專利名稱：一種基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體技術領域、微機電系統(tǒng)(MEMS)領域和集成光學領域的光刻工藝方法，特別涉及一種基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，更確切的說是一種同時使用擴散片和掩膜板作為光刻掩膜的負性光刻膠光刻工藝方法。
背景技術：
光刻技術在集成光電子器件制造中起著舉足輕重的作用。光刻工藝通常指采用照相復印的方法將光刻掩模的圖形精確地復印到涂有待刻蝕材料表面的光刻膠上面。光刻在集成光學器件、MEMS制造和集成電路芯片(1C)工藝制造過程中占據著舉足輕重的地位，光刻已被廣泛認為是在批量制造微納結構和器件的關鍵技術之一，是大規(guī)模制造微納結構和器件的主要途徑。
目前常規(guī)光刻工藝都是采用傳統(tǒng)的微電子加工工藝制作，用于制備微結構器件、 波導等，這些光刻微結構往往具有整齊清晰的邊角，其3D表面通常為長方體形或多面體形，上表面和下表面圖形一致。不過，隨著集成光學技術和MEMS技術應用的發(fā)展，需要制作更復雜形狀和結構的微型器件，尤其是具有特定曲面特征的微結構或微器件(如微透鏡)， 即微結構的上下表面有顯著的不同。傳統(tǒng)的光刻工藝無法制備這些特殊的圖形微結構，針對這種需求有人發(fā)展了灰階光掩膜技術，該技術利用具有灰度梯度分布的光掩膜版進行曝光，使得光刻膠因感受不同強度紫外光作用而呈現(xiàn)不同程度交聯(lián)或溶解，從而制作得到具有曲面特征的微結構。但是，灰階光掩膜技術需要昂貴、高分辨率的灰階光掩膜，該類掩膜加工復雜、成本較高，不適于推廣應用。雖然基于正性光刻膠回流技術制作的曲面微結構在一定范圍內可以滿足復雜形狀和結構的微型器件制作需要，但是由于通常正性光刻膠粘度相對較低，其旋涂厚度往往較小，限制了可制得的微結構高度，且正性光刻膠材料本身往往易受酸堿或有機試劑侵蝕，在紫外光照下極易發(fā)生光化學反應分解，穩(wěn)定性較差，應用范圍受到很大局限。因此，需要尋找適于高深寬比結構制作、且物化性質穩(wěn)定的材料制作曲面微結構。負性光刻膠由于其優(yōu)良的物理、化學性質，與傳統(tǒng)微電子工藝兼容和適于制作高深寬比結構的特點，使其成為復雜截面微結構制作的最佳候選材料。但是，由于交聯(lián)后的負性光刻膠往往玻璃化溫度很高，接近其碳化熱解溫度，使其很難采用正性光刻膠回流方法，即通過光刻、顯影、回流的流程，制作曲面結構。同時，采用回流方法僅能夠制造球冠狀截面的單一結構。在復雜的三維結構的制作方面，有人提出了 LIGA、激光燒蝕、激光全息等光刻工藝方法。但這些方法往往需要昂貴、高分辨率的專用曝光設備，工藝過程中需要多次成膜和套刻，部分工藝需要化學機械拋光和干法刻蝕，工藝復雜，很難保證結構尺寸的準確性和結構表面的光滑，不利于制作高質量的集成光學器件和MEMS器件。因此，針對三維結構制作的需求，迫切需要發(fā)展新的、工藝簡單、成本低廉的工藝方法。
擴散片在平板顯示、激光、LED照明、成像等系統(tǒng)中有重要應用。擴散片的主要功能是將入射光轉變?yōu)槁浠蛘呔哂幸欢臻g分布的光。入射的平行光在擴散片中經過折射和散射，形成特定能量分布的光場。基于對入射光的擴散原理不同，主要分為兩類一類是摻雜粒子型，另一類是表面微結構型。前者目前在平板顯示中得到了廣泛應用，但其透過率低，光場不可控，并且由于存在摻雜不均勻的情況，導致光場不均勻。后一類包括毛玻璃型、 全息型和微透鏡陣列型。微透鏡陣列擴散片具有高透過率，通過改變微透鏡陣列形狀和排布可以調整擴散角度、光場的空間和能量分布，具有極大的靈活性。