红外微腔探测器中金属支撑柱的制备工艺研究

　　以射频开关[1]、微红外热探测器等为代表的MEMS微腔器件在军事上有重要的应用[2].目前,国内相关的器件研制还不太成熟,其中一个重要的原因就是微腔器件中实现电互连和机械支撑功能的微柱体制备较为困难.由于微柱的线宽较小而微腔器件的腔体高度又通常大于2μm[3],使得采用干法刻蚀或正胶剥离工艺来制备微柱图形较为困难.用于电互连的微金属柱较一般器件中金属引线薄膜厚度要大得多,因此用干法刻蚀不易控制,且成本较高;若采用正胶剥离工艺,得到的光刻胶掩模为正“八”字台面,剥离时所需薄膜图形与光刻胶掩模断开区域上的薄膜不易分离,因此胶膜厚度要达到薄膜厚度的几倍[4],而胶厚的增加势必降低光刻分辨率,这就无法满足微柱线宽小、厚度高的要求.

　　本文采用基于AZ5214E光刻胶图像反转的剥离工艺,可以得到倒“八”字光刻胶掩模图形,胶膜只需比薄膜稍厚就可以成功剥离出需要的图形,可以大大降低光刻胶厚度,提高光刻分辨率.因此可以满足微腔探测器中互联柱制备工艺线宽小、厚度大的要求.通过图形反转工艺中关键工艺的对比实验,本文给出了最佳工艺参数,并成功制备了高2.40μm、面积3.0μm×3.0μm的Ti微柱体,兼具电互连和机械支撑功能.

　　1　实　验

　　实验采用Karl Süss MA6/BA6型曝光机,光源波长为365 nm.实验时固定光源功率,调整曝光时间进行曝光,掩模版图形尺寸为3.0μm×3.0μm,为负版.衬底采用5.1 cm硅片,经过RCA标准清洗后,用热氧化工艺在其表面形成约500 nm厚的SiO2绝缘层.在旋涂AZ5214E光刻胶之前,衬底需要经过烘烤以去除表面附着的水分子,接着旋涂增粘剂,增强AZ5214E光刻胶和衬底的粘附性.然后经烘胶、曝光、显影等工艺得到掩模图形.在此过程中,我们通过优化图像反转工艺中所特有的反转烘和掩模曝光、泛曝光条件,得到较为理想的结果.在光刻后的衬底上通过电子束蒸发厚度达2.40μm的Ti薄膜,然后浸泡丙酮,剥离出Ti微柱体图形.剥离时可小功率超声约1min,加快剥离工艺的速率.具体工艺流程如图1所示.

　　2　结果讨论

　　2.1　烘烤温度对光刻图形的影响

　　前烘的作用是使光刻胶里的溶剂大部分挥发掉增强光刻胶的粘附性和耐磨性.光刻胶经前烘后曝光,化学反应才能充分进行.我们采用真空烘箱,温度约92℃,烘烤时间为10 min.

　　在利用AZ5214E光刻胶剥离Ti微柱体的工艺中,反转烘是关键性步骤.反转烘使掩模曝光区域的光刻胶发生交联反应,降低其在显影液中的溶解性能[5-6],直接决定图像反转工艺的成败.为了研究反转烘温度的影响,我们固定烘烤时间为11 min,通过温度对比实验发现,如果温度小于94℃,则交联反应不能充分进行,因此二次曝光区域的光刻胶在显影液中仍有较大的溶解度,光刻图形边界不清晰,如图2a所示.同时胶膜厚度偏薄,无法剥离出所需厚度的薄膜图形.如果进一步降低烘烤温度,则会发生浮胶现象,即光刻胶在显影时完全溶于显影液中,导致图形反转失败.