环氧基紫外负性光刻胶su-8的研究进展

环氧基紫外负性光刻胶su-8的研究进展

随着信息技术的快速发展，微型化和一体化是器官发展的两个趋势。然而，传统的研磨胶不能满足高深度和比例的设备的微结构要求。新型的化学增幅型负像SU8光刻胶克服了普通光刻胶采用UV光刻深宽比不足的问题,十分适合于制备高深宽比微结构,因此直接采用SU-8光刻胶来制备深宽比高的微结构与微零件是微加工领域的一项新技术,本文介绍了SU-8光刻胶的结构性能以及发展前景并报道了我们在其加工工艺上的研究进展。1用光引发剂进行光吸收光谱和吸收曲线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环氧树脂和IBM专利发展而来。SU-8胶在近紫外光(365nm～400nm)范围内光吸收度很低,且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在受到紫外辐射后发生交联,是一种化学扩大负性胶,可以形成台阶等结构复杂的图形;且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[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。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。环氧树脂由双酚A酚醛缩水甘油醚组成,其理想结构式如下式所示。由于其典型结构中含有八个环氧基,因此称为SU-8胶,其分子量可达22000。SU-8胶中含有一种只占环氧树脂质量少量百分比的光引发剂(PAG),它由三苯基硫盐组成。当曝光时,光子被吸收,光催化剂发生光化学反应,产生一种强酸。其反应如下式该强酸将在后烘(PEB)时作为催化剂,使SU-8胶产生热交联。因为只有直接受光照的光刻胶区域才会生成这种强酸,所以交联主要产生在含有强酸的区域和PEB阶段。曝光区域的光刻胶中含有酸催化剂,而未曝光的光刻胶区域不含有。在酸催化剂的作用下,交联反应以链式增长,每一环氧基能与同一分子或不同分子中的其它环氧基发生反应。但若无酸催化剂的存在,PEB过程中也不会产生交联反应。每个环氧基平均预连接有另外七个环氧基,再经扩展交联就形成了致密的交联网络,这种网络结构使其分子量迅猛增加,从而不溶于显影液而保留下来。其反应式如下式所示:Fig.3为由Ling等做的光引发剂的吸收光谱。由Fig.3可知,当光引发剂浓度越高,其吸收峰越向长波方向移动。图中离散点为实测SU-8光刻胶的吸收谱,1.0g/L的曲线为与SU-8光刻胶内光引发剂相同浓度的光引发剂吸收谱,由此可知SU-8光刻胶的吸收特性主要由光引发剂决定。由于光引发剂在长波长范围内光吸收敏感性差,所以可以在很厚的光刻胶内形成均匀的曝光。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,不同图形结构即使厚度相同对工艺要求也不一样。本文对几种微机电系统应用的典型微驱动部件的应用工艺进行了研究。2su-8光刻胶的应用研究2.1结构圈的建立及优化在相同深宽比SU-8微结构中,线圈的制备难度是最大的,其遇到的主要问题是光刻胶与基底的结合力与显影。因为线圈的长度很长,光刻胶中积聚的应力对光刻胶与基底的结合力是一很大的考验,容易出现在线圈的端部,所以有必要以结合力为目标对工艺进行优化,我们对480μm厚、25μm宽SU-8结构线圈优化得到的工艺条件为:95℃前烘2h,曝光450s(功率10mW/cm2),后烘95℃,40min,显影20min,光刻好的微线圈SEM照片见Fig.4。2.2金属微弹簧的材料在所有微执行器与微传感器中,微弹簧也是重要的微器件之一,可以利用它的弹性作用实现弹性力和机械能之间的转换,一种应用于全光网的微电磁驱动MEMS可变光衰减器,它采用硅作为微弹簧的材料,显然SU-8胶或硅材料的力学性能都不及金属好,因此我们主要研究基于SU-8胶的金属微弹簧。Fig.5是利用SU-8胶制备金属微弹簧的工艺示意图,实验发现:弹簧由于含曲率半径很小的弯曲结构,由于弯曲部位应力十分集中,所以如果后烘降温过快,容易引起弯曲部位线宽变小,所以有必要尽可能慢地降温,我们研制的微弹簧的金属电镜照片见Fig.6。3深水宽比加工技术微型化和集成化是当今高科技发展的一个重要趋势。由于微电子技术突飞猛进的发展,电子系统的微型化和集成化取得了令人鼓舞的发展,然而整个系统往往由电子系统和非电子系统构成,因此如何使非电子系统集成一体已成为系统集成化和微型化的关键。微系统技术可以将电子系统和非电子系统集成在一起,构成具有信息获取、处理和执行等功能的微系统。由于微系统具有小巧和高度集成的特点,对于满足器件体积小、质量轻、能耗低和智能化的要求,具有独特的优势。而微细加工技术是微系统发展的基础,是实现微系统的手段。其中高深宽比加工技术成为微细加工技术近年来的研究热点。目前只有少数技术可以获得高深宽比,其中比较成功的技术是LIGA。LIGA技术的三个主要工艺是:X光深度光刻、微电铸和微复制三种工艺的有机结合。该技术的优点是能够制造三维微结构器件,获得的微结构具有深宽比高、结构精细、侧壁陡峭、表面平整的特点,微结构的厚度可达几百至上千微米。它可以利用微复制工艺进行微器件的大批量生产。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技术设计思想的高深宽比微加工方法先后被提出并得到不同程度的重视。有一种观点甚至认为,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基于SU-8光刻胶的UV-LI