微納加工工藝流程

1、高通量微流控器件的設(shè)計(jì)與加工羅春雄掩模的制作掩模的制備是光刻中的關(guān)鍵步驟之一，其作用是在一個(gè)平面上有選擇性的阻擋紫外光的通過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)光刻膠的局部曝光。掩模的圖形及尺度由計(jì) 算機(jī)設(shè)計(jì)完成，常用的設(shè)計(jì)軟件有 L-edit （目前最新版本為）和 AutoCAD 等。帶有圖形結(jié)構(gòu)的掩模常用介質(zhì)有透明膜和玻璃板，圖形結(jié)構(gòu)一般由透明和 不透明的區(qū)域組成。掩模有時(shí)也被稱作原圖或光刻版。當(dāng)分辨率要求不高時(shí)，掩?？捎煤?jiǎn)單的方法來(lái)制備。最常用的方法是使用高分辨率的激光照排機(jī)（ 3000dpi 以上）將圖形打印在透明膠片上，這種 方法的誤差一般為 3-7 口，視激光照排機(jī)的精度而定。當(dāng)圖形的尺度為10pm量級(jí)時(shí)，

2、此法制成的掩?？山埔暈榫_。使用激光照排機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備易得，一般的出版社就有可以滿足要求的機(jī)器；并且制作過(guò)程很簡(jiǎn)單，只需要一步打印。圖 1 采用 L-edit 設(shè)計(jì)的模版圖。通過(guò)電子束曝光的方法可以得到精度更高的掩模版，精度可達(dá)100 nm甚至10nm級(jí)。這種掩模版為金屬掩模，所以不論是精度、壽命還是使用時(shí)的方便程度，均要優(yōu)于打印方法制成的模版。但它的缺點(diǎn)也十分明顯：成本非常高（一塊模版通常要上千元人民幣），并且制作周期時(shí)間長(zhǎng)。還有其他一些方法可以得到掩模版，如準(zhǔn)分子激光刻蝕和光學(xué)縮小等方法，這樣得到的模版精度較高，但對(duì)設(shè)備的要求都比較高。光刻膠光刻膠是由溶解在一種或幾種有機(jī)溶劑中的光敏聚

3、合物或預(yù)聚合物的混合物組成的， 它是用光刻技術(shù)將掩模上的微結(jié)構(gòu)精確轉(zhuǎn)移到基片的關(guān)鍵媒介。 根據(jù)用途不同，有多種黏度、光學(xué)性質(zhì)及物理化學(xué)性質(zhì)不同的品種供選擇。光刻膠有兩種基本的類型：一種是負(fù)型光刻膠，它們?cè)谄毓鈺r(shí)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成較曝光前更難溶的聚合物；另一種是正型光刻膠，它們?cè)谄毓鈺r(shí)聚 合物發(fā)生鏈斷裂分解而變得更容易溶解。根據(jù)它們的特性，負(fù)型光刻膠顯影后曝光部分被固定而非曝光部分被洗掉；正型光刻膠則是曝光的部分在顯影 后被洗掉，非曝光部分被固定。下面分別介紹這兩種光膠：a. 負(fù)光膠負(fù)光膠曝光中發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)比正光膠相對(duì)簡(jiǎn)單。例如Minsk于1954賣給Eastman Kodak公司的專利，應(yīng)用

4、的是聚乙烯醇肉桂酸酯中的肉硅酸部分的雙鍵對(duì)紫外線敏感，雙鍵之一被打開(kāi)后形成雙游離基，這些雙游離基不穩(wěn)定，很快與其他游離基間相互連接，形成新的碳- 碳鏈，并與其他線形分子交聯(lián)形成更大的聚合物分子。與曝光前相比，聚合物變得更不易溶解且抗化學(xué)侵蝕性更強(qiáng)，因而未曝光的部分可被顯影液溶解而去掉。此即為KPR（柯達(dá)光刻膠）和其他負(fù)膠的基本原理。我們實(shí)驗(yàn)室常用的負(fù)光膠是國(guó)產(chǎn)的BP系列，特點(diǎn)是光膠?。?-3麗，附著力極好，分辨率高，但缺點(diǎn)是難去除。另一種具有代表性的光敏聚合物為SU-8。它是一種環(huán)氧型聚合物材料，因?yàn)槠骄粋€(gè)單體分子中含有8個(gè)環(huán)氧基，因此名稱中有 8,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。 SU-8 光學(xué)透明性、

