在研究和生产中我们常见的紫外曝光有以下几种,其特点决定了其产生图形的分辨率,同是也决定了其应用领域,以下我们简要介绍一下各种曝光方式的特点:

接触式曝光

接触曝光是指使光掩模和衬底之间直接接触的曝光的过程。此过程导致所有掩膜版的图形以最佳分辨率准确投影到样品表面,因为衍射和相关的分辨率损失减少到最低限度,具体取决于各自的光刻胶的厚度。然而,直接接触也有缺点——光刻胶很容易污染掩膜版,这可能会导致后续的曝光图形产生图形偏差。此外,掩模可能会粘在未充分干燥的光刻胶上(参见 Wiki “用于接触曝光的正性和负性光刻胶”)。

接近式曝光

接近曝光类似于接触式曝光,但此处掩模位于光刻胶上方约 10 – 50 mm 的距离处。因此可以避免损坏光刻胶或污染掩模版。

投影式曝光

对于接触或接近式曝光,光掩模版以 1:1 的比例投影到光刻胶上。然而,对于投影曝光,掩模图案使用特定的线系统按比例缩小(例如,以 4:1 或 5:1 的比例)。用于此目的的光掩模版生产起来更容易也更便宜,因为这些掩模上的结构元件要大几倍。另一个优点是在光掩模上停留的粒子对生成的结构仅表现出很小的影响,因为这些粒子也相应地按比例缩小。由于在投影曝光期间掩模的投影不能覆盖整个晶片,因此必须使用极其精确的机构(晶圆步进器)跟踪和对准晶片。由于成像光学系统的焦距限制,其相比于接触式光刻工艺其适用的光刻胶厚度较薄。

浸没式光刻

浸没式光刻基本上等同于投影光刻,区别在于投影透镜和光刻胶之间的间隙填充有液体介质,例如水,而不是空气。与空气相比,液体的更高折射率增加了成像设备的数值孔径,从而可以生成更小的结构。

灰度光刻

灰度光刻用于制造 3D 结构。在这种情况下,可以通过曝光剂量的横向变化以特定的方式控制表面产生3D结构,利用光刻胶曝光期间的单调但非线性显影过程。可变曝光剂量可以通过多个曝光步骤或也使用灰度光掩模来实现,该光掩模在不同区域显示不同程度的透过性。如果应用了多个曝光步骤,则根据所需的结构,掩模要么逐步移动,要么使用具有不同灰度的几个二元掩模。此外,可以相应地改变曝光剂量(另见  “电子束光刻胶用于衍射光学元件加工“)。

激光直写曝光

紫外光刻胶也可以用激光加工。如果施加的激光波长在光刻胶的吸收范围内,则通常可以在 cw(连续波)模式下工作。由于高能量密度,可以以非常高的速度和高精度写入结构。如果使用超短激光脉冲(fs – ps 范围),也可以在超出其吸收范围的情况下处理光刻胶。这意味着光敏介质对于所施加的激光高度透明。然而,如果在脉冲模式下工作的激光束被紧密聚焦,多光子吸收事件(主要是双光子吸收)可能会发生在激光的焦点处,这会导致焦点处发生化学或物理变化,从而允许光刻胶结构化(参见 NIR-Resist Resist-Wiki 或 AR NEWS,第 26 期)。因此,基本上可以使用不同的光敏材料生成任何 3D 结构。

X射线光刻

与传统的光刻类似,对于 X 射线光刻,也需要密集的窄带单色辐射。软 X 射线辐射的波长在 10-0.1 nm 范围内。合适的辐射源是大功率X射线管或同步辐射源。例如在 BESSY 产生的同步加速器辐射的特点是发射辐射的高强度和极高的亮度,因此允许相对快速的曝光。可以用高景深实现 <20 nm 范围内的非常小的结构。虽然光学光刻使用由入射光子直接引发的化学反应,但 X 射线光刻中的化学反应是由产生并与光刻胶材料相互作用的二次电子(光电子和俄歇电子)引发的。X射线光刻的掩膜版生产对技术要求很高,因为 X 射线束无法通过经典镜头聚焦。X 射线光刻在 LIGA 程序范围内用于生成具有高纵横比的三维结构,用于微系统技术中的应用。(见 CAR 44 和 ARNEWS,第 21 期。)

工艺步骤概述:

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