TWI399620B - 立體光阻微結構的製作方法 - Google Patents

Description

立體光阻微結構的製作方法

本發明係有關一種三維(3D)光阻微結構的製作方法，特別是一種以掃描浸潤之曝光方式製作大面積之立體光阻微結構的製作方法。

藉由折射與繞射效應，3D微結構可以巧妙地調變入射光的行為，以達成分光、聚光、發散、偏光與均勻化的目的，因此3D微結構已普遍應用於顯示器之導光板、照明、光學微透鏡、投影設備及分光光柵，在光電產業技術中扮演極關鍵的角色。

傳統的3D光學微結構多以精密機械加工生產模具，再配合模造量產高分子3D微結構，然而此種製作方法僅適合製作幾何形狀簡單的微結構，對於新一代之光學元件所欲達到之更高的光學表現，如結合折射與繞射效果之複合鏡片而言，傳統機械加工技術並無法勝任製作出更精密且大面積的3D微結構。

因此，以光學微影(lithography)技術製造3D微結構已是目前發展的趨勢，主要方法包括：

(1)雷射與粒子束直寫(direct write)技術，其係利用雷射、電子束或離子束直寫配合灰階曝光劑量產生3D微結構，此方法簡單，但須花費極長的時間，且加工品質不甚理想。

(2)灰階光罩技術，其係透過一灰階光罩產生灰階曝光效果，且顯影以產生3D微結構，此方法之光阻製程簡單，但灰階光罩的模擬與製造均極為複雜，因此光罩價格極高。

(3)掃描式曝光技術，其係藉由調變光罩與光阻間的相對運動達到灰階曝光效果，並顯影以產生3D微結構；在掃描曝光過程中，光罩與光阻之間必須有一適當的間距以進行相對運動，若此間距太大，則繞射誤差增加，影響加工精度，若間距太小，則光阻與光罩可能接觸摩擦，不但破壞微結構的完整性，亦會影響掃描曝光的進行。

習知曾以短波長的X光作為光源進行掃描曝光，以減少繞射誤差，然而X光之光源資源有限，且曝光之真空腔體不易大幅增大，因此不利於大面積的光學元件應用；習知亦曾以紫外光(UV)光源進行掃描曝光，藉由大幅縮小光罩與光阻之間距以減小曝光繞射誤差，惟當該間距大幅縮小時，光阻塗佈之均勻度與機械精密度必須嚴格要求，使得帶動光阻進行掃描之移動平台的成本需大幅增加，而不利於大尺寸光學微結構的製造。

當光罩及光阻之間存在一間距且此間距不存在任何液體介質時，請參閱圖1所示為使用簡單之UV光源進行曝光顯影後之光阻微結構SEM示意圖，由SEM示意圖可清楚看出光阻微結構10的表面均勻度不完整，且光刻品質不佳，進而影響後續三維高分子精密微結構的製作。

為了解決上述問題，本發明目的之一係提出一種立體光阻微結構的製作方法，其係施加一媒合液體於光罩及光阻之間，且於進行掃描的過程中同時進行浸潤曝光，以便利用媒合液體匹配光罩與光阻間的折射係數以提升掃描光刻精度；此外，媒合液體並可作為光罩及光阻相對運動之潤滑劑與緩衝層，有利於掃描曝光的進行，同時可適當放寬光罩及光阻之間距，使得掃描之移動平台的精度可放寬以降低移動平台的成本。

本發明目的之一係提出一種立體光阻微結構的製作方法，藉由一媒合液體的施加而可使用簡單之UV光源進行曝光步驟，無須使用昂貴之短波光源，具有低成本之優點。

本發明目的之一係提出一種立體光阻微結構的製作方法，有別於雷射或粒子束直寫的曠日廢時，而可在短時間內製作高精密度且大面積的立體微結構。

為了達到上述目的，本發明一實施例之立體光阻微結構的製作方法，包含：提供一光阻試片；施加一媒合液體於光阻試片上；設置一光罩於光阻試片上，且媒合液體介於光罩及光阻試片之間；控制光阻試片及光罩至少其中之一進行一水平掃描運動，且於水平掃描運動時對光阻試片進行一曝光步驟，以達成灰階曝光的效果；以及除去媒合液體，且對光阻試片進行一顯影步驟。

