su8胶的制备及其在mems中的应用

su8胶的制备及其在mems中的应用

1非硅结构加工纳米作物科的技术使人们在自然转换中进入了一个新水平。开发物质潜在信息和结构潜力,将使单位体积物质储存和处理信息的能力实现又一次飞跃,导致人类认识和改造自然能力的重大突破。微机电系统(MEMS)是微米/纳米技术的重要组成部分,是微米/纳米技术当前发展重点之一。微型化和集成化是MEMS发展的一个重要趋势。MEMS的飞速发展是与其相关的微细加工技术分不开的,微电子集成工艺是其基础。目前较常用的加工技术主要有、表面加工技术、体加工技术、高深宽比加工技术、组装与键合技术以及超精密机械加工技术等。三维的微结构在微系统中有着重要的应用,如微型传感器、微型致动器、微型飞行器、非球面微光学镜头的加工、三维管道等。三维微细加工主要有Step-By-Step、准分子激光加工、LIGA、UV-LIGA、体硅加工技术、DRIE等。目前高深宽比的三维结构研究取得了很大的进展。国际上专门成立了学会HARMST(HighAspectRatioMicostructureTechnology)来探讨这一技术的进展。这种结构不具有复杂的曲面,其侧壁由直线构成,端面为任意曲线。具有上述特征的三维结构在MEMS中占很大比例,而且有很大的用处,如加速度传感器、微齿轮、微棱镜等。高深宽比是这一技术的主要指标。目前有多种技术可以用于MEMS中高深宽比加工,如反应离子刻蚀和感应耦合等离子体可获得数十微米,甚至数百微米深度的台阶。但它们主要针对于硅材料。对于非硅材料的加工。LIGA技术被认为是可得到最佳高深宽比的微加工技术,加工宽度为几微米到上千微米,且可实现微器件的批量生产。它是X光深度光刻、微电铸和微复制三种工艺的有机结合。但LIGA需要昂贵的同步辐射光源和特制的掩模板。多种基于LIGA技术同样设计思想的高深宽比微加工方法先后被提出并得到重视。有一种观点认为,高深宽比微结构加工的重大商业机会首先出现在低成本的准LIGA加工领域。目前最具实用价值的是UV-LIGA技术。图1为UV-LIGA技术示意图。它的特点主要有以下几方面。(1)利用标准紫外光刻设备和掩膜版;(2)易于IC集成;(3)可实现非硅的高深宽比微结构。UV-LIGA技术不需要专用的设备,它是建立在集成电路工艺的基础上,只需使用厚胶来实现,因此具有投入小的优点。目前常用的厚胶主要有正胶(AZ4903,AZPLP100XT,)和负胶(SU-8,JSRTHB-430N),而基于SU-8胶的UV-LIGA是当今的研究热点。2用u-8胶组成表征SU-8胶是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶。它是基于EPONSU-8环氧胶(最初由ShellChemical开发)和IBM专利(USPatentNo.4882245(1989))发展而来的。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;由于它是负性光刻胶,可以形成台阶等结构复杂的图形;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,SU-8胶正被逐渐应用于MEMS、芯片封装和微加工等领域。SU-8胶是由多功能团、多分支的有机环氧胶溶于有机液中,并加入光催化剂而成的,其理想结构式如图2所示。由于其典型结构中含有八个环氧团,因此称为SU-8胶。目前主要该产品主要由MicroChem公司提供。表1为MicroChem公司SU-8的一些特性。目前已有了2000系列的SU-8胶。3主要应用[8、9、10、11、12、13、14、15、16、17和18]由于SU-8胶的上述特性,SU-8胶已在多个研究领域获得应用。(1)齿轮传动机构由于SU-8胶可以形成厚胶层,通过光刻可以得到三维微结构,经电铸及其它材料的填充,可得到一批金属及其它材料的微结构。图3为一个齿轮传动机构。通过套刻技术可得到一些台阶结构,如图4所示。(2)射频元件集成随着微电子技术的飞速发展,微机电系统的发展已逐步渗透到无线通讯领域。目前通讯工程中仍存在有大量射频(RF)技术必不可少的片外分离单元,使系统占有较大的空间尺寸。这些无源元件由于常规集成方法难以将它们集成在系统芯片中,从而影响了整机系统的进一步集成和性能的提高。为了满足这些要求,射频元件应该集成化,同时电容、电感、振荡器和滤波器还应该具有足够高的品质因数(高Q值),传输线、开关等在阻抗匹配、插入损耗和隔离度等方面应该满足一定的要求。图5为一微电感。(3)光学主要利用SU-8的高深宽比及透光性等特点,研制一些微型光学元器件,如微透镜、微棱镜以及SNOM的探针尖(图6)等。(4)生物芯片生物芯片(Bio-chip)技术是近年发展起来的新型实用技术,已成为高效、大规模获取相关生物信息的重要手段。所谓生物芯片就是缩小了的生物化学分析器,通过芯片上微加工获得的微米结构和生物化学处理结合,将成千上万个与生物相关的信息集成在一块厘米见方的氧化硅、玻璃或塑料等材质制成的芯片上。利用SU-8胶可制多层微管道(图7),也有利用SU-8制模具来制备微流控芯片(图8)。(5)其他目前也有一些研究者利于SU-8的一些特性,应用在其它领域。如在封装上制备焊球,利用SU-8做微器件的绝缘层,以及红外滤波器等。4创新与应用效果上海交通大学微纳米科学技术研究院建有微米/纳米加工技术国家级重点实验室(联合)和薄膜与微细技术教育部重点实验室,具有很强的微细加工能力,拥有多种金属及介质磁控溅射射机、双面光刻机、厚胶甩胶台、反应离子刻蚀机、俄歇能谱仪、程控烘箱、兆声显影机、多种微细电铸系统、真空模压机、电化学分析仪、扫描电镜、台阶仪、三维显微镜、激光加工等600多万美元微细加工设备。先后研制出直径2mm和1mm的电磁微马达、18mm的微型直升飞机、2mm的减速器、以及微泵和微型车等。“实用电磁型微马达关键技术开发”获得2000年度国家发明二等奖。上海交通大学微纳米科学技术研究院在三维微细加工技术方面有多年的技术积累,特别在基于LIGA和准LIGA技术的非硅三维微加工技术和高深宽比微结构方面有独特的技术和经验。我院即时跟踪了基于SU-8的UV-LIGA技术,是国内最早开展UV-LIGA技术的研究单位之一。目前在基于SU-8的UV-LIGA取得一些成果,如图9的微结构深宽比大于20,且侧壁垂直,线条精度高;在去胶方面的研究取得了可喜的进展;开展了兆声显影技术,有利于形成深孔和微槽;利用程控烘箱来减少光刻胶内应力方面积累了丰富的经验。在工艺研究的基础上,我们研制了一些器件。图10为厚度为500μm的微齿轮,图11为一平面微弹簧,图12为一利用微弹簧的微机械开关,图13为一组微透镜,图14为裸光纤夹持器,图15为一微电感的局部照片,图16为一模压后的微通道和封装后的微流控芯片。由于限于篇幅,这里不一一介绍。实际应用中,SU-8胶对工艺参数的改变非常敏感,各文献描述的参数差别很大。甩胶、前烘温度和时间、曝光时间和强度、PEB的时间和温度、显影方式和时间、衬底材料等工艺对SU-8胶的图形质量都有不同程度的影响。因此需根据各自的实验条件来优化实验参数。另一方面,SU-8电铸后去胶仍面临一些问题