开孔晶圆上感光结构层的均匀曝光方法
阅读说明：本技术 开孔晶圆上感光结构层的均匀曝光方法 (Uniform exposure method for photosensitive structure layer on perforated wafer ) 是由 葛凯伦 陈学诣 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种开孔晶圆上感光结构层的均匀曝光方法,根据感光结构层中不同曝光能量需求的区域数量,配合光罩的形状,对感光结构层中的高曝光能量区域进行叠加曝光,使得感光结构层中不同曝光能量需求区域的曝光能量累计达到设定的曝光能量值。该开孔晶圆上感光结构层的均匀曝光方法,满足对不同曝光能量区域的需求能量的曝光操作,有效避免因晶圆局部区域曝光能量需求不同而产生的制程不良,解决一次曝光能量调整的工艺难度。在此基础上,还解决不同曝光能量区域交界处能量过度不平滑的问题,提高生产效率。该开孔晶圆的均匀曝光方法加工的产品良率高,产品品质好。(The invention relates to a uniform exposure method of a photosensitive structure layer on a perforated wafer, which is characterized in that according to the number of areas with different exposure energy requirements in the photosensitive structure layer, the overlapping exposure is carried out on areas with high exposure energy in the photosensitive structure layer by matching with the shape of a photomask, so that the accumulated exposure energy of the areas with different exposure energy requirements in the photosensitive structure layer reaches a set exposure energy value. The uniform exposure method of the photosensitive structure layer on the perforated wafer meets the exposure operation of the required energy of different exposure energy areas, effectively avoids poor manufacturing process caused by different exposure energy requirements of local areas of the wafer, and solves the process difficulty of one-time exposure energy adjustment. On the basis, the problem that the energy at the junction of different exposure energy areas is excessive and unsmooth is solved, and the production efficiency is improved. The uniform exposure method for the perforated wafer has the advantages of high product yield and good product quality.)
技术领域
本发明涉及一种开孔晶圆上感光结构层的均匀曝光方法。
背景技术
在打印设备领域，主流的可分为激光打印机和喷墨打印机，而喷墨打印机又根据采用的喷头技术不同细分为热气泡、压电、连续等主流喷头技术方向。在喷墨打印机的发展历程中，已经开始从传统机械加工技术向高精度微机电系统(MEMS)技术转型，而目前喷墨打印机的技术核心为微量流体精准多色控制技术微机电芯片。
