维普资讯hp/www.cyvip.com 第6卷第1期 光学与光电技术 Vol 6, No. 1 2008年2月 OPTICS & OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY February, 2008 文章编号:16723392(2008)01-008203 基于同步辐射光刻的三维微细加工方法 李以贵洞出光洋杉山进 (1上海交通大学微纳米科学技术研究院,上海200030;2日本立命馆大学微系统系,滋贺县草津市5258577) 摘要同步辐射光刻的三维聚甲基丙烯酸甲酯( Polymethyl Methacrylate,PMMA)微结构制造 对Ⅹ射线光刻掩膜板的吸收体形状和PMM∧所吸收的Ⅹ射线能量分布有直接影响,即三维 PMMA微结构形状取决于Ⅹ射线光刻掩膜板的吸收体形状。如果不对X射线光刻掩膜板进行 补偿,在被曝光的结构中可观察到结构侧面的变形。研究了引起这种结构侧面变形的各种原因 并提出Ⅹ射线剂量对刻蚀深度非线性曲线是最直接的原因。基于X射线光刻掩膜板图形形状 和实际制造的三维PMMA微结构的误差,X射线光刻掩膜板从双直角三角形变为双半圆图形 使得微注射针阵列的强度得到增强。为了量化实际制造的三维PMMA微结构的误差,給出了 Ⅹ射线吸收能量分布与微结构的结构形状数据。 关键词聚甲基丙烯酸甲酯;同步辐射;Ⅹ射线光刻;微结构;3-D结构 中图分类号TN305.7文献标识码A 1引言 0.95m。不通过样品台扫描获得曝光面积为30× 5mm2,通过样品台扫描获得曝光面积适合3in、4in 目前在微细加工领域中,将同步辐射深度Ⅹ基片曝光的要求。同时,可以实现倾斜曝光和多次 射线刻蚀电铸成型及塑铸等技术有机结合的LⅠ-对准曝光。目前已经获得同步光刻深度达到1 GA( Lithographic Galvanogormung Abformung)mm,最小线宽达到100mm,高宽比大于20。同时 技术倍受瞩目,该技术能够制造出高宽比大于通过移动曝光刻蚀出三维复杂结构,如图1所示。 500、厚度近10mm、结构侧壁平行度偏差在亚微扫描台速度2~20mm/s,扫描台速度均匀性<士 米级的三维立体结构2。日本立命馆大学已实现5%,扫描台旋转角度0°~90° 用于斜面自由曲面的微细三维加工LIGA技术 34。随着皮肤促渗性能研究的日益增多,微针促 Gate va Chamber 渗系统在提高皮肤渗透性上的优势日益突出,已 逐渐应用于透皮给药系统研究,尤其是大分子药 物的透皮给药研究,并获得了令人鼓舞的结果 本文研究了移动X射线光刻引起三维立体结构变 AURORA Be- window(200 u m) 形的各种原因并提出曲线掩膜图形补偿法来改善 Mask Moving stage 应用于透皮给药系统微针阵列的强度。 图1 AURORA LIGA光束线 2LIGA光束线 Fig 1 AURORA LIGA beam line LGA光束线用于LGiA技术及应用研究,获3实验 得三维大高宽比微结构。日本立命馆大学将同步3.1结构侧面变形的各种原因 辐射光“ AURORA”从阀门引出,利用两块200pm 1)物理因素:光刻胶的二次电子在X射线光 厚的铍窗进行真空隔离和滤波,波长范围0.15~刻工艺中,菲涅耳衍射和二次电子理论上对结构侧 收稿日期2007-06-21;收到修改稿日期2007-09-05 作者简介李以贵(1965-),男博士,教授,主要从事光学、微传感器和微驱动器的研究。E-mailyglic@situ.,edu.cn 国家自然科学基金(6077016资助项目
第 6卷 第 1期 2008年 2月 光 学 与 光 电 技 术 OPTICS ＆ OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY Vo1．6，No．1 February，2008 文章 编号 ：1672—3392(2008)01—0082—03 基 于 同步 辐射 光刻 的三维 微细加工 方 法 李以贵 洞 出光洋 杉山进 (1上海交通大学微纳米科学技术研究 院，上海 200030；2日本立命 馆大学微 系统系 ，滋贺县 草津市 525—8577) 摘要 同步辐 射 光刻 的三维 聚 甲基 丙烯 酸 甲 酯 (PolymethylMethacrylate，PMMA)微 结构制 造 对 X射 线 光刻掩膜 板 的 吸 收体 形状 和 PMMA 所 吸 收 的 X射 线 能量 分 布 有 直 接 影 响 ，即 三 维 PMMA微 结构 形状取 决 于 X射 线光 刻掩膜 板 的吸收 体形状 。如 果不 对 X射 线 光刻 掩膜 板进 行 补偿 ，在被曝 光 的结构 中可观 察到 结构侧 面 的 变形 。研 究 了引起 这种 结构侧 面 变形 的各 种 原 因 并提 出 X射 线剂 量对 刻蚀 深 度非 线性 曲线 是 最直 接 的原 因。基 于 X射 线光 刻掩 膜 板 图形 形状 和 实际制造 的三 维 PMMA微 结构 的误 差 ，X射 线 光 刻掩 膜 板 从 双 直 角三 角形 变 为双 半 圆图形 使得微 注射针 阵列的 强度 得到 增 强 。