SU-8胶光刻工艺研究

SU - 8胶是一种基于环氧SU - 8树脂的环氧型的、近紫外光、负光刻胶。其专门用于在非常厚的底层上需要高深宽比的应用。但是SU - 8胶对工艺参数的改变非常敏感。本文对影响光刻后图形质量的主要工艺参数前烘温度和时间、中烘温度和时间、曝光时间及显影时间进行了研究 ,发现前烘时间和显影时间是影响图形分辨率及高深宽比的最主要的参数。随后给出了 2 0 0 μm厚SU - 8光刻胶的建议工艺条件 :2 0 0 μm/s甩胶 ,1h的 95°C前烘 ,近紫外光 (40 0nm)接触式曝光 ,95°C的中烘 30min ,PGMEA中显影 2 0min。另外对实验中实现的主要问题基片弯曲和光刻胶的难以去除作了一定的探讨 ,给出了合理化建议 :对于基片弯曲可采用以下四种措施来降低 ,降低中烘的温度同时增加中烘的时间、用厚硅片来代替薄硅片、对于薄硅片在前烘后可用金刚刀切成 4～ 8小片、适当的设计掩模板 ;对于光刻胶的去除用热丙酮泡、超声清洗、反应离子刻蚀和高温灰化法相结合 。

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。

具有三层结构的SU-8胶V形微电热驱动器

为解决SU-8胶微电热驱动器在工作过程中存在平面外运动的问题,提出了一种具有铜-SU-8胶-铜三层对称结构的新型SU-8胶V形微电热驱动器。采用刚度矩阵方法建立了包含被驱动结构刚度的微电热驱动器力学模型,并针对一种柔性微夹钳,利用该模型对微电热驱动器进行了几何参数设计。利用Ansys仿真软件对所设计微驱动器进行了分析,仿真结果验证了所建模型的合理性。提出了一种新的MEMS加工工艺来制作三层结构微电热驱动器,并测试了它的性能。结果表明,实验结果与仿真结果相差不大,在150mV驱动电压下,所设计微驱动器温度仅升高约32.93°C,并对微夹钳产生约2.5μm的输入位移,使微夹钳产生126μm的钳口距离改变量。微驱动器仅消耗大约30.35mW的功率,钳口的平面外运动小于500nm。最后,利用微电热驱动器驱动的微夹钳成功地对一个长1.2mm,宽135μm,厚50μm的SU-8胶材料微型零件进行了微操作实验,实验证明了微驱动器实际性能基本满足设计要求。

SU-8胶深紫外光刻模拟

综合了SU-8胶光刻过程中衍射、反射、折射、吸收率随光刻胶深度的变化及交联显影等各种效应,考虑了折射及吸收系数随时间的变化,建立了SU-8化学放大胶的光刻模型.模拟结果显示,该模型比现有的模拟方法结果更精确,与实验结果符合较好,可以在实际应用中对SU-8光刻胶的二维模拟结果进行有效预测.

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。

集成铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器的制作

由于SU-8胶的弹性模量比硅的低,在SU-8胶悬臂梁上集成金属压阻可获得很高的力灵敏度系数,因此本文基于SU-8胶设计并制作了一种集成蛇形结构铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器。介绍了制作微力传感器的新型工艺,并进行了传感器性能测试。实验结果表明:设计的SU-8胶微力传感器在0～350μN具有较好的线性度,力灵敏度为0.24mV/μN,测量误差为4.06%。该微力传感器可以满足对微小力的测量,相对于硅材料的微力传感器,其制作工艺更加简单,周期更短。由于SU-8胶的生物兼容性好,该传感器在生物医学研究领域有着很好的应用前景。

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.

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.

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胶在深紫外光源下的光强分布模拟

本文根据菲涅尔衍射的原理,在考虑了折射、光刻胶对光的吸收以及硅片对光的反射的情况下,给出了SU-8胶在365nm光源下经过方孔曝光时,光刻胶中光强的二维分布及三维分布的计算模拟.将试验结果与实际情况相比,表现出了一定的适用性,可以近似作为光刻胶形貌的最后近似.