微量流体精准多色控制技术微机电芯片的生产中，同时应用了半导体芯片工艺技术以及MEMS技术。而在打印机中应用时，这种微机电芯片相比于传统的半导体芯片，因芯片中需要给墨水流动保留充分的空间，须在芯片中进行刻蚀穿孔，即将晶圆从正面向背面刻蚀穿透，刻蚀的穿孔结构则形成墨流道。因此在喷墨打印的半导体MEMS制程中，需要在开有穿孔并有金属线路衬底的晶圆上进行光刻胶涂布、曝光、显影等步骤制作结构层，进而构成如图1所示的结构。图1的结构中，在具有墨流道开孔的晶圆衬底上制作两层感光结构层，其中上层的结构需要覆盖晶圆上的开孔部分，进而形成墨流道的腔体。为了保证喷墨效果，要求上层感光结构层内部和表面均光滑平整，以利于腔体内部液体的流动。正是因为这种MEMS芯片需要在有开孔的晶圆上制作腔体式的三维结构的特殊性，不同于传统半导体只需要在平整的晶圆衬底上进行感光材料涂布、曝光显影制作平面二维结构，该MEMS芯片结构制作过程中会遇到曝光能量不足或能量过高而引起显影不良。具体表现为，制作上层感光结构层时，对应于晶圆开孔部分的上层感光结构层的内表面由于曝光能量不足，会被流入的显影液刻蚀而形成坑洞，表面变得不平滑而影响液体流动，如图2所示。但如提高曝光能量，虽改善了腔体内部的刻蚀坑洞，但会因为曝光能量过强，使得上层感光结构层中需要被刻蚀掉的结构边缘出现锯齿状或显影不完全，导致失去原有的刻蚀形状，如图3所示。
产生以上不良情况的主要原因有两个：第一，感光层由上向下受到的光强能量逐渐衰减降低，因晶圆衬底上有穿孔，在穿孔区域曝光时光源直接穿透晶圆，而其他区域，光源直射到晶圆表面衬底产生反射光，再次对感光膜进行曝光，因此在曝光机能量均一性良好的情况下，曝光时导致实际区域性的曝光能量不均一。第二，因MEMS三维腔体结构的特殊性，显影液会进入腔体接触上层感光结构层的内表面，在曝光能量不足的情况下，会对感光膜产生刻蚀。而其他区域，因与上层感光结构层与下层感光结构层密实接触，而无显影液进入，因此不会产生刻蚀。
现有技术中针对需要不同曝光能量的区域分别进行不同能量的曝光操作，在进行该操作时，难免会出现不同曝光能量区域周边重合的问题，使得不同曝光能量区域交界处出现两次曝光能量重合的情况，进而使得微结构发生变异，产生台阶而影响整体结构性能和强度，降低了产品品质性能，同时产品良率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种开孔晶圆上感光结构层的均匀曝光方法，能够满足对不同曝光能量区域进行对应能量的曝光操作，同时能够避免不同曝光能量区域交界处过渡不平滑。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种开孔晶圆的均匀曝光方法，其特征在于：根据感光结构层中不同曝光能量需求的区域数量，配合光罩的形状，对感光结构层中的高曝光能量区域进行叠加曝光，使得感光结构层中不同曝光能量需求区域的曝光能量累计达到设定的曝光能量值。
优选地，针对感光结构层具有不同曝光能量需求的区域，按照从小至大的曝光能量顺序将感光结构层分区为A1、A2、……、Ai、……An，区域Ai对应的曝光能量需求为Qi；其中i、n为正整数，且1≤i≤n，n≥2；
依次进行n组曝光操作；进行第i组曝光操作时，利用光罩遮蔽对应能量小于Qi的区域，且该组曝光操作中的曝光能量值Q＝Qi－Qz，当i＝1时，Qz＝0，当i＞1时，Qz＝Qi-1。
为了提高刻蚀槽孔侧壁的垂直度，针对在感光结构层上需要进行槽孔刻蚀的槽孔刻蚀区Qk进行一组曝光操作时，控制进行至少两次曝光操作，且各次曝光操作的曝光能量之和为该组曝光操作对应的曝光能量值；并且在各次曝光操作中，按照设定的偏移量控制改变覆盖在槽孔刻蚀区Qk上方的光罩面积。
与现有技术相比，本发明的优点在于：该开孔晶圆上感光结构层的均匀曝光方法，通过替换不同的光罩，进而采用能量叠加的方式实现高能量需求区域的曝光，如此满足对不同曝光能量区域的需求能量的曝光操作，有效避免因晶圆局部区域曝光能量需求不同而产生的制程不良，解决一次曝光能量调整的工艺难度。在此基础上，还解决不同曝光能量区域交界处能量过度不平滑的问题，提高生产效率。该开孔晶圆的均匀曝光方法有效解决了感光结构层上对应于晶圆开孔位置的下表面上因曝光能量不足而产生的刻蚀坑洞，提高产品良率的同时，可以使感光结构层表面更加平滑，提高了产品品质。
附图说明
图1为背景技术中晶圆产品结构图。
图2为背景技术中出现刻蚀坑洞问题的晶圆产品结构图。
图3为背景技术中出现显影不完全问题的晶圆产品结构图。
图4为本发明实施例中感光结构层不同曝光能量需求区域分布图。
图5为本发明实施例中开孔晶圆产品的曝光步骤图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例中的开孔晶圆上感光结构层的均匀曝光方法可以应用在以开孔晶圆1为衬底的各种半导体制程中。