圖2a至圖2e所示為本發明一實施例立體光阻微結構的製作方法流程示意圖，立體光阻微結構的製作方法包含：提供一光阻試片20，如圖2a所示，光阻試片20包含一基板201及一光阻層202，在本實施例中，係以旋轉塗佈方式將光阻層202均勻設置於基板201上，且於軟烤烘乾後固定於一移動平台22上；其中，光阻層202係可為各式正型感光光阻或負型感光光阻，且光阻層202的厚度可依據需求均勻塗佈於基板201上。

接著，如圖2b所示，施加一媒合液體24於光阻層202上。之後，如圖2c所示，控制移動平台22上升逐漸接近一固定之光罩26，使光罩26設置於光阻試片20上，且媒合液體24受擠壓擴張而均勻擴展於光罩26與光阻試片20之間。

接著，如圖2d所示，控制移動平台22進行一水平掃描運動，同時對移動中之光阻試片20進行一曝光步驟，其中藉由調變水平掃描運動的掃描速度、行程與次數，達到光阻層202的灰階曝光效果，進以控制光阻層202的曝光劑量。於一實施例中，控制移動平台22之掃描速度為0.5mm/s，且來回掃描數次至預定的曝光劑量。

其中，水平掃描運動是指光阻試片20與光罩26間的相對運動，其可為固定光阻試片20而移動光罩26，或者固定光罩26而移動光阻試片20，或其組合；又水平掃描運動可為單軸方向、雙軸方向、三軸(x,y,θ)方向依次運動或多軸同時運動。掃描時亦可以等速或變速進行，以產生更多樣的灰階曝光效果。另一方面，於其他實施例中，光罩及光阻試片之基板除了為平面結構之外，亦可為一曲面結構，以製作不同輪廓之立體光阻微結構。

其中，曝光步驟係使用紫外光(UV)光源28作為曝光光源，且UV光源28的波長範圍係依據光阻層的特性，於本實施例中，為使用250nm至500nm之間的UV光源28，且UV光源28可由高壓汞燈、雷射或發光二極體(LED)產生。需特別說明的是，最好在開啟UV光源28後，等待UV光源28穩定時，再開啟移動平台22且設定適當的掃描速度與次數，以進行掃描且同時進行曝光的步驟，而等待期間光阻試片20係位於光罩26之遮罩區(圖中未示)。

最後，於曝光步驟完成之後，關閉UV光源28，控制移動平台22下降以離開光罩26，取出光阻試片20，除去媒合液體24並對光阻試片20進行一顯影步驟，如圖2e所示，進而得到一三維之光阻微結構30。在本實施例中，係以純水去除光阻試片20表面之媒合液體24，再以壓縮空氣吹乾光阻試片20；接著將光阻試片20置於顯影液中適度攪動，約經過約5分鐘便可得到一三維之光阻微結構30。

上述實施例中，光罩的材質可為玻璃、石英或軟性高分子，並可具有圖形化透光的結構。媒合液體之折射係數可介於光罩的折射係數與光阻層的折射係數之間，抑或接近光罩或光阻層的折射係數，媒合液體之折射係數可介於1.01至1.99，較佳者媒合液體之折射係數係介於1.3至1.6之間；另一方面，於選擇媒合液體時，媒合液體需具有適當的黏滯係數與表面張力，以利掃描曝光時，光罩及光阻層之間的媒合液體可維持穩定且連續的狀態；又媒合液體需具有良好的化學穩定性，以避免與光阻層產生化學反應而影響光阻微結構的品質，再者，媒合液體需易於清洗去除，以利後續的光阻顯影步驟。於一實施例中，係使用甘油(glyverol)作為媒合液體，當光源的波長為420nm時，甘油的折射係數係為1.47，接近玻璃光罩的折射係數(1.54)與光阻的折射係數(1.5)，其中甘油可先進行真空除氣，再施加於光阻試片上，以避免殘存之氣泡影響曝光步驟。

圖3所示為本發明一實施例之施加甘油作為媒合液體層進行曝光顯影後之立體光阻微結構SEM示意圖，在與傳統圖1所示之SEM圖採用相同之實驗參數(包含同一UV光源、同一型感光光阻、相同之光罩及光阻間距與相同之掃描速度與次數)下，相較於傳統未施加液體媒合液體所產生之光阻微結構，本發明所產生之光阻微結構30具有均勻完整之外觀，可進一步藉由光刻模造(LIGA)技術，亦即電鑄翻製金屬模具，再利用熱壓或射出等模造技術大量製造三維高分子精密微結構。

