MEMS發(fā)展的前世今生
微機電系統(tǒng)也稱MEMS，是一種結(jié)合了機械和電子等技術的微小裝置，尺寸不超過1mm。1959年，著名物理學家費曼(Richard Feynman)在加州理工學院的物理年會上發(fā)表了題為Theres Plenty of Room at the Bottom（底部還有很大空間）的著名演講，首次提出微機械的概念。1987年，加州大學伯克利分校的科學家借鑒集成電路(IC)工藝，制作出了直徑僅為100μm左右的硅微靜電微電機，與人類頭發(fā)絲的粗細相當，這被認為是MEMS時代到來的標志。此后，MEMS技術進入飛速發(fā)展的時代，各種MEMS產(chǎn)品層出不窮，應用在各種尖端技術領域。
硅微靜電微電機
MEMS與我們的生活息息相關
MEMS技術廣泛應用于國防航天、光電影像、生化醫(yī)療、微波通訊及汽車工業(yè)等各個領域。例如汽車上用的微型加速度計、投影儀中用的微鏡、打印機中用的微型噴頭，極大地方便了人們的生產(chǎn)生活。下圖是利用微加工技術制造的微型指叉式加速度計，它是標準的平板電容器。加速度的變化帶動活動質(zhì)量塊的移動從而改變平板電容兩極的間距和正對面積，通過測量電容變化量來計算加速度，在汽車電子中被廣泛應用。
指叉式加速度計
下圖的數(shù)字微鏡裝置（DMD）由美國德州儀器公司(TI)所開發(fā)。DMD技術也稱為"數(shù)字光線處理技術"。通過數(shù)字信息控制數(shù)十萬到上百萬個微小的反射鏡，將不同數(shù)量的光線投射出去。每個微鏡的面積只有16×16微米，微鏡按矩陣行列排布,每個微鏡可以在二進制0/1數(shù)字信號的控制下做正10度或負10度的角度翻轉(zhuǎn)。
數(shù)字微鏡
MEMS裝置的制造
體積如此小且功能高度集成的裝置是如何制造出來的呢？MEMS的制造廣泛的借鑒了集成電路中的光刻、刻蝕以及鍍膜等工藝。光刻是整個微加工工藝中技術難度最大，也是最為關鍵的技術步驟。所謂光刻就是通過對光束進行控制，在一層薄薄的光刻膠表面刻蝕出我們需要的圖案，光束照過的位置光刻膠的化學性質(zhì)會發(fā)生變化，通過顯影液的浸泡會使照射過的部分去除（正膠）或者保留（負膠），流程示意圖如圖所示。
曝 光
正膠顯影
負膠顯影
按照光刻機的光源種類劃分，目前主流的光刻技術包括X射線光刻、紫外線光刻以及電子束光刻等。光源的波長是影響光刻精度的主要原因，由于光源波長的限制，X射線曝光可達到50nm左右的精度，深紫外光源的曝光精度在100nm左右，而電子的波長較小，因而電子束光刻的加工精度可以達到10nm以內(nèi)。
電子束光刻以其分辨率高、性能穩(wěn)定，成本相對較低的特點，因而成為人們最為關注的下一代光刻技術之一，下圖是麻省理工學院的科技人員利用電子束曝光技術加工出2.2nm的線寬。
電子束曝光2.2nm線寬
光刻分辨率對比
電子束光刻的原理
電子束光刻的主要原理是利用高速的電子打在光刻膠表面，使光刻膠的化學性質(zhì)改變。在電子束光刻中電子的產(chǎn)生方式有兩種，一種是熱發(fā)射，另一種是場發(fā)射。熱發(fā)射是通過對陰極材料高溫加熱，使電子獲得足夠的能量從陰極中逸出；場發(fā)射是將陰極置于高強度電場中，利用電場對電子的強作用力使電子脫離原子核的束縛。直寫式電子束的曝光原理是將聚焦的電子束斑直接打在光刻膠的表面，加工中不需要成本高昂的掩模版和昂貴的投影光學系統(tǒng)，其加工方式也更為靈活，適合小批量器件的光刻，在實際中應用更為廣泛。
電子束光刻的分類
電子束光刻按照曝光方式劃分可分為兩種，投影式曝光與直寫式曝光。投影式曝光通過控制電子束照射掩模圖形，將掩模圖形投影至光刻膠表面，把掩模板上的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上，原理類似于照相機，拍攝對象好比掩模板，光刻膠就像是膠卷，通過光線的照射把拍攝對象投影到膠卷上，如圖所示。
投影式電子束曝光
直寫式光刻不需要掩模版，通過磁場直接控制電子束斑按照預設的軌跡在光刻膠表面照射，完成圖案轉(zhuǎn)移，就像是畫畫，鉛筆類似于電子束，紙類似于光刻膠，而我們的手類似于磁場，通過手控制鉛筆的移動完成圖畫的繪制。
直寫式電子束曝光
電子束光刻的基石：光刻膠