在曝光工艺中，通常采用光刻胶设置感光结构层，通过对光可将的曝光、显影操作，进而在晶圆1上制成出需要的结构层。在进行曝光操作时，在感光结构层的上方放置需要形状的光罩，曝光机光源发出的紫外光透过光罩上的缺口部分照射在感光材料层上，感光材料层吸收紫外光的能量，进而在晶圆1上加工出设计的结构。
紫外光在光刻胶中传播时，紫外光强度逐渐被削弱，这与光刻胶对紫外光的光吸收系数有关。根据Lambert经验定律可知，从上向下，光能量逐渐下降，当曝光能量不足时，感光结构层的底部交联反应不足，显影时容易被显影液刻蚀，进而在感光结构层的底部会形成坑洞，同时与感光结构层底部材料粘合的结合处易被显影液侧向刻蚀进入，从而降低该感光结构层的粘附力。
由于晶圆1衬底上表面一般为金属层或绝缘保护层，曝光时，光线照射到晶圆1表面会产生反射光，因此在曝光操作过程中，因为衬底上已有线路层的图形，来自曝光区域的光被衬底晶圆1表面图形不同材料反射，使感光结构层受到反射光的二次曝光，使得感光结构层不同区域需要的曝光能量不同。另外在曝光操作过程中同时还会产生光的衍射现象，光的衍射现象是光的波动性的一种表现，当光在传播过程中经过障碍物时，如不透明物体的边缘、小孔、细线、狭缝等，一部分光会传播到几何阴影中去，产生衍射现象。曝光操作中的光衍射会使图形边缘得到了更多的能量，造成图形在边缘上的扩张，当曝光能量过强时，衍射光强也越强，导致原本被光罩遮挡区域被曝光，发生交联反应，显影时无法去除干净，造成显影不良。而影响紫外光光刻技术中图形尺寸和侧壁轮廓的关键因素是菲涅尔衍射，一方面，菲涅耳衍射使图形边缘得到了更多的能量,造成图形在边缘上的扩张，另一方面，作为感光结构层的光刻胶在显影剂中的膨胀同样促使了光刻胶图形的扩张。在光刻胶材料、厚度、紫外光波长固定的情况下，光照能量越大图形的偏移量越大，侧壁的倾斜角越小，为了得到与掩模图形相近，且侧壁垂直的图形，需控制曝光能量的大小。
本实施例中的开孔晶圆上感光结构层的均匀曝光方法，则根据感光结构层中不同曝光能量需求的区域数量，配合光罩2的形状，对感光结构层中的高曝光能量区域进行叠加曝光，使得感光结构层中不同曝光能量需求区域的曝光能量累计达到设定的曝光能量值。
具体地，针对感光结构层具有不同曝光能量需求的区域，按照从小至大的曝光能量顺序将感光结构层分区为A1、A2、……、Ai、……An，区域Ai对应的曝光能量需求为Qi；其中i、n为正整数，且1≤i≤n，n≥2。
依次进行n组曝光操作；进行第i组曝光操作时，利用光罩2遮蔽对应能量小于Qi的区域，且该组曝光操作中的曝光能量值Q＝Qi－Qz，当i＝1时，Qz＝0，当i＞1时，Qz＝Qi-1。
根据需要每组曝光操作过程中可以进行至少两次曝光操作，以保证最终产品的品质。基于前述的在曝光操作中会发生光的衍射情况，如在进行感光结构层上槽孔图形的曝光操作时，则容易发生光的衍射情况，进而影响最终成型的槽孔侧壁的质量。如此则针对在感光结构层上需要进行槽孔刻蚀的槽孔刻蚀区Qk进行一组曝光操作时，控制进行至少两次曝光操作，且各次曝光操作的曝光能量之和为该组曝光操作对应的曝光能量值；并且在各次曝光操作中，按照设定的偏移量控制改变覆盖在槽孔刻蚀区Qk上方的光罩2面积。
如图4所示，对于开孔晶圆1作为衬底的半导体制作中，在开孔晶圆1进行最上层感光结构层上微结构的制备时，由于晶圆1中的开孔结构，使得感光结构层具有两个不同曝光能量需求的区域，分别为对应于晶圆1上开孔部分的区域X、区域X外去除槽孔刻蚀区Qk的区域Y，其中区域X需要的曝光能量大于区域Y的曝光能量。如此则将区域X分区为A1，将区域Y分区为A2。
如图5所示，该开孔晶圆1最上层感光结构层需要进行两组曝光操作，第一组曝光操作中的作用区域是A1和A2，由于包括了需要进行槽孔刻蚀的槽孔刻蚀区Qk，本实施例中控制进行两次曝光操作以保证刻蚀出槽孔侧壁的垂直度。而第二组曝光操作中，则仅需要进行一次曝光操作，曝光操作的作用区域为A1。
第一组曝光操作的曝光能量值为Q1，本实施例中第一组曝光操作中的两次曝光操作对应的曝光能量分别为Q11和Q12，并且Q11+Q12＝Q1。为了提高制备品质，Q11和Q12的数值接近。如图4所示，两次曝光操作中使用的光罩2的面积不同，目的为减小加工出的槽孔图形偏移量并得到较垂直的侧壁，该方法可以使得加工出的槽孔图形偏移量小于1um。
该开孔晶圆上感光结构层的均匀曝光方法，通过替换不同的光罩2，进而采用能量叠加的方式实现高能量需求区域的曝光，如此满足对不同曝光能量区域的需求能量的曝光操作，有效避免因晶圆1局部区域曝光能量需求不同而产生的制程不良，解决一次曝光能量调整的工艺难度。在此基础上，还解决不同曝光能量区域交界处能量过度不平滑的问题，提高生产效率。该开孔晶圆1的均匀曝光方法有效解决了感光结构层上对应于晶圆1开孔位置的下表面上因曝光能量不足而产生的刻蚀坑洞，提高产品良率的同时，可以使感光结构层表面更加平滑，提高了产品品质。