第11卷第2期 功能材料与器件学报 Vol 11. No. 2 2005年6月 JOURNAL OF FUNCTIONAL MATERIALS AND DEVICES June, 2005 文章编号:1007-4252(2005)02-0251-04 超厚SU-8负胶高深宽比结构及工艺研究 张金娅,陈迪,朱军,李建华,方华斌,杨斌 (薄膜与微细技术教育部重点实验室,上海交通大学微纳米科学技术研究院,上海200030 摘要:釆用新型SU-8光刻胶在U-LGA技术基础上制备了各种高深宽比MEMS微结构,研究 了热处理和曝光两个重要因素对高深宽比微结构的影响,解决了微结构的开裂和倒塌等问题;优 化了SU-8胶工艺,从而获得了最大深宽比为27:1的微结构。 关键词:U-LGA技术;SU-8胶;高深宽比微结构 中图分类号:TN305.7 文献标识码:A Process study of high-aspect-ratio ultrathick SU -8 microstructure ZHANG Jin-ya, CHEN Di, ZHU Jun, LI Jian-hua, FANG Hua-bin, YANG Bin (Key Laboratory for Thin Film and Micro Fabrication of Ministry of Education Institute of Micro/Nanometer Science and Technology, Shanghai Jiao Tong Universit Abstract: Various high aspect ratio microstructures were prepared on the basis of UV-LIGa technique by using a new type of SU-8 photoresist. The influences of heat treatment and exposure on high aspect ratio microstructures are mainly discussed. The cracking and collapse of microstructures are favorably solved. Based on a series of contrast experiments, the SU-8 process is optimized and the highest aspect ratio of microstructures with 27: 1 is, successfully obtained. Key words: UV-LIGA; high aspect ratio; SU-8 phe lotoresis 1前言 较长,因此限制其广泛应用。(2)干法刻蚀技术 MEMS( Micro- Electro- Mechanical- System)器ICP-RE。该技术是深层RE( Reaction lon Etching 件的广泛应用前景使多种微加工技术蓬勃发展。实技术和lP( Inductive Coupled Plasma)技术结合,但 际应用中,许多MEMs器件都需要高深宽比结构,只能在硅材料上进行也限制了其应用。(3)近几年 同时还要求侧壁陡直。能够实现这些要求的技术包开发出了多种替代工艺,其中基于紫外光刻(即 括:(1)同步辐射深X射线LGA技术。其获得的微 LICA)的SU-8胶技术得到了迅速的发展。这 器件具有较大的高深宽比和精细的结构,但需要昂种技术克服了上述两种技术的缺点,同时满足了 贵的同步辐射X光光源和X光掩模板,且加工周期MEMS器件对于高深宽比结构的需求因此在MEMS 收稿日期:2004-07-21;修订日期:2004-10-18 基金项目:国家863高技术研究发展计划(2002AA404150) 作者简介:张金娅(1977-),女,在读博士,主要研究方向为MEMS器件,UV-LGA技术,SU-8胶工艺等 万方数据
第11卷第2期 2005年6月 功能材料与器件学报 JOURNAL 0F FUNC’n0NAL MATERIALS AND DEVICES V01．11．No．2 June．2005 文章编号：1007—4252(2005)02一0251一04 超厚SU一8负胶高深宽比结构及工艺研究 张金娅，陈迪，朱军，李建华，方华斌，杨斌 (薄膜与微细技术教育部重点实验室，上海交通大学微纳米科学技术研究院，上海200030) 摘要：采用新型su一8光刻胶在uv—LIGA技术基础上制备了各种高深宽比MEMs微结构，研究 了热处理和曝光两个重要因素对高深宽比微结构的影响，解决了微结构的开裂和倒塌等问题；优 化了sU一8胶工艺，从而获得了最大深宽比为27：l的微结构。 关键词：uV—LIGA技术；su一8胶；高深宽比微结构 中图分类号：TN305．7 文献标识码：A Process study of high—aspect—mtio ultratllick SU一8 microstructure ZHANG Jin—ya， CHEN Di， ZHU Jun， U Jian—hua， FANG Hua—bin， YANG Bin (Key Laboratory for Thin Film and Micm Fabrication of Ministry of Education， Institute of Micro／Nanometer Science and Technology， Shanghai JiaoTong UniVersity， Shanghai 200030，China) Abstract： Various high aspect ratio micmstlllctures were prepared on the basis of UV—LIGA technique by using a new type of SU一8 photoresist． The innuences of heat treatment and exposure on high aspect ratio microstmctures are mainly discussed．