为 了量 化 实际制 造 的 三 维 PMMA 微 结构 的 误 差 ，给 出了 X射 线吸 收能 量分 布与微 结构 的结构 形状数 据 。 关键词 聚 甲基 丙烯酸 甲酯 ；同步辐射 ；X射 线光 刻 ；微 结构 ；3一D 结构 中图分 类号 TN305．7 文献 标识 码 A 1 引 言 目前在微细加工领域 中，将 同步辐射 深度 X 射线刻蚀电铸成型及塑铸等技术有机结合 的 LI— GA (Lithographic Galvanogorm ung Abform ung) 技 术倍 受 瞩 目，该技 术 能够 制造 出 高宽 比大 于 500、厚度近 10mm、结构侧壁平行度偏差在亚微 米级的三维立体结构l】]。日本立命馆大学 已实现 用于斜 面 自由曲面 的微 细三维 加工 IAGA 技 术 [3 ]。 随着皮肤促渗性能研究的 日益增多 ，微针促 渗系统在提高皮肤渗透性上的优势 日益突 出，已 逐渐应用于透皮给药系统研究 ，尤其是大分子药 物 的透皮 给药研 究，并 获得 了令人鼓舞 的结果 。 本文研究 了移动 X射线光刻引起三维立体结构变 形 的各种原因并提 出曲线掩膜 图形补偿法来改善 应 用于 透皮 给药系统 微针 阵列 的强度 。 2 LIGA光束线 LIGA光束线用于 LIGA技术及应用研究，获 得三维大高宽 比微结构 。日本立命馆大学将 同步 辐射光“AURORA”从阀门引出，利用两块 200p．m 厚 的铍 窗进行 真 空 隔 离 和 滤 波 ，波 长 范 围 0．15～ 0．95nm。不通过样 品台扫描 获得 曝光 面积为 30× 5ITIIll2，通过样品台扫描获得曝光面积适合3in、4in 基片曝光 的要求。同时 ，可以实现倾斜曝光和多次 对 准 曝 光 。 目前 已经 获 得 同 步 光 刻 深 度 达 到 1 mm，最小 线宽 达到 100nm，高 宽 比大 于 20。 同时 通过移动曝光刻蚀 出三维复杂结构 ，如 图 1所示 。 扫 描 台速 度 2～2Omm／s，扫描 台速 度 均匀 性 < ± 5 ，扫描台旋转角度 0。～90。。 AUR0RA LIGA光束线 AUR0RA LIGA beam line 3．1 结 构侧面 变 形的各种 原 因 1)物理因素 ：光刻胶的二次电子在 X射线光 刻工艺中，菲涅耳衍射和二次电子理论上对结构侧 收稿 日期 2007—06—21； 收到修改稿 日期 2007—09—05 作者简介 李以贵(1965一)，男 ，博士，教授，主要从事光学、微传感器和微驱动器的研究。E-mail：ygli@sjtu．edu．cn *国家 自然科学基金(60777016)资助项 目 1图l隐 验 实 0 ．) 维普资讯 http://www.cqvip.com
维普资讯http://www.cqvip.com 第1期 李以贵等:基于同步辐射光刻的三维微细加工方法 面精度的影响。由于菲涅耳衍射,随着光刻深度的直径可在10~150mm的范围内自由变化,而针尖的 增加,靠近衬底的图形宽度将增大,而且深度越大,直径最小可低于100nm,保证了穿刺效果。 影响也越大。光刻深度的增加也将影响上表面的 精度,在光刻深度比较小的时候,光刻胶上表面的 图形宽度将变大,但是随着光刻深度的增加,图形 宽度在上表面逐渐变小,衬底上产生的二次电子对 于光刻精度的影响不大,图形精度均能达到亚微米 △▲ 量级 2)机械因素:扫描台运动的非线性,曝光量 图3(a)为制造实心微针阵列 深度关系的非线性 而设计的三角形掩膜板图形 如图2所示为曝光量和PMMA刻蚀深度存 Fig 3(a) Triangle mask pattern for fabrication 在着非线性关系。 micro needle without hole 350 250 图3(b)为制造实心微针阵列而设计的 00020.040060080.100.12 曝光量/(A·h) Fg3(b曲线补偿掩膜板的掩膜板图形 图2曝光量和PMMA刻蚀深度存在着非线性关系 micro needle without hole Fig 2 Nonlinear relation between exposure dose and PMMa etching dept 3.2补偿掩膜板的设计与实验结果 为了量化实际制造的三维PMMA微结构的 误差,要求计算X射线吸收能量分布与微结构的 结构形状数据。通过计算曝光量和PMMA刻蚀 深度公式(1)来补偿掩膜板的设计。系数1.456 2.10,9.726,2.613是由图2曝光量E和PMMA 刻蚀深度f(h)的非线性关系中得出的 图4(a)三角形掩膜板图形制造的的实心微针阵列 f(h)=1.465E3+2.10Eh+9.726E7 Fig 4(a) Fabricated micro needle without h2+2.613Eh3 图3(a)是为制造实心微针阵列而设计的三角 形掩膜板图形;图3(b)是为制造实心微针阵列而 设计的曲线补偿掩膜板的掩膜板图形。图4(a)为 角形掩膜板图形制造的实心微针阵列;图4(b) 为用半圆掩膜板图形制造的实心微针阵列。实验 证实,这组微针可有效地穿透人体皮肤,吸取并传 递裂缝间的流体至微通道中 k20,山p19 利用该工艺制作的PMMA微针,其允许可靠制 作长度范围在100~750pm。此方法的优势在于利 图4(b)用半圆掩膜板图形制造的的实心微针阵列 用了X射线光刻工艺,通过改变掩膜板的图形,可 Fig 4(b) Fabricated micro needle without 以方便地改变微针的直径和密度。实验中,微针的 hole using semi-circle mask pattern
