「數位化模具技術」論文發表研討會暨論壇
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「數位化模具技術」論文發表研討會暨論壇. 厚膜光阻微結構側壁垂直度之研究 李振榮 1 、謝立中 2 1 國立高雄第一科技大學機械與自動化工程系副教授 2 國立高雄第一科技大學機械與自動化工程系研究生. 報 告 人 : 謝立中 指導老師 : 李振榮 副教授. 「數位化模具技術」論文發表研討會暨論壇. 大綱. 1. 摘要. 2. 前言. 3. 基本原理. 4. 實驗製作規劃. 5. 結論. 「數位化模具技術」論文發表研討會暨論壇. 摘要.

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報 告 人 : 謝立中 指導老師 : 李振榮 副教授

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「數位化模具技術」論文發表研討會暨論壇

厚膜光阻微結構側壁垂直度之研究

李振榮1、謝立中2

1國立高雄第一科技大學機械與自動化工程系副教授

2國立高雄第一科技大學機械與自動化工程系研究生

報 告 人 : 謝立中

指導老師 : 李振榮 副教授


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「數位化模具技術」論文發表研討會暨論壇

大綱

1.摘要

2.前言

3.基本原理

4.實驗製作規劃

5.結論


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「數位化模具技術」論文發表研討會暨論壇

摘要

本研究利用微機電UV-LIGA製程技術之微影製程製造出高深寬比之微齒輪元件結構。並討論曝光時繞射現象產生的側壁傾斜角狀況。在UV-LIGA製程中,因為光刻法的物理現象會產生光阻成形後之成形結果,而成品側壁的傾斜角角度會影響後續製程(電鑄製程)以及模造時脫模角內凹,影響成品脫模之問題。

本研究的設計重點在於使用不同的反射層材料附於矽晶圓表面,作為吸收光強度的媒介,以表層材料、曝光距離、曝光劑量、光阻厚度做為田口實驗設計的主要因子,並探討不同反射係數之反射層材料對光阻成形時側壁傾斜角度和成型尺寸之影響。


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前言

為製造高精度之微小齒輪,以同步幅射X光為曝光源的LIGA技術[1],則結合微影、電鑄、及模造等製程,可製作出金屬或合金微模仁,進而透過微射出等微模造製程,可製造出高精度之微齒輪。然而,由於LIGA之同步幅射光源取得不易,研究學者進而發展以UV光源替代,同步幅射光之UV-LIGA製程技術,其中厚膜光阻又為其關鍵技術[2],以能達到高深寬比之高精度光阻母模,以作為後續微電鑄用。Lorenz等人[3]成功的利用UV-LIGA製程製作出一同軸大小齒輪組之鎳模仁(a pinion-wheel set),其中的微影製程是採用SU-8光阻,而小齒輪外徑860um、厚度60um,大齒輪外徑3mm、厚度220um,文中亦驗證了UV-LIGA所得塑膠齒輪之表面粗糙度則優於線放電加工。


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前言

在Huang等人[4]的研究中採用UV-LIGA技術,其中以SU-8光阻來作光阻母模,以製作高精度之微齒輪,並探討所得之齒輪模仁之側壁垂直度。且所製作的微齒輪鎳模仁,是利用UV-LIGA製程中的微影及微電鑄製程所製作,以作為最後微射出成形使用。


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前言

圖1.為微齒輪模仁製作流程圖,製程說明如左:

(a) 電鑄起始層製作: 使用電子束蒸鍍機(E-beam Evaporator)在矽晶圓上鍍上Ti-Ag金屬,Ti層是為了使Ag層有良好的附著性,厚度為500Å,Ag層則是主要電鑄時的導電層,厚度為1000Å。

(b) 微影製程: 使用SU8-50光阻進行微影,使得在電鑄起始層上得到具微齒輪形狀之光阻母模,其中光阻塗佈的厚度為500um。

(a)

(b)

(c)

(d)

PR

Ag

Ti

Si

Ni

圖1.微齒輪模仁製作流程圖


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前言

(c) 微電鑄製程: 將微齒輪之光阻母模置入鎳電鑄槽的陰極,以進行鎳電鑄,直至電鑄鎳沉積層覆蓋過微齒輪光阻圖形之上。為了降低微電鑄時的電流聚集效應,而導致鎳沉積層的邊緣形成凸塊,則在矽晶圓周圍加上遮板,以改善鎳沉積層厚度的均勻度。