5、硬質(zhì)、光敏的獨(dú)特性質(zhì)，在微加工材料中獨(dú)樹(shù)一幟。主要特點(diǎn)如下：高機(jī)械強(qiáng)度；高化學(xué)惰性；可進(jìn)行高深寬比、厚膜和多層結(jié) 構(gòu)加工。由于它在近紫外區(qū)光透過(guò)率高，因而在厚膠上仍有很好的曝光均勻性，即使膜厚達(dá)100 m 所得到的圖形邊緣仍近乎垂直，深寬比可達(dá)50: 1。SU-8 是機(jī)理和材料完全不同的一類負(fù)光刻膠。該膠可溶于圖 2 SU-8 單體的典型結(jié)構(gòu)。GBL（gamma-butyrolactone ）溶液中。溶劑的量決定了黏度，從而也決定了可能的涂覆厚度，不同的型號(hào)可合適做不同的厚度，最常見(jiàn)的是10 E到100小。弓I發(fā)劑三苯基硫鹽按 SU-8量的10%比例加入。SU-8在前烘中有很好的自平整能力。經(jīng)

6、100C以上固化后，交聯(lián)的 SU-8有較強(qiáng)的抗腐蝕性，熱穩(wěn)定性大于200oG高溫下可耐pH值13的堿性溶液的侵蝕。SU-8 的光反應(yīng)機(jī)理：光刻膠中的光弓發(fā)劑吸收光子發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，生成一種強(qiáng)酸，其作用是在中烘過(guò)程中作為酸性催化劑促進(jìn)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。只 有曝光區(qū)域的光膠才含有這樣形成的強(qiáng)酸，未曝光區(qū)域則不含有。交聯(lián)反應(yīng)鏈?zhǔn)皆鲩L(zhǎng)，每一個(gè)環(huán)氧基都能與同一分子或不同分子中的其他環(huán)氧基反應(yīng)。 交聯(lián)反應(yīng)形成了致密的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不溶于顯影液PGME中。b. 正光膠 正光膠的有關(guān)技術(shù)主要來(lái)自含氮染料、印刷和復(fù)印工業(yè)。正光膠基于重氮鹽和二疊氮化物的兩個(gè)反應(yīng)。在堿性條件下，重氮鹽或二疊氮化物很快與 酚類偶合劑發(fā)生幾

7、乎定量的反應(yīng)，形成各種有色且難溶的染料，其顏色和溶解性取決于二疊氮化物和偶合物的結(jié)構(gòu)。上述兩種成分在偏酸性緩沖液中則 不發(fā)生反應(yīng)。顯影液提供的堿性條件則可弓發(fā)耦合反應(yīng)。二疊氮化物經(jīng)紫外線曝光發(fā)生分解反應(yīng)，釋放出氮?dú)猓陲@影過(guò)程中無(wú)法再發(fā)生耦合反應(yīng)，而 是形成容易被溶解的產(chǎn)物。很多常用的正光膠含有不同烷基的萘醌二疊氮化物，具有不同的粘性、溶解性和其他特性。該類疊氮化物在紫外線照射下分解并重排生成乙烯酮， 在潮濕氣氛下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成羧基酸茚。在堿性溶液中顯影時(shí)，羧基酸茚被溶解，即曝光的光膠部分被溶解，而未被曝光的疊氮化物之間與共存的酚類化 合物在堿性顯影液中發(fā)生耦合反應(yīng)，形成膠連的難溶物。通常原理可

8、用圖 3 表示：圖 3 正光膠的有關(guān)化學(xué)反應(yīng)。我們實(shí)驗(yàn)室常用的正光膠有AZ公司的一系列產(chǎn)品，如 AZ50、AZ5214、AZ9260等。它們都有不同的特性，如AZ50的黏度比較大，可以用于制作厚膠模版（10-60 g厚）；AZ5214則為薄膠（1-3血，分辨率較高，作掩模的耐腐蝕性也很好。光刻標(biāo)定高度曲線圖（SU-8 3000系列）光刻標(biāo)定相關(guān)數(shù)據(jù)（SU-8 3005 ）膠型環(huán)境溫度環(huán)境濕度涂膠轉(zhuǎn)數(shù)前烘時(shí)間后烘時(shí)間光刻機(jī)光強(qiáng)曝光時(shí)間平均高度65 C95 C65 C95 CSU-8 300523 C39%10 500rpm1min4min1min3min20w/ cm270sec30 1000r

