光电器件微纳加工技术——光刻工艺与激光直写

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微纳加工技术指尺度为亚毫米、微米和纳米量级元件以及由这些元件构成的部件或系统的优化设计、加工、组装、系统集成与应用技术，涉及领域广、多学科交叉融合，其最主要的发展方向是微纳器件与系统（MEMS和NEMS）。

微纳制造包括微制造和纳制造两个方面。

(1)微制造 有两种不同的微制造工艺方式，一种是基于半导体制造工艺的光刻技术、LIGA技术、键合技术、封装技术等，这些工艺技术方法较为成熟，但普遍存在加工材料单一、加工设备昂贵等问题，且只能加工结构简单的二维或准三维微机械零件，无法进行复杂的三维微机械零件的加工;另一种是机械微加工，是指采用机械加工、特种加工及其他成形技术等传统加工技术形成的微加工技术，可进行三维复杂曲面零件的加工，加工材料

不受限制，包括微细磨削、微细车削、微细铣削、微细钻削、微冲压、微成形等。

(2)纳制造 纳制造是指具有特定功能的纳米尺度的结构、器件和系统的制造技术，包括纳米压印技术、刻划技术、原子操纵技术等。

微纳器件与系统是在集成电路制作上发展的系列专用技术，研制微型传感器、微型执行器等器件和系统，具有微型化、批量化、成本低的鲜明特点，对现代生活、生产产生了巨大的促进作用，并催生了一批新兴产业。

图1. MEMS微型传感器及微机械结构图

微纳加工技术是先进制造的重要组成部分，是衡量国家高端制造业水平的标志之一，具有多学科交叉性和制造要素极端性的特点，在推动科技进步、促进产业发展、拉动科技进步、保障国防安全等方面都发挥着关键作用。微纳加工技术的基本手段包括微纳加工方法与材料科学方法两种。很显然，微纳加工技术与微电子工艺技术有密切关系。

微纳加工大致可以分为“自上而下”和“自下而上”两类。“自上而下”是从宏观对象出发，以光刻工艺为基础，对材料或原料进行加工，最小结果尺寸和精度通常由光刻或刻蚀环节的分辨力决定。“自下而上”技术则是从微观世界出发，通过控制原子、分子和其他纳米对象的相互作用力将各种单元构建在一起，形成微纳结构与器件。

事实上，机械微加工是微纳制造中最方便，也最接近传统材料加工方式的微成型技术。它一般包括车削、钻孔、磨削等加工法。现代机械微加工为提高精度和自动化程度，通常配备有计算机控制系统[如computer-numerical-control（CNC）数字控制机床等]，再通过金刚石刀具在材料表面制备出高质量的微结构。

机械微加工法的工艺过程简单，加工过程方便，但对加工材料有选择性。它常采用的加工材料是铜合金、镍合金等。像钢这种我们最常用的金属材料，却不能用机械微加工法来做，因为钢中含碳会和金刚石刀具发生反应。

另外，机械微加工法能得到的最小微结构尺寸非常有限，仅为200微米左右，这也限制了该方法在更小尺寸微结构器件方面的应用。

模型加工法是利用微纳米尺寸的模具复制出相应的微纳米结构。该方法主要适用于具有热塑性的材料，如高分子塑料，金属玻璃等。

首先，将加热台上的热塑性材料与微模型加热到一定温度；热塑性材料因黏度降低软化后，对其施加一定的应力使其在微模型中进行充型流动；最后微模型上的微纳米结构便成功转移到热塑性材料的表面上。

电火花加工（electric discharge machining，EDM）是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用，蚀除导电材料的特种微纳制造加工法。

电火花微加工技术不受材料硬度的影响，并且通过调整电参数便可方便实现粗、半精、精、超精加工之间的切换，因此也被应用到微加工领域。目前，这种加工方法最大的缺点就是加工效率低。

目前微纳制造领域最常用的一种微细加工技术是LIGA（德文缩写，Lithographie，Galanoformung和Abformung，即光刻、电铸和注塑）。

这项技术由于可加工尺寸小、精度高，适合加工半导体材料，因而在半导体产业中得到广泛的应用，其最基础的核心技术是光刻，即曝光和刻蚀工艺。

随着LIGA技术的发展，人们开发出了很多种不同的曝光、刻蚀工艺，以满足不同精度尺寸、生产效率等的需求。LIGA技术经过多年的发展，工艺已经相当成熟，但是这项技术的基本原理决定了它必然会存在的一些缺陷，比如工艺过程复杂、制备环境要求高（比如需要净化间等）、设备投入大、生产成本高等。