(d) 微電鑄鎳層之脫模及後續加工: 先將矽晶圓與鎳沉積層剝離,再使用NMP去除模穴內的SU8光阻,然後使用磨床加工機將鎳沉積層表面加工成平整面,並以線切割加工。

(a)

(b)

(c)

(d)

PR

Ag

Ti

Si

Ni

圖1.微齒輪模仁製作流程圖


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前言

將微電鑄鎳層加工成所設計之尺寸形狀,即得微齒輪鎳模仁(圖2.所示),以便置入微射出齒輪模具中。

圖2.6mm微齒輪(左)與4mm微齒輪電鑄成型之模仁


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前言

在模仁成形後,將模仁用塑膠材料(POM)射出後成形的微齒輪(如圖3.所示)用SEM(Scanning Electric Microscopic)照出齒輪結構。

(b)6mm微齒輪前視圖。

(a)6mm微齒輪俯視圖。

圖3.微影製程之光阻結構圖


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前言

(c)4mm微齒輪俯視圖

(d)4mm微齒輪前視圖

圖3.微影製程之光阻結構圖

因為塑膠材料為非導電材質,所以在照SEM之前必須用熱蒸鍍機鍍金的材料在微齒輪上增加導電性質,而在底部以導電碳膠固定(如圖4.所示),而照完之結構可進而探討光阻結構與塑膠微齒輪成形後之側壁探討。


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前言

(b)4 mm塑膠微齒輪

(a)6 mm塑膠微齒輪

圖4.塑膠射出製程之成品圖

而在之前的研究成果中得知在微齒輪模仁製作的過程中,因為微影製程的製作時,光的物理現象會造成高深寬比結構的光阻會產生undercut現象。


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前言

Si

PR

unit :mm

表1.為設計尺寸轉寫微影製程、模造製程知尺寸量測。此現象的情況在微模仁製作時會產生負的拔模角,此現象會增加塑膠成品射出時脫膜不易的情形發生。因此接下來的研究重點在於改善側壁傾角(sloped sidewall angle)產生的現象為重點目標作改進。


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基本原理

3.1光學微影成像解析度的限制

微影技術(Lithography)在半導體製程上之定義是指以光束經由光罩(mask)對晶圓上之光阻照射;使阻劑產生化學變化,經顯影之後將光罩上之圖案轉移至晶圓。光學微影技術可以可見光(visible)、近紫外光(near ultraviolet,UV)、中紫外光(mid UV,MUV)、深紫外光(deep UV,DUV)、真空紫外光(vacuum UV,VUV)、極紫外光(Extreme UV,EUV) 、X-ray 等光源對阻劑進行照射。圖5.為各種曝光光源的波長。


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基本原理

圖5.各種曝光光源的波長

光學微影成像技術(photolithography),由最早期密接式:光罩與阻劑表面緊密結合,解像度最佳,但是光罩與晶圓易磨損。間隙式:照射時光罩與晶圓間有5~50μm 之距離,但由於繞射效果之影響,而使得解析度變差。


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基本原理

最後發展出投影式:光罩和晶圓間增加透鏡組合,使光罩遠離晶圓,但又可得到較佳之影像,照射時利用透鏡將光罩上的圖案縮小(通常為4 或5 倍)、聚焦、投影到晶圓表面,此為目前最普遍使用之方法。表2.為目前各光源在曝光時所用最好的解析度。而目前實驗所選用的精度等級屬於微米等級,所以選用之光源為I-line(365nm)。

表2.各種曝光光源的波長


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基本原理

3.2.微影製程在厚膜光阻成型之描述[5]

圖6.UV光源照射方式示意圖[5]

微影製程時,必須要有光源的能量通過光罩的區域作用在光阻上,再穿透到底層。而反應能量是依賴著曝光的系統中。而系統的關係式為:


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基本原理

(1)

是定義的一個臨界的因子(0< <1), 是光從光罩通過的量,

為曝光系統的強度,為曝光時間。假設曝光能量為一個常數值,而且是獨立依附在曝光系統裡。(1)可以簡化為:

with

(2)

在(2)式中,假設在曝光系統中的強度也是一個常數值,而

的光通量也是一個固定的值。與曝光時間為反比關係,所以側壁傾角為所控制(曝光劑量)。


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基本原理

2.3. Fresnel diffraction繞射及反射原理

在曝光系統中,側壁傾角可由Fresnel diffraction光強度的公式可推測[5]:

(3)

為UV光的強度,和 Fresnel積分式,兩式展開如下:

(4)

(5)


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基本原理

( 、 )為Fresnel number,提出後可得:

(4)

(5)

