uv-liga工藝中su-8膠的工藝優(yōu)化

uv-liga工藝中su-8膠的工藝優(yōu)化

1用同步輻射x光光刻工藝su-8粘合劑是一種廣泛使用于微機(jī)械系統(tǒng)（ss）的負(fù)-厚光刻粘合劑。由于SU-8膠光敏性較好,同時(shí)吸收系數(shù)也較小,幾百微米厚的SU-8膠進(jìn)行紫外光刻,在較短的時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到曝光劑量的要求,而且厚膠內(nèi)的曝光劑量也比較均勻。因此它幾乎應(yīng)用到了MEMS的各個(gè)方面,例如作為塑性機(jī)械結(jié)構(gòu)、微模具、微流體器件的微通道結(jié)構(gòu)等等。由于SU-8膠可以用紫外光進(jìn)行光刻,光刻厚度達(dá)數(shù)百微米,可部分取代LIGA技術(shù)中的同步輻射X光光刻工藝,這大大降低了LIGA技術(shù)的成本。目前利用常規(guī)的紫外曝光工藝,文獻(xiàn)報(bào)道的最大高深寬比值為18,而對(duì)于高深寬比圓柱結(jié)構(gòu)而言,所獲得的深寬比還不超過10。在本實(shí)驗(yàn)中通過優(yōu)化工藝參數(shù)得到了深寬比為20的微圓柱結(jié)構(gòu)。衡量高深寬比微結(jié)構(gòu)有兩個(gè)重要的參數(shù):線寬變化和傾角角度。前者關(guān)系到所做圖形的可控性和精確性,而后者則關(guān)系到其后期作為模具的可行性。在現(xiàn)有對(duì)于SU-8膠的研究中,人們對(duì)于表面線寬的控制已經(jīng)達(dá)到了一定的精確度。但是對(duì)于高深寬比的SU-8膠來說,由于其膠厚很厚(100μm～1200μm),底部和頂部的感光量必定有差值,要保證表面線寬變化很小,往往會(huì)造成底部由于曝光不足而出現(xiàn)倒角現(xiàn)象(T-top)。尤其在300μm以上的膠厚中,這種現(xiàn)象更為明顯,而且這給之后將其作為模具以及電鍍金屬模具之后的脫模帶來困難。現(xiàn)在已經(jīng)有了一些消除倒角的方法,如灰度曝光、多次傾斜曝光、背面曝光、用長波長光源以及減少PGA濃度。但是這些方法都有其局限性和缺點(diǎn),如成本太高、應(yīng)用受結(jié)構(gòu)限制、無法進(jìn)行后續(xù)的電鑄工藝、曝光時(shí)間太長等。本文通過對(duì)工藝參數(shù)的研究,發(fā)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)線寬變化并不是通常所認(rèn)為的線性變化,因此希望通過工藝參數(shù)之間的優(yōu)化組合,調(diào)節(jié)頂部和底部的線寬大小,在保證表面線寬變化很小的前提下,得到一個(gè)垂直或正角的SU-8膠構(gòu)型,以解決其作為模具的困難,簡化和方便后續(xù)工藝。2實(shí)驗(yàn)過程2.1清洗抗體的制備實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)的紫外光刻技術(shù),基本步驟包括:清洗烘干、甩膠、前烘、曝光、后烘以及顯影。SU-8膠對(duì)于基體的清潔度要求極高,必須采用嚴(yán)格的程序清洗基體。首先用干凈的丙酮、酒精及去離子水分別超聲清洗基體6min～8min,然后在烘箱中180℃再烘4h以上。300μm厚的膠前烘為熱板上65℃10min,95℃3h,后烘為程控烘箱中65℃10min,25min升到90℃保持40min。500μm厚的膠前烘為熱板上65℃10min,85℃過夜,95℃2h,后烘為程控烘箱中65℃10min,25min升到90℃保持50min。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。2.2德國大力推進(jìn)傳統(tǒng)新聞披露機(jī)SU-8100(GBL)——美國MicroChem公司,SU-8顯影液——美國MicroChem公司,甩膠臺(tái)——德國KarlSuss公司,MA6型雙面曝光機(jī)——德國KarlSuss公司。3結(jié)果與討論3.1曝光量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響通過實(shí)驗(yàn)A,B,D和E得到了如圖1所示的表面線寬變化規(guī)律。