3B1-光刻和LIGA站

一、简介

北京同步辐射装置光刻站建有2条光束线和相应的曝光设备，开展纳米和深度X光光刻研究，纳米光刻是以中科院微电子所谓主要研究单位，深度光刻由高能所完成，主要进行LIGA技术的研究与应用，同时还开展MEMS的其它研究。

光刻站同步辐射光源由弯铁引出，纳米光刻和深度LIGA光刻公用同一个前端区，通过一个反射镜实现纳米光刻和深度光刻的切换，曝光实验要分时进行。

光刻束线位于BEPC的第三区，有第一块弯铁引出，光束线为3B1A和3B1B，3B1A为LIGA技术深度光刻束线，3B1B为纳米光刻束线。

二、光源性能及参数

3B1A束线（LIGA束线）由弯铁引出，弯铁光源经过300微米的铍窗照射在样品上，样品台扫描，形成扫描的均匀光斑，用于LIGA的深度光刻。

波长范围：2-10Kev，弯铁引出，经过300微米厚铍窗。

光斑尺寸：50*50毫米，水平由狭缝限制，垂直为样品台扫描。

LIGA光刻深度：最大光刻深度1.5毫米，高宽比80。

3B1B束线的同步辐射光源经过一个镀铬反射镜反射，然后通过一个10微米厚的铍膜照射在样品上，反射镜在垂直方向扫描，在样品处形成一个均匀扫描光斑，用于纳米同步辐射光刻。

波长范围：0.5-1Kev，反射镜和吸收片后。

光斑尺寸：40*40毫米，垂直光斑由反射镜扫描获得。

光刻分辨率：最小线宽70nm。

3B1A光束线的同步光直接通过一个铍窗后照射到样品上，在不同的储存环运行模式下的光谱分布如图1所示，水平接收角为1mrad，垂直方向不受限制。

图1 LIGA技术深度光刻在不同储存环条件下的X光能谱分布曲线。

表1为光通量直通束线，扫描距离50毫米，水平接收1mrad，距离光源22.8m，水平光源尺寸22.8mm，扫描均匀光斑尺寸22.8×50mm²，底部PMMA光刻胶被照射的体积为22.8×50×0.1=114mm³，以所需要的曝光剂量3.5J/mm³计算，底部光刻胶应该接收的剂量为3.5×114=399J，曝光时间为应该接收到的剂量除以实际吸收的光功率。

表1 LIGA技术深度光刻在不同储存环条件下的光刻深度和时间表

3B1B光束线利用反射镜将同步辐射光反射到样品台，同时吸收掉硬X射线，反射镜的反射光谱与镜子的镀膜材料和掠入射角有关，反射光谱的确定取决于纳米光刻的工艺需要。同步辐射纳米光刻的光谱主要取决于掩模吸收体结构和支撑薄膜的要求，由于吸收体结构横向尺寸很小（纳米量级），厚度就很难提高，X光太硬就会大量穿过掩模吸收体照射到光刻胶上，无法实现吸收体结构吸收X光的目的，这需要X光要软一些。另一方面，X光需要穿过掩模的支撑薄膜，支撑薄膜总是有一定的厚度，这又需要X光要硬一些。所以X光光刻的光谱需要全面考虑来确定，而最好是能够提供一种可变的X光光谱，以满足不同掩模条件下的X光光刻需要。同步辐射X光光刻的光谱原则上是对掩模支撑膜的高通过，同时对掩模吸收体结构的高吸收，这样在光刻胶表面上才能够提供高反差的X光照射图案结构，提高光刻胶结构的质量，实现纳米X光光刻的目的。

3B1B光束线在改造之前反射镜选用了金作为镀膜表面，而掩模的吸收体结构也是金材料，二则的吸收边相同，不利于对X光的吸收匹配，不适宜纳米光刻的需要。为了改善X光光谱以满足纳米光刻需要，反射镜选用铬作为镀膜材料，同时增大掠入射角到1.6°，改造前后的光谱如图2所示。目前X光掩模的支撑薄膜为2μm厚的SiN膜，吸收体为0.4μm厚的金，通过掩模支撑膜后的光谱改造后有了明显的改善（如图2），消除了金吸收边的不利影响，掩模的曝光对比度（X光通过掩模支撑膜光强与通过吸收体结构光强比值）由原来的7.1提高到8.4。

图2 3B1B光束线改造前后能谱分布

3B1B束线采用柱面反射镜扫描方式，反射镜的扫描角度变化仅为2mrad，在以前的设计中并没有考虑到反射镜扫描时角度微小变化对光强度的影响，致使扫描光斑的均匀性能受到影响。反射镜的扫描运动是通过凸轮的曲线运动来实现的，在改进后考虑到扫描角度变化的凸轮曲线方程为：