The cracking and coll印se of micmstmctures are faVorably s01ved． Based on a series of contrast experiments， the SU一8 pI．0cess is optimized and the highest aspect ratio of micmstlllctures with 27：1 is．successfully obtained． Key words：UV—LIGA；high aspect ratio；SU一8 photoresist ●—J■¨ 1 日IJ面 MEMS(Micr0一Electro—Mechanical—System)器 件的广泛应用前景使多种微加工技术蓬勃发展。实 际应用中，许多MEMS器件都需要高深宽比结构， 同时还要求侧壁陡直。能够实现这些要求的技术包 括：(1)同步辐射深x射线LIGA技术。其获得的微 器件具有较大的高深宽比和精细的结构，但需要昂 贵的同步辐射x光光源和x光掩模板，且加工周期 较长，因此限制其广泛应用。(2)干法刻蚀技术 ICP—RIE。该技术是深层RIE(Reaction Ion Etching) 技术和IcP(Inductive coupled P1asma)技术结合，但 只能在硅材料上进行，也限制了其应用。(3)近几年 开发出了多种替代工艺，其中基于紫外光刻(即 uv—LIGA)的SU一8胶技术得到了迅速的发展。这 种技术克服了上述两种技术的缺点，同时满足了 MEMs器件对于高深宽比结构的需求，因此在MEMs 收稿日期：2004—07—21； 修订日期：2004—10—18 基金项目：国家863高技术研究发展计划(2002AA404150) 作者简介：张金娅(1977一)，女，在读博士，主要研究方向为MEMs器件，uV—LIGA技术，Su一8胶工艺等 万方数据
功能材料与器件学报 卷 领域内得到了广泛的应用。 橱内操作。一般需要预显和超声辅助搅动,以增强流 SU-8胶是由IBM公司在1995年提出的一种动和扩散。当SU-8微结构作为微模具使用时,就 环氧基负性化学扩大光刻胶,主体由溶质(双酚A需要进行微电铸金属和去胶这两步。 型环氧树脂)和溶剂(GBL: gamma- butyrolactone或 CP: cyclopentanone)以及10%体积比的光引发剂m3结果及分析 ryl sulfonium sal组成。SU-8的主要特点是近紫外3.1热处理(前后烘)工艺的影响 波段低的光学吸收性能和能够产生高深宽比结构以 热处理是在水平热板上进行的,不同厚度采用 及近乎垂直的侧壁结构,这正适应了MEMS器件高的温度和时间各不相同。适当热处理可以减轻应力 深宽比的要求。SU-8光刻胶的出现立即引起了微集中问题。应力的存在会使基片弯曲胶体开裂变形 系统领城的注意,在不到10年的时间内,它就几乎和脱落,从而导致胶体与基体间的结合力下降,图形 应用到了MEMS的各个方面,例如:作为塑性机械的分辨率及深宽比低问题等。 结构、微模具、微流体器件的微通道结构等等1-4。 前烘目的是使光刻胶固化而不流淌或粘连。 SU-8胶不仅对工艺参数的敏感度很高,而且各参烘时极难控制的问题是过烘,过烘会极大地降低胶 数之间互相影响,这就增加了工艺的难度。目前利体的迁移率和流动性,这将不利于曝光后胶体中应 用常规的SU-8光刻胶紫外曝光工艺,文献报道的力的消除。实验发现不同厚度的胶体其前烘必须采 最大高深宽比值为18。而对于高深宽比圆柱结用不同工艺。对厚度不超过500m的SU-8胶,采 构,目前所获得的深宽比还不超过10。本实验分用两步进行,即首先在65℃保温10min左右,然后 析了该技术中热处理和曝光对微结构的影响,并对慢速升温到95℃并根据不同厚度设置不同的保温 工艺进行了优化,希望得到更高深宽比的MEMS微时间,如100um厚一般要烘60min,而300m厚就 结构 要3h对于500μm以上的厚胶,采用三步加热方法 即在65℃保温几分钟后升到85℃(保温>10h),然 2实验 后再升温至95℃并保温(500μm,3h),这样就避免了 实验采用常规的紫外光刻技术,基本步骤包括SU-8胶的边缘突起效应( edge bead effect),保证了 以下几步 曝光时胶与掩模的较好接触。如果依然采用两步的 基体处理(清洗烘干)→甩胶→前烘→曝光→后方法,这种效应是不可避免的。 烘→显影→电铸→去胶 后烘目的是使在曝光中形成的潜在图形转变成 SU-8胶对于基体的清洁度要求极高,必须采稳定的结构。交联的程度由曝光剂量和后烘条件共 用严格的程序清洗基体。首先用干净的丙酮、酒精同决定的。如果烘不足,则交联度不够,将导致深宽 及去离子水分别超声清洗基体6-8min,然后在烘比低、分辨率和结合力差等问题;如果过烘,则交联 箱中180℃再烘4h,以充分去除表面的羟基保证随过量而产生应力,导致胶开裂、结合力差等问题"。 后的胶层均匀,结合力良好,而有利于高深宽比结构我们发现当降低后烘温度(至85℃,见表1))和升温 的形成。 速度(大约1℃/min)后,可以显著消除应力集中引 实验用的SU-8胶采用美国 MicroChem Corp.起的SU-8胶开裂问题。但为保证SU-8厚胶的充 生产的SU-850/100(GBL)系列,以便用于不同厚分交联,后烘时间要充分。图1是由于不恰当的后烘 度结构的需要。利用德国 Karl Suss公司的甩胶台,产生内应力集中导致SU-8胶开裂的光学照片。图 SU-8胶厚度可达到600μm。热处理(前、后烘)是2是优化工艺后的光学照片。很明显可以看到,图1 在国产水平热板上进行的。曝光采用德国 Karl Suss中有大量的裂纹,而图2在更高倍的情况下仍看不 公司的MA6/BA6型双面曝光机,曝光功率为到裂纹的存在。 10m/s。SU-8胶显影采用美国 Micro Chem Corp 生产的配套显影液,主要成分为 PGMEA,室温通风 万方数据