從300μm和500μm在不同光源的系列實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),表面線寬變化和曝光時(shí)間之間并不是以往一貫認(rèn)為的線性關(guān)系,而是表面線寬變化會(huì)在一定的曝光時(shí)間范圍內(nèi)得到一個(gè)最小值。這是因?yàn)槠毓饬繉?duì)于SU-8膠聚合成的高分子有兩方面的影響:一是聚合程度,二是聚合成高分子的結(jié)構(gòu)。曝光量越大,聚合程度越高,參加聚合的小分子數(shù)目越多,同時(shí)形成的高分子鏈越長,纏繞的也就越緊密;而曝光量較小的時(shí)候,聚合程度較低,參加聚合的小分子較少,并且形成的高分子鏈較短,相互間纏繞不緊密,在顯影過程中容易溶脹。在一定的曝光量范圍內(nèi),參加反應(yīng)的小分子數(shù)量是差不多的,而形成的高分子結(jié)構(gòu)卻有較大的差別。曝光量較大時(shí),高分子間纏繞緊密,不易溶脹;曝光量較小時(shí),高分子間纏繞松散,較易溶脹。因此并不把實(shí)驗(yàn)A中小于400s以及實(shí)驗(yàn)B中小于600s的曝光量稱為曝光不足,而是相對(duì)曝光不足,即在這種工藝條件下,該曝光量并不足以使SU-8膠聚合成的高分子鏈達(dá)到一定的長度,且高分子間也沒有達(dá)到一定的纏繞程度,因此在顯影的過程中溶脹了。表面獲得的曝光量在整個(gè)微結(jié)構(gòu)中是最大的,基本可以保證有足夠的小分子參加了聚合,因此在所做的小于最優(yōu)曝光時(shí)間(線寬變化最小的曝光時(shí)間)的情況下,溶脹是造成線寬變化的主導(dǎo)因素,圖1中的變化趨勢也說明了這一點(diǎn)。隨著曝光量的增加,溶脹變得困難,線寬增加也就減少了。而在大于最優(yōu)曝光時(shí)間的情況下,由于有過多的小分子參與了聚合,即過曝光(overdose),使得線寬增大。3.2顯色劑的影響為了證實(shí)以上的解釋,做了實(shí)驗(yàn)C,討論在小于最優(yōu)曝光時(shí)間(350s)的情況下,微結(jié)構(gòu)是否會(huì)溶脹,以及如果溶脹,溶脹和顯影時(shí)間的關(guān)系。從圖2中可以看出,在10min的顯影時(shí)間下,線寬變化很小,而增加顯影時(shí)間后,線寬變化很大。這證明了當(dāng)曝光時(shí)間小于最優(yōu)時(shí),在通常的顯影時(shí)間下線寬是增大的,和實(shí)驗(yàn)A吻合。但是假若適當(dāng)減少顯影時(shí)間,線寬變化會(huì)很小。這說明此時(shí)參加聚合的小分子數(shù)并不是不足,而是聚合形成的高分子結(jié)構(gòu)較為松散,因此在顯影的過程中容易溶脹。但是溶脹產(chǎn)生的線寬變化不會(huì)線性增加,它在達(dá)到一定程度后就會(huì)趨于平緩。3.3不同厚度的濾波片對(duì)測定傾角的影響在加或不加濾波片的光源下,都可以通過控制曝光量并設(shè)置適當(dāng)?shù)娘@影時(shí)間來獲得較小的表面線寬變化。但是由于微結(jié)構(gòu)的頂部比底部所受到的曝光量更大,顯影時(shí)間也更長,那么在不同的光源下,頂部和底部的差異——即微結(jié)構(gòu)的傾角有什么變化呢?通過實(shí)驗(yàn)A,B,D和E得到如圖3所示的傾角變化規(guī)律。從圖3中可以看出,不同光源下傾角的變化規(guī)律是相似的。但是在加了濾波片的光源下曝光,300μm厚的膠可獲得傾角為正角(90.64°)的微結(jié)構(gòu),500μm厚的膠可獲得近似垂直(89.98°)的微結(jié)構(gòu);而由不加濾波片的光源曝光,300μm厚的膠可得到基本垂直(89.90°)的微結(jié)構(gòu),500μm厚的膠的微結(jié)構(gòu)均為倒角。在有無濾波片的情況下,SU-8膠微結(jié)構(gòu)電鏡照片如圖4～圖7所示。微結(jié)構(gòu)傾角會(huì)在一定曝光范圍內(nèi)產(chǎn)生最大值,這是由于頂部和底部因曝光量和顯影時(shí)間不同引起線寬變化造成的。