基于SU-8胶转子的非接触压电微马达

研制了一种非接触压电微马达,通过阻抗分析仪对定子进行扫频测试,确定其共振频率,并且详细介绍了SU 8胶转子制作的工艺流程。利用转速仪比较不同形状和尺寸的转子在调频和调压下的转速,从而确立压电微马达的最优转子。转子半径为6mm,叶片宽度为6mm的三叶片转子转速最高为3569r/min。转子的启动电压和最高电压分别为8V和24V。

用SU-8胶制高深宽比微结构的试验研究

SU 8胶是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶 ,它适于超厚、高深宽比的MEMS微结构制造。但SU 8胶对工艺参数很敏感。采用正交试验设计方法对其工艺进行分析。采用三个因素进行试验 ,对试验进行了分析。以 2 0 0 μm厚的SU 8为例进行试验研究 ,得到的光刻胶图形侧壁陡直 ,分辨率高 ,与基底附着性强 ,深宽比大于 2 0。

SU-8胶与基底结合特性的实验研究

SU - 8胶是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶。它适于制作超厚、高深宽比的MEMS微结构。为电铸出金属微结构 ,通常需要采用金属基底。但SU - 8胶对金属基底的结合力通常不好 ,因而限制了其深宽比的提高。从SU - 8胶与基底的浸润性、基底表面粗糙度以及基底对近紫外光的折射特性入手 ,对SU - 8胶与基底的结合力进行分析 ,首次指出 :在近紫外光的折射率高的基底与SU - 8胶有很好的结合性。经实验得出经过氧化处理的Ti片与SU - 8胶结合性强。这有利于为MEMS提供低成本、高深宽比的金属微结构。

SU-8胶微结构的显影技术研究

突破了传统深宽比概念,提出金属基底上基于图形特征的光刻胶显影技术,对采用SU-8胶加工高分辨率和高深宽比微结构的显影工艺进行了讨论,分析了120～340μm厚具有不同图形特征的SU-8胶显影规律,认为在同样条件下,凸型图形显影效果优于凹型非连通性图形;曲线型显影效果优于直线型图形与点状图形;圆弧连接的图形显影效果优于尖角型图形。显影时辅助适当功率的超声搅拌显著改善图形质量,凸型结构最佳超声功率小于10W;凹型结构超声功率为15W左右;深宽比为5～7的凸型胶膜结构适宜显影时间为10min以内,凹型结构显影时间达25min。

SU-8胶曝光衍射效应的模拟及丙三醇补偿方法

基于SU-8胶的UV-LIGA技术是MEMS中制备高深宽比结构的一种重要方法,但由于衍射效应会使结构的侧壁不再垂直.根据菲涅耳衍射模型,考虑了丙三醇/SU-8界面的反射和折射现象,模拟了丙三醇填充在掩膜版和光刻胶之间时的刻蚀图形.计算结果与已有的实验进行了比较,模型基本可以描述这种光刻过程,可在设计时作为参考.

应用三维线算法的SU-8胶光刻过程模拟

采用二维法向量作为分量,加权求和近似得到三维网格点上的单位法向量,将经典的二维线算法改进为三维形式。综合SU-8胶光刻过程中衍射、吸收率随光刻胶深度的变化及交联显影等各种效应,应用该三维线算法对SU-8化学放大胶进行光刻过程三维建模。该模型对被加工表面演化过程的模拟较为精确,可在实际应用中对SU-8胶的光刻模拟结果进行有效预测。

不同波段近紫外光在SU-8胶中穿透深度的研究

通过对SU 8胶近紫外波段下透射光谱的分析,得到不同波长近紫外光在SU 8胶中的穿透深度,并分析了不同波段近紫外光对SU 8胶微结构的影响,结果表明穿透深度大的近紫外波段曝光出来的图形质量好,深宽比大,侧壁陡直。

玻璃纤维增强SU-8胶技术

SU-8胶是一种能够以低成本制作高深宽比微结构的负性光刻胶,在非硅微电子机械系统(MEMS)领域具有广阔的应用前景。针对SU-8胶作为微结构材料时,其弹性模量和断裂强度较低的特性,采用透明度高的微细玻璃纤维作为增强相材料,制备玻璃纤维/SU-8复合材料。开发出一种既能够增强成型后SU-8微结构机械强度,又不影响SU-8可直接光刻成型能力的改性技术。通过光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对该复合材料的微观结构进行了分析和表征。同时,利用拉伸实验对复合材料的机械性能进行测试。实验结果表明,在不改变紫外光刻电铸(UV-LIGA)的光刻-显影工艺特征的条件下该复合材料的弹性模量(1 613 MPa)、断裂伸长率(1.63%)和断裂强度(26.7 MPa)均比纯SU-8胶材料有较大提升。

SU-8胶高温碳化制备微电极研究

采用SU-8光刻胶为前驱体,控制转速在硅基上均匀旋涂SU-8胶薄膜,采用不同碳化温度制得微型微机电系统(MEMS)超级电容器多孔碳电极材料。研究结果表明:在碳化温度为900℃的条件下,制得的MEMS超级电容器多孔碳电极材料的孔隙结构发达、导电性较好,0.5mA/cm^2电流密度下比电容可达49.3mF/cm^2,在超级电容器电极材料领域具有较好的市场前景。