SU-8胶及其在MEMS中的应用

SU 8胶是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶。它适于制超厚、高深宽比的MEMS微结构。SU 8胶在近紫外光范围内光吸收度低 ,故整个光刻胶层所获得的曝光量均匀一致 ,可得到具有垂直侧壁和高深宽比的厚膜图形 ;它还具有良好的力学性能、抗化学腐蚀性和热稳定性 ;SU 8胶不导电 ,在电镀时可以直接作为绝缘体使用。由于它具有较多优点 ,被逐渐应用于MEMS的多个研究领域。本文主要分析SU 8胶的特点 ,介绍其在MEMS的一些主要应用 ,总结了我们研究的经验 ,以及面临的一些问题 。

SU-8胶紫外光刻的尺寸精度研究

研究了衍射效应对SU-8胶紫外光刻尺寸精度的影响。根据菲涅耳衍射理论建立了紫外曝光改进模型,预测微结构的尺寸,分析了光刻参数变化对尺寸的影响。为了更好地与数值模拟结果进行比较,以硅为基底,进行了SU-8胶紫外光刻的实验研究。实验分四组,实验中掩模的特征宽度分别取50μm、100μm、200μm和400μm,SU-8胶表面的曝光剂量取400 mJ/cm2。用扫描电镜测量了微结构的顶部线宽、底部线宽和SU-8胶的厚度,用MATLAB软件对紫外曝光过程中SU-8胶层内曝光剂量的分布情况进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果基本吻合。数值模拟结果为进一步的实验研究提供了光刻参数的参考值。

超声处理对UV-LIGA工艺中SU-8胶溶胀的影响

首次将超声处理引入UV-LIGA工艺中,研究了超声处理对SU-8胶模溶胀的影响,并探讨了其影响机理,从而获得了减小胶模溶胀及提高电铸微器件尺寸精度的方法。试验研究了超声处理对显影过程及电铸过程中SU-8胶模溶胀的影响,分析了不同超声时间下SU-8胶表面亲水性的变化趋势,并计算了不同超声时间下胶模的溶胀去除率。讨论了超声处理对不同结构微器件尺寸精度的影响。试验结果表明:SU-8胶模在显影过程中的溶胀不明显,并且超声处理对显影过程中胶模的溶胀影响很小,其主要影响SU-8胶模在电铸过程中的溶胀。随着超声时间的增加,胶模溶胀及其表面亲水性均呈现先减小后增大的趋势。当超声时间为10min时,胶模溶胀最小,其溶胀去除率α值可高达70%,并且超声处理后电铸微器件的尺寸误差与结构尺寸无关。根据超声波的机械断键作用与聚合物吸水机理,从亲水性和内应力两个方面,探究了SU-8胶模溶胀随超声时间的增加而变化的原因。文中提出的减小SU-8胶溶胀的方法不依赖于工艺参数也不会增加掩模图形设计的复杂性,是一种实用的减小SU-8胶溶胀的新方法。

SU-8紫外深度光刻的误差及修正(英文)

在深紫外LIGA加工中,制作高精度大高宽比的微器件是很困难的。难点在于SU-8光刻胶对紫外光的吸收系数随着波长变短而很快变大,而且其穿透深度也相应迅速变小;同时由于紫外光的衍射效应,获得高精度的大高宽比结构并不容易。本文深入研究了影响紫外深度光刻图形转移精度的如下因素:衍射效应、曝光剂量、紫外光波长和蝇眼透镜的分布等等。建立了基于模型区域的校正系统,该校正系统采用了分类分区域的思想将掩模图形按其畸变的特点进行了分类,在校正过程中对不同的类别分别建立校正区域,在每一校正区域内进行校正优化处理和校正评价,这种基于模型的分类分区域评价思想,使得校正过程有效且实时,该校正方法不仅降低了校正的复杂性,同时提高了校正的效率。

