su8膠的制備及其在mems中的應用

su8膠的制備及其在mems中的應用

1非硅結構加工納米作物科的技術使人們在自然轉換中進入了一個新水平。開發(fā)物質潛在信息和結構潛力,將使單位體積物質儲存和處理信息的能力實現(xiàn)又一次飛躍,導致人類認識和改造自然能力的重大突破。微機電系統(tǒng)(MEMS)是微米/納米技術的重要組成部分,是微米/納米技術當前發(fā)展重點之一。微型化和集成化是MEMS發(fā)展的一個重要趨勢。MEMS的飛速發(fā)展是與其相關的微細加工技術分不開的,微電子集成工藝是其基礎。目前較常用的加工技術主要有、表面加工技術、體加工技術、高深寬比加工技術、組裝與鍵合技術以及超精密機械加工技術等。三維的微結構在微系統(tǒng)中有著重要的應用,如微型傳感器、微型致動器、微型飛行器、非球面微光學鏡頭的加工、三維管道等。三維微細加工主要有Step-By-Step、準分子激光加工、LIGA、UV-LIGA、體硅加工技術、DRIE等。目前高深寬比的三維結構研究取得了很大的進展。國際上專門成立了學會HARMST(HighAspectRatioMicostructureTechnology)來探討這一技術的進展。這種結構不具有復雜的曲面,其側壁由直線構成,端面為任意曲線。具有上述特征的三維結構在MEMS中占很大比例,而且有很大的用處,如加速度傳感器、微齒輪、微棱鏡等。高深寬比是這一技術的主要指標。目前有多種技術可以用于MEMS中高深寬比加工,如反應離子刻蝕和感應耦合等離子體可獲得數(shù)十微米,甚至數(shù)百微米深度的臺階。但它們主要針對于硅材料。對于非硅材料的加工。LIGA技術被認為是可得到最佳高深寬比的微加工技術,加工寬度為幾微米到上千微米,且可實現(xiàn)微器件的批量生產(chǎn)。它是X光深度光刻、微電鑄和微復制三種工藝的有機結合。但LIGA需要昂貴的同步輻射光源和特制的掩模板。多種基于LIGA技術同樣設計思想的高深寬比微加工方法先后被提出并得到重視。有一種觀點認為,高深寬比微結構加工的重大商業(yè)機會首先出現(xiàn)在低成本的準LIGA加工領域。目前最具實用價值的是UV-LIGA技術。圖1為UV-LIGA技術示意圖。它的特點主要有以下幾方面。(1)利用標準紫外光刻設備和掩膜版;(2)易于IC集成;(3)可實現(xiàn)非硅的高深寬比微結構。UV-LIGA技術不需要專用的設備,它是建立在集成電路工藝的基礎上,只需使用厚膠來實現(xiàn),因此具有投入小的優(yōu)點。目前常用的厚膠主要有正膠(AZ4903,AZPLP100XT,)和負膠(SU-8,JSRTHB-430N),而基于SU-8膠的UV-LIGA是當今的研究熱點。2用u-8膠組成表征SU-8膠是一種負性、環(huán)氧樹脂型、近紫外線光刻膠。它是基于EPONSU-8環(huán)氧膠(最初由ShellChemical開發(fā))和IBM專利(USPatentNo.4882245(1989))發(fā)展而來的。SU-8膠在近紫外光范圍內光吸收度低,故整個光刻膠層所獲得的曝光量均勻一致,可得到具有垂直側壁和高深寬比的厚膜圖形;它還具有良好的力學性能、抗化學腐蝕性和熱穩(wěn)定性;由于它是負性光刻膠,可以形成臺階等結構復雜的圖形;SU-8膠不導電,在電鍍時可以直接作為絕緣體使用。由于它具有較多優(yōu)點,SU-8膠正被逐漸應用于MEMS、芯片封裝和微加工等領域。SU-8膠是由多功能團、多分支的有機環(huán)氧膠溶于有機液中,并加入光催化劑而成的,其理想結構式如圖2所示。由于其典型結構中含有八個環(huán)氧團,因此稱為SU-8膠。目前主要該產(chǎn)品主要由MicroChem公司提供。表1為MicroChem公司SU-8的一些特性。目前已有了2000系列的SU-8膠。