由于底部的感光量小于頂部,使得底部參加聚合的小分子數(shù)目少于頂部,這個(gè)效應(yīng)造成底部的線寬小于頂部線寬,同時(shí)底部聚合產(chǎn)生的高分子結(jié)構(gòu)要比頂部的更為松散,在顯影過程中也更容易溶脹。盡管微結(jié)構(gòu)中頂部接觸顯影液的時(shí)間大于底部,但是溶脹的程度主要是由高分子的空間結(jié)構(gòu)決定的,在一定的顯影時(shí)間后,溶脹不會(huì)再加深,這個(gè)效應(yīng)促使底部的線寬增加而大于頂部。這兩個(gè)效應(yīng)使得在一定的曝光量范圍內(nèi),傾角的變化中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大值。而在變化過程中頂部的線寬變化是影響傾角變化的主導(dǎo)因素。圖3中傾角的最大值均出現(xiàn)在表面線寬變化最小的時(shí)候,并且變化趨勢正好相反。但是加了濾波片的光源獲得的最大傾角要大于不加濾波片的情況,也就是說加了濾波片后,調(diào)整曝光時(shí)間和顯影時(shí)間,300μm厚的膠可得到正角結(jié)構(gòu)(底部線寬大于頂部線寬),500μm厚的膠可得到垂直結(jié)構(gòu)(底部線寬和頂部線寬相等)。而不加濾波片的光源曝光所得到的結(jié)構(gòu)中沒有正角,即底部線寬均小于頂部線寬,為通常所說的倒角(T-top)。這是因?yàn)樵诓煌庠聪马敳亢偷撞康钠毓饬渴遣煌?。曝光量的差異是由于紫外光在SU-8膠中的透光系數(shù)決定的,不同波長的光的透光系數(shù)是不同的,并且隨著SU-8膠的聚合而改變。365nm波長的光在未曝光的SU-8膠中的透光系數(shù)是3998m-1,而在曝光后的SU-8膠中的透光系數(shù)是9868m-1;405nm波長的光在未曝光的SU-8膠中的透光系數(shù)是396m-1,而在曝光后的SU-8膠中的透光系數(shù)是3669m-1。由透光公式I=I0exp(-αx)(1)其中:I0為表面處光強(qiáng),I為距離表面x處光強(qiáng),α為介質(zhì)的透光系數(shù)。對(duì)加或不加濾波片的光源分別從SU-8膠表面每隔10μm計(jì)算該處的光強(qiáng),比較不同厚度處SU-8膠感受到的光強(qiáng)。并將加或不加濾波片的透光光強(qiáng)分布作圖比較,如圖8所示。從圖8中可以看出,不加濾波片的情況下,由于405nm波長光的存在,曝光后光源光線在SU-8膠中的透光性大大小于曝光前。上層膠由于曝光阻擋了越來越多的光,則底部的膠隨著時(shí)間的增加感受到的光強(qiáng)越來越小,這使得頂部和底部的感光強(qiáng)度相差很大,造成了它們之間的曝光量也相差很大,即完全曝光后頂部和底部的光強(qiáng)差為7.7mW/cm2。而加了濾波片之后,消除了405nm波長光的影響,盡管365nm波長光的透光系數(shù)大于405nm波長光,并且曝光前后也有變化,但其引起的頂部和底部的光強(qiáng)差相對(duì)較小,即完全曝光后頂部和底部的光強(qiáng)差為2.3mW/cm2。圖9和圖10分別為加濾波片和不加濾波片的情況下曝光過量時(shí)微結(jié)構(gòu)頂部電鏡照片?？梢钥闯?在不加濾波片的情況下,曝光過量的頂部呈帽子狀,這就是因?yàn)轫敳科毓夂?由于405nm和365nm光的穿透系數(shù)改變引起頂部聚集大量能量造成的頂部過聚合。而在加了濾波片的情況下,由于消除了405nm光的影響,頂部盡管線寬增加,但并未出現(xiàn)帽子結(jié)構(gòu)。正是由于不加濾波片頂部和底部曝光量的差值也很大,使得頂部和底部因聚合程度造成的線寬差異也很大,盡管底部的溶脹效應(yīng)大于頂部,但并不足以彌補(bǔ)前者的差異。因此不加濾波片的情況下,底部的線寬變化不會(huì)大于頂部,即不會(huì)出現(xiàn)正角。而在加了濾波片后頂部和底部的曝光量差異減小,底部的線寬增加有可能會(huì)大于頂部,即300μm厚的膠在300s～400s曝光范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)正角。500μm厚的膠其頂部和底部的曝光差異相對(duì)較大,沒有出現(xiàn)正角,但是在580s～620s曝光范圍內(nèi)微結(jié)構(gòu)接近垂直。4用紫外曝光技術(shù)制造的深寬比,提高了比的確定和確定比采用SU