9、pmSU-8 300522 C22%10 500rpm1min4min1min2minw/ cm265sec8 m30 1500rpmSU-8 300524 C20%10 500rpm1min4min1min2minw/ cm260sec30 2000rpmSU-8 300524 C20%10 500rpm1min3min1min2minw/ cm255sec30 2500rpmSU-8 300522 C30%10 500rpm1min3min1min2min20w/ cm250sec30 3000rpmSU-8 300523 C26%10 500rpm1min3min1min2min20w/

10、 cm245secim30 3500rpmSU-8 300523 C24%10 500rpm1min3min1min2minw/ cm238secim30 4000rpm光刻標(biāo)定相關(guān)數(shù)據(jù)(SU-8 3010 )膠型環(huán)境溫度環(huán)境濕度涂膠轉(zhuǎn)數(shù)前烘時(shí)間后烘時(shí)間光刻機(jī)光強(qiáng)曝光時(shí)間平均高度(兩步程序)65 C95 C65 C95 CSU-8 301021 C20%10 500rpm2min10mi n1min4mini w/ cm2100secim30 1000rpmSU-8 301023 C20%10 500rpm2min10mi n1min4min18 i w/ cm295sec30 1500rpm

11、imSU-8 301024 C20%10 500rpm1min9min1min3min18 i w/ cm290secim30 2000rpmSU-8 301024 C20%10 500rpm1min4min1min2min18 w/ cm285sec30 2500rpmSU-8 301022 C52%10 500rpm1min4min1min2minw/ cm280sec30 3000rpmSU-8 301023 C44%10 500rpm1min4min1min2minw/ cm275sec9 m30 3500rpmSU-8 301023 C46%10 500rpm1min3min1min

12、2minw/ cm270sec30 4000rpm光刻標(biāo)定相關(guān)數(shù)據(jù)(SU-8 3025 )膠型環(huán)境溫度環(huán)境濕度涂膠轉(zhuǎn)數(shù)前烘時(shí)間后烘時(shí)間光刻機(jī)光強(qiáng)曝光時(shí)間平均高度(兩步程序)65 C95 C65 C95 CSU-8 302523 C30%10 500rpm2min20mi n1min5minw/ cm2170sec30 1000rpmSU-8 302524 C21%10 500rpm2min17mi n1min9minw/ cm2150sec49(im30 1500rpmSU-8 302522 C60%10 500rpm2min15mi n1min5min16w/ cm2135sec30 200

13、0rpmSU-8 302524 C24%10 500rpm2min8min1min5minw/ cm2115sec31 （im30 2500rpmSU-8 302522 C22%10 500rpm2min6min1min4minw/ cm290sec30 3000rpmSU-8 302525 C不詳10 500rpm2min5min1min3min19w/ cm280sec22（im（不到20%）30 3500rpmSU-8 302522 C不詳10 500rpm1min3min1min2min19w/ cm265sec19（im（不到20%）30 4000rpm光刻標(biāo)定相關(guān)數(shù)據(jù)(SU-8 3

14、050 )膠型環(huán)境溫度環(huán)境濕度涂膠轉(zhuǎn)數(shù)(兩步程序)前烘時(shí)間后烘時(shí)間光刻機(jī)光強(qiáng)曝光時(shí)間平均高度65 C95 C65 C95 CSU-8 305020 C52%10 500rpm2min25mi n1min7min18w/ cm2230sec30 1000rpmSU-8 305023 C42%10 500rpm2min20mi n1min6minw/ cm2190sec30 1500rpmSU-8 305022 C20%10 500rpm2min15mi n1min5min18w/ cm2160sec30 2000rpmSU-8 305023 C22%10 500rpm2min15mi n1min

15、5minw/ cm2130sec30 2500rpmSU-8 305024 C24%10 500rpm2min15mi n1min5minw/ cm2100sec30 3000rpmSU-8 305022 C20%10 500rpm2min15mi n1min5minw/ cm290sec30 3500rpmSU-8 305023 C20%10 500rpm2min15mi n1min5minw/ cm280sec30 4000rpm光膠的涂布光膠的均勻涂布是通過(guò)甩膠機(jī)完成的。先將基片（通常是硅片襯底）置于甩膠機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)上，基片在真空的作用下被吸在盤(pán)上。液體光刻膠被置于基材的中間。基片在轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)的