發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明的目的是為了克服已有工藝方法的不足之處，提出一種基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，采用擴散片結合負性光刻膠的光刻工藝，利用擴散片將光源由線性光轉變?yōu)槁⑸涔?，并結合負性光刻膠的成像特性，制備出傳統(tǒng)光刻法無法實現(xiàn)的三維微結構圖形。本發(fā)明可利用單次光刻可得到圓弧形，雙圓弧形等復雜截面圖形結構，具有適用范圍廣泛，工藝過程簡單，工藝重復性好，不需要改造現(xiàn)有光刻設備，成本低廉，易實現(xiàn)批量生產等優(yōu)點。
技術方案為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，該方法包括如下步驟首先，在襯底表面涂覆負性光刻膠，然后進行前烘將旋涂有負性光刻膠的襯底進行前烘，去除負性光刻膠的溶劑； 接著曝光擴散片位于掩膜板之上，利用擴散片和掩膜板作為掩膜對負性光刻膠進行紫外曝光；最后進行后烘和顯影曝光區(qū)域中的負性光刻膠在后烘中交聯(lián)，不溶于顯影液，得到具有特定的截面結構，即順序排列為襯底、負性光刻膠、掩膜板、擴散片，入射波從擴散片上射入；擴散片和掩膜板一起作為掩膜參與光刻膠的曝光。
所述的曝光包括接觸式曝光或微距曝光或步進投影曝光其中任意一種。
所述的入射波是單色光產生的單波長激光，單波長激光的波長范圍是紫外、可見或者紅外波段，入射波是有光譜寬度的光產生的光，光的波長范圍是紫外至紅外波段。
所述單色光產生的單波長激光是激光器產生的單波長激光，有光譜寬度的光產生的光是高壓汞燈產生的光。
所述的擴散片的類型是摻雜粒子型或表面微結構型或者二者結合的類型，或擴散片是由多片擴散片組成的擴散片組。
所述的擴散片位于掩膜板之上，擴散片與掩膜板緊貼或者相隔數微米至幾十厘米的距離，擴散片與掩膜板制作為一整體。
所述的襯底包括玻璃、硅片、聚合物薄片。
有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有的技術相比具有的有益效果為本發(fā)明所提出的基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，可利用一次光刻工藝光刻出傳統(tǒng)光刻工藝無法制備的特殊的三維微結構。采用的負性光刻膠和正性光刻膠相比具有耐熱性強，穩(wěn)定性好的優(yōu)點。當負性光刻膠充分曝光后，所制備的圖形將實現(xiàn)徹底的交聯(lián)并固化，不再溶于顯影液，受紫外光影響小，折射率穩(wěn)定。這種方法可用于制備各種三維微結構圖形。采用擴散片的光刻工藝可以選用不同種類的擴散片和負性光刻膠從而得到各種不同的截面結構，一次曝光即可得到特定的截面形貌，制備工藝簡單，與現(xiàn)有負性光刻膠光刻工藝兼容，可以不對現(xiàn)有光刻設備進行改造，并可實現(xiàn)批量生產，顯著降低器件成本。


圖1是擴散片光刻方法示意圖。
圖加是負性光刻膠光刻的原理圖， 圖2b是負性光刻膠擴散片光刻的原理圖。
圖3a是負性光刻膠光刻后的線條示意圖， 圖北是負性光刻膠光刻后的線條示意圖，圖3c是負性光刻膠光刻后的線條示意圖。
圖如是負性光刻膠擴散片光刻后的線條示意圖， 圖4b是負性光刻膠擴散片光刻后的線條示意圖，圖4c是負性光刻膠擴散片光刻后的線條示意圖， 圖4d是負性光刻膠擴散片光刻后的線條示意圖， 圖4e是負性光刻膠擴散片光刻后的線條示意圖， 圖4f是負性光刻膠擴散片光刻后的線條示意圖， 圖4g是負性光刻膠擴散片光刻后的線條示意圖。
圖5是負性光刻膠擴散片光刻后的凹槽示意圖。
圖6a是負性光刻膠擴散片光刻后的光子晶體結構單元示意圖。
圖6b是負性光刻膠擴散片光刻后的光子晶體結構單元示意圖。
圖7a是負性光刻膠擴散片光刻后的光子晶體示意圖。
圖7b是負性光刻膠擴散片光刻后的光子晶體示意圖。 其中有襯底1、負性光刻膠2、掩膜板3、擴散片4、入射波5。