、 :曝光距離中心左右兩邊的水平距離

:光源波長

:光罩到光阻表面的距離(airgap)

:光阻表面到光阻底層的距離(光阻高度)

得知在365nm波長時,為0.2,因此可預測側壁(sidewall)情形如圖7.所示:


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基本原理

Fresnel diffraction現象將以R值與側壁傾角的關係。而R值代表著表面材料的反射率係數。而在R=0時有可能會改變側壁傾角的方向,因此本研究重點著重於找出不同的反射率材料做微影製程,再以電子顯微鏡照出各不同的反射率材料所成型的側壁傾角角度。

圖7. 為0.2時側壁預測模擬成形狀況[5]


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實驗製程規劃

3.1實驗流程

圖8.為微齒輪與抗反射層之製作流程圖,說明如下:

a.將抗反射層材料(TiN:電子蒸鍍濺鍍,SiO2:熱氧化處理,Si:晶圓裸片)。

b.塗步光阻後做微影製程。

c.量測所得之光阻結構之側壁傾角與齒頂尺寸。

Anti-reflection coating

PR

Si

圖8.實驗規劃製作流程圖


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實驗製程規劃

3.2 抗反射層材料選擇

底抗反射層(bottom anti-reflective coating; BARC)目前廣泛的應用於微影製程中[7],若以成膜方式來區分可分為:旋塗式薄膜。而本次研究選擇TiN、SiO2與Si三種表層。其物質特性如表3.示之。

表3.實驗規劃之抗反射層材料選擇


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實驗製程規劃

3.3主要因子訂定

本次研究以表層材料、曝光距離、曝光劑量、光阻厚度做為田口實驗設計的主要因子並探討不同反射係數之反射層對光阻成形時側壁傾斜角角度和成型尺寸之影響。並以L9直交表做配置,以望小為目標,越接近90度垂直為越好。

表3.田口實驗方法主要因子配置

其中A為反抵抗層表面材料,B為曝光距離(um),

C為曝光劑量(mJ/cm2),D為光阻高度(um) 。


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實驗製程規劃

表4.L9因子配置


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實驗製程規劃

3.4初步實驗成果

塗佈時間:

500rpm 10秒,550rpm30秒

軟烤時間:

4-6小時, 95度

曝後烤時間:

0.5-1小時,95度

實際量測高度:508um

圖9.Si裸片製作之光阻結構(Si-G10D450H500)


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實驗製程規劃

圖10.光阻結構高度量測(TiN-G50D450H300)


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實驗製程規劃

圖11.光阻結構高度量測(SiO2-G10D500H400)


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實驗製程規劃

圖12.光阻結構高度量測(SiO2-G100D450H300)


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結論

本研究目前進行至材料規劃以及抗反射層表面濺鍍部分,和進行初步實做部分,未來將以實驗量測到的側壁傾斜角角度彙整後再以田口實驗方法求出參數之最佳組合解,並再以實驗做驗證。


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參考文獻

[1] W. Menz, The LIGA technique, Proc. IEEE Workshop on MEMS (1991) pp. 69-73.

[2] A. Del Campo, and C. Greiner, SU-8: A photoresist for high-aspect-ratio and 3D submicron lithography, Journal of Micromechanics and Microengineering 17 (2007) pp. R81-R95.

[3] H. Lorenz, M. Despont, P. Vettiger, P. Renaud, Fabrication of photoplastic high-aspect ratio microparts and micromolds using SU-8 UV resist, Microsystem Technologies 4 (1998) pp. 143-146.

[4] M.S Huang, C.J Li, J.C Yu, Y.M Huang, L.C Hsieh, Robust parameter design of micro-injection molded gears using a LIGA-like fabricated mold insert , Journal of Materials Processing Technology(2009) pp. 5690-5701.

[5]W.J Kang, Erik Rabe, Stefan Kopetz and Andreas Neyer:Novel exposure methods based on reflection and refraction effects in the field of SU-8 lithography, JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING(2006) pp.821-831.

[6] Eugene H 1998 Optics 3rd edn (Reading, MA:

Addison-Wesley)

[7] Byung-Hyuk Jun, Sang-Soo Han, Kyong-Sub Kim, Joon-Sung Lee ,Zhong-Tao Jiang , Byeong-Soo Bae, Kwangsoo No, Dong-Wan Kim, Ho-Young Kang, and Young-Bum Koh, :Titanium oxide film for the

bottom antireflective layer in deep ultraviolet lithography, Applied Optics, Vol.36 (1997) pp.1482-1486.


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