16、帶動(dòng)下快速旋轉(zhuǎn)，一般先用較低速運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)秒使膠散開(kāi)，然后再以高速運(yùn)轉(zhuǎn)使膠在離心力的作用下均勻的覆蓋在基片上，此過(guò) 程稱旋涂( Spin-Coating )。涂敷光膠層的厚度取決于光膠黏度和旋轉(zhuǎn)的速度。此外，光膠預(yù)烘烤的溫度和時(shí)間、光膠的施加量及環(huán)境溫度也有一定影響。甩膠通常要在超凈間內(nèi)進(jìn)行，否則有兩個(gè)原因可以導(dǎo)致缺陷：甩膠和曝光時(shí)空氣中的微塵顆粒和液體光膠中含有沾污的顆粒。超凈間內(nèi)微塵的數(shù)量一般為千級(jí)(每立方英尺空氣中的直徑大于g的微粒數(shù)低于1000個(gè))，局部為百級(jí)，可以很好的保證甩膠的質(zhì)量。另外，有些光膠與硅片襯底之間的附著力并不是很好，這會(huì)影響甩膠的厚度均一性，同時(shí)也會(huì)增大顯影的難度。解決的方

17、法為在硅片上預(yù)先涂上一層物質(zhì)，使光膠的附著力增強(qiáng)。對(duì)于AZ系列的光膠，常用的物質(zhì)為 HMDS它可以很好的增加其附著力。光刻及顯影光膠涂布后，要進(jìn)行前烘烤，使液態(tài)光膠固化，稱為前烘。前烘時(shí)間一般為3-5 分鐘，具體要依照光刻膠的種類和厚度。一般曝光設(shè)備大多采用紫外光源如汞燈，且具有 X-Y 方向的對(duì)位功能，簡(jiǎn)易式的可只需一個(gè)汞燈光源。圖 4 北大微流與納米技術(shù)中心的紫外曝光機(jī)。經(jīng)過(guò)光刻，可將掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。具體過(guò)程為，在曝光間內(nèi)，將前烘好的基片置于曝光臺(tái)上，再將掩模置于其上。之后進(jìn)行紫外曝光， 曝光機(jī)在曝光的區(qū)域內(nèi)光強(qiáng)的誤差一般會(huì)小于5%，這使得整個(gè)基片上的光刻膠可以均勻的進(jìn)行曝光。曝

18、光時(shí)間一般由光膠厚度決定。如圖5 所示：圖 5 光刻膠對(duì)掩模上圖形的轉(zhuǎn)移。曝光后的光膠經(jīng)過(guò)顯影就完成了對(duì)掩模上圖形的轉(zhuǎn)移。使用正光膠時(shí)，顯影得到的圖形與所用掩模的圖像相同；使用負(fù)光膠時(shí)，顯影得到的圖形與掩模上的圖形相反。利用掩模圖形的灰度變化或在掩模之上加帶有光透過(guò)率梯度的濾光片還可能在光膠上進(jìn)行不同程度的曝光，從而形成立體結(jié)構(gòu)。 根據(jù)不同的需要，顯影后有時(shí)要進(jìn)行定影和后烘烤，以保證圖形的平整度和堅(jiān)固性?？偨Y(jié)：光刻工藝：一、光刻前首先把硅片放在 195 C熱板上烘烤5分鐘，目的是烘干水分。二、按甩膠，前烘，曝光，后烘，顯影，吹干步驟完成由掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。三、使用臺(tái)階儀對(duì)高度進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)定，以及記錄PDMS勺塑模聚二甲基硅氧烷(polydimethylsilicone )簡(jiǎn)稱PDMS俗稱硅橡膠，是當(dāng)前應(yīng)用最多的微流芯片材料之一。PDMSb于具有獨(dú)特的彈性，良好的透光性，高介電性，化學(xué)惰性，無(wú)毒，容易加工，價(jià)格便宜而得到廣泛的應(yīng)用。PDMS容易由單體和交聯(lián)劑的預(yù)聚物熱交聯(lián)而得到固體狀態(tài)。PDMS寸300nm以上的光有很好的光透性。圖6 PDMS聚合后的分子式和實(shí)物 A膠（單體）與 B膠（膠聯(lián)劑）。通過(guò)控制單體和交聯(lián)劑的比例可以調(diào)節(jié)PDMS勺硬度。通常，交聯(lián)劑的比例越高，硬度越大。將攪勻的液態(tài)