微納加工工藝的設(shè)計流程圖

1、. .14/14高通量微流控器件的設(shè)計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，其作用是在一個平面上有選擇性的阻擋紫外光的通過，從而實現(xiàn)光刻膠的局部曝光。掩模的圖形與尺度由計算機設(shè)計完成，常用的設(shè)計軟件有L-edit（目前最新版本為10.0）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。掩模有時也被稱作原圖或光刻版。當(dāng)分辨率要求不高時，掩模可用簡單的方法來制備。最常用的方法是使用高分辨率的激光照排機（3000dpi以上）將圖形打印在透明膠片上，這種方法的誤差一般為3-7m，視激光照排機的精度而定。當(dāng)圖形的尺度為10m量級時，

2、此法制成的掩?？山埔暈榫_。使用激光照排機的優(yōu)點在于設(shè)備易得，一般的就有可以滿足要求的機器；并且制作過程很簡單，只需要一步打印。圖1 采用L-edit設(shè)計的模版圖。通過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)100nm甚至10nm級。這種掩模版為金屬掩模，所以不論是精度、壽命還是使用時的方便程度，均要優(yōu)于打印方法制成的模版。但它的缺點也十分明顯：成本非常高（一塊模版通常要上千元人民幣），并且制作周期時間長。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溶劑中的光敏聚合物或預(yù)聚合物

3、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)與物理化學(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，它們在曝光時發(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，它們在曝光時聚合物發(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)比正光膠相對簡單。例如Minsk于1954賣給Eastman Kodak公司的專利，應(yīng)用的是聚乙烯醇肉桂酸酯中的

4、肉硅酸部分的雙鍵對紫外線敏感，雙鍵之一被打開后形成雙游離基，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，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。我們實驗室常用的負(fù)光膠是國產(chǎn)的BP系列，特點是光膠?。?-3m），附著力極好，分辨率高，但缺點是難去除。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，因為平均一個單體分子中含有8個環(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、硬質(zhì)、光敏的獨特性質(zhì)，在微加工

5、材料中獨樹一幟。主要特點如下：高機械強度；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)光透過率高，因而在厚膠上仍有很好的曝光均勻性，即使膜厚達(dá)100m，所得到的圖形邊緣仍近乎垂直，深寬比可達(dá)50：1。圖2 SU-8單體的典型結(jié)構(gòu)。SU-8是機理和材料完全不同的一類負(fù)光刻膠。該膠可溶于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，不同的型號可合適做不同的厚度，最常見的是10m到100m。引發(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)100oC以上固化后，交聯(lián)的SU-8有較強的抗腐蝕

6、性，熱穩(wěn)定性大于200oC。高溫下可耐pH值13的堿性溶液的侵蝕。SU-8的光反應(yīng)機理：光刻膠中的光引發(fā)劑吸收光子發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，生成一種強酸，其作用是在中烘過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酸，未曝光區(qū)域則不含有。交聯(lián)反應(yīng)鏈?zhǔn)皆鲩L，每一個環(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PGMEA中。b.正光膠正光膠的有關(guān)技術(shù)主要來自含氮染料、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

7、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引發(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)，釋放出氮氣，在顯影過程中無法再發(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，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。通常原理可用圖3表示：圖3 正光膠的有關(guān)化學(xué)反應(yīng)。我們實驗室常用的正光膠有A

8、Z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（10-60m厚）；AZ5214則為薄膠（1-3m），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)前烘時間后烘時間光刻機光強曝光時間平均高度65956595SU-8 30052339%10500rpm1min4min1min3min20wcm70sec9.6m301000rpmSU-8 30052222%10500rpm1min4min1min2min20.8wcm65

9、sec8m301500rpmSU-8 30052420%10500rpm1min4min1min2min20.8wcm60sec6.95m302000rpmSU-8 30052420%10500rpm1min3min1min2min20.8wcm55sec5.6m302500rpmSU-8 30052230%10500rpm1min3min1min2min20wcm50sec5.05m303000rpmSU-8 30052326%10500rpm1min3min1min2min20wcm45sec4.4m303500rpmSU-8 30052324%10500rpm1min3min1min2m

10、in21.7wcm38sec3.65m304000rpm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)(兩步程序)前烘時間后烘時間光刻機光強曝光時間平均高度65956595SU-8 30102120%10500rpm2min10min1min4min17.3wcm100sec18.4m301000rpmSU-8 30102320%10500rpm2min10min1min4min18wcm95sec14.3m301500rpmSU-8 30102420%10500rpm1min9min1min3min18wcm90sec12.1m302000rpmSU-8 30102420

11、%10500rpm1min4min1min2min18wcm85sec10.7m302500rpmSU-8 30102252%10500rpm1min4min1min2min17.8wcm80sec9.6m303000rpmSU-8 30102344%10500rpm1min4min1min2min18.3wcm75sec9m303500rpmSU-8 30102346%10500rpm1min3min1min2min18.3wcm70sec8.1m304000rpm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)(兩步程序)前烘時間后烘時間光刻機光強曝光時間平均高度6595