而原设计的凸轮曲线方程为：

在凸轮曲线设计的上述改进将使扫描光斑的均匀性能提高12%。

三、束线结构

光刻光束线包括纳米光刻和LIGA光刻二条光束线，纳米光刻和LIGA光刻束线都是由BEPCⅡ的3区第一块弯铁引出（3B1），拥有同一个前端区，通过一个反射镜将3B1同步辐射光束分成LIGA光刻束线(3B1A)和纳米光刻束线（3B1B），光学原理如图1所示。反射镜可以在垂直方向上移动来切换光路，当反射镜移开光路时，同步光进入3B1A光束线到达LIGA实验站，用于LIGA技术的深度同步辐射光刻，当反射镜切入光路时，同步光经由反射镜反射后进入3B1B光束线到达纳米光刻实验站，用于纳米同步辐射光刻，所以LIGA技术的深度光刻和纳米光刻必须分时使用。同辐射光束在水平方向是均匀分布，在垂直方向为高斯分布，为了满足光刻所需要的大面积均匀光斑，在垂直方向上必须进行扫描。纳米光刻实验站采用反射镜扫描方式，LIGA实验站采用样品台扫描方式。

LIGA技术深度光刻需要硬X光，因此可以利用300微米厚铍窗实现真空隔离，使LIGA扫描样品腔的大气环境和前端的光束线超高真空分离，方便样品的更换。纳米光刻束线由于所需要的X光波长长，无法利用铍窗进行真空隔离，为了提高样品的更换速度，3B1B光束线设计了真空差分系统，实现了光束线超高真空（5×10-8托）到纳米光刻样品腔高真空（5×10-5托）条件的过度，降低了光刻样品腔内部件的超高真空要求，大大减少了抽真空的时间，方便了样品的更换。

为了提高光的强度，3B1B光束线采用了柱面反射镜水平聚焦的方式，同时反射镜在垂直方向上进行摆动实现X光在垂直方向的扫描，在样品台处得到均匀的扫描光斑，用于纳米光刻。反射镜的扫描角度小，而且为非线性，直接利用电机控制难以满足要求，为此选用凸轮来控制反射镜的整个扫描运动过程。

图3 3B1束线光学原理图

四、实验站主要设备

光刻实验站拥有较为完善的微加工设备和环境，工作环境有300平米的1000超净和10平米的100级超净间、21兆的超纯水设备、腐蚀间、工艺辅助间等，在设备上拥有真空镀膜、电镀装置、氧化炉、双面对准光光刻、深紫外光刻机、法国进口的反应离子刻蚀机、国产磁增强反应离子刻蚀机、氯化铯钠米岛生长设备、同步辐射X光刻束线和相应的光刻装置，在测试设备方面有扫描电镜、台阶仪、显微镜等。图4为光刻站1000级超净间照片。

图4 光刻站1000级超净间照片。

五、研究工作和应用成果

BSRF光刻组的研究工作是以同步辐射光刻为核心，通过结合其它微加工手段开展多方位的MEMS研究和应用，包括准LIGA技术，SU8技术，硅刻蚀技术和纳米岛光刻技术等。研究内容包括MEMS的电泳芯片，金属光栅，热压模具，加速度计微结构，电火花电极，金属微孔，微质谱仪金属结构，金属镂空模版，以及精密微金属结构系统等，以及基于氯化铯自组装技术的纳米岛光刻技术研究和应用。

图5为3B1A束线的LIGA技术深度光刻胶结构照片，胶结构高度1mm，最小结构宽度10μm，高宽比100。由于3B1弯铁引出的X光能量小于以前的3W1束线X光能量，光刻的结构深度没有提高，但光刻结构的最重要质量指标（高宽比）有了大幅提高，丛40提高到了100，而且曝光面积由原来的水平15毫米提高到50多毫米宽，还可根据实际应用的需要扩展到100毫米以上，完全能够满足批量化生产的实际需要。

图5 LIGA光刻胶结构　　　　　  图6纳米光刻胶结构

图6为3B1B束线的纳米同步辐射光刻胶高密度光栅结构照片（由中国科学院微电子研究所完成），该光栅5000线对/毫米，线宽100纳米，高580纳米，高宽比5.8，能够很好满足实际X光衍射器件需要。

图7为大高宽比镍结构，宽度5微米，高度200微米，高宽比为40。图8为金属齿轮结构，结构高度1毫米。图9为米字镍结构模具，宽度20微米。图10为金结构微孔，宽度1微米。

图7大高宽比镍结构，高宽比40　　  图8大高度镍齿轮结构，高1毫米

图9 “米”字镍结构模具。　　　　　 图10 1微米直径金结构微孔。

六、联系方式

联系人

伊福廷  研究员

电话：88235983(o)，88235995(l)

邮箱：yift@ihep.ac.cn

通信地址：北京918信箱，中国科学院高能物理研究所光刻LIGA实验站，100049