜率、近似于垂直的光刻胶侧壁和可控的条宽。留膜率越高，表明显影后保留的光刻胶越厚，抗蚀能力越强。负胶典型的留膜率在90%左右。

光刻胶的成像反差定义为留膜率特性曲线直线部分的斜率。反差大，表明光刻胶的侧壁形状陡直，分辨率高；反差小，则表明光刻胶的“灰度”高，容易使光刻胶产生“底膜”。

4.4 化学铣切

化学铣切即腐蚀。化铣工艺参数有：化铣液配方、化铣温度和时间。

经过大量试验和研究，我们研制出了金属板片化铣配方，该配方含有：腐蚀剂、缓蚀剂、稳定剂、老化剂、促进剂等化学成分。在有效时段之内，其化学活性是稳定和持续的。

5 结束语

光刻工艺技术成功应用于层板喷注器所需的金属板片和膜片阀所需的金属膜片加工，其技术指标达到了设计要求，并已应用于实际生产。

光刻技术随着光刻理论以及光刻装备的不断发展，也在不断升级和发展，随着193nm、157nm及其更短波长的准分子激光光刻技术、同步辐射X射线光刻技术、极紫外光刻技术、电子束／离子束投影光刻技术的应用，光刻技术水平将会迈进纳米世界。

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