基于SU-8厚胶光刻工艺的微电铸铸层尺寸精度控制新方法

以SU-8胶为微电铸母模制作镍模具时,胶模的热溶胀性使胶模变形,导致铸层线宽缩小,这是影响微电铸铸层尺寸精度的主要因素。针对密集蛇形沟道图形的镍模具微电铸工艺,以200.0μm厚SU-8胶为胶模,研究微电铸铸层尺寸精度的控制方法,提出基于SU-8厚胶光刻工艺的微电铸铸层尺寸精度控制新方法,即在图形四周增设一条封闭等间距的隔离带,用隔离带减少影响图形区域的SU-8胶模的体积,阻止电铸时该处胶模的热溶胀对图形区域的影响,进而减小铸层尺寸变化。结果表明,采用增设隔离带方法制作的镍模具,胶模线宽变化量最大值由61μm减小到31.4μm,铸层尺寸相对误差的最大值由31.3%减小到16.7%,这种方法显著提高微电铸铸层的尺寸精度。

后烘温度对SU-8光刻胶热溶胀性及内应力的影响

SU-8光刻胶层内应力会使胶体结构开裂变形,而其在电铸液中的热溶胀效应则是造成微电铸结构线宽减小的主要因素,SU-8胶的内应力和溶胀性还严重地影响所制作图形的深宽比和尺寸精确性。本文研究了不同后烘温度下SU-8胶在电铸液中的热溶胀性及胶层的内应力,在其他工艺参数相同的情况下,测量了SU-8胶微通道线宽随溶胀时间的变化。溶胀实验结果表明,后烘温度越低,SU-8胶的溶胀变形越大,且热溶胀现象主要发生在前30 min;其后,溶胀速率逐渐减缓而趋于稳定。在对SU-8胶后烘后,利用基片曲率法测量了胶层内应力的大小。实验数据表明,采用较低的后烘温度可以降低SU-8胶层的内应力。因此,在工艺过程中,应该综合考虑热溶胀性及胶层内应力的影响,根据实际加工器件的要求适当选取后烘工艺参数。

SU-8胶制备三维微电极结构研究

为了增大MEMS超级电容器电极结构的表面积,提高MEMS超级电容器的电荷存储能力,研究了利用SU-8胶制备高深宽比三维电极微结构。经过基片清洗、涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、坚膜等过程,制备了深宽比为6的微结构。分析讨论了微结构制备过程中基底洁净度和升降温速度及曝光、显影时间等因素对结构制备的影响。实验结果表明,用SU-8胶制备高深宽三维电极微结构,能在相同底面积的基础上有效增加电极结构的表面积,提高单位底面积的电容器储能密度。

聚合物SU-8光刻胶超声时效实验研究

利用超声时效技术减小聚合物SU-8光刻胶的内应力,讨论了其机理.以基片曲率法为基础,建立了轮廓法测量SU-8胶层内应力的计算模型.实验研究了超声时效技术在减小聚合物SU-8胶层内应力方面的作用.对比分析了超声时效实验前、后SU-8胶层的内应力值.实验结果显示,在超声时效10min时,聚合物SU-8胶内应力减小2MPa,消除率约为23.17%.这表明,在合适的实验参数下利用超声时效技术可以有效减小聚合物SU-8胶内应力.

基于斜光刻技术的SU-8胶三维微阵列结构制备

利用斜光刻技术替代传统的直光刻技术在相同底面积的基础上增大微阵列比表面积制备了高比表面积三维微阵列结构,。首先,利用MATLAB仿真对微阵列排布方式进行分析,确定最佳单个柱体宽度及阵列间距。实验中,采用两次甩胶法将SU-8光刻胶均匀旋涂在2寸硅基底上,甩胶转速设为1500 r/min,旋涂时间设为35 s;分别置于65℃烘台上保持20 min和95℃烘台上保持70 min进行两次前烘处理;随后进行双向斜曝光,微柱宽度为20μm,阵列间距为30μm,光刻角度为20°。最后,再通过高低温后烘处理并显影30 min成功制备出了结构稳定的"X"型三维微阵列结构。