第 1期 李以贵 等 ：基 于同步辐射光刻 的三维微细加工方法 面精度的影响。由于菲涅耳衍射 ，随着光刻深度的 增加 ，靠近衬底的图形宽度将增大 ，而且深度越大 ， 影响也越大 。光刻深度 的增加 也将影响上表面的 精度 ，在光刻深度 比较小的时候 ，光刻胶上表面的 图形宽度将变大 ，但是随着光刻深度的增加 ，图形 宽度在上表面逐渐变小 ，衬底上产生 的二次电子对 于光刻精度的影响不大 ，图形精度均能达到亚微米 量级 。 2)机械因素 ：扫描 台运动 的非线性 ，曝光量一 深度关系的非线性。 如图 2所示为曝光量 和 PMMA刻蚀深度存 在着非线性关系 。 量 i 越 | — — — 一 ／ ／ ／ ／ ． ． ． ． 0 002 0．04 006 008 0．10 0 12 曝光量，(A·h) 图 2 曝光量和 PMMA刻蚀深度存在着非线性关系 Fig．2 Nonlinearrelationbetween exposure doseand PM M A etching depth 3．2 补偿 掩膜 板 的设 计 与实验 结果 一 为了量化实际制造 的三维 PMMA微结构 的 误差 ，要求计算 X射线 吸收能量分 布与微结构 的 结构形状数据 。通 过计算 曝光量 和 PMMA刻蚀 深度公式 (1)来补偿掩膜板 的设计 。系数 1．456， 2．10，9．726，2．613是 由 图 2曝 光 量 E 和 PMMA 刻蚀深度 f(^)的非线性关系中得 出的。 厂( )一 1．465E一。+ 2．10E一 h+ 9．726E一 · h + 2．613E一。h。 (1) 图 3(a)是为制造实心微针阵列而设计的三角 形掩膜板图形 ；图 3(b)是为制造实心微针 阵列而 设计 的曲线补偿掩膜板的掩膜板 图形 。图 4(a)为 三角形掩 膜板 图形制 造 的实心 微 针 阵列 ；图 4(b) 为用半圆掩膜板 图形制造 的实心微针阵列 。实验 证实，这组微针可有效地穿透人体皮肤 ，吸取并传 递裂缝间的流体至微通道中。 利用该工艺制作的 PMMA微针，其允许可靠制 作长度范围在 100~750tan。此方法的优势在于利 用了 X射线光刻工艺 ，通过改变掩膜板 的图形 ，可 以方便地改变微针的直径和密度。实验 中，微针 的 直径可在 10~ 150／an的范围 内 自由变化 ，而针 尖 的 直径最小可低于 100nIn，保证了穿刺效果。 图 3(a) 为制造实心微 针阵列 而设计 的三角形掩膜板 图形 Fig．3(a) Trianglemask pattern forfabrication m icro needlewithouthole 图 3(b) 为制造实心微针阵列而设计 的 曲线补偿掩膜板 的掩膜板 图形 Fig．3(b) Compensationm ask pattern forfabrication micro needlewithouthole 图 4(a) 三角形掩 膜板图形 制造的的实心微针 阵列 Fig．4(a) Fabricated micro needlewithout holeusing trianglem ask pattern 图 4(b) 用半 圆掩膜板 图形制造 的的实心微针阵列 Fig．4(b) Fabricated micro needlewithout holeusing semi-circlemask pattern 维普资讯 http://www.cqvip.com
维普资讯http://www.cqvip.com 光学与光电技术 第6卷 用正弦曲线补偿来设计掩膜板图形,图5(a)聚甲基异丙烯酸(PMMA)微结构制作技术。为 为正弦曲线掩膜板图形,图5(b)为用正弦曲线补了量化实际制造的三维PMMA微结构的误差 偿掩膜板制造的的微正弦曲线结构。 提出了补偿设计掩膜板技术,即考虑到了X射 线吸收能量分布与微结构的结构形状关系来修 正掩膜板图形的技术。X射线光刻掩膜板从等 腰三角形变为半圆图形使得微注射针阵列的强 度得到增强。该种微针的材质为PMMA,有足 够的强度和尖度,可作为镍电镀工艺大批量生 产的模版。