su-8膠工藝的研究

su-8膠工藝的研究

1用光刻膠制作的零件su-8粘合劑是一種環(huán)保、近紫外、負(fù)光刻膠。它是以su-8環(huán)氧樹脂（來源于橡膠工業(yè)）為基礎(chǔ)的。由于平均一個(gè)分子中含有8個(gè)環(huán)氧基,所以名稱中包含“8”。目前已經(jīng)商業(yè)化的SU-8膠有美國的MicrolithographyChemical公司生產(chǎn)的SU-8系列光刻膠,如SU8-5和SU8-50,以及瑞士SotecMicrosystems公司生產(chǎn)的SM系列光刻膠。SU-8膠專門用于在非常厚的底層上需要高深寬比的應(yīng)用。此光刻膠在近紫外光范圍內(nèi)光吸收率低,這使得它在整個(gè)光刻膠厚度上都有較好的曝光均勻性。即使膜厚達(dá)1000μm,所得到的圖形邊緣仍近乎垂直,深寬比可達(dá)50:1。因此對于整個(gè)結(jié)構(gòu)的高度可以有一個(gè)很好的尺寸控制。SU-8膠可用環(huán)氧樹脂SU-8溶解在有機(jī)溶劑GBL(gamma-butyrolactone百萬分之一克的丁內(nèi)酯)。溶劑的數(shù)量決定了粘度,從而也決定了光刻膠可能的厚度范圍。最后,光引發(fā)劑三苯基硫鹽(環(huán)氧SU-8重量的10%)被混合在樹脂中。SU-8膠另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在前烘中它的自平整能力,因此也去除了邊緣的水珠效應(yīng)。結(jié)果在接觸式光刻中使掩模版和光刻膠之間有良好的接觸。該膠經(jīng)100℃以上固化后,已經(jīng)交聯(lián)的SU-8具有良好的抗腐蝕性,熱穩(wěn)定性大于200℃,因而可以在高溫、腐蝕工藝中使用。例如能在高溫下抵御PH=13的強(qiáng)堿性電鍍液。同時(shí)SU-8成膜材料具有良好的物理及光塑化特性,其本身也可以制作微型的零件。SU-8的光刻機(jī)理簡述如下:光刻膠中的光引發(fā)劑吸收光子發(fā)生了光化學(xué)反應(yīng),生成一種強(qiáng)酸,其作用是在中烘過程中作為酸催化劑促進(jìn)交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生。只有曝光區(qū)域的光刻膠中才含有強(qiáng)酸,而未曝光的區(qū)域則沒有這種強(qiáng)酸的存在。在隨后的中烘過程中,曝光區(qū)域在強(qiáng)酸的催化作用下,分子發(fā)生交聯(lián)。交聯(lián)反應(yīng)以鏈?zhǔn)皆鲩L,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)。如前所述,每個(gè)環(huán)氧基平均“預(yù)連接”有另外7個(gè)環(huán)氧基,再經(jīng)擴(kuò)展交聯(lián)就形成了致密的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)不溶于顯影液中。而未經(jīng)曝光的區(qū)域,光刻膠未發(fā)生交聯(lián),則溶于顯影液中,因此顯影后形成了掩膜板的反圖形。2曝光時(shí)間和曝光溫度對圖形質(zhì)量的影響SU-8膠具有許多優(yōu)異的性能,可以制造數(shù)百μm甚至1000μm厚、深寬比可達(dá)50的MEMS微結(jié)構(gòu),在一定程度上代替了LIGA技術(shù),而成本大大降低,成為近年來研究的一個(gè)熱點(diǎn)。但眾所周知,SU-8對工藝參數(shù)的改變非常敏感,且固化厚的光刻膠難以徹底的清除。這些工藝參數(shù)包括襯底類型、基片預(yù)處理、前烘溫度和時(shí)間、曝光時(shí)間、中烘溫度和時(shí)間、顯影方式和時(shí)間等。