12、6595SU-8 30252330%10500rpm2min20min1min5min19.1wcm170sec76.15m301000rpmSU-8 30252421%10500rpm2min17min1min9min23.2wcm150sec49m301500rpmSU-8 30252260%10500rpm2min15min1min5min16wcm135sec42.5m302000rpmSU-8 30252424%10500rpm2min8min1min5min20.7wcm115sec31m302500rpmSU-8 30252222%10500rpm2min6min1min4min

13、20.7wcm90sec25.8m303000rpmSU-8 302525不詳(不到20%)10500rpm2min5min1min3min19wcm80sec22m303500rpmSU-8 302522不詳(不到20%)10500rpm1min3min1min2min19wcm65sec19m304000rpm光刻標(biāo)定相關(guān)數(shù)據(jù)（SU-8 3050）膠型環(huán)境溫度環(huán)境濕度涂膠轉(zhuǎn)數(shù)(兩步程序)前烘時間后烘時間光刻機光強曝光時間平均高度65956595SU-8 30502052%10500rpm2min25min1min7min18wcm230sec182.4m301000rpmSU-8 3050

14、2342%10500rpm2min20min1min6min19.5wcm190sec82.45m301500rpmSU-8 30502220%10500rpm2min15min1min5min18wcm160sec72.4m302000rpmSU-8 30502322%10500rpm2min15min1min5min18.8wcm130sec57.85m302500rpmSU-8 30502424%10500rpm2min15min1min5min19.2wcm100sec45.15m303000rpmSU-8 30502220%10500rpm2min15min1min5min19.9w

15、cm90sec35.65m303500rpmSU-8 30502320%10500rpm2min15min1min5min18.3wcm80sec35.45m304000rpm光膠的涂布光膠的均勻涂布是通過甩膠機完成的。先將基片（通常是硅片襯底）置于甩膠機的轉(zhuǎn)盤上，基片在真空的作用下被吸在盤上。液體光刻膠被置于基材的中間?；谵D(zhuǎn)動盤的帶動下快速旋轉(zhuǎn)，一般先用較低速運轉(zhuǎn)數(shù)秒使膠散開，然后再以高速運轉(zhuǎn)使膠在離心力的作用下均勻的覆蓋在基片上，此過程稱旋涂（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)烘烤的溫度和時間、光膠的施加量與環(huán)境溫度也有一定影響。甩膠通

16、常要在超凈間進(jìn)行，否則有兩個原因可以導(dǎo)致缺陷：甩膠和曝光時空氣中的微塵顆粒和液體光膠中含有沾污的顆粒。超凈間微塵的數(shù)量一般為千級(每立方英尺空氣中的直徑大于0.5m的微粒數(shù)低于1000個)，局部為百級，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，這會影響甩膠的厚度均一性，同時也會增大顯影的難度。解決的方法為在硅片上預(yù)先涂上一層物質(zhì)，使光膠的附著力增強。對于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。光刻與顯影光膠涂布后，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

17、汞燈，且具有X-Y方向的對位功能，簡易式的可只需一個汞燈光源。圖4北大微流與納米技術(shù)中心的紫外曝光機。經(jīng)過光刻，可將掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。具體過程為，在曝光間，將前烘好的基片置于曝光臺上，再將掩模置于其上。之后進(jìn)行紫外曝光，曝光機在曝光的區(qū)域光強的誤差一般會小于5%，這使得整個基片上的光刻膠可以均勻的進(jìn)行曝光。曝光時間一般由光膠厚度決定。如圖5所示：圖5 光刻膠對掩模上圖形的轉(zhuǎn)移。曝光后的光膠經(jīng)過顯影就完成了對掩模上圖形的轉(zhuǎn)移。使用正光膠時，顯影得到的圖形與所用掩模的圖像一樣；使用負(fù)光膠時，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率梯度的濾光片還可能

18、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，顯影后有時要進(jìn)行定影和后烘烤，以保證圖形的平整度和堅固性?？偨Y(jié)：光刻工藝：光刻前首先把硅片放在195熱板上烘烤5分鐘，目的是烘干水分。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。使用臺階儀對高度進(jìn)行進(jìn)一步測定，以與記錄PDMS的塑模聚二甲基硅氧烷（polydimethylsilicone）簡稱PDMS，俗稱硅橡膠，是當(dāng)前應(yīng)用最多的微流芯片材料之一。PDMS由于具有獨特的彈性，良好的透光性，高介電性，化學(xué)惰性，無毒，容易加工，價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對300nm以上的光有很好的光透性。圖6 PDMS聚合后的分子式和實物A膠（單體）與B膠（膠聯(lián)劑）。通過控制單體和交聯(lián)劑的比例可以調(diào)節(jié)PDMS的硬度。通常，交聯(lián)劑的比例越高，硬度越大。將攪勻