1、NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation EngineeringPrecision&Micro Manufacturing Technology Lab.報報 告告 人人:謝立中謝立中指導老師指導老師 :李振榮李振榮 副教授副教授厚膜光阻微結構側壁垂直度之研究厚膜光阻微結構側壁垂直度之研究李振榮李振榮1 1、謝立中、謝立中2 21 1國立高雄第一科技大學機械與自動化工程系副教授國立高雄第一科技大學機械與自動化工程系副教授2 2國立高雄第一科技大學機械與自動化工程系研究生國立高雄第一科技大學機械與自動化工程系研究生Precision&Micr
2、o Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering1.1.摘要摘要2.2.前言前言大綱大綱4.4.實驗製作規劃實驗製作規劃3.3.基本原理基本原理5.5.結論結論2022/8/2Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering摘要摘要2022/8/2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
3、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。Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanic
4、al&Automation Engineering2022/8/2前言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
5、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。Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2前言前言在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
6、使用。Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2前言前言(a)(b)(c)(d)PRAgTiSiNi圖1.微齒輪模仁製作流程圖圖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層有好的附著性，厚度為500，Ag層則是主要電鑄時的導電層，厚度為1000。(b)微影製程:使用SU8-50光阻進微影，使得
7、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。Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2(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
8、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。前言前言(a)(b)(c)(d)PRAgTiSiNi圖1.微齒輪模仁製作流程圖Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2前言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Precision&Micro Manufacturing Te
9、chnology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2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。前言前言圖3.微影製程之光阻結構圖(a)6mm微齒輪俯視圖。(b)6mm微齒輪前視圖。Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engin
10、eering2022/8/2前言前言(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。Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2前言前言(a)6 mm塑膠微齒輪(b)4 mm塑膠微齒輪圖4.塑膠射出製程
11、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。Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2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
12、為重點目標作改進。Mask Design DiameterPhotoresiststructureElectroforming structuregear64.0646.0304.0845.9874.042gear42.44.0202.4133.9712.373前言前言unit:mmrp,dDtp,pDrp,pDtp,dDtp,eDrp,eDtp,dDrp,dDSiPRPrecision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2基本
13、原理基本原理3.13.1光學微影成像解析度的限制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 等光源對阻劑進照射。圖5.為各種曝光光源的波長。Precision&Micro Manufacturing
14、Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2基本原理基本原理圖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550m 之距離，但由於繞射效果之影響，而使得解析度變差。Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automatio
15、n Engineering2022/8/2Light SourceWavelengthResolutionResolutionEnhancementTechniqueG-Line436nm350nmI-line365nm350nm300nm350nm250nmKrF Laser248nm250nm180nm250nm130nmArF Laser193nm180nm130nm180nm100nmF2 Laser157nm130nm70nm130nm50nmSoft X-ray13.6nm50nm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
16、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)。基本原理基本原理表2.各種曝光光源的波長Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2基本原理基本原理3.2.3.2.微影製程在厚膜光阻成型之描述微影製程在厚膜光阻成型之描述55圖6.UV光源照射方式示意圖5微
17、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：ERPrecision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2 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：kk0RmeEkT I t(1)Tm基本原理基本原理teER0Ri eEkI t00imI
18、T Iwith(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)。0ITmktetePrecision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2基本原理基本原理2.3.2.3.Fresnel diffraction Fresnel diffraction繞射及反射原理繞射及反射原理在曝光系統中，側壁傾角可由Fresnel diffrac
19、tion光強度的公式可推測5：2202121(,)2iiII x dC uC uS uS u(3)為UV光的強度，和 Fresnel積分式，兩式展開如下：0Ii C u S u 20cos2uC ud 20sin2uS ud(4)(5)Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2基本原理基本原理(、)為Fresnel number，提出後可得：u1u2u112()uxgd222()uxgd(4)(5)、：曝光距離中心
20、左右兩邊的水平距離1u2u：光源波長：光罩到光阻表面的距離(airgap)g：光阻表面到光阻底層的距離(光阻高度)d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：kPrecision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2基本原理基本原理圖7.為0.2時側壁預測模擬成形狀況5kFresnel 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
21、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。Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2實驗製程規劃實驗製程規劃3.13.1實驗流程實驗流程Anti-reflection coatingPRSi圖8.實驗規劃製作流程圖圖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
22、，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。Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/23.2 3.2 抗反射層材料選擇抗反射層材料選擇實驗製程規劃實驗製程規劃底抗反射層（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
23、.示之。材料名稱材料屬性TiNPECVD deposited(reflectivity:0.83)Chemistry:SiO2APCVD and LPCVD process(reflectivity:0.3)Chemistry:SiSi wafer裸片(reflectivity:0.5)43268624TiClNHTiNHClN422222SiHOSiOH O表3.實驗規劃之抗反射層材料選擇Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineerin
24、g2022/8/2實驗製程規劃實驗製程規劃3.33.3主要因子訂定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主要因子水準一水準二水準三ATiNSiSiO2B1050100C400450500D300400500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)。Precision&Micro Manufacturing Technology La
25、b.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2實驗製程規劃實驗製程規劃L9配置A.表面抵抗層材料B.曝光距離C.曝光劑量D.光阻厚度1TiN104003002TiN504504003TiN1005005004Si104505005Si505003006Si1004004007SiO2105004008SiO2504005009SiO2100450300表4.L9因子配置Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment
26、of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2實驗製程規劃實驗製程規劃3.43.4初步實驗成果初步實驗成果圖9.Si裸片製作之光阻結構(Si-G10D450H500)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:508umPrecision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2實驗製程規劃實驗製程規劃圖10.
27、光阻結構高度量測(TiN-G50D450H300)Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2實驗製程規劃實驗製程規劃圖11.光阻結構高度量測(SiO2-G10D500H400)Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2實驗製程規劃實驗製
28、程規劃圖12.光阻結構高度量測(SiO2-G100D450H300)Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2結論結論本研究目前進至材料規劃以及抗反射層表面濺鍍部分，和進初步實做部分，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。Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment o
29、f Mechanical&Automation Engineering2022/8/2參考文獻參考文獻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.Des
30、pont,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 ins
31、ert,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 Opti
32、cs 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 thebottom antireflective layer in deep ultraviolet lithography,Applied Optics,Vol.36(1997)pp.1482-1486.Precision&Micro Manufacturing Technology Lab.NKFUSTNKFUSTDepartment of Mechanical&Automation Engineering2022/8/2報告完畢報告完畢Thank you for Kindly attention