在這些工藝參數(shù)中,我們選擇前烘溫度和時(shí)間、中烘溫度和時(shí)間、曝光時(shí)間及顯影時(shí)間進(jìn)行了研究,得到如下的結(jié)論:1)前烘的溫度較低時(shí),成品率較高。但是升高前烘溫度有利于減小光刻膠圖形于掩模板圖形線寬差。對于陽圖形,由于存在成品率不高的問題,因此可采用較低的前烘溫度。但一般應(yīng)高于80℃。對于陰圖形,其主要問題則是光刻膠交聯(lián)不足使曝光區(qū)域會(huì)發(fā)生開裂現(xiàn)象,因此應(yīng)該采用較高的前烘溫度來增加交聯(lián)度,以改善線形;但不宜超過95℃,因?yàn)榍昂鏈囟忍邥?huì)減弱光引發(fā)劑的感光性,反而影響其光化學(xué)反應(yīng),使生成的酸催化劑的量減少,交聯(lián)度降低。2)對于同一圖形,隨曝光時(shí)間的增加,陽圖形線寬偏差單調(diào)遞增,陰圖形線寬偏差單調(diào)遞減。即陽圖形線寬將大于掩模板圖形線寬,陰圖形線寬將小于掩模版圖形,且隨曝光時(shí)間增加此偏差逐漸拉大,同一圖形的陰陽板線寬偏差幾乎對稱。其原因是曝光時(shí)間短時(shí),光引發(fā)劑反應(yīng)產(chǎn)生的酸催化劑少,光刻膠交聯(lián)不足,受熱后由于部分曝光區(qū)域邊緣的膠在被顯影液也溶解掉了。因而,陽圖形的線寬大于掩模板圖形線寬,而陰圖形則相反。隨曝光時(shí)間的增加,交聯(lián)變的充分,因而線寬偏差將減小。3)中烘溫度應(yīng)控制在70~90℃之間,隨溫度的升高,圖形開裂程度逐漸減弱,80℃以上就可以達(dá)到較好的效果。中烘時(shí)間則應(yīng)根據(jù)光刻膠的厚度及曝光時(shí)間來控制,光刻膠越厚,曝光時(shí)間短時(shí),中烘的時(shí)間應(yīng)長,這樣可使交聯(lián)變得充分,開裂也會(huì)越少。但超過一定的時(shí)間限度,作用也不明顯了。4)顯影的時(shí)間以不超過20min為宜,且加噪聲顯影的質(zhì)量要優(yōu)于不加時(shí)的。5)在前烘時(shí)間、曝光時(shí)間、中烘時(shí)間及顯影時(shí)間這四個(gè)參數(shù)中,其對最終圖形的質(zhì)量影響所占的比例并不一樣。其中,前烘時(shí)間和顯影時(shí)間是影響圖形分辨率及高深寬比的最主要的參數(shù)。而曝光時(shí)間和中烘時(shí)間的影響則較小。而隨著光刻膠厚度的增加,顯影時(shí)間對圖形質(zhì)量影響所占的比重也越來越大。其原因是更多的光刻膠需要顯影了,因此這就需要更精確的控制曝光時(shí)間。另外隨著結(jié)構(gòu)的變厚,顯影液滲透到光刻膠的底部將變得困難,這使得顯影液的效率降低。在這四個(gè)參數(shù)中,前烘時(shí)間是最重要的因素之一。其原因在于前烘的作用是除去溶劑,增大光引發(fā)劑在光刻膠中的比例,而時(shí)間短時(shí),溶劑去除的較少,單位體積內(nèi)光引發(fā)劑所占的百分比較小,曝光后曝光區(qū)域產(chǎn)生的酸催化劑就較少,中烘后交聯(lián)就不完全,大大影響圖形的質(zhì)量。如果時(shí)間較長,則因中烘后交聯(lián)度過大,內(nèi)應(yīng)力也較大,對襯底的附著力較小,成品率不高。對于曝光時(shí)間,當(dāng)曝光時(shí)間太短時(shí),產(chǎn)生的酸催化劑的量就不夠,即使在適當(dāng)?shù)闹泻鏃l件下所有的酸催化劑都發(fā)生了反應(yīng),光刻膠的交聯(lián)密度也不高,因此,適當(dāng)?shù)钠毓鈺r(shí)間是保證圖形質(zhì)量的首要因素之一。3問題和討論在實(shí)驗(yàn)中也存在著一些問題,其中最主要的是基片彎曲及交聯(lián)后的光刻膠難以徹底的去除干凈的問題。