基于光刻工艺的微纳加工技术主要包含以下过程：掩模（mask）制备、图形形成及转移（涂胶、曝光、显影）、薄膜沉积、刻蚀、外延生长、氧化和掺杂等。在基片表面涂覆一层某种光敏介质的薄膜（抗蚀胶），曝光系统把掩模板的图形投射在（抗蚀胶）薄膜上，光（光子）的曝光过程是通过光化学作用使抗蚀胶发生光化学作用，形成微细图形的潜像，再通过显影过程使剩余的抗蚀胶层转变成具有微细图形的窗口，后续基于抗蚀胶图案进行镀膜、刻蚀等可进一步制作所需微纳结构或器件。

掩模板是根据放大了的原图制备的带有透明窗口的模板。例如，可以用平整的玻璃板，涂覆上金属铬薄膜，通过类似照相制版的方法制备而成。具有微纳图形结构的掩模板通常使用电子束光刻机直接制备，其制作过程就是典型的光刻工艺过程，包括金属各层沉积、涂胶、电子束光刻、显影、铬层腐蚀及去胶等过程。由于模板像素超多，用扫描式光刻机制作掩模板的速度相当慢，造价十分昂贵。

图2. 光刻掩模板

曝光光刻是图形形成的核心工艺过程，可分为正胶工艺和负胶工艺（如图3），采用相同掩模板制作时，二者可获得互补的图形结构。另外，按照不同工作距离可分为接近式曝光、近贴式曝光（接触曝光）和投射式光学曝光；按照曝光系统的工作光源又可分为紫外线曝光、X射线与及紫外线曝光、电子束与离子束曝光。此外，微纳印刷技术（imprint lithography），如纳米压印技术，在纳米结构及器件制作中也得到了良好的发展，其高效的图形复制特点使之在工业界极具吸引力。卷对卷（Roll-to-Roll, R2R）滚轴压印技术已经被产线广泛采用。

图3. 正胶光刻与负胶光刻工艺流程图

图4. R2R纳米压印系统及压印结构

基于掩模板图形传递的光刻工艺可制作宏观尺寸的微细结构，受光学衍射的极限，仅适用于微米以上尺度的微细结构制作，部分优化的光刻工艺可能具有亚微米的加工能力。例如，接触式光刻的分辨率可能到达0.5μm，采用深紫外曝光光源可能实现0.1μm。但利用这种光刻技术实现宏观面积的纳米/亚微米图形结构的制作是可欲而不可求的。近年来，国内外很多学者相继提出了超衍射极限光刻技术、周期减小光刻技术等，力求通过曝光光刻技术实现大面积的亚微米结构制作，但这类新型的光刻技术尚处于实验室研究阶段。

高精度的微细结构可以通过电子束直写或激光直写制作，这类光刻技术，像“写字”一样，通过控制聚焦电子束（光束）移动书写图案进行曝光，具有很高的曝光精度，但这两种方法制作效率极低，尤其在大面积制作方面捉襟见肘，目前直写光刻技术仅适用于小面积的微纳结构制作。近年来，三维浮雕微纳结构的需求越来越大，如闪耀光栅、菲涅尔透镜、多台阶微光学元件等。据悉，苹果公司新上市的手机产品中人脸识别模块就采用了多台阶微光学元件，以及当下如火如荼的无人驾驶技术中激光雷达光学系统也用到了复杂的微光学元件。这类精密的微纳结构光学元件需采用灰度光刻技术进行制作。直写技术，通过在光束移动过程中进行相应的曝光能量调节，可以实现良好的灰度光刻能力。

图4. 直写系统及其制作的微纳结构

通过光刻技术制作出的微纳结构需进一步通过刻蚀或者镀膜，才可获得所需的结构或元件。

刻蚀技术（etching technique），是按照掩模图形对衬底表面或表面覆盖薄膜进行选择性腐蚀或剥离的技术，可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀最普遍、也是设备成本最低的刻蚀方法。大部份的湿刻蚀液均是各向同性的，换言之，对刻蚀接触点之任何方向腐蚀速度并无明显差异。然而自1970年代起，报道了许多有关碱性或有机溶液腐蚀单晶硅的文章，其特点是不同的硅晶面腐蚀速率相差极大，尤其是方向，足足比或是方向的腐蚀速率小一到两个数量级！因此，腐蚀速率最慢的晶面，往往便是腐蚀后留下的特定面。干法刻蚀利用等离子体 (plasma) 来进行半导体薄膜材料的刻蚀加工。其中等离子体必须在真空度约10至0.001 Torr 的环境下，才有可能被激发出来；而干刻蚀采用的气体，或轰击质量颇巨，或化学活性极高，均能达成刻蚀的目的。其最重要的优点是能兼顾边缘侧向侵蚀现象极微与高刻蚀率两种优点。干法刻蚀能够满足亚微米/纳米线宽制程技术的要求，且在微纳加工技术中被大量使用。