UV-LIGA工艺中SU-8光刻胶的热溶胀性研究

对SU-8胶的热溶胀效应及其机理进行了研究,在现有微模具的UV-LIGA工艺的基础上,利用AN-SYS对SU-8胶的热溶胀性规律进行了仿真分析。通过SU-8胶模的溶胀实验,建立了热溶胀变形的速率模型,并计算了不同电铸时间下微模具的顶部线宽,计算结果与实验值基本吻合。仿真结果可用来优化掩模图形的设计及预测电铸后微模具的尺寸。

SU-8光刻胶与Ni基底结合性的分子模拟

运用分子动力学模拟软件Materials Studio针对SU-8胶与Ni基底的结合性进行模拟分析,计算了不同前烘温度下SU-8胶与Ni(100)面的结合能,发现在343K的前烘温度下,光刻胶与基底的界面结合能达到最大,说明此时界面结合最好。通过对SU-8胶与Ni基底的相互作用能分析,发现影响结合能的主要因素是两种分子之间的范德华力,其中色散力起主要作用,其值是排斥力的近两倍。

SU-8胶光刻工艺参数优化研究

对基于SU-8胶的UV-LIGA技术进行了工艺优化,研究了光源波长和曝光时间对SU-8胶成型的影响。结果表明,光刻胶表面线宽变化随曝光时间增加先减少后增加,有一个极小值;侧壁角度先增加后减少,有一个极大值。通过优化光源波长、曝光时间以及显影时间三个主要工艺参数,可以获得侧壁角度为90.64°正角的300μm厚光刻胶微结构和侧壁角度为89.98°近似垂直的500μm厚光刻胶微结构。

SU-8光刻胶制作三维光子晶体

针对SU-8光刻胶应用于三维光子晶体的制作研究,本文提出并实现了对SU-8光刻胶的重要成分SU-8环氧树脂采用柱层析和高压液相色谱-尺寸排阻色谱法进行分离,分离结果表明SU-8环氧树脂分子量分布范围很大,从大约100～100000,包括SU-1、SU-2、SU-4、SU-6、SU-8多种组分及其混合物.采用分离后的SU-8和SU-6纯组分配制了性能优化的SU-8光刻胶,并总结了其最佳光刻工艺,结合干涉光刻技术制作了晶格常数为922nm的三维面心立方光子晶体结构.

SU-8胶微结构的尺寸公差研究

对SU-8胶微结构的尺寸及其公差进行了定量研究.在考虑了SU-8的吸收系数和折射系数对紫外光刻尺寸精度影响的基础上,根据菲涅耳衍射理论建立了紫外曝光改进模型和尺寸公差模型,对SU-8微结构的尺寸及其公差进行数值模拟.以硅为基底,进行了SU-8胶紫外光刻的实验研究.实验中掩模的特征宽度分别取50μm、100μm、200μm和400μm,SU-8胶表面的曝光剂量分别取400mJ/cm2和800mJ/cm2,测量了SU-8胶微结构的顶部线宽、底部线宽和SU-8胶的厚度,数值模拟结果与实验结果基本吻合.可以用本文的模型来预测SU-8微结构的尺寸及其公差.

SU-8胶光弹性性能显微测试

考虑获知SU-8胶的光弹性性能有利于拓展其在微纳米领域中的应用范围,本文设计了材料应力光学系数显微测量光路,完成了SU-8胶应力光学系数的测量实验。首先,基于光弹性原理设计了测量光路,推导了求解应力光学系数的计算公式;然后,根据所设计的光路搭建了应力光学系数显微测量实验装置,在SU-8胶试样光弹性条纹的单个半级数范围内进行了单向拉伸实验;最后,利用Matlab提取实验照片组中光强值信息,得到了不同拉力下透过SU-8胶试样的单色光光强值,计算求解出了SU-8胶的应力光学系数。实验结果以及测量公式计算显示,SU-8胶的应力光学系数为(3.007±0.149)×10–11 m2/N,大于光学玻璃等材料的应力光学系数,也远大于二氧化硅等MEMS领域常用材料的应力光学系数。实验结果可为以SU-8胶为材料,通过光弹性原理进行微力测量的微探针、微夹钳等的设计与制作打下基础。

