環(huán)氧基紫外負性光刻膠su-8的研究進展

環(huán)氧基紫外負性光刻膠su-8的研究進展

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，微型化和一體化是器官發(fā)展的兩個趨勢。然而，傳統(tǒng)的研磨膠不能滿足高深度和比例的設(shè)備的微結(jié)構(gòu)要求。新型的化學(xué)增幅型負像SU8光刻膠克服了普通光刻膠采用UV光刻深寬比不足的問題,十分適合于制備高深寬比微結(jié)構(gòu),因此直接采用SU-8光刻膠來制備深寬比高的微結(jié)構(gòu)與微零件是微加工領(lǐng)域的一項新技術(shù),本文介紹了SU-8光刻膠的結(jié)構(gòu)性能以及發(fā)展前景并報道了我們在其加工工藝上的研究進展。1用光引發(fā)劑進行光吸收光譜和吸收曲線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)氧樹脂和IBM專利發(fā)展而來。SU-8膠在近紫外光(365nm～400nm)范圍內(nèi)光吸收度很低,且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;SU-8在受到紫外輻射后發(fā)生交聯(lián),是一種化學(xué)擴大負性膠,可以形成臺階等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的圖形;且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,SU-8膠正被逐漸應(yīng)用于MEMS、芯片封裝和微加工等領(lǐng)域[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。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。環(huán)氧樹脂由雙酚A酚醛縮水甘油醚組成,其理想結(jié)構(gòu)式如下式所示。由于其典型結(jié)構(gòu)中含有八個環(huán)氧基,因此稱為SU-8膠,其分子量可達22000。SU-8膠中含有一種只占環(huán)氧樹脂質(zhì)量少量百分比的光引發(fā)劑(PAG),它由三苯基硫鹽組成。當(dāng)曝光時,光子被吸收,光催化劑發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生一種強酸。其反應(yīng)如下式該強酸將在后烘(PEB)時作為催化劑,使SU-8膠產(chǎn)生熱交聯(lián)。因為只有直接受光照的光刻膠區(qū)域才會生成這種強酸,所以交聯(lián)主要產(chǎn)生在含有強酸的區(qū)域和PEB階段。曝光區(qū)域的光刻膠中含有酸催化劑,而未曝光的光刻膠區(qū)域不含有。在酸催化劑的作用下,交聯(lián)反應(yīng)以鏈式增長,每一環(huán)氧基能與同一分子或不同分子中的其它環(huán)氧基發(fā)生反應(yīng)。但若無酸催化劑的存在,PEB過程中也不會產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)。每個環(huán)氧基平均預(yù)連接有另外七個環(huán)氧基,再經(jīng)擴展交聯(lián)就形成了致密的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其分子量迅猛增加,從而不溶于顯影液而保留下來。其反應(yīng)式如下式所示:Fig.3為由Ling等做的光引發(fā)劑的吸收光譜。由Fig.3可知,當(dāng)光引發(fā)劑濃度越高,其吸收峰越向長波方向移動。圖中離散點為實測SU-8光刻膠的吸收譜,1.0g/L的曲線為與SU-8光刻膠內(nèi)光引發(fā)劑相同濃度的光引發(fā)劑吸收譜,由此可知SU-8光刻膠的吸收特性主要由光引發(fā)劑決定。由于光引發(fā)劑在長波長范圍內(nèi)光吸收敏感性差,所以可以在很厚的光刻膠內(nèi)形成均勻的曝光。實際應(yīng)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,不同圖形結(jié)構(gòu)即使厚度相同對工藝要求也不一樣。本文對幾種微機電系統(tǒng)應(yīng)用的典型微驅(qū)動部件的應(yīng)用工藝進行了研究。2su-8光刻膠的應(yīng)用研究2.1結(jié)構(gòu)圈的建立及優(yōu)化在相同深寬比SU-8微結(jié)構(gòu)中,線圈的制備難度是最大的,其遇到的主要問題是光刻膠與基底的結(jié)合力與顯影。因為線圈的長度很長,光刻膠中積聚的應(yīng)力對光刻膠與基底的結(jié)合力是一很大的考驗,容易出現(xiàn)在線圈的端部,所以有必要以結(jié)合力為目標對工藝進行優(yōu)化,我們對480μm厚、25μm寬SU-8結(jié)構(gòu)線圈優(yōu)化得到的工藝條件為:95℃前烘2h,曝光450s(功率10mW/cm2),后烘95℃,40min,顯影20min,光刻好的微線圈SEM照片見Fig.4。2.2金屬微彈簧的材料在所有微執(zhí)行器與微傳感器中,微彈簧也是重要的微器件之一,可以利用它的彈性作用實現(xiàn)彈性力和機械能之間的轉(zhuǎn)換,一種應(yīng)用于全光網(wǎng)的微電磁驅(qū)動MEMS可變光衰減器,它采用硅作為微彈簧的材料,顯然SU-8膠或硅材料的力學(xué)性能都不及金屬好,因此我們主要研究基于SU-8膠的金屬微彈簧。Fig.5是利用SU-8膠制備金屬微彈簧的工藝示意圖,實驗發(fā)現(xiàn):彈簧由于含曲率半徑很小的彎曲結(jié)構(gòu),由于彎曲部位應(yīng)力十分集中,所以如果后烘降溫過快,容易引起彎曲部位線寬變小,所以有必要盡可能慢地降溫,我們研制的微彈簧的金屬電鏡照片見Fig.6。3深水寬比加工技術(shù)微型化和集成化是當(dāng)今高科技發(fā)展的一個重要趨勢。由于微電子技術(shù)突飛猛進的發(fā)展,電子系統(tǒng)的微型化和集成化取得了令人鼓舞的發(fā)展,然而整個系統(tǒng)往往由電子系統(tǒng)和非電子系統(tǒng)構(gòu)成,因此如何使非電子系統(tǒng)集成一體已成為系統(tǒng)集成化和微型化的關(guān)鍵。微系統(tǒng)技術(shù)可以將電子系統(tǒng)和非電子系統(tǒng)集成在一起,構(gòu)成具有信息獲取、處理和執(zhí)行等功能的微系統(tǒng)。由于微系統(tǒng)具有小巧和高度集成的特點,對于滿足器件體積小、質(zhì)量輕、能耗低和智能化的要求,具有獨特的優(yōu)勢。而微細加工技術(shù)是微系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ),是實現(xiàn)微系統(tǒng)的手段。其中高深寬比加工技術(shù)成為微細加工技術(shù)近年來的研究熱點。目前只有少數(shù)技術(shù)可以獲得高深寬比,其中比較成功的技術(shù)是LIGA。LIGA技術(shù)的三個主要工藝是:X光深度光刻、微電鑄和微復(fù)制三種工藝的有機結(jié)合。該技術(shù)的優(yōu)點是能夠制造三維微結(jié)構(gòu)器件,獲得的微結(jié)構(gòu)具有深寬比高、結(jié)構(gòu)精細、側(cè)壁陡峭、表面平整的特點,微結(jié)構(gòu)的厚度可達幾百至上千微米。它可以利用微復(fù)制工藝進行微器件的大批量生產(chǎn)。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)設(shè)計思想的高深寬比微加工方法先后被提出并得到不同程度的重視。有一種觀點甚至認為,高深寬比微結(jié)構(gòu)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(lǐng)域。目前最具實用價值的是基于SU-8光刻膠的UV-LI