具體實施方式
下面將參照附圖對本發(fā)明進行說明。
本發(fā)明提供的基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，包括涂覆光刻膠，前烘，曝光，后烘，顯影，擴散片和掩膜板一起作為掩膜參與光刻膠的曝光，從上至下的結構包括入射光、擴散片、掩膜板、光刻膠和襯底。
參見退1 一圖7b，基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，該方法包括如下步驟 首先，在襯底表面涂覆光刻膠，然后進行前烘，將旋涂有負性光刻膠的襯底進行前烘，去除負性光刻膠的溶劑； 接著曝光，擴散片位于掩膜板之上，利用擴散片和掩膜板作為掩膜對負性光刻膠進行紫外曝光最后進行后烘和顯影，曝光區(qū)域中的負性光刻膠在后烘中交聯(lián)，不溶于顯影液，得到具有特定的截面結構；擴散片和掩膜板一起作為掩膜參與光刻膠的曝光。
所述的曝光包括接觸式曝光或微距曝光或步進投影曝光其中任意一種。
所述的入射波5是單色光產生的單波長激光，單波長激光的波長范圍是紫外、可見或者紅外波段，入射波5是有光譜寬度的光產生的光，光的波長范圍是紫外至紅外波段。
所述單色光產生的單波長激光是激光器產生的單波長激光，有光譜寬度的光產生的光是高壓汞燈產生的光。
所述的擴散片4的類型是摻雜粒子型或表面微結構型或者二者結合的類型，或擴散片4是由多片擴散片組成的擴散片組。
所述的擴散片4位于掩膜板3之上，擴散片4與掩膜板3緊貼或者相隔數微米至幾十厘米的距離，擴散片4與掩膜板3制作為一整體。
所述的襯底1包括玻璃、硅片、聚合物薄片或者其他涂覆負性光刻膠的材料。
基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，包括以下步驟首先，在襯底表面涂覆負性光刻膠，所述的襯底包括玻璃、硅片或者其他任何可以涂覆負性光刻膠的材料，一般光刻膠的厚度為幾十納米至數百微米；然后，將旋涂有負性光刻膠的襯底進行前烘，去除負性光刻膠的溶劑；接著，擴散片位于掩膜板之上，利用擴散片和掩膜板作為掩膜對負性光刻膠進行紫外曝光，所述的擴散片可以是摻雜粒子型、表面微結構型或者二者結合的類型，可以由多片擴散片組成擴散片組，所述的擴散片位于掩膜板之上擴散片可以與掩膜板緊貼或者相隔數微米至幾十厘米的距離，所述的曝光包括接觸式曝光、微距曝光和步進投影曝光，所述的的入射波的波長范圍包括紫外、可見至紅外波段，可以是單色光比如激光器產生的單波長激光，或者有一定光譜寬度的光比如高壓汞燈產生的光；最后，進行后烘和顯影，得到特定的截面結構，所述的截面結構由光刻掩膜的圖形尺寸、曝光時間和負性光刻膠的種類決定。
更進一步地，前述基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，其中的掩膜可以為擴散片與掩膜板制作成一整體。
本發(fā)明所提出的基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法原理如下平行的入射在擴散片中由于發(fā)生了折射和散射從而成為均勻的散射光，在負性光刻膠中形成發(fā)散的光強分布，入射光在負性光刻膠中被吸收減弱，滿足曝光劑量的范圍形成曝光區(qū)域。曝光區(qū)域中的負性光刻膠在后烘中交聯(lián)，不溶于顯影液，得到具有特定的截面結構。
