基于掩模版的高通量i线灰度投影光刻技术优化及其在低表面粗糙度三维结构制备中的应用

本研究针对灰度光刻中三维结构表面粗糙度较高的问题，系统优化了掩模版基i线投影灰度光刻工艺。通过研究像素尺寸对光刻胶粗糙度的影响，并结合退火工艺实验，成功将ma-P 1211G光刻胶的表面粗糙度(Ra)从4.6 nm降低至0.3 nm，同时保持结构保真度。该突破为MEMS和微光学元件的精密制造提供了重要技术支撑。

　　

在微纳制造领域，三维结构的精准制备一直是研究人员追求的目标。传统二进制光刻技术只能实现二维结构的加工，而灰度光刻技术通过控制曝光剂量在光刻胶中形成连续的高度变化，为三维微结构的制造开辟了新途径。然而，这种技术面临着两个关键挑战：首先是掩模版基灰度光刻虽然具有高通量的优势，但往往会产生较高的表面粗糙度；其次，这种粗糙度在后续的刻蚀工艺中会被转移到下层材料，影响器件的性能和可靠性。

目前，灰度光刻主要分为掩模版基和直写式两种技术路线。直写技术虽然精度高，但效率低下，难以满足工业化生产的需求。相比之下，掩模版基i线投影光刻技术不仅保持了传统光刻的高通量特性，还能实现三维结构的加工，这使得现有工业级光刻设备可通过更换特制掩模版升级为灰度光刻系统。然而，如何降低加工过程中的表面粗糙度，成为制约该技术广泛应用的关键瓶颈。

针对这一难题，来自德国弗劳恩霍夫电子纳米系统研究所(ENAS)的S. Schermer、J. Bieling等研究人员开展了一项深入研究。他们采用微阻技术公司(icro resist technology)生产的ma-P 1211G低对比度正性光刻胶和Benchmark Technologies定制灰度掩模版，系统研究了像素尺寸和退火工艺对光刻胶表面粗糙度和结构保真度的影响。这项研究发表在《Micro and Nanostructures》期刊上，为灰度光刻技术的工艺优化提供了重要参考。

研究人员采用了几项关键技术方法：使用自动簇集系统CS-200-4进行晶圆预处理和光刻胶涂覆，通过椭偏仪测量膜厚均匀性；采用NIKON NSR2205i11D i线步进光刻机配合定制灰度掩模版进行曝光；利用原子力显微镜(AFM)的轻敲模式对表面粗糙度进行精确测量；设计不同温度的退火实验来研究热处理对表面粗糙度的改善效果。

在实验结果部分，研究显示了令人振奋的发现。

在"光刻胶粗糙度/退火影响"方面，通过AFM对2 μm×2 μm区域的扫描测量，研究人员发现未退火样品的光刻胶表面粗糙度R_a值为4.6 nm，R_q值为5.8 nm。经过不同温度退火处理后，表面粗糙度显著降低。当退火温度达到90°C时，R_a值降低30%至2.7 nm；而当温度升至130°C时，R_a值进一步降至0.3 nm，降幅达87%。值得注意的是，退火过程还消除了表面出现的周期性图案，这些图案是影响粗糙度的主要因素。

在"结构保真度"研究中，通过CD-AFM对等腰梯形结构进行线扫描，研究人员评估了退火温度对结构形状的影响。结果显示，80°C退火对结构保真度影响最小，仅使结构高度降低10-20 nm。90°C退火后结构底部略有展宽，而100°C以上退火会导致结构高度进一步降低30 nm，且上平台形状变得更加圆润。研究表明，在90°C退火温度下可在保持结构保真度的同时实现有效的粗糙度降低。

关于"像素尺寸对表面粗糙度的影响"，研究比较了掩模版上2 μm和1 μm（对应晶圆上0.4 μm和0.2 μm）两种像素尺寸的效果。发现0.2 μm像素尺寸的粗糙度R_a值为3.9 nm，比0.4 μm像素尺寸低14%。进一步分析表明，这种差异主要源于周期性图案的出现频率——0.4 μm像素尺寸中有72%的测量区域出现这种图案，而0.2 μm像素尺寸中仅14%区域出现。退火处理能有效消除这种周期性图案，改善表面质量。

研究结论表明，通过优化退火工艺参数，可显著降低灰度光刻三维结构的表面粗糙度。在90-100°C的温度范围内，能够在保持良好结构保真度的同时实现有效的表面平滑效果。较小的掩模版像素尺寸（0.2 μm）有助于减少表面周期性图案的产生，从而降低初始粗糙度。这些发现对微机电系统(MEMS)和集成光学元件的制造具有重要意义，因为较低的表面粗糙度能直接改善后续刻蚀工艺的转移质量，提高最终器件的性能和可靠性。

这项研究的创新之处在于系统性地解决了灰度光刻技术产业化应用中的一个关键难题——表面粗糙度控制。通过将退火工艺引入灰度光刻后处理流程，为三维微纳结构的精密制造提供了简单而有效的解决方案。未来研究方向可能包括探索等离子体处理与退火工艺的结合使用，以进一步改善表面质量，或研究其他类型光刻胶的类似处理效果，推动灰度光刻技术在更广泛领域的应用。