同步辐射LIGA技术标准工艺

中科院北京高能物理研究所

一、设备情况

由于（BSRF）上的3W1束线存在光强太大、光谱太硬的特点，造成曝光时热应力大、显影时非曝光区界面易脱落，影响了细线条、高深宽比的实现。我们自筹资金于2002年对3B1束线进行了改造，将LIGA曝光腔移到3B1束线上，使得光强、光谱更加适合光刻的需要，此外曝光面积也增加到50毫米×50毫米，以适应3英寸硅片曝光的要求，2002年10月改造完毕，现已投入使用。图1为改造后的新LIGA实验站棚屋和曝光腔。图2为3W1束线与3B1束线的光谱对比。

二、同步辐射X光曝光工艺

在863计划的支持下，进行了同步辐射曝光工艺研究，初步确定了新条件下的标准工艺条件。对于2毫米的超厚结构，采用对PMMA光刻胶多次曝光的方法，为了避免显影时掩模移位，将掩模直接固化在光刻胶上。标准工艺条件如下：

• 1）硅片清洗后，在其表面蒸镀铬60纳米，蒸镀金60纳米；
• 2）在蒸镀金属后的硅片表面旋涂12微米的SU8胶；
• 3）利用光学掩模，在紫外光刻机上进行接近式曝光；
• 4）显影后，在光刻胶缝隙中电镀金，厚度约10微米；
• 5）在热浓硫酸中去胶后，得到硅/金掩模；
• 6）在钛片上浇注2毫米PMMA光刻胶，固化；
• 7）PMMA/钛片表面涂一薄层PMMA，硅/金掩模倒置其上，固化；
• 8）热浓氢氧化钾溶液中去除硅基底；
• 9）分别在去铬液和去金液中去除蒸镀的金属种子层，得到金结构固化在PMMA中的样品；
• 10）LIGA曝光腔中曝光，曝光剂量为5000毫安·分钟;
• 11）在G-G显影液中室温下显影60分钟，充分干燥;
• 12）重复曝光、显影3次，使得总曝光剂量为20000毫安·分钟;
• 13）清洗、干燥，得到已曝光好样品，可以用于下一步的电铸。

对于2微米及以下的超细结构，采用电子束制作母版，同步辐射翻制中间掩模的办法，可以获得细线条、高深宽比的微结构。标准工艺如下：

• 1）硅片清洗后，在其表面蒸镀铬60纳米，蒸镀金60纳米；
• 2）在蒸镀金属后的硅片表面旋涂1微米的PMMA电子束光刻胶；
• 3）在电子束光刻机中进行曝光；
• 4）显影后，在PMMA光刻胶缝隙中电镀金，厚度约1微米；
• 5）在热浓硫酸中去胶后，在其表面旋涂3微米的聚酰亚胺胶，固化；
• 6）在氢氟酸/硝酸中去除硅基底；
• 7）分别在去铬液和去金液中去除金属种子层，得到金/聚酰亚胺中间掩模；
• 8）硅片清洗后，在其表面蒸镀铬60纳米，蒸镀金60纳米；
• 9）在蒸镀金属后的硅片表面旋涂12微米的SU8光刻胶；
• 10）利用金/聚酰亚胺中间掩模，在光刻实验站的曝光腔中进行同步辐射曝光，曝光剂量为1500毫安·分钟；
• 11）显影后，在SU8光刻胶缝隙中电镀金，厚度约10微米；
• 12）在热浓硫酸中去胶后，在其表面旋涂15微米的聚酰亚胺胶，固化；
• 13）在氢氟酸/硝酸中去除硅基底，得到金/聚酰亚胺掩模；
• 14）硅片清洗后，在其表面蒸镀铬60纳米，蒸镀金60纳米；
• 15）在蒸镀金属后的硅片表面滩涂80微米的SU8光刻胶；
• 16）利用金/聚酰亚胺掩模，在LIGA曝光腔中进行同步辐射曝光，曝光剂量为600毫安·分钟；
• 17）显影、干燥后得到已曝光好样品，可以用于下一步的电铸。

三、电铸工艺

电铸工艺参照现成工艺，主要用于金、镍、铜等金属的电铸。

1）镍电铸液体系的配方为：

• 氨基磺酸镍[Ni(NH₂SO₃)₂.4H₂O]     600g/l
• 氯化镍[NiCl₂.6H₂O]                        10g/l
• 硼酸[H₃BO₃]                                   30g/l
• pH                                                   3.5-4.5
• 温度                                                20-70℃
• 电流密度                                         90A/dm²
• 采用直流电源，循环过滤，根据需要进行阴极移动。此外需定期进行电解处理以维护电铸液的稳定。

2）铜电铸液体系的配方为：

• 硫酸铜(CuSO₄.5H₂O)          220g/l
• 硫酸(H₂SO₄)                        60g/l
• 温度                                     20-50℃
• 电流密度                              1-10A/dm²
• 采用周期换向脉冲电源，重复频率50Hz，正向电流与负向电流之比为7：1。

3）金电铸液体系的配方为：

• 金（以三氯化金的形式）      13g/l
• 亚硫酸钠(Na₂SO₃.7HO)        160g/l
• 柠檬酸钾(K₃C₆H₅O₇)            90g/l
• pH                                         8-10
• 温度                                      40-60℃
• 阴极电流密度                        0.3A/dm²
• 采用脉冲电源，重复频率1000Hz，占空比1：10。

四、结果

成品率严重依赖图形结构，一般说来线条越宽，深宽比越小，图形越简单，成品率越高。同步辐射光刻在深宽比小于等于20，长宽比小于等于100的情况下，批量制作成品率可高达80%。金电铸主要用于掩模以及X光光学元件制作，厚度一般不超过20微米，正常情况下批量制作成品率可达70%以上。铜电铸现已用于微换热器、电火花电极等部件的制作，批量制作成品率一般在50~80%。镍电铸用于模具、齿轮、滤网等多种部件的制作，应用广泛，但电铸过程中易出现结瘤、孔洞等问题，电铸出的镍应力大，电铸时易出现变形甚至脱落，此外电铸液的稳定性也是问题，批量制作的成品率较差，对图形结构的依赖程度很大。

LIGA技术目前达到的技术指标为：

• 最小线宽：                  0.63μm   （图1）
• 最大厚度：                  2000μm  （图2）
• 深宽比（光刻胶）：    65           （图3）
• 深宽比（金属）：       30           （图4）