激光直寫光刻技術是一種利用曝光強度可控的激光束來光刻曝光，并在顯影后得到具有期望形貌微結構的3D光刻技術。 

該技術可以通過計算機對激光的曝光位置與曝光強度進行數字化控制，實現對光刻膠的變劑量曝光，因此具有很高的制造靈活性。

下圖為激光直寫光刻設備的工作原理示意圖。

激光器出射激光，經由光學系統對光束的光強和通光量進行調控。最后，物鏡將光斑匯聚到光刻膠上表面。

計算機同時對激光器的出射激光功率以及二維移動平臺的運動進行控制，從而控制激光束的曝光能量和位置。最后，對經過數字化曝光的光刻膠顯影，即可得到具有期望形貌的3D微結構。

激光直寫光刻技術并不是單一獨立的技術，它是包括了以激光直寫光刻技術為核心的一套工藝技術。

這些技術具體包括有襯底表面處理技術、光刻膠旋涂技術、光刻膠前烘技術、激光直寫光刻曝光技術、顯影以及后烘(PBE)技術。具體的流程如下圖所示。

一、表面處理

表面處理技術是激光直寫光刻技術流程中的第一道工藝。

它主要目的是有效的清潔襯底的表面，從而使襯底的表面不具有灰塵。如果襯底的表面具有灰塵，旋涂后的光刻膠會因為灰塵顆粒而不均勻的分布在襯底表面，進而影響到后續的光刻工藝。

目前，常見的襯底有玻璃襯底與硅襯底。由于拋光后的硅片表面比較光滑，因此不需要表面處理，只需要用氮氣吹走其表面的顆粒即可。

較為常用的襯底為玻璃襯底。玻璃襯底表面較為粗糙，易于吸附灰塵，因此需要用酒精對表面進行清洗。

二、涂光刻膠

在對表面處理后，需要對光刻膠進行涂布。光刻膠的涂布方式有旋涂，噴涂以及浸涂3種方式。

其中，旋涂是常見的抗蝕劑涂層技術。該種方式涂抹后的光刻膠表面非常光滑和均勻。先將光刻膠滴涂到清理后的玻璃襯底上，然后再用勻膠機對光刻膠進行旋涂。一般光刻膠涂抹厚度與自旋速度的平方根的倒數成正比。

同時，光刻膠的種類也會對光刻膠的膠厚有影響，而光刻膠的厚度會決定可制備微結構的最大高度。有時為了增加涂布厚度，會使用Plasma清洗機對玻璃襯底的表面進行親水處理：氣體為O2；時間為30s；功率為100W。

三、前烘

在完成對光刻膠的旋涂后，接下來需要對光刻膠進行前烘。在制備厚膠微結構時，即制備高度大于20μm的微結構，需要對前烘的時間與前烘溫度進行一定的改善。光刻膠的厚度越厚，前烘的時間越長。時間甚至可長達5min以上。

薄膠微結構不需要考慮光刻膠中的N2逃逸問題，因此烘烤的主要目的是將光刻膠變得堅固。而對厚膠微結構，光刻膠中會產生N2氣泡。為此，在烘烤過程中緩慢升溫，以實現對N2氣泡的驅趕。

四、曝光

對光刻膠烘烤后，需要將光刻膠放置在激光直寫光刻設備中，以實現光刻膠的曝光。

激光直寫光刻設備的曝光參數主要有曝光光斑尺寸、曝光劑量、激光光斑移動步長、離焦補償量。光斑中的光斑尺寸以及對應焦深是決定可制備結構尺寸的兩個重要的參數。

當光斑較小時，光斑適合制備具有較小特征尺寸的3D結構。但是當光斑較小時，數值孔徑較小，因此很難制備較高的結構。

相反，當光斑較大時，光斑不適合制備具有較小特征尺寸的3D結構。但是光斑較大時，數值孔徑較大，焦深夠大，因此適合制備較高的結構。

通常，當制備較大結構時，一般使用500nm光斑。激光光斑移動步長為激光光斑尺寸的一半。通過這種光斑的疊加，可以制備具有更高高度和低粗糙度的高深寬比微結構。曝光劑量需要根據制備微結構的高度決定。焦點補償需要由光刻膠厚度決定。

五、光刻膠選擇

光刻膠的種類多種多樣，按照感光光源其種類可以分為紫外(300~450nm)光刻膠、深紫外(160~280nm)光刻膠以及極紫外光刻膠(曝光波長僅幾十納米)等。

隨著光刻結構特征尺寸越來越小，化學放大膠逐步成為集成電路產業中常用的光刻膠。按照激光曝光后光刻膠內化學成分的反應，光刻膠也分為光刻正膠與光刻負膠。

一般激光直寫光刻技術的常用膠為光刻正膠。另一種3D光刻技術，雙光子光刻技術，一般運用光刻負膠對微納結構進行制備。

針對光刻膠的成分而言，盡管不同的光刻膠具有不同組分，但是目前主流光刻膠主要由感光劑、成膜樹脂、溶劑以及少量添加劑構成。成膜樹脂作為成膜載體，具有很好的堿溶性。而光敏化合物的作用是對在堿性環境中的成膜樹脂溶解進行抑制。當它們混合在一起時，組成的六元化合物不溶于堿性溶液。然而，當光敏化合物被激光輻照后，它會發生分解。光敏化合物分解后的產物反而會促進堿性環境中的成膜樹脂的溶解。在被輻照前，光刻膠屬于大分子材料。當其被輻照后，大分子材料裂解成小分子材料。顯影后，可能有部分小分子材料填充光刻膠圖案的表面，從而減少了結構的粗糙度。

然而，隨著激光直寫光刻技術的興起，紫外(300~450nm)光刻正膠又重新走進了激光直寫光刻行業內相關從業人員的視野中。

根據光刻膠對激光的吸收效率，紫外(300~450nm)光刻膠進一步劃分為G線(436nm)光刻膠以及I線(356nm)光刻膠。

六、顯影

當光刻膠被激光直寫光刻設備曝光后，需要對其顯影，以得到期望的微結構。AZ400K是一個較為常用的顯影液，其主要成分是KOH。為了防止顯影速度過快，倒入超純水以稀釋顯影液。

在顯影的過程中，當制備的結構較高時，有一些光刻膠會困在微結構之間。這些困在微結構之間的光刻膠會阻止顯影液與其下層的光刻膠反應。

最后，需要將顯影后的光刻膠微結構放置在熱板上進行后烘。這一步是為了將光刻膠中的水分烘烤出來，并使光刻膠中的化學物質充分反應。一般后烘的溫度低于光刻膠的熔點。

在顯影后，初步得到光刻后微器件結構，在后續的刻蝕與氧化后形成器件。

參考文獻：

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