功能材料与器件学报 11卷 领域内得到了广泛的应用。 Su一8胶是由IBM公司在1995年提出的一种 环氧基负性化学扩大光刻胶…，主体由溶质(双酚A 型环氧树脂)和溶剂(GBL：gamma—butyr01actone或 cP：cyclopentanone)以及10％体积比的光引发剂tri． aryl sulfonium salt组成。Su一8的主要特点是近紫外 波段低的光学吸收性能和能够产生高深宽比结构以 及近乎垂直的侧壁结构，这正适应了MEMs器件高 深宽比的要求。Su一8光刻胶的出现立即引起了微 系统领域的注意，在不到10年的时间内，它就几乎 应用到了MEMs的各个方面，例如：作为塑性机械 结构、微模具、微流体器件的微通道结构等等心。4，。 Su一8胶不仅对工艺参数的敏感度很高，而且各参 数之间互相影响，这就增加了工艺的难度。目前利 用常规的Su一8光刻胶紫外曝光工艺，文献报道的 最大高深宽比值为18【5】。而对于高深宽比圆柱结 构，目前所获得的深宽比还不超过10【6】。本实验分 析了该技术中热处理和曝光对微结构的影响，并对 工艺进行了优化，希望得到更高深宽比的MEMs微 结构。 2实验 实验采用常规的紫外光刻技术，基本步骤包括 以下几步： 基体处理(清洗烘干)。甩胶_÷前烘_÷曝光_后 烘_÷显影_+电铸_去胶 Su一8胶对于基体的清洁度要求极高，必须采 用严格的程序清洗基体。首先用干净的丙酮、酒精 及去离子水分别超声清洗基体6—8min，然后在烘 箱中180℃再烘4h，以充分去除表面的羟基保证随 后的胶层均匀，结合力良好，而有利于高深宽比结构 的形成。 实验用的Su一8胶采用美国Microchem corp． 生产的Su一8 50／100(GBL)系列，以便用于不同厚 度结构的需要。利用德国Kad Suss公司的甩胶台， SU一8胶厚度可达到600仙m。热处理(前、后烘)是 在国产水平热板上进行的。曝光采用德国Karl Suss 公司的MA6／BA6型双面曝光机，曝光功率为 10n1J／s。SU一8胶显影采用美国Micro Chem Corp． 生产的配套显影液，主要成分为PGMEA，室温通风 橱内操作。一般需要预显和超声辅助搅动，以增强流 动和扩散。当su一8微结构作为微模具使用时，就 需要进行微电铸金属和去胶这两步。 3结果及分析 3．1热处理(前、后烘)工艺的影响 热处理是在水平热板上进行的，不同厚度采用 的温度和时间各不相同。适当热处理可以减轻应力 集中问题。应力的存在会使基片弯曲、胶体开裂变形 和脱落，从而导致胶体与基体间的结合力下降，图形 的分辨率及深宽比低问题等。 前烘目的是使光刻胶固化而不流淌或粘连。前 烘时极难控制的问题是过烘，过烘会极大地降低胶 体的迁移率和流动性，这将不利于曝光后胶体中应 力的消除。实验发现不同厚度的胶体其前烘必须采 用不同工艺。对厚度不超过500¨m的su一8胶，采 用两步进行，即首先在65℃保温10min左右，然后 慢速升温到95℃并根据不同厚度设置不同的保温 时间，如100斗m厚一般要烘60min，而300斗m厚就 要3h。对于500斗m以上的厚胶，采用三步加热方法， 即在65℃保温几分钟后升到85℃(保温>10h)，然 后再升温至95℃并保温(500斗m，3h)，这样就避免了 su一8胶的边缘突起效应(edge bead effect)，保证了 曝光时胶与掩模的较好接触。如果依然采用两步的 方法，这种效应是不可避免的。 后烘目的是使在曝光中形成的潜在图形转变成 稳定的结构。交联的程度由曝光剂量和后烘条件共 同决定的。如果烘不足，则交联度不够，将导致深宽 比低、分辨率和结合力差等问题；如果过烘，则交联 过量而产生应力，导致胶开裂、结合力差等问题n】。 我们发现当降低后烘温度(至85℃，见表1))和升温 速度(大约1℃／min)后，可以显著消除应力集中引 起的su一8胶开裂问题。但为保证Su一8厚胶的充 分交联，后烘时间要充分。图1是由于不恰当的后烘 产生内应力集中导致Su一8胶开裂的光学照片。图 2是优化工艺后的光学照片。很明显可以看到，图1 中有大量的裂纹，而图2在更高倍的情况下仍看不 到裂纹的存在。 万方数据
2期 张金娅等:超厚SU-8负胶高深宽比结构及工艺研究 253 8TUUTL8 ÷E+出三个 画 Fig. I Cracking of SU-8 resist Fig 3 Collapsed SU-8 pillar 图1SU-8胶大量开裂情况 图3倒下的SU-8圆柱结构 曾留 +DEW卡 Fig 2 No cracking after improving PEB conditions Fig 4 SU-8 pillar structures array 图2优化后烘工艺后没有裂纹 图4深宽比为12的SU-8圆柱结构 3.2曝光工艺的影响 度为510μm,所有的圆柱体没有出现倒塌,而且也 过量的曝光会导致胶体顶部图形过曝光,产生没有出现明显的倾斜或弯曲。 严重的“T-top”现象。这是因为曝光能量沿着胶深 度方向是递减的,这就极易造成胶体顶部过曝光而3.3不同厚度SU-8胶的优化工艺和几种微结构 底部曝光不足,对于超厚SU-8胶结构尤其如此。 实验表明,利用常规UV-LGA技术进行超厚 这种现象将会造成高深宽比结构有一定程度的梯度SU-8胶微结构制备,每一个工艺步骤都强烈地影 和倾角。 响着结果,同时各个工艺之间又相互影响和作用,另 对于高深宽比SU-8胶圆柱结构,"T-tp"现外当胶体厚度变化时其相应的工艺设计也要随之变 象尤其容易出现,因为曝光量不够引起胶体交联不化,从而得到最优的工艺。表1为不同厚度SU-8 足将会导致圆柱底部太细而倒塌。这是难以获得高胶的优化工艺 深宽比圆柱结构的一个重要原因。图3是底部曝光 利用上述优化工艺我们获得了满意的高深宽比 剂量不时的SU-8圆柱照片,这些圆柱顶部直径结构,最大深宽比达到了27(见图5和图6),这是 为30μm,高度为50μm,可以很清楚的看到大量圆目前报道的利用常规紫外曝光工艺所获得的最大深 柱倒塌,右下角方框内是一根圆柱底部的放大图,可宽比。图5(SEM,45倾角)是81m厚不同宽度的 以清楚看到圆柱底部变得很尖锐,在显影时很容易SU-8胶图形,最小线宽为3μm,其最大深宽比达 从基体脱落而倒塌。为了避免圆柱倒塌,我们进行到了27:1,这是迄今为止用常规UV-LIGA技术所 了不同曝光工艺的优化,最终得到了比较好的结得到的最大SU-8胶结构深宽比。图6SEM,30°倾 果图4为在曝光时间为350s时得到的SU-8圆柱角)是深宽比为17:1的金属N微结构,厚度 结构,深宽比为12:1,其中圆柱的直径为40μm,高50μme 万方数据