SU-8光刻胶应变分布光学全场检测方法

由于SU-8光刻胶的内应力将会影响高深宽比结构的全金属光栅的制作质量,本文针对近年来SU-8光刻胶应力测量困难的情况,提出了一种基于激光剪切散斑干涉技术的SU-8光刻胶应变分布测量的新方法。该方法通过对被测胶体加载前后两幅干涉图像的处理,直接得到被测胶体结构的全场应变分布情况,由胶体的应变变形数据即可反映出内应力的变化和分布趋势。同时使用ANSYS有限元分析软件对同一被测胶体进行应变仿真模拟研究,获得胶体结构的变形场仿真数据。组建了实验系统,进行了实验验证,结果表明:实际测量变形量约为1.189μm,仿真的最大变形量为1.088μm,测量误差在允许范围内,且测量的形变趋势与仿真模拟结果相一致,表明激光剪切散斑干涉技术可应用于SU-8光刻胶的应变分布全场无损检测。

模糊神经网络在SU-8胶内应力研究中的应用

以薄膜内应力为指标,对SU-8负性光刻胶的工艺参数进行了优化.根据基片曲率法的原理,通过三因素三水平的正交实验,测量了9组不同工艺条件下SU-8胶层内应力的大小.引入模糊神经网络,对影响SU-8胶内应力的工艺参数进行了优化仿真研究.以正交实验数据为样本,对模糊神经网络进行训练,建立了SU-8胶内应力的大小与前烘温度、曝光剂量和后烘温度3个主要参数之间的预测模型.同时对网络预测结果进行了实验验证,两者结果基本吻合.利用网络优化结果,有效地降低了胶层内应力.

静电纺丝制备SU-8光刻胶纳米纤维及图案阵列

利用静电纺丝和紫外光刻技术直接制备了不同结构的SU-8光刻胶纳米纤维薄膜及图案阵列。通过光学显微镜和扫描电子显微镜表征了纳米纤维的形貌、尺寸及结构。结果表明,通过改变SU-8光刻胶的黏度可形成不同直径和形貌的纤维结构,其中用SU-8 3010和SU-8 3050光刻胶制备的纳米纤维具有最优的形貌,其平均直径分别为470 nm和610nm。利用带有长方形缺口的铝箔和同轴电纺的方法分别制备了平行趋向和空心结构的纳米纤维。通过紫外光刻过程,可将SU-8纳米纤维加工成点阵、条状等不同形貌的图案阵列或结构,有望用作细胞培养研究的功能基底材料。

SU-8环氧树脂的分离实验研究

为分析和解决商业用SU-8胶在355 nm波长的吸收性和后烘缩胶等问题,先采用柱层析对SU-8环氧树脂进行分离,然后进一步用高压液相色谱-尺寸排阻色谱法对SU-8环氧树脂进行分离和分析。结果表明,SU-8环氧树脂包括SU-1,SU-2,SU-4,SU-6和SU-8多种组分及其它杂质,分子量分布在100-100 000的范围。根据分析结果,研究了上述问题出现的原因,并配制了性能优化的SU-8光刻胶,结合全息光刻技术制作了三维光子晶体。

采用SU—8胶制作模具的工艺研究

主要描述了SU—8胶制造微流体芯片用模具的工艺研究。讨论了各工艺流程主要包括有前烘、中烘、光刻、显影等因素对模具的影响。提出了一个可供参考的模具制作工艺流程,对抗粘层工艺进行了讨论。另外,在模具制造过程中加入反应离子刻蚀(RIE)来提高SU—8与硅基底的粘附性。最终通过上述的工艺研究,成功制作出了应用于流体的模具,并制造成了微流控芯片。