近年来，激光技术的飞速发展使的激光蚀刻技术孕育而生，类似于激光直写技术，激光蚀刻技术通过控制聚焦的高能短波/脉冲激光束直接在基材上烧蚀材料并“雕刻”出微细结构。它不但能够实现传统意义的薄膜蚀刻，而且可以用来实现三维的微结构制作。飞秒高峰值功率激光于有机聚合物的介质的作用具有很多科学上很吸引人注目的特点，其中，双光子作用下的聚合作用（two-photon polymerization, 2PP）已被成功运用于三维纳米结构制作，可以制作出非常复杂、特殊的三维微细结构。

图5. 利用2PP激光蚀刻加工的三维光子晶体

激光技术被誉为20世纪四大重要发明之一，随着小型电子产品和微电子元器件需求的激增，激光微加工已成为激光在工业应用中发展极快的领域之一。

激光能量密度高、方向性好、光斑大小可调，激光加工利用其这些特点将光能转变为热能来蚀除材料。激光微加工的材料种类非常广，几乎囊括了所有金属和非金属材料，它与机械微加工相比属于非接触式加工，不存在工具损耗，也没有明显的机械力，因而不会产生加工变形。

目前激光微加工技术仍处于发展初期，随着激光技术的发展（如光源、能量密度等的改善），相信未来此“神技”在微纳制造中会大展拳脚。

电铸是利用金属的电解沉积原理来精确复制某些复杂或特殊形状工件的特种加工方法。它通过在母模上沉积金属层的增材制造技术来制备微结构。

这种加工法的复制精度和重复精度高，适用范围广，可用于制造精密、复杂内型面零件。但因技术原理的限制，电铸铸层质量不稳定，易出现麻点、针孔、晶粒粗大、应力过大等缺陷，致使铸层物理特性和力学性能下降，严重时零件需报废。

在微电子与光电子集成中，薄膜的形成方法主要有两大类，及沉积和外延生长。沉积技术分为物理沉积、化学沉积和混合方法沉积。蒸发沉积（热蒸发、电子束蒸发）和溅射沉积是典型的物理方法；化学气相沉积是典型的化学方法；等离子体增强化学气相沉积是物理与化学方法相结合的混合方法。

薄膜沉积过程，通常生成的是非晶膜和多晶膜，沉积部位和晶态结构都是随机的，而没有固定的晶态结构。外延生长实质上是材料科学的薄膜加工方法，其含义是：在一个单晶的衬底上，定向地生长出与基底晶态结构相同或相似的晶态薄层。其他薄膜成膜方法，如电化学沉积、脉冲激光沉积法、溶胶凝胶法、自组装法等，也都广泛用于微纳制作工艺中。

微纳测试与表征技术是微纳加工技术的基础与前提，它包括在微纳器件的设计、制造和系统集成过程中，对各种参量进行微米/纳米检测的技术。微米测量主要服务于精密制造和微加工技术，目标是获得微米级测量精度，或表征微结构的几何、机械及力学特性；纳米测量则主要服务于材料工程和纳米科学，特别是纳米材料，目标是获得材料的结构、地貌和成分的信息。在半导体领域人们所关心的与尺寸测量有关的参数主要包括：特征尺寸或线宽、重合度、薄膜的厚度和表面的糙度等等。未来，微纳测试与表征技术正朝着从二维到三维、从表面到内部、从静态到动态、从单参量到多参量耦合、从封装前到封装后的方向发展。探索新的测量原理、测试方法和表征技术，发展微纳加工及制造实时在线测试方法和微纳器件质量快速检测系统已成为了微纳测试与表征的主要发展趋势。

不同的表面微纳结构可以呈现出相应的功能，随着科技的发展，不同功能的微纳结构及器件将会得到更多的应用。目前表面功能微纳结构及器件，诸如超材料、超表面等充满“神奇”力量的结构或器件，的发展仍受到微纳加工技术的限制。因此，研究功能微纳结构及器件需要从微纳结构的加工技术方面进行广泛深入的研究，提高微纳加工技术的加工能力和效率是未来微纳结构及器件研究的重点方向。