2期 张金娅等：超厚sU一8负胶高深宽比结构及工艺研究 Fig．2 No cracking after impro、五ng PEB conditions 图2优化后烘工艺后没有裂纹 3．2曝光工艺的影响 过量的曝光会导致胶体顶部图形过曝光，产生 严重的“T—top”现象。这是因为曝光能量沿着胶深 度方向是递减的，这就极易造成胶体顶部过曝光而 底部曝光不足，对于超厚su一8胶结构尤其如此。 这种现象将会造成高深宽比结构有一定程度的梯度 和倾角。 对于高深宽比SU一8胶圆柱结构，“T—top”现 象尤其容易出现，因为曝光量不够引起胶体交联不 足将会导致圆柱底部太细而倒塌。这是难以获得高 深宽比圆柱结构的一个重要原因。图3是底部曝光 剂量不足时的su一8圆柱照片，这些圆柱顶部直径 为30斗m，高度为510斗m，可以很清楚的看到大量圆 柱倒塌，右下角方框内是一根圆柱底部的放大图，可 以清楚看到圆柱底部变得很尖锐，在显影时很容易 从基体脱落而倒塌。为了避免圆柱倒塌，我们进行 了不同曝光工艺的优化，最终得到了比较好的结 果。图4为在曝光时间为350s时得到的Su一8圆柱 结构，深宽比为12：1，其中圆柱的直径为40斗m，高 Fig．4 SU一8 pillar stnlctures amy 图4深宽比为12的su一8圆柱结构 度为510斗m，所有的圆柱体没有出现倒塌，而且也 没有出现明显的倾斜或弯曲。 3．3不同厚度SU一8胶的优化工艺和几种微结构 实验表明，利用常规uV～LIGA技术进行超厚 Su一8胶微结构制备，每一个工艺步骤都强烈地影 响着结果，同时各个工艺之间又相互影响和作用，另 外当胶体厚度变化时其相应的工艺设计也要随之变 化，从而得到最优的工艺。表1为不同厚度SU一8 胶的优化工艺。 利用上述优化工艺我们获得了满意的高深宽比 结构，最大深宽比达到了27(见图5和图6)，这是 目前报道的利用常规紫外曝光工艺所获得的最大深 宽比。图5(SEM，45。倾角)是81斗m厚不同宽度的 Su一8胶图形，最小线宽为3¨m，其最大深宽比达 到了27：1，这是迄今为止用常规UV—LIGA技术所 得到的最大Su一8胶结构深宽比。图6(sEM，300倾 角)是深宽比为17：l的金属Ni微结构，厚度 510斗m。 万方数据
254 功能材料与器件学报 11卷 表1高深宽比工艺优化结果 Table 1 Optimization result of high-aspect-ratio microstructures of different thickness 厚度/μm前烘时间(95C)/min曝光时间/s后烘时间(85c)/min显影时间/min 45 180(85C过夜 233 备的一种非常有效和实用的方法。在分析总结不同 工艺条件对于高深宽比结构形成的影响的基础上 对SU-8胶工艺进行了优化,不仅得到了深宽比达 到27:1的光刻胶微结构,而且还获得了深宽比为 12:1的圆柱微结构,突破了文献报道的结果,为高 深宽比微结构器件的进一步应用和发展奠定了基 Fig 5 SU-8 structures with high aspect ratio of 27 参考文献 图5最大深宽比为27的SU-8胶结构 [1] Lee K Y, LaBiancaN, RishtenSA. Micromaching application of a high resolution with thick photoresist[J]. J Vac Sc Technol,1995,B13(6):3012-3016 [2 Seidemann V, Rabe J, Feldmann M, et aL. SU-8 icromechanical structures with in situ fabricated movable L et al. [4] Lin Ch A new fabrication process for ultra-thick microfluidic ilizing SU-8 photoresist[J].J Micromech Microeng, 2002, 12: 590-597. 图6深宽比为17的电铸N微结构 [5] Zhang J, Tan K L, Gong H Q. Characterization of the polymerization of SU-8 photoresist and its applications 虽然已经获得了高深宽比的结构,但大量实验 in micro-electro-mechanical systems(MEMS)[JI. 表明:SU-8胶对工艺参数及周围环境十分敏感,并 Polymer Testing, 2001, 20: 693-701 各个工艺之间相互制约,很多方法已经用于改进61 Ling Zhong-geng. Lian Kun,, Lian Linke. Improved 传统工艺来消除各种消极因素的影响,但不同高深 patterning quality of SU-8 microstructures by optimizing the 宽比结构和微器件工艺参数的优化及其重复性操作 exposure parameters[J]. Proc SPIE-Int Soc Opt Eng, 3999:019-27 依然有待深入研究。 [7] Chang Hyun-Kee, Kim Yong-Kweon. UV-LIGA process 4结论 shaped etch hole[J]. Sensors and Actruators, 2000,8 JU-8胶UV-LGA技术是高深宽比微结构制 42-350. 万方数据
功能材料与器件学报 ll卷 表l高深宽比工艺优化结果 Table 1 0砸lIlization result of high—aspect—ratio microstnlctums of di＆rent thickness Fig．5 SU一8 stmctures with hi曲器pect mti0 of 27 图5最大深宽比为27的Su一8胶结构 Fig．6 Electmplated Ni micmstmcture with high aspect mtio of 17 图6深宽比为17的电铸Ni微结构 虽然已经获得了高深宽比的结构，但大量实验 表明：Su一8胶对工艺参数及周围环境十分敏感，并 且各个工艺之间相互制约，很多方法已经用于改进 传统工艺来消除各种消极因素的影响，但不同高深 宽比结构和微器件工艺参数的优化及其重复性操作 依然有待深入研究。 4结论 Su一8胶uV—LIGA技术是高深宽比微结构制 备的一种非常有效和实用的方法。