实验也采用了X射线移动光刻工 艺,通过正弦曲线掩膜板制造了高精度的的微 图5(a)正弦曲线掩膜板图形 正弦曲线结构 Fig 5(a) Sine curve mask pattern 参考文献 [1] P Bley, J Mohr. The LIGA process-A microfabrica tion technology [J]. Future Electron Devices Jour- 1994,5(1):34-37 [2] W Ehrfeld, H Lher. Deep X-ray lithography for the production of three-dimensional microstructures fror nd ceramics [J]. Radiat. Phys. [3 H Ueno, S Sugiyama. Novel shaped microstructures 图5(b)用正弦曲线掩膜板制造的的微正弦曲线结构 processed by deep X-ray lithography using plane pat H 5(b) Fabricated sine curve structure using [C]. Pre Sine curve mask HARMSTOl, Baden-baden, Germany, 2001 [4 Susumu Sugiyama, Sommawan Khumpuang, Gaku Kaw 4结论 aguchi. Plane-pattern to cross-section transfer (PCT) technique for deep x-ray lithography and applications]. J. Micromec. Microeng, 2004, 14(10): 1394-1404 基于X射线移动光刻技术建立了一种三维 Development of 3-D Microfabrication Method by SR Lithography LI Yi-gui HORADE M SUGIYAMA Su (1 Institute of Micro/ Nano Science and Technology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China Department of Microsystem, Ritsumeikan University, Kusatsu Shiga 525-857, Japan Abstract PMMA(Polymethyl Methacrylate) microstructures fabricated by X-ray lithography with plane-pattern to cross- section transfers technique has a direct influent from the absorber on X- ray mask pattern. due to the dependency between the absorbed X-ray energy distribution in PMMa and the shape of absorber on the X-ray mask, without the compensation nask design, the deformed shapes of sloped side-wall on the exposed structures are observed. The factors causing the de formation are investitated. The effect of dose-depth nonlinear curve is the most possible cause of the problem. Based on the measurement of errors occurred between the 2-D shape of mask pattern and the resulting wall of fabricated 3-D structure, the strength of microneedle is improved by changing the mask pattern from a double right triangular pattern to a double semi-cir- ular pattern. Moreover, in order to clarify the practical error, we have developed a useful graphical data of the structural Key words polymethyl methacrylate; synchrotron radiation; X- ray lithography; micro needle; 3-D structure
84 光 学 与 光 电 技 术 第 6卷 用正弦曲线补偿来设计掩膜板 图形 ，图 5(a) 为正弦曲线掩膜板图形 ，图 5(b)为用正弦 曲线补 偿掩膜板制造 的的微正弦曲线结构 。 图 5(a) 正弦 曲线掩膜板图形 Fig．5(a) Sinecurvemaskpattern 图 5(b) 用正弦 曲线掩膜板制造的的微正弦曲线结 构 图 5(b) Fabricatedsinecurvestructureusing Sinecurvemask pattern 4 结 论 基 于 X射线移动光刻技术建立 了一种三维 聚 甲基异丙烯 酸(PMMA)微结 构制作技 术 。为 了量化实际制造 的三维 PMMA微结构 的误差 ， 提 出了补偿 设计 掩膜 板技 术 ，即考虑 到 了 X射 线 吸收能量分布 与微结构 的结构形状 关 系来修 正掩膜板 图形 的技术 。