[发明专利]一种简化的钨钛合金薄膜光刻工艺

说明书

技术领域:

本发明涉及一种简化的钨钛合金薄膜光刻工艺。属于微机电系统制造工艺领域。

背景技术:

钨钛合金（WTi）广泛应用于微机械制造中。使用溅射工艺沉积的钨钛合金薄膜具有高密度，适中的薄膜应力，优良的表面平整度，优良的热与化学稳定性，从而在MEMS制造中作为结构层与牺牲层材料的理想选择。钨钛合金具有一些独特的优点，一方面，钨钛合金可以使用40℃双氧水(H2O2)快速而稳定地刻蚀，同时又不会破坏绝大多数诸如铝，铜等常用金属层。而大多数酸也不会刻蚀钨钛合金，这使钨钛合金与其他金属之间具有良好的刻蚀选择性。因此钨钛合金可以用于保护层或牺牲层而不会被后续的工艺影响。另一方面，钨钛合金薄膜可以使用磁控溅射工艺沉积在硅片上，低热预算的沉积工艺也使其成为一种MEMS兼容的材料，这为MEMS与CMOS集成提供了一种潜在的工艺选项。基于以上特性，钨钛合金成为微机械制造中一种可靠而应用前景良好的材料。

但是，通常使用的基于光刻胶赋形层的平面光刻工艺不能直接应用于钨钛合金薄膜的图形化刻蚀。因为用于钨钛合金刻蚀的40℃双氧水刻蚀液同样也会腐蚀光刻胶。作为强氧化剂的双氧水可以打开有机聚合物的分子键，从而破坏光刻胶膜，实验中可见光刻胶膜在双氧水中被迅速局部溶解，并从衬底材料表面快速剥离，丧失了光刻胶赋形层的保护功能。因此，现有钨钛合金薄膜的光刻工艺需要引入一层沉积在钨钛合金层上的铝膜，再通过一部额外的光刻步骤将铝膜光刻图形化形成赋形保护层，这层铝膜可以在双氧水刻蚀中保护下层钨钛合金结构。但是铝赋形层的使用会在工艺过程中加入溅射与光刻等多个新增工艺步骤，而每多一项工艺步骤，都会降低整套制造工艺的可靠性。而由于新增工艺引入的淀积台阶效应，光刻对准误差和钻蚀效应，在最终得到刻蚀结构中会产生数倍于单步光刻的精度误差，从而对结构与设计图形的一致性产生影响，甚至会导致整个微机械器件的实效。基于以上分析，需要一种高精度的简化钨钛合金薄膜的光刻工艺，用于制造钨钛合金微机械结构。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是对钨钛合金薄膜进行高精度光刻制造。同时解决在钨钛合金光刻工艺中由于铝赋型层导致的工艺复杂，精度降低，工艺可靠性降低的问题。

本发明公开一种简化的钨钛合金薄膜光刻工艺。基于光刻胶在不同温度双氧水中的刻蚀特性，提出一种简化的钨钛合金光刻工艺。包括特别设计的光刻胶赋形层制造参数与包含温度控制的刻蚀方法。此光刻工艺不需要使用额外沉积在钨钛合金层上的铝赋形层，也不需要刻蚀过程中的加热装置，消除额外铝赋形层对光刻精度的影响，简化了多步工艺步骤与工艺设备，提高了钨钛合金薄膜的光刻精度与成功率

本发明公开的一种简化的钨钛合金薄膜光刻工艺的发明目的是通过下述技术方案实现：

本发明公开的一种简化的钨钛合金薄膜光刻工艺具体实现步骤如下：

步骤一：全部工艺步骤在洁净室里实现。将覆盖有钨钛合金薄膜的包括但不限于硅片的衬底基片（以下简称为基片）使用丙酮，异丙醇与去离子水清洗，吹干。

步骤二：使用匀胶机将液态正光刻胶旋涂在待刻蚀的基片上。通过调节匀胶机转速以控制光刻胶达到特定厚度。将涂胶完成的基片在热板上加热固化胶层。待胶充分冷却后在对准曝光机上使用掩膜进行紫外线曝光。然后将曝光后的基片在显影液中完全显影。将显影后的基片在热板上加热，使胶层完全固化。匀胶与曝光过程在黄光区完成。

步骤三：将热固化胶层的基片在有空气循环过滤设备的通风橱中冷却，确保胶层中的溶剂充分挥发。冷却过程在黄光区完成。

步骤四：通过温度控制，将30%双氧水刻蚀液温度维持在20℃，将冷却完成的基片放入刻蚀液开始刻蚀。双氧水刻蚀合金中的钨的反应式为:

W+2H₂O₂→WO₂+2H₂O

WO₂+H₂O₂→H₂WO₄

3H₂WO₄+2H₂O₂→H₂W₃O₁₂+4H₂O

而在20℃下双氧水对光刻胶膜的刻蚀作用被大大减缓，根据实验可知其刻蚀时间远大于钨钛合金薄膜需要的刻蚀时间。因此该反应可以在不破坏光刻胶赋形层的前提下实现钨钛合金薄膜的高精度刻蚀，而仅需要一步光刻。