本發(fā)明提出的一種基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，從工藝上來看包括以下步驟首先，在襯底1表面涂覆負性光刻膠2，所述的襯底包括玻璃、硅片或者其他任何可以涂覆負性光刻膠2的材料，一般光刻膠的厚度為幾十納米至數百微米；然后，將旋涂有負性光刻膠2的襯底1進行前烘，去除負性光刻膠2中的溶劑；接著，擴散片4位于掩膜板3之上，利用擴散片4和掩膜板3作為掩膜對負性光刻膠2進行紫外曝光，所述的擴散片4可以是摻雜粒子型、表面微結構型或者二者結合的類型，可以由多片擴散片組成擴散片組，所述的擴散片4位于掩膜板3之上，擴散片4可以與掩膜板3緊貼或者相隔數微米至幾十厘米的距離，或者制作成一整體，所述的曝光包括接觸式曝光、微距曝光和步進投影曝光，所述的入射波5的波長范圍包括紫外、可見至紅外波段，可以是單色光比如激光器產生的單波長激光，或者有一定光譜寬度的光比如高壓汞燈產生的光，平行的入射光在擴散片中由于發(fā)生了折射和散射從而成為均勻的散射光，在負性光刻膠中形成發(fā)散的光強分布，入射光在負性光刻膠中被吸收減弱，滿足曝光劑量的范圍形成曝光區(qū)域；最后，進行后烘和顯影，曝光區(qū)域中的負性光刻膠在后烘中交聯(lián)，不溶于顯影液，得到具有特定的截面結構，所述的截面結構由光刻掩膜的線條尺寸、曝光時間和負性光刻膠的種類決定。采用擴散片光刻得到的負性光刻膠凹槽部分如圖4所所示。
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明。本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1 在單晶硅片上制作SU-8負性光刻膠凹槽首先在單面拋光的單晶硅片襯底1上，旋涂SU-8光刻膠2，然后在熱板上進行前烘，自然冷卻至室溫。接著將擴散片4放置于掩膜板3之上，使用光刻機進行紫外接觸式曝光，之后在熱板上進行前烘，最后在顯影液PMGEA中顯影，得到得到的SU-8負性光刻膠凹槽如圖 5所示，其部分橫截面線條如圖4所示。
實施例2 在K9光學玻璃上制作NR9-3000PY負性光刻膠光子晶體首先在K9光學玻璃襯底上1，旋涂NR9-3000PY光刻膠2，然后在熱板上進行前烘，自然冷卻至室溫。接著將擴散片4放置于掩膜板3之上，使用光刻機進行紫外接觸式曝光，之后在熱板上進行前烘，最后在顯影液R6中顯影，得到得到的NR9-3000PY負性光刻膠光子晶體單元如圖6所示，其部分橫截面如圖4所示，由于掩膜板的不同可以制作出負性光刻膠柱以及負性光刻膠井，光子晶體如圖7所示。)根據實施例1和實施例2制作得到的圖形截面線條，本發(fā)明所提出的擴散片負性光刻膠光刻的曝光工藝與現(xiàn)有負性光刻膠光刻的曝光工藝在曝光原理上相比較，如圖2所示現(xiàn)有負性光刻膠曝光工藝中，掩膜板3分為透光區(qū)域7和非透光區(qū)域8，平行的入射光 5穿過透光區(qū)域7后，在掩膜板3的下的負性光刻膠2內為平行的光6，形成矩形曝光區(qū)域9，在非透光區(qū)域8區(qū)域下的負性光刻膠內形成非曝光區(qū)域10，由于光刻膠的光學特性和光化學反應特性，曝光區(qū)域9充分交聯(lián)的負性光刻膠在顯影中保留下來，所成圖形的截面如圖3所示，負性光刻膠2的上下表面相同或者相似； 本發(fā)明所提出的擴散片曝光工藝中，掩膜板3分為透光區(qū)域7和非透光區(qū)域8，平行的入射光5首先穿過擴散片4，在擴散片4中折射和散射，穿過透光區(qū)域7后，在掩膜板3的下的負性光刻膠2內為具有一定角度的光6，形成具有一定光強分布的曝光區(qū)域9，曝光區(qū)域9 的上下表面形貌和尺寸顯著不同，在非透光區(qū)域8區(qū)域下的負性光刻膠內形成非曝光區(qū)域 10，由于光刻膠的光學特性和光化學反應特性，曝光區(qū)域9中充分交聯(lián)的負性光刻膠在顯影中保留下來，所成圖形的部分截面如圖4所示，本發(fā)明所提出的擴散片負膠光刻的工藝方法與現(xiàn)有的負膠光刻的工藝方法相比具有多樣的截面形狀，上下表面形貌既可以相同或者類似，也可以顯著不同?？梢愿鶕煌嵌群筒ㄩL范圍的入射光5、不同型號的擴散片4、 不同圖案的掩膜板3和不同型號不同厚度的負性光刻膠2進行自由組合和調整得到多樣的光刻圖形的三維形貌。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本發(fā)明所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內。