在分析总结不同 工艺条件对于高深宽比结构形成的影响的基础上， 对sU一8胶工艺进行了优化，不仅得到了深宽比达 到27：1的光刻胶微结构，而且还获得了深宽比为 12：l的圆柱微结构，突破了文献报道的结果，为高 深宽比微结构器件的进一步应用和发展奠定了基 础。 参考文献： 【1】Lee K Y，LaBiancaN，RishtenSA．Micromaching application of a high resolution with thick photoresistⅡ】．J Vac Sd Technol，1995，B13(6)：3012—3016． [2]Seidemann V，Rabe J，Feldmann M， et oZ．SU一8一 micIDmechanical stmctuI℃s with in sinJ fabricated movable parts【J】．Micr惦yStem TechnoIogies，2002，8：348—350． 【3]Kul【}l蚴ka E， FaIooqui M M， 翻gore L，耐。Z． Electmplation moulds using dry film thick negative photo— resist【J】．J Micr咖ech Micr∞ng，2003，13：S67一S74． [4】Lin Che—Hsin，Lee Gwo—Bin，Chang Bao一’wen， e‘ⅡZ． A new fabrication pmcess for ultra—thick micronuidic microstructures utilizing SU一8 photore8ist[J】．J MicrOmech Micr仳ng，2002，12：590—597． 【5】zhang J，Tan K L，Gong H Q．Characterization of the polymerization of SU一8 photoresist and its applications in micro—electm—mechanical systems(MEMs)[J】． Polymer 7№ting，20叭，20：693—701． [6】Ling zhong—geng，Lian Kun，Lian Linke．Impmved patteming quality of SU一8 micmstlllctures by optimizing the exposure pammeters[J】． Proc SPIE—Int Soc 0pt Eng， 3999：1019—27． [7】Chang Hyun—Kee，Kim Yong—Kweon．UV—LIGA process for high aspect ratio stnlcture using stress b枷er and C— shaped etch hole[J】．Sensors柚d ActruatoIs，2000，84： 342—350． 万方数据
超厚SU-8负胶高深宽比结构及工艺研究 旧数据 TA文献链接 张金娅,陈迪,朱军,李建华,方华斌,杨斌, ZHANG Jin-ya, CHEN DI, ZHU Jun LI Jian-hua, FANG Hua-bin, YANG Bin 作者单位: 薄膜与微细技术教育部重点实验室,上海交通大学微纳米科学技术硏究院,上海,200030 刊名 功能材料与器件学拟sTcP 英文刊名: JOURNAL OF FUNCTIONAL MATERIALS AND DEVICES 年,卷(期): 2005,11(2) 引用次数: 参考文就(条 1. Lee k Y, laB RishtenSA Micromaching appl of a high resolution with thick photoresist 1995(6) 2. Seidemann V. Rabe J Feldmann M SU -8 -micromechanical structures with in situ fabricated movable parts 2002 3. Kukharenka E Farooqui MM Grigore L Electroplation moulds using dry film thick negative photo- esist 2003 4. Lin Che- Hsin. Lee Gwo- Bin. Chang Bao -Wen A new fabrication process for ultra-thick microfluidic microstructures utilizing SU-8 photoresist 2002 5. Zhang J. Tan K L Gong H Q Characterization of the polymerization of su -8 photoresist and its applications in micro- electro- mechanical systems (MEMS)2001 6. Ling Zhong geng Lian Kun. Lian Linke Improved patterning quality of su -8 microstructures by optimizing the exposure parameters 7. Chang Hyun -Kee. Kim Yong- Kweon UV-LIGA process for high aspect ratio structure using stress barrier and C -shaped etch hole 2000 1.期刊论文S 对基于SU-8 光规不建若恢化 研究-微细加工技术2005(3) 对SU-8胶成型的影啊结果表明,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300厚光刻胶微结构和侧壁角度为89.98·近似垂直的500u厚光刻胶微结构 学位论文刘景全基于SU-8胶的-LIGA技术及其应用研究2002 研究工作的主要内容分以下几部分:(1)基于SU-8胶的W-LIGA技术研究:◆SU-8胶的光刻技术研究该文从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对SU-8胶与基底的结合力进行分析.