su8膠的制備及其在mems中的應(yīng)用

su8膠的制備及其在mems中的應(yīng)用

1非硅結(jié)構(gòu)加工納米作物科的技術(shù)使人們在自然轉(zhuǎn)換中進(jìn)入了一個新水平。開發(fā)物質(zhì)潛在信息和結(jié)構(gòu)潛力,將使單位體積物質(zhì)儲存和處理信息的能力實(shí)現(xiàn)又一次飛躍,導(dǎo)致人類認(rèn)識和改造自然能力的重大突破。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是微米/納米技術(shù)的重要組成部分,是微米/納米技術(shù)當(dāng)前發(fā)展重點(diǎn)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(guān)的微細(xì)加工技術(shù)分不開的,微電子集成工藝是其基礎(chǔ)。目前較常用的加工技術(shù)主要有、表面加工技術(shù)、體加工技術(shù)、高深寬比加工技術(shù)、組裝與鍵合技術(shù)以及超精密機(jī)械加工技術(shù)等。三維的微結(jié)構(gòu)在微系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用,如微型傳感器、微型致動器、微型飛行器、非球面微光學(xué)鏡頭的加工、三維管道等。三維微細(xì)加工主要有Step-By-Step、準(zhǔn)分子激光加工、LIGA、UV-LIGA、體硅加工技術(shù)、DRIE等。目前高深寬比的三維結(jié)構(gòu)研究取得了很大的進(jìn)展。國際上專門成立了學(xué)會HARMST(HighAspectRatioMicostructureTechnology)來探討這一技術(shù)的進(jìn)展。這種結(jié)構(gòu)不具有復(fù)雜的曲面,其側(cè)壁由直線構(gòu)成,端面為任意曲線。具有上述特征的三維結(jié)構(gòu)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(shù)的主要指標(biāo)。目前有多種技術(shù)可以用于MEMS中高深寬比加工,如反應(yīng)離子刻蝕和感應(yīng)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(shù)被認(rèn)為是可得到最佳高深寬比的微加工技術(shù),加工寬度為幾微米到上千微米,且可實(shí)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(fù)制三種工藝的有機(jī)結(jié)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(shù)同樣設(shè)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(diǎn)認(rèn)為,高深寬比微結(jié)構(gòu)加工的重大商業(yè)機(jī)會首先出現(xiàn)在低成本的準(zhǔn)LIGA加工領(lǐng)域。目前最具實(shí)用價值的是UV-LIGA技術(shù)。圖1為UV-LIGA技術(shù)示意圖。它的特點(diǎn)主要有以下幾方面。(1)利用標(biāo)準(zhǔn)紫外光刻設(shè)備和掩膜版;(2)易于IC集成;(3)可實(shí)現(xiàn)非硅的高深寬比微結(jié)構(gòu)。UV-LIGA技術(shù)不需要專用的設(shè)備,它是建立在集成電路工藝的基礎(chǔ)上,只需使用厚膠來實(shí)現(xiàn),因此具有投入小的優(yōu)點(diǎn)。目前常用的厚膠主要有正膠(AZ4903,AZPLP100XT,)和負(fù)膠(SU-8,JSRTHB-430N),而基于SU-8膠的UV-LIGA是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。2用u-8膠組成表征SU-8膠是一種負(fù)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(nèi)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(cè)壁和高深寬比的厚膜圖形;它還具有良好的力學(xué)性能、抗化學(xué)腐蝕性和熱穩(wěn)定性;由于它是負(fù)性光刻膠,可以形成臺階等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的圖形;SU-8膠不導(dǎo)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(diǎn),SU-8膠正被逐漸應(yīng)用于MEMS、芯片封裝和微加工等領(lǐng)域。SU-8膠是由多功能團(tuán)、多分支的有機(jī)環(huán)氧膠溶于有機(jī)液中,并加入光催化劑而成的,其理想結(jié)構(gòu)式如圖2所示。由于其典型結(jié)構(gòu)中含有八個環(huán)氧團(tuán),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(yīng)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(lǐng)域獲得應(yīng)用。(1)齒輪傳動機(jī)構(gòu)由于SU-8膠可以形成厚膠層,通過光刻可以得到三維微結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)。圖3為一個齒輪傳動機(jī)構(gòu)。通過套刻技術(shù)可得到一些臺階結(jié)構(gòu),如圖4所示。(2)射頻元件集成隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展已逐步滲透到無線通訊領(lǐng)域。目前通訊工程中仍存在有大量射頻(RF)技術(shù)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(jī)系統(tǒng)的進(jìn)一步集成和性能的提高。為了滿足這些要求,射頻元件應(yīng)該集成化,同時電容、電感、振蕩器和濾波器還應(yīng)該具有足夠高的品質(zhì)因數(shù)(高Q值),傳輸線、開關(guān)等在阻抗匹配、插入損耗和隔離度等方面應(yīng)該滿足一定的要求。圖5為一微電感。(3)光學(xué)主要利用SU-8的高深寬比及透光性等特點(diǎn),研制一些微型光學(xué)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(shù)是近年發(fā)展起來的新型實(shí)用技術(shù),已成為高效、大規(guī)模獲取相關(guān)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(xué)分析器,通過芯片上微加工獲得的微米結(jié)構(gòu)和生物化學(xué)處理結(jié)合,將成千上萬個與生物相關(guān)的信息集成在一塊厘米見方的氧化硅、玻璃或塑料等材質(zhì)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(yīng)用在其它領(lǐng)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(yīng)用效果上海交通大學(xué)微納米科學(xué)技術(shù)研究院建有微米/納米加工技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(聯(lián)合)和薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,具有很強(qiáng)的微細(xì)加工能力,擁有多種金屬及介質(zhì)磁控濺射射機(jī)、雙面光刻機(jī)、厚膠甩膠臺、反應(yīng)離子刻蝕機(jī)、俄歇能譜儀、程控烘箱、兆聲顯影機(jī)、多種微細(xì)電鑄系統(tǒng)、真空模壓機(jī)、電化學(xué)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(xì)加工設(shè)備。先后研制出直徑2mm和1mm的電磁微馬達(dá)、18mm的微型直升飛機(jī)、2mm的減速器、以及微泵和微型車等?！皩?shí)用電磁型微馬達(dá)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)”獲得2000年度國家發(fā)明二等獎。上海交通大學(xué)微納米科學(xué)技術(shù)研究院在三維微細(xì)加工技術(shù)方面有多年的技術(shù)積累,特別在基于LIGA和準(zhǔn)LIGA技術(shù)的非硅三維微加工技術(shù)和高深寬比微結(jié)構(gòu)方面有獨(dú)特的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。我院即時跟蹤了基于SU-8的UV-LIGA技術(shù),是國內(nèi)最早開展UV-LIGA技術(shù)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(jié)構(gòu)深寬比大于20,且側(cè)壁垂直,線條精度高;在去膠方面的研究取得了可喜的進(jìn)展;開展了兆聲顯影技術(shù),有利于形成深孔和微槽;利用程控烘箱來減少光刻膠內(nèi)應(yīng)力方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。在工藝研究的基礎(chǔ)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(jī)械開關(guān),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(shí)際應(yīng)用中,SU-8膠對工藝參數(shù)的改變非常敏感,各文獻(xiàn)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(qiáng)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(zhì)量都有不同程度的影響。因此需根據(jù)各自的實(shí)驗(yàn)條件來優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)。另一方面,SU-8電鑄后去膠仍面臨一些問題