紫外線厚膠光刻技術(shù)在3d微機(jī)械結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

紫外線厚膠光刻技術(shù)在3d微機(jī)械結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

1微機(jī)械工藝研究近年來，以固體傳感器和微執(zhí)行器為主導(dǎo)的微機(jī)械技術(shù)發(fā)展迅速，在力敏傳感器和加速傳感器領(lǐng)域取得了突破。由于MEMS結(jié)構(gòu)的特殊性,在傳統(tǒng)的IC工藝基礎(chǔ)上研究與之相適應(yīng)的新工藝是MEMS持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。其中,紫外厚膠光刻工藝作為高深寬比微機(jī)械制造的關(guān)鍵工藝,成為微機(jī)械工藝研究中熱點(diǎn)。目前,紫外厚膠光刻中采用的光刻膠主要有正性光刻膠AZ系列和負(fù)性光刻膠SU-8系列,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),THB-138N等厚光刻膠的紫外光刻工藝研究也有報道。研究表明,紫外厚膠光刻的圖形質(zhì)量與膠膜制備過程及光刻工藝參數(shù)的選取有關(guān)。本文研究了AZ4620和SU8-50兩種光刻膠的紫外光刻工藝,對兩種光刻膠的工藝參數(shù)和圖形質(zhì)量進(jìn)行了對比,并介紹了紫外厚膠光刻在MEMS領(lǐng)域中的應(yīng)用。2紫外厚膠光刻的工藝2.1紫外厚膠光刻的工藝過程由于AZ系列光刻膠的粘度較低,一次勻膠無法制備較厚的膠膜,因此我們在膠膜的制備過程中采用了多次勻膠的方法。勻膠時采用KarlSuss公司生產(chǎn)的RC-8型勻膠機(jī)。紫外厚膠光刻的工藝過程為:1)烘片,熏接觸劑;2)勻第一次膠;3)前烘第一次勻膠的膠膜,溫度50℃,時間為1h;4)去厚膠邊;5)熱板前烘1h,熱板定值76℃;6)勻第二次膠;7)前烘兩次勻膠的膠膜,采用多步烘膠的過程,50℃烘1h,80℃烘1h;8)自然冷卻;9)曝光,顯影。曝光時采用的設(shè)備是德國KarlSuss公司生產(chǎn)的MA-6雙面對準(zhǔn)光刻機(jī)。2.2熱板前烘冷卻勻膠設(shè)備采用國產(chǎn)的KW-4A型勻膠機(jī)。工藝過程如下:1)烘片,勻膠;2)熱板前烘6min,前烘溫度88℃;3)冷卻;4)曝光;5)熱板中烘90s,中烘溫度90℃;6)顯影;7)漂洗,用乙酸丁酯漂洗1min;8)后烘,熱板定值90℃。3結(jié)果與討論3.1金加入降低底膜的影響實驗中制備的AZ4620膠膜厚度約為90μm。由于AZ4620的感光度較低,因此曝光時大部分能量被上層光刻膠所吸收,引起下層光刻膠曝光不足,形成較厚的底膜,如圖1所示。我們試圖通過增加曝光時的光通量,增加顯影時間等方法去除殘余底膜,改善圖形效果。實驗表明,增加顯影時間,不能有效地去除較厚的底膜,反而會造成光刻膠的溶脹,使光刻圖形擴(kuò)大變形,降低分辨率;增加光通量,雖然可以將膠膜曝透,但膠膜底部的曝光不夠,光刻圖形呈倒梯形,側(cè)壁陡直度較差。3.2厚膠膠光刻膠的制備采用SU8-50的紫外厚膠光刻工藝,得到了高深寬比、高陡直度的光刻圖形,如圖2所示。膠膜厚度約為110μm,深寬比約為10,側(cè)壁陡直度可達(dá)到85°以上。結(jié)果表明,SU-8的膠膜厚度隨著勻膠時轉(zhuǎn)速的降低而增加。根據(jù)膜厚的變化,其前烘、曝光、顯影等工藝條件也應(yīng)作相應(yīng)的調(diào)整,如表1所示。膠膜厚度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖3所示。上述結(jié)果表明,在SU-8的厚膠光刻實驗中,使用較低的光通量就可以將SU8-50的膠膜曝透,說明SU-8光刻膠對紫外光的感光性較AZ系列光刻膠好。此外,SU-8的紫外厚膠光刻工藝過程簡單,可以形成高深寬比,分辨率較高,陡直度好的厚膠圖形,為三維微機(jī)械器件的構(gòu)造提供了有力的保證。4結(jié)構(gòu)與光刻膠光刻技術(shù)在微機(jī)械制造技術(shù)中,紫外厚膠光刻技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。主要表現(xiàn)在:(1)用厚膠直接作為MEMS器件的結(jié)構(gòu),光刻膠的圖形化過程需要紫外厚膠光刻技術(shù)。圖4是采用SU-8作為結(jié)構(gòu)的微光開關(guān)。垂直結(jié)構(gòu)的微光鏡由厚膠直接光刻形成,為了增加微光鏡的反射率,在光刻膠表面沉積了一層Au/Cr。采用光刻膠直接制造MEMS的結(jié)構(gòu),可以提高定位的精確度,實現(xiàn)較高的深寬比。(2)通過紫外厚膠光刻,用厚光刻膠作為犧牲層,可以制作膜結(jié)構(gòu)和懸臂梁結(jié)構(gòu)的MEMS器件。其中,正性光刻膠可以溶于丙酮溶液,是一種常見的犧牲層材料。(3)作為濕法刻蝕的掩膜層。SU-8經(jīng)高溫過程,會形成交聯(lián)的大分子物質(zhì),具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性,可以作為體硅工藝中濕法刻蝕的掩膜層。(4)采用厚光刻膠作為電鍍的模型,制作非硅材料的三維MEMS器件。紫外厚膠光刻技術(shù)與LIGA技術(shù)相結(jié)合而形成的UV-LIGA技術(shù),是高深寬比微機(jī)械加工技術(shù)HARMST(High-aspect-ratiomicrosystemstechnology)的關(guān)鍵工藝。采用厚光刻膠作為電鍍的模型,可以制造具有高深寬比、結(jié)構(gòu)精細(xì)、側(cè)壁陡峭、表面光滑的三維微機(jī)械器件,如微機(jī)械馬達(dá)等。在前面工藝研究的基礎(chǔ)上,我們將SU8-50的紫外厚膠光刻技術(shù)用于三維MEMS電感的膠結(jié)構(gòu)模型的制作工藝中,圖5是三維微機(jī)械電感的膠結(jié)構(gòu)模型。采用SU8-50作為模型,通過后序電鍍工藝,可以制作出三維結(jié)構(gòu)的電感線圈。5性光刻膠的制備本文對AZ系列和SU-8系列光刻膠的紫外厚膠光刻工藝進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,AZ系列正性光刻膠對紫外光的感光性較差,膠膜的制備