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∏片与SU8胶结合性强这有利于为微系统提供低成本的高深宽比金属微结构对SU-8胶光刻失败的图形进行分析,以供参考◆电铸和模压技术利 微结构这是技术的可贵之处微电铸和微模压技术相对比较成熟(2微机械光纤定位器该文一便微结构的复就以利到低价、大批量的 于电铸技术可以在光刻出的图形基础上形成金属微结构或金属模具.通过微模压技术,利用电铸的金属模具 型的光纤定位器.用SU-8胶一竖直壁与 基底形成的直角Ⅴ型槽定位,并利用柔性铰链设计片状弹簧夹紧光纤利用光纤圆截面的特性,将夹紧点设在光纤的上面半圆周.该机构便于与其它光器件系 统集成,而且无需使用压盖来压紧光纤.研制的光纤耦合器插入损耗低 3.学位论文李雄UV-LI MS(微机电系统) C6技术光刻工艺的研究200 之一而微细加工技术又是发展的重要基礁LIGA(射线深层光刻、电铸成型和微复制和Ⅳ LIGA技术是MS微细加工中两种十分重要的技术在微机械领域常需要用到具有一定厚度和高深宽比的微结构,LIGA与-IGA技术是制作这种微结构的重 要手段 N-LIGA技术的工艺过程与LIGA技术基本相同,只是不需要用同步辐射线源,而用常规的紫外光作为曝光光源,因此-LIGA技术要比LIGA技术在 艺成本上便宜很多,较之更容易推广SU-8系列光刻胶是uV-LIGA工艺常用的光刻胶,它是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶,适于制作超厚、高深 比的M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由于它具 有较多优点因此逐渐应用于H的多个研究额域本文研究了基于SU-8较的W-LIG的光刻工艺流程,讨论了各个步骤的工艺参数对光刻结果的影响分析 了SU-8胶在近紫外280-350mm和350-400m波段下的透射曲线,计算得到不同波段紫外光在SU-8胶中的穿透深度,并通过SEM图片分析了不同穿透深度对SU 8胶图形的影响进而得出适合SU-8胶均匀曝光的紫外波段然后通过对同一厚度光刻胶采取不同曝光剂量的方法结合SEM照片的比较,得到适合该厚度的 曝光剂量.利用这种对比的实验方法,可得到不同厚度SU-8胶所对应的曝光剂量.最后,利用设计的掩模板以及前面研究的工艺结果,我们成功制作出了几种 不同胶厚的SU-8微结构图形,S照片显示图形质量较好,侧壁陡直,图形线宽与掩模板的设计基本一致,图形最大高度可达400μ画最大深宽比可达15. 4.期刊论文明平美.朱荻.胡洋洋.曾永彬. MING Ping-mei.ZHDi. HU Yang-yang. ZENG Yong- bin uv-LIGA技术制备 微型柔性镍接触探针-光学精密工程2007,15(5) 对探针的制作方法、关键工艺环节等进行了分析与研究给出了基于W-LG技术制备微型柔性镍接触探针的工艺过程分析了制备的技术关键,试验
超厚SU-8负胶高深宽比结构及工艺研究 作者： 张金娅， 陈迪， 朱军， 李建华， 方华斌， 杨斌， ZHANG Jin-ya， CHEN Di， ZHU Jun ， LI Jian-hua， FANG Hua-bin， YANG Bin 作者单位： 薄膜与微细技术教育部重点实验室,上海交通大学微纳米科学技术研究院,上海,200030 刊名： 功能材料与器件学报 英文刊名： JOURNAL OF FUNCTIONAL MATERIALS AND DEVICES 年，卷(期)： 2005，11(2) 引用次数： 5次 参考文献(7条) 1.Lee K Y.LaBiancaN.RishtenSA Micromaching application of a high resolution with thick photoresist 1995(6) 2.Seidemann V.Rabe J.Feldmann M SU -8 -micromechanical structures with in situ fabricated movable parts 2002 3.Kukharenka E.Farooqui M M.Grigore L Electroplation moulds using dry film thick negative photoresist 2003 4.Lin Che - Hsin.Lee Gwo - Bin.Chang Bao -Wen A new fabrication process for ultra-thick microfluidic microstructures utilizing SU-8 photoresist 2002 5.Zhang J.Tan K L.Gong H Q Characterization of the polymerization of SU - 8 photoresist and its applications in micro - electro - mechanical systems (MEMS) 2001 6.Ling Zhong - geng.Lian Kun.Lian Linke Improved patterning quality of SU - 8 microstructures by optimizing the exposure parameters 7.Chang Hyun - Kee.Kim Yong - Kweon UV - LIGA process for high aspect ratio structure using stress barrier and C -shaped etch hole 2000 相似文献(10条) 1.期刊论文 SU-8胶光刻工艺参数优化研究 -微细加工技术2005(3) 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. 2.学位论文 刘景全 基于SU-8胶的UV-LIGA技术及其应用研究 2002 研究工作的主要内容分以下几部分:(1)基于SU-8胶的UV-LIGA技术研究:◆SU-8胶的光刻技术研究 该文从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对SU-8胶与基底的结合力进行分析.