3主要應用[8、9、10、11、12、13、14、15、16、17和18]由于SU-8膠的上述特性,SU-8膠已在多個研究領域獲得應用。(1)齒輪傳動機構由于SU-8膠可以形成厚膠層,通過光刻可以得到三維微結構,經(jīng)電鑄及其它材料的填充,可得到一批金屬及其它材料的微結構。圖3為一個齒輪傳動機構。通過套刻技術可得到一些臺階結構,如圖4所示。(2)射頻元件集成隨著微電子技術的飛速發(fā)展,微機電系統(tǒng)的發(fā)展已逐步滲透到無線通訊領域。目前通訊工程中仍存在有大量射頻(RF)技術必不可少的片外分離單元,使系統(tǒng)占有較大的空間尺寸。這些無源元件由于常規(guī)集成方法難以將它們集成在系統(tǒng)芯片中,從而影響了整機系統(tǒng)的進一步集成和性能的提高。為了滿足這些要求,射頻元件應該集成化,同時電容、電感、振蕩器和濾波器還應該具有足夠高的品質因數(shù)(高Q值),傳輸線、開關等在阻抗匹配、插入損耗和隔離度等方面應該滿足一定的要求。圖5為一微電感。(3)光學主要利用SU-8的高深寬比及透光性等特點,研制一些微型光學元器件,如微透鏡、微棱鏡以及SNOM的探針尖(圖6)等。(4)生物芯片生物芯片(Bio-chip)技術是近年發(fā)展起來的新型實用技術,已成為高效、大規(guī)模獲取相關生物信息的重要手段。所謂生物芯片就是縮小了的生物化學分析器,通過芯片上微加工獲得的微米結構和生物化學處理結合,將成千上萬個與生物相關的信息集成在一塊厘米見方的氧化硅、玻璃或塑料等材質制成的芯片上。利用SU-8膠可制多層微管道(圖7),也有利用SU-8制模具來制備微流控芯片(圖8)。(5)其他目前也有一些研究者利于SU-8的一些特性,應用在其它領域。如在封裝上制備焊球,利用SU-8做微器件的絕緣層,以及紅外濾波器等。4創(chuàng)新與應用效果上海交通大學微納米科學技術研究院建有微米/納米加工技術國家級重點實驗室(聯(lián)合)和薄膜與微細技術教育部重點實驗室,具有很強的微細加工能力,擁有多種金屬及介質磁控濺射射機、雙面光刻機、厚膠甩膠臺、反應離子刻蝕機、俄歇能譜儀、程控烘箱、兆聲顯影機、多種微細電鑄系統(tǒng)、真空模壓機、電化學分析儀、掃描電鏡、臺階儀、三維顯微鏡、激光加工等600多萬美元微細加工設備。先后研制出直徑2mm和1mm的電磁微馬達、18mm的微型直升飛機、2mm的減速器、以及微泵和微型車等?！皩嵱秒姶判臀ⅠR達關鍵技術開發(fā)”獲得2000年度國家發(fā)明二等獎。上海交通大學微納米科學技術研究院在三維微細加工技術方面有多年的技術積累,特別在基于LIGA和準LIGA技術的非硅三維微加工技術和高深寬比微結構方面有獨特的技術和經(jīng)驗。我院即時跟蹤了基于SU-8的UV-LIGA技術,是國內最早開展UV-LIGA技術的研究單位之一。目前在基于SU-8的UV-LIGA取得一些成果,如圖9的微結構深寬比大于20,且側壁垂直,線條精度高;在去膠方面的研究取得了可喜的進展;開展了兆聲顯影技術,有利于形成深孔和微槽;利用程控烘箱來減少光刻膠內應力方面積累了豐富的經(jīng)驗。在工藝研究的基礎上,我們研制了一些器件。圖10為厚度為500μm的微齒輪,圖11為一平面微彈簧,圖12為一利用微彈簧的微機械開關,圖13為一組微透鏡,圖14為裸光纖夾持器,圖15為一微電感的局部照片,圖16為一模壓后的微通道和封裝后的微流控芯片。由于限于篇幅,這里不一一介紹。實際應用中,SU-8膠對工藝參數(shù)的改變非常敏感,各文獻描述的參數(shù)差別很大。甩膠、前烘溫度和時間、曝光時間和強度、PEB的時間和溫度、顯影方式和時間、襯底材料等工藝對SU-8膠的圖形質量都有不同程度的影響。因此需根據(jù)各自的實驗條件來優(yōu)化實驗參數(shù)。另一方面,SU-8電鑄后去膠仍面臨一些問題