X射 线光刻 掩膜板 从等 腰三 角形变为半 圆图形使 得微注射 针阵列 的强 度 得 到增 强 。该 种 微 针 的 材 质 为 PMMA，有 足 够 的强度 和尖 度 ，可作 为镍 电镀 工 艺大 批量 生 产 的模 版 。实 验 也 采 用 了 X射 线 移 动光 刻 工 艺 ，通过正弦曲线 掩膜板 制造 了高精 度 的的微 正弦 曲线结构 。 Eli E2] [3] [4] 参 考 文 献 PBley，JMohr．TheLIGA process—A microfabricationtechnology[J]．FutureElectronDevicesJour— na1，1994，5 (1)：34-37． W Ehrfeld，H Lher． Deep X-ray lithographyforthe productionofthree-dim ensiona1microstructuresfrom metals，polymers，andceramics[J]．Radiat．Phys． Chem．。1995，45(3)：349—365． H U eno。S Sugiyam a． Nove1shaped microstructures processed by deep X-ray lithography usingplanepat— tern-cross section transfer techniquelC 1． Proc． HARM KPO1，Baden-baden，Germ any，2001． SusumuSugiyama，SommawanKhumpuang，GakuKawaguchi． Plane-pattern to cross-section transfer (PCF) techniquefordeepx-raylithographyandapplications[J]． J．Micmmec~Microeng．，2004，14(10)：1394-1404． Developmentof3一D M ierofabrieation M ethod bySR Lithography LIYi—gui HORADE M 0 SUGIYAM A Susum u0 (1InstituteofM icro／NanoScienceandTechnology，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200030，China； 2DepartmentofMicrosystem，RitsumeikanUniversity，KusatsuShiga525—857，Japan) Abstract PM M A (Polym ethylM ethacrylate)m icrostructuresfabricated by X-ray lithography with plane-pattern to crosssectiontransferstechniquehasadirectinfluentfrom theabsorberonX-raymaskpattern．Duetothedependencybetween the absorbed X-ray energydistributionin PM M A and theshapeofabsorberon the X-ray mask，withoutthe com pensation for mask design，thedeform ed shapesofsloped sidewallon theexposed structuresareobserved． Thefactorscausing thede— formationareinvestitated．Theeffectofdose-depthnonlinearcurv eisthemostpossiblecauseoftheproblem． Basedon the m easurementoferrorsoccurredbetweenthe2-D shapeofm askpatternand theresultingwalloffabricated3-D structure，the strengthofmicroneedleisimprovedbychangingthemaskpattern from adoubleright—triangularpatterntoadoublesemi—cir— cularpattern． M oreover，inorderto clarifythepracticalerror，wehavedeveloped a usefulgraphicaldataofthestructural profilesversusabsorbedX-rayenergy． Keywords polym ethylmethacrylate；synchrotron radiation；X-ray lithography；micro needle；3-D structure 维普资讯 http://www.cqvip.com