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.这有利于为微系统提供低成本的高深宽比金属微结构.对SU-8胶光刻失败的图形进行分析,以供参考.◆电铸和模压技术 利 于电铸技术可以在光刻出的图形基础上,形成金属微结构或金属模具.通过微模压技术,利用电铸的金属模具可实现微结构的复制.以得到低价、大批量的 微结构,这是UV-LIGA技术的可贵之处.微电铸和微模压技术相对比较成熟.(2)微机械光纤定位器 该文提出一种新型的光纤定位器.用SU-8胶一竖直壁与 基底形成的直角V型槽定位,并利用柔性铰链设计片状弹簧夹紧光纤.利用光纤圆截面的特性,将夹紧点设在光纤的上面半圆周.该机构便于与其它光器件系 统集成,而且无需使用压盖来压紧光纤.研制的光纤耦合器插入损耗低. 3.学位论文 李雄 UV-LIGA技术光刻工艺的研究 2004 MEMS(微机电系统)是21世纪科技与产业的热点之一,而微细加工技术又是MEMS发展的重要基础.LIGA(X射线深层光刻、电铸成型和微复制)和UVLIGA技术是MEMS微细加工中两种十分重要的技术.在微机械领域常需要用到具有一定厚度和高深宽比的微结构,LIGA与UV-LIGA技术是制作这种微结构的重 要手段.UV-LIGA技术的工艺过程与LIGA技术基本相同,只是不需要用同步辐射X线源,而用常规的紫外光作为曝光光源,因此UV-LIGA技术要比LIGA技术在工 艺成本上便宜很多,较之更容易推广.SU-8系列光刻胶是UV-LIGA工艺常用的光刻胶,它是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶,适于制作超厚、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.由于它具 有较多优点,因此逐渐应用于MEMS的多个研究领域.本文研究了基于SU-8胶的UV-LIGA的光刻工艺流程,讨论了各个步骤的工艺参数对光刻结果的影响.分析 了SU-8胶在近紫外280-350nm和350-400nm波段下的透射曲线,计算得到不同波段紫外光在SU-8胶中的穿透深度,并通过SEM图片分析了不同穿透深度对SU- 8胶图形的影响,进而得出适合SU-8胶均匀曝光的紫外波段.然后通过对同一厚度光刻胶采取不同曝光剂量的方法,结合SEM照片的比较,得到适合该厚度的 曝光剂量.利用这种对比的实验方法,可得到不同厚度SU-8胶所对应的曝光剂量.最后,利用设计的掩模板以及前面研究的工艺结果,我们成功制作出了几种 不同胶厚的SU-8微结构图形,SEM照片显示图形质量较好,侧壁陡直,图形线宽与掩模板的设计基本一致,图形最大高度可达400μm,最大深宽比可达15. 4.期刊论文 明平美.朱荻.胡洋洋.曾永彬.MING Ping-mei.ZHU Di.HU Yang-yang.ZENG Yong-bin UV-LIGA技术制备 微型柔性镍接触探针 -光学精密工程2007,15(5) 对探针的制作方法、关键工艺环节等进行了分析与研究,给出了基于UV-LIGA技术制备微型柔性镍接触探针的工艺过程,分析了制备的技术关键,试验
优选了关键制备环节的工艺参数,在此基础上制作出微型柔性镍接触探针.试验结果表明:采用工艺条件优选的U-LIGA技术,如前烘60℃,120ain,90 ℃.120ain;较大曝光剂量:后炽65℃,10ain,95℃,45min:匀胶后静置、随炉冷却和超声辅助显影等辅助措施,所制备出的柔性接触探针(主体总长 n,宽80口画,高100;弹簧处高宽比为5(100m:20um))尺寸精度高;三角锥状针尖曲率半径小于5um:缺陷少形貌质量高 5.学位论文秦江SU-8胶紫外光刻理论与实验研究2006 随着微机电系统的迅速发展,基于SL-8胶的U-LIGA技术得到更加广泛的应用。本课题研究了SU-8胶紫外光刻理论和工艺实验,并对S-8胶微结构的 尺寸及其公差进行了定量研究。通过对硅模具工艺、背板生长工艺和无背板生长工艺三种工艺路线进行比较分析,我们认为无背板生长工艺较其 他两种工艺路线更适合于微流控芯片热压模具制作的需要,无背板生长法是利用SU-8光刻胶,通过低成本的U-LIGA技术,直接在金属基板上电铸镍图形 来实现的。在整个无背板生长工艺中,SU-8胶紫外光刻工艺作为微电铸的前序工艺,其工艺参数的优化和光刻精度直接影响微电铸模具的质量和精度 本文首先分析了各工艺参数的影响因素,然后通过实验和仿真分析确定各工艺参数的最优化结果,最终建立了SU-8胶紫外光刻的标准工艺流程,在该标 准工艺流程的基础上,通过后序工艺微电铸已成功制作出高质量的微 具和微注塑模具 本文根据菲涅耳衍射理论建立了紫外琴光模型和尺 寸公差模型。用A∏LA软件对SU-8微结构的尺寸及其公差进行数值模拟,针对数值模拟结果进行了SU-8胶紫外光刻的实验研究。数值模拟结果与实验结 果进行比较,变化趋势基本一致。因此,可以用本文的模型来预测SU-8微结构的尺寸及其公差。在紫外曝光模型的基础上,本文根据溶胀原理建立了显 影模型,分析了S-8胶在显影过程中的溶胀趋势。最后总结了紫外曝光模型和显影模型对实验的指导作用 紫外曝光模型对实验的指导作用 (1)模拟结果表明微通道的顶部线宽小于掩模的特征线宽。在设计掩模时,掩模的特征线宽要略大于所需要微通道的线宽 (2)根据SL-8胶的厚 度确定曝光剂量的大小 (3)间隙量对线宽变化影响较大,因此在工艺过程中尽可能让SU-8胶的表面平整,减小间隙量 截面的形状,根据数值模拟结果,优化工艺参数,使微通道的侧壁更加陡直。显影模型对实验的指导作用 定量地分析SU-8胶微结构在显 影过程中因为溶胀而发生的尺寸变化,预测U-8胶在显影过程中的溶胀趋势 6.期刊论文张晔陈迪张金娅.朱军.刘景全. Zhang Ye. Chen di. Zhang jinya. Zhu jun. Liu jingquan UV-LIGA中 品合是 7.学位论文王煜SU-8光刻胶超声时效的实验研究2008 随着MS(微电子机械系统) 迅速发展 L-8胶的U-LIG技术得到了广泛的应用,SU-8光刻胶己成为制作高深宽比结构的首选光刻胶,然 而SU-8胶在工艺过程中会产生较大的内应力,这个问题是制约用SU-8胶制作更高深宽比及尺寸精度微结构的重要问题之一,超声时效技术是材料去应力 方面的一项重要技术,这种技术可以有效降低金属残余应力,可以在聚合物加工中影响大分子链运动,降低聚合物黏度。