權利要求
1.一種基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，其特征在于該方法包括如下步驟首先，在襯底(1)表面涂覆負性光刻膠(2 )，然后進行前烘將旋涂有負性光刻膠(2)的襯底進行前烘，去除負性光刻膠的溶劑；接著曝光擴散片(4)位于掩膜板(3)之上，利用擴散片和掩膜板作為掩膜對負性光刻膠進行紫外曝光；最后進行后烘和顯影曝光區(qū)域中的負性光刻膠在后烘中交聯(lián)，不溶于顯影液，得到具有特定的截面結構，即順序排列為襯底(1)、負性光刻膠(2)、掩膜板(3)、擴散片(4)，入射波(5)從擴散片(4)上射入；擴散片和掩膜板一起作為掩膜參與光刻膠的曝光。
2.根據權利要求1所述的基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，其特征在于所述的曝光包括接觸式曝光或微距曝光或步進投影曝光其中任意一種。
3.根據權利要求1所述的基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，其特征在于所述的入射波(5)是單色光產生的單波長激光，單波長激光的波長范圍是紫外、可見或者紅外波段，入射波(5)是有光譜寬度的光產生的光，光的波長范圍是紫外至紅外波段。
4.根據權利要求3所述的基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，其特征在于所述單色光產生的單波長激光是激光器產生的單波長激光，有光譜寬度的光產生的光是高壓汞燈產生的光。
5.根據權利要求1所述的基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，其特征在于所述的擴散片(4)的類型是摻雜粒子型或表面微結構型或者二者結合的類型，或擴散片(4)是由多片擴散片組成的擴散片組。
6.根據權利要求1所述的基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，其特征在于所述的擴散片(4)位于掩膜板(3)之上，擴散片(4)與掩膜板(3)緊貼或者相隔數微米至幾十厘米的距離，擴散片(4)與掩膜板(3)制作為一整體。
7.根據權利要求1所述的基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，其特征在于所述的襯底(1)包括玻璃、硅片、聚合物薄片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于負性光刻膠的擴散片光刻工藝方法，該方法包括如下步驟首先，在襯底表面涂覆光刻膠，然后進行前烘，將旋涂有負性光刻膠的襯底進行前烘，去除負性光刻膠的溶劑；接著曝光，擴散片位于掩膜板之上，利用擴散片和掩膜板作為掩膜對負性光刻膠進行紫外曝光；最后進行后烘和顯影，曝光區(qū)域中的負性光刻膠在后烘中交聯(lián)，不溶于顯影液，得到具有特定的截面結構；擴散片和掩膜板一起作為掩膜參與光刻膠的曝光。本發(fā)明具有適用范圍廣泛，工藝過程簡單，工藝重復性好，不需要改造現(xiàn)有光刻設備，成本低廉，易實現(xiàn)批量生產等優(yōu)點。
文檔編號G03F7/20GK102520591SQ20111042029
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權日2011年12月15日
發(fā)明者張彤, 張曉陽, 李若舟 申請人:東南大學