環(huán)氧基紫外負(fù)性光刻膠su-8的研究進(jìn)展

環(huán)氧基紫外負(fù)性光刻膠su-8的研究進(jìn)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(gè)趨勢(shì)。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(fù)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(wèn)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(lái)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(xiàng)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(bào)道了我們?cè)谄浼庸すに嚿系难芯窟M(jìn)展。1用光引發(fā)劑進(jìn)行光吸收光譜和吸收曲線SU-8膠是一種負(fù)性、環(huán)氧樹(shù)脂型、近紫外線光刻膠。它是基于EPONSU-8環(huán)氧樹(shù)脂和IBM專利發(fā)展而來(lái)。SU-8膠在近紫外光(365nm～400nm)范圍內(nèi)光吸收度很低,且整個(gè)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(kuò)大負(fù)性膠,可以形成臺(tái)階等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的圖形;且SU-8膠不導(dǎo)電,在電鍍時(shí)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[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。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。環(huán)氧樹(shù)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(gè)環(huán)氧基,因此稱為SU-8膠,其分子量可達(dá)22000。SU-8膠中含有一種只占環(huán)氧樹(shù)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(shí),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(qiáng)酸。其反應(yīng)如下式該強(qiáng)酸將在后烘(PEB)時(shí)作為催化劑,使SU-8膠產(chǎn)生熱交聯(lián)。因?yàn)橹挥兄苯邮芄庹盏墓饪棠z區(qū)域才會(huì)生成這種強(qiáng)酸,所以交聯(lián)主要產(chǎn)生在含有強(qiáng)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?zhǔn)皆鲩L(zhǎng),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(wú)酸催化劑的存在,PEB過(guò)程中也不會(huì)產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)。每個(gè)環(huán)氧基平均預(yù)連接有另外七個(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)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(lái)。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(zhǎng)波方向移動(dòng)。圖中離散點(diǎn)為實(shí)測(cè)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(zhǎng)波長(zhǎng)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(shí)際應(yīng)用中,SU-8膠對(duì)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,不同圖形結(jié)構(gòu)即使厚度相同對(duì)工藝要求也不一樣。本文對(duì)幾種微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用的典型微驅(qū)動(dòng)部件的應(yīng)用工藝進(jìn)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(wèn)題是光刻膠與基底的結(jié)合力與顯影。因?yàn)榫€圈的長(zhǎng)度很長(zhǎng),光刻膠中積聚的應(yīng)力對(duì)光刻膠與基底的結(jié)合力是一很大的考驗(yàn),容易出現(xiàn)在線圈的端部,所以有必要以結(jié)合力為目標(biāo)對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化,我們對(duì)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(jiàn)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(shí)現(xiàn)彈性力和機(jī)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(guò)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(jiàn)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(gè)重要趨勢(shì)。由于微電子技術(shù)突飛猛進(jìn)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(gè)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(diǎn),對(duì)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。而微細(xì)加工技術(shù)是微系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ),是實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)的手段。其中高深寬比加工技術(shù)成為微細(xì)加工技術(shù)近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。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(gè)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(jī)結(jié)合。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)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(xì)、側(cè)壁陡峭、表面平整的特點(diǎn),微結(jié)構(gòu)的厚度可達(dá)幾百至上千微米。它可以利用微復(fù)制工藝進(jìn)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(jì)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(diǎn)甚至認(rèn)為,高深寬比微結(jié)構(gòu)加工的重大商業(yè)機(jī)會(huì)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(jià)值的是基于SU-8光刻膠的UV-LI