電子束光刻是微納制造領域中非常重要的技術手段。那么，在電子束光刻的具體工藝流程是怎么樣的呢？影響光刻效果的主要因素又是什么？下面我們將一一解答。
光刻膠在電子束光刻技術中的地位舉足輕重，是電子束光刻工藝中的核心材料，也是我國的一大短板，目前主要依賴進口。根據(jù)不同的MEMS裝置的工藝需求選擇合理的光刻膠種類是十分必要的。目前常用的電子束光刻膠有PMMA，ZEP520A及HSQ等，其主要光刻工藝特性如下表所示。
常用電子束光刻膠基本特性
PMMA光刻膠由于分辨率、對比度較高，且具有良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，其成本也明顯低于其余兩種。特別需要指出的是，PMMA膠的極性并不是確定的，在高倍曝光劑量下會表現(xiàn)出負膠的性質(zhì)。文章以PMMA膠為例，介紹直寫式電子束光刻的工藝流程。
基于PMMA的電子束光刻工藝流程
通常，MEMS工藝中的電子束光刻主要流程依次為：基片表面預處理、涂覆光刻膠、前烘、電子束曝光、顯影、定影、金屬沉積及去膠等工藝環(huán)節(jié)。整個光刻工藝流程較為復雜，總體光刻示意圖如下。
PMMA電子束光刻流程
(1) 基片表面預處理
硅片表面粗糙度、熱膨脹系數(shù)低，在MEMS光刻中通常采用硅片作為基底。為確保光刻膠涂覆均勻，需要使用化學溶液對表面進行清洗，后用去離子水漂洗并干燥。
(2)旋涂光刻膠
涂膠方法有旋涂法、噴涂法和定量滴膠法。由于PMMA黏度較大，涂覆厚度一般不大于1微米，通常采用旋涂法。將光刻膠滴在硅片中心處，使硅片高速旋轉(zhuǎn)，光刻膠在離心力的作用下均勻鋪滿整個硅片，如下圖所示。
光刻膠旋涂示意
(3)前烘
前烘可使光刻膠中的溶劑揮發(fā)，使其與硅片之間的結(jié)合力更強。前烘過度則會導致膠膜硬化，膠膜硬化不利于其內(nèi)應力的消除，前烘不足溶劑揮發(fā)不完全，膠膜出現(xiàn)缺陷，顯影時存在浮膠現(xiàn)象。
光刻膠烘烤
(4)曝光
曝光是電子束光刻工序中最復雜的一步，曝光的圖形尺寸精度直接影響零件的尺寸精度。曝光劑量對曝光效果的影響最大，若曝光劑量不足，顯影時會出現(xiàn)光刻膠殘留在硅片表面，顯影圖案不完整、形狀不規(guī)則。
(a)曝光不足 (b)正常曝光
若曝光劑量增大到一定程度，被曝光區(qū)域的 PMMA 光刻膠將呈現(xiàn)出負膠性質(zhì)，顯影后無法被去除。下圖是筆者在實驗室利用電子束直寫技術光刻的笛卡爾心臟線，輸入心臟線參數(shù)方程，并設置較大的曝光劑量，使得PMMA顯示出負膠性質(zhì)，顯影后得到心臟線圖形。
電子束光刻笛卡爾心臟線
(5)顯影
顯影液可溶解光刻膠被曝光的部分(正膠)或未被曝光的部分(負膠)，是產(chǎn)生圖形的關鍵工藝。顯影工藝的關鍵是顯影液類型的確定和顯影時間的控制，此外，顯影液的配比、溫度也會對圖形質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。
(6)堅膜
堅膜又稱硬烘，目的是通過烘烤使光刻膠膠模中殘留的顯影液和定影液揮發(fā)出來，同時提高光刻膠與基片之間的結(jié)合力，烘烤的溫度時間視光刻膠的種類及旋涂后的膠膜厚度而定，如果堅膜不到位可能會出現(xiàn)膠膜倒塌的情況，如下圖所示。
膠模倒塌
(7)金屬沉積及去膠
通過在光刻膠圖案上回填器件設計所需的材料，例如沉積金屬或非金屬材料，去除多余的光刻膠后，就可以得到所需的器件，其原理類似于機械加工中的注塑。目前主要的金屬沉積方式為微電鑄、磁控濺射、蒸發(fā)鍍膜等方法，但在微納米尺寸的電鑄中，由于電鑄液表面張力的存在使其難以進入膠模。因此，目前主要采用磁控濺射及熱蒸發(fā)的方法。PMMA 膠易溶于丙酮，選用丙酮作為去膠劑溶解光刻膠，光刻膠溶解后薄膜懸空，可使用超聲波清洗機將懸空的金屬薄膜去除，這樣硅片上就只保留了我們需要的金屬MEMS器件。
金屬沉積及去膠的過程
總 結(jié)
電子束光刻是迄今為止分辨率最高的光刻技術，由于直寫式的方法不需要昂貴且費時的掩模版，加工靈活，已經(jīng)引起廣泛的重視，隨著產(chǎn)業(yè)界對MEMS技術要求的不斷提高，電子束光刻已逐漸成為MEMS工藝的新支柱。
來源：中國科學院北京分院