圖4所示為本發明一實施例進行掃描曝光時之光罩與光阻層配置關係示意圖，如圖所示，光罩26係為一圖形化透光的結構，於本實施例中，光罩26係具有一三角形之透光結構261；移動平台22帶動光阻試片20(包含基板201及光阻層202)上升(即沿z軸方向移動)，以決定光阻層202與光罩26之間的媒合液體24厚度；並於進行曝光步驟時，移動平台22帶動光阻試片20於y軸方向進行來回掃描移動，進而得到如圖3之光阻層202所示之光阻微結構30。

在本發明中，媒合液體可作為光罩及光阻相對運動之潤滑劑與緩衝層，而有利於掃描微影之進行；再者，媒合液體夾設於光罩及光阻層之間可藉以匹配光罩及光阻間的折射係數，不但可提升掃描光刻精度，亦可適當放寬光罩及光阻的間距以利於相對運動，因此移動平台之掃描精度的要求可放寬，使得移動平台成本大幅下降，而更可有利於大面積之立體微結構的加工製程，有別於傳統雷射或粒子束直寫的曠日廢時，本發明具有短時間內製作高精密度且大面積的立體微結構之優點。另一方面，本發明僅需使用簡單之UV光源進行曝光步驟，無須使用昂貴之短波光源，故具有低成本之優點。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

10．．．光阻微結構

20．．．光阻試片

201．．．基板

202．．．光阻層

22．．．移動平台

24．．．媒合液體

26．．．光罩

261．．．透光結構

28．．．UV光源

30．．．光阻微結構

圖1所示為習知使用簡單之UV光源作為曝光光源以進行掃描曝光且顯影後之光阻微結構SEM示意圖。

圖2a至圖2e所示為本發明一實施例立體光阻微結構的製作方法流程示意圖。

圖3所示為本發明一實施例之施加甘油作為媒合液體層進行曝光顯影後之立體光阻微結構SEM示意圖。

圖4所示為本發明一實施例進行掃描曝光時之光罩與光阻層配置關係示意圖。

20．．．光阻試片

201．．．基板

202．．．光阻層

22．．．移動平台

24．．．媒合液體

26．．．光罩

28．．．UV光源

30．．．光阻微結構

Claims (12)

1. 一種立體光阻微結構的製作方法，包含：提供一光阻試片；施加一媒合液體於該光阻試片上；設置一光罩於該光阻試片上，且該媒合液體介於該光罩及該光阻試片之間，其中該光罩包含至少一圖案；控制該光阻試片及該光罩至少其中之一進行一水平掃描運動，且於該水平掃描運動同時對該光阻試片進行一曝光步驟，其中該圖案沿掃描方向具有不同的寬度，使該光阻試片的曝光區域沿著垂直於該掃描方向有不同的累積曝光劑量，以產生灰階曝光的效果；以及除去該媒合液體，且對該光阻試片進行一顯影步驟。
2. 如請求項1所述之立體光阻微結構的製作方法，其中該水平掃描運動係包含一單軸方向、雙軸方向或一多軸方向。
3. 如請求項1所述之立體光阻微結構的製作方法，其中更包括提供一移動平台以供設置該光阻試片，藉由該移動平台進行一升降運動，以控制該媒合液體位於該光罩及該光阻試片之間的厚度。
4. 如請求項1所述之立體光阻微結構的製作方法，其中該媒合液體之折射係數係介於1.01至1.99。
5. 如請求項1所述之立體光阻微結構的製作方法，其中該曝光步驟係使用一紫外光光源。
6. 如請求項5所述之立體光阻微結構的製作方法，其中該紫外光光源之波長係介於250至500奈米(nm)之間。
7. 如請求項1所述之立體光阻微結構的製作方法，其中該光罩係為一圖形化透光的結構，且該光罩的材質係為玻璃、石英或軟性高分子。
8. 如請求項1所述之立體光阻微結構的製作方法，其中該光阻試片係包含一基板及一光阻層塗佈於該基板上。
9. 如請求項8所述之立體光阻微結構的製作方法，其中該光阻層係包含正型感光材料及負型感光材料。
10. 如請求項8所述之立體光阻微結構的製作方法，其中該媒合液體之折射係數係介於1.30至1.60之間。
11. 如請求項8所述之立體光阻微結構的製作方法，其中該光罩及該基板係為一平面結構或一曲面結構。
12. 如請求項1所述之立體光阻微結構的製作方法，其中該水平掃描運動可以等速或變速度方式進行。