1冷卻階段不同的缺陷產(chǎn)生應(yīng)力在SU-8的厚膠工藝中存在的一個(gè)很大的問題是內(nèi)應(yīng)力和熱應(yīng)力都很大,導(dǎo)致基片發(fā)生了彎曲,這樣就使得光刻膠圖形發(fā)生了較大的變形,圖形無法經(jīng)受顯影液的的腐蝕大量脫落。下面分析一下應(yīng)力的來源。在前烘階段,由于晶片和SU-8膠的熱膨脹系數(shù)不同,產(chǎn)生了小的拉伸應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力很小,因?yàn)樵谇昂娴睦鋮s階段,SU-8分子鏈在沒有交聯(lián)的光刻膠中發(fā)生了重排。晶片的這種小彎曲在接觸式光刻中非常有用,這是因?yàn)楹玫难谀０寤蚓佑|可以得到保證。當(dāng)光刻膠的厚度與晶片的厚度可比較時(shí),這個(gè)應(yīng)力會(huì)很高,從而使晶片彎曲。曝光階段只是光引發(fā)劑發(fā)生了光化學(xué)反應(yīng),并不引入應(yīng)力。在中烘階段,在交聯(lián)后的SU-8膠冷卻的過程中,產(chǎn)生了主要的應(yīng)力。一方面是因熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力;另一方面也是最主要的是,光刻膠聚合所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。由于在中烘的冷卻階段,交聯(lián)后的光刻膠分子鏈較長,大分子無法進(jìn)行大的重排,應(yīng)力就無法消解,導(dǎo)致基片發(fā)生了彎曲。簡而言之,涂有SU-8膠的晶片彎曲(應(yīng)力)可以通過下面四種措施降低:(1)降低中烘的溫度同時(shí)增加中烘的時(shí)間。(2)用厚硅片來代替薄硅片,前者承受應(yīng)力的能力比后者要強(qiáng)得多,彎曲變形也要小得多。(3)若用薄硅片做實(shí)驗(yàn),在前烘后可用金剛刀切成4~8小片。(4)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)掩模板以降低曝光區(qū)域。2單片硅片的制備SU-8厚膠工藝中存在的另外一個(gè)問題是高度交聯(lián)后的光刻膠難以去除徹底,尤其是經(jīng)過電鑄工藝以后,專用的SU-8去膠劑無能為力,因此在實(shí)驗(yàn)中我們初步探索了SU-8膠的去除工藝。對于交聯(lián)面積大的SU-8膠,可以采用熱丙酮加熱數(shù)小時(shí),使得SU-8膠充分溶脹,再用超聲振蕩,破壞膠膜與襯底之間的結(jié)合力,可以去除SU-8。交聯(lián)的光刻膠并不是在熱丙酮當(dāng)中溶解了,而是以一層膜的形式脫落下來,去除效果較好。對于殘留在底部的少量SU-8膠可以采用RIE刻蝕的方法除去。刻蝕的具體工藝條件如下:刻蝕氣體:O2=25sccmRFPower:25Watt工作氣壓:40mTor自偏壓:140Volt刻蝕時(shí)間:10min在刻蝕當(dāng)中尤其要注意的是刻蝕時(shí)間不能過長,刻蝕功率不能過大,否則SU-8膠容易發(fā)黑、變性,則會(huì)更加難于除去。而試驗(yàn)中最難于除去的則是間隔開來、殘留在微孔隙中的SU-8膠,采用熱丙酮超聲或者是反應(yīng)離子刻蝕的方法均難以除去。下圖即為DNA芯片模具當(dāng)中殘留在微孔隙中的SU-8膠的電鏡照片,由圖可見采取以上兩種方法都難以徹底除掉SU-8膠。對此種情況,應(yīng)采取高溫灰化法。用高溫?zé)颇＞邅沓z,其后再把片子用熱丙酮超聲清洗,取得了較好的效果。但是此種方法只適用于金屬模具除膠,而硅片等不適用,因此在實(shí)際應(yīng)用中有極大的局限性。下圖為此法處理后的DNA芯片模具電鏡照片。對200μm厚的SU-8光刻膠的硅片甩膠,曝光及顯影建議工藝條件如下:(1)低速的、短時(shí)間的甩膠(200μm/s),用傳統(tǒng)的甩膠臺(tái)。(2)1h的95℃前烘。(3)近紫外光(400nm)曝光,接