本文旨在利用超声时效技术去 除SU-8胶内应力,研究有效的超声时效去除S-8胶内应力的方法 文结合振动时效去除金属残余应力的机理,以及超声振动提高聚合物分子 运动能力的机理,根据聚合物结构原理及力学特性,讨论了超声时效去除聚合物SU-8胶内应力的机理 选定了超声振动装置各组件的类型,设计 了可安装不同类型夹具的工作台,利用ASYS软件进行了仿真分析,得出了SU-8胶与硅片所组成体系的各阶固有频率,从而选定了超声时效装置的输出频 率,搭建出超声时效装置 以基片曲率法为基础,采用了轮廓法测量内应力的计算模型测量了SU-8胶的内应力。提出取点法用于消除因胶厚不均 引起的测量误差,并用 Matlab软件拟合得出较准确的基片轮廓。实验证明,取点法是一种有效的减小轮廓法测量误差的方法 采用两种不同的夹 具夹持样片进行超声时效实验。实验结果表明:采用压环型夹具进行超声时效可以有效降低SU-8胶的内应力,而采用托台型夹具时,超声时效实验后SU- 8胶应力明显增大。讨论了托台型夹具夹持方式下SU-8较应力增大的原因,优化了在压环夹具夹持方式下SU-8胶超声时效的时间 8.期刊论文张晔.陈迪.潘欣欣.方华斌.朱军.刘景全. ZHANG Ye. CHEN DI. PAN Xin-xin. FANG Hua-bin. ZHU Jun LIU Jing- quan U-LIGA双层微齿轮加工工艺研究-微细加工技术2005(4) 利用SL-8光刻胶四-LGA技术制备了双层微齿轮,齿轮单层的厚度可达450μ画制备中分别采用了三种工艺路线:两次电铸、溅射种子层一次电铸和直 接一次电铸,均成功地制备出了双层微齿轮,并讨论了三种工艺路线各自的适用范围,即两次电铸工艺路线适用于对机械强度要求不高的各类多层微结构器 件,一次电铸工艺路线适用于对机械强度要求较高的结构,其中溅射种子层工艺适用于深宽比较小的多层微结构模具,而直接电铸工艺适用于深宽比较大且 层间直径相差较小的多层微结构器件 9.学位论文明平美UⅣ-LIGA—微细电火花加工组合制造技术基础研究2006 ronechanieal System)技术作为新兴技术,受到学术界、产业界和政府部门的极大重视,己经在信息、精密机械、汽车、航空航 天、生物医药和国防等领域得到较广泛应用。微细加工是和 micro/Meso尺度结构器件的实现基础和技术关键。以具有优越热力学、光学和化学性能 的SU-8系列光刻胶为光敏材料、紫外光为曝光光源的u-LIGA技术,是借用LIGA(德语: LIthograph, Galvenoforaung,品 forming三词缩写,由射线光 刻、电铸成型和塑铸成型等三个主要工艺步骤组成)工艺思路,且制造成本低康、工艺可控性好、易于实现批量生产、胶模制作质量高的新型高深宽比三 维 Micro/Meso结构技术,是近年微细加工领域的研究热点。微细电火花加工作为一种低成本、高材料选择度的柔性非接触式加工技术,在微制造中具有 独特的工艺优势,尤其在加工icro/Meso尺度金属结构器件方面表现突出,整合u-LIGA和 Miero各自工艺优点而形成WIGA- MicroE刚组合加工技 术以制造形状复杂、材料性能优越或特殊的 Micro/Meso尺度结构器件,是微细加工的创新性思路 本文在国家自然科学基金(50375073)和两项江 苏省自然科学基金(BE2002206、BK2004214)的资助下,围绕V-IGA及其与微细电火花加工技术组合以制造 Micro/Meso尺度金属结构器件的一些技术基础 和工艺关键进行了探讨与研究。全文共七章 第一章概述了WV-LIGA及其与微细电火花组合加工的研究现状、技术关键以及本文的研究内容 第二章描述了SU-8胶光刻各操作环节的工艺基础和技术难点,以金属基片上制备厚度100~200胶模为对象,试验研究并优化了前烘、曝光、后烘等工艺 环节的操作条件及工艺参数。相比硅基片SU-8胶光刻工艺,降低前后烘程度和适度提高曝光剂量,并辅助超声振动去除胶中气体、静置、随炉冷却等措 施,能大大改善胶模质量,试验研究并分析了超声功率对不同特征类型(阳型和阴型胶模结构显影质量的影响并优选了各自适宜的功率大小,阳型结构 实施的超声功率要比阴型结构要低一定值。分析了不同金属片(不锈钢和铜不同特征类型(阳型和阴型胶模去胶的工艺特点,并开展了相应试验研究 用NP去胶液作为去胶试剂,辚助加热、溶液超声振动搅拌、热胀冷缩等措施,获得较为理想的去胶效果。在此基础上,制备出了轮廓清晰,表面质量 好,无明显缺陷,与基底粘结性强的平面微线圈、微型流道、微型柔性探针和筛网等胶模 第三章在分析电沉积时电极过程液相传质方式及其作 用规律的基础上,探讨了微细电铸时物质输运受限的影响因素,建立了微深槽类特征电沉积时液相传质的两种数值分析模型(一维模型和二维模型),分 别描述多种物质组分的扩散、电离、电迁移和电沉积的动力学过程和单一物质组分在强制对流、自然对流和扩散等综合作用下的物质传输情况;并分别 用 Matlab软件 PDEtooI工具箱和 Fluent流体仿真软件数值解算了分析模型,数值表征了u-LIGA特征(槽内溶液视为静止电沉积时离子浓度、H值等空 间变化规律,以及不同传质模式单独或复合作用时,槽内(包括沉积面处)电解液的流场分布规律,并分析了它们对微细电铸过程传质效果的影响。数值 析结果表明:单纯的外部强制对流或扩散传质作用无法满足高深宽比微细结构电沉积物质输运量的要求:发挥并加强电沉积时浮力驱动自然对流的传 质作用能大大增强微细电铸的传质效果,外部强制对流和自然对流的协同传质作用是微细电转高效实施的重要保证:增大沉积面与体液间的温度差一定 程度上提高了物质综合输运效果 第四章概述了微细电铸工艺基础及研究进展,从工艺实践的角度分析了工艺优化的途径与措施,对比试验研究 了阴极水平故置和竖直故置对电铸层形貌质量的影响,研究结果证明浮力驱动自然对流是高深宽比微小结构电铸高效传质的关键性力量,试验验证了第 三章数值分析结果的正确性。利用自行研制的微细电铸装置,单独或综合采用交替性给封闭电铸檣抽进气(抽气降低电铸槽压力,进气高速冲液搅拌 、热梯度等工艺措施,对微细电铸进行了试验研究。试验结果表明:采用阴极板水平放置、交替性给电铸槽抽进气、热梯度(25℃/60℃)等电沉积复合 工艺措施,能明显提高电铸微小结构件的形貌质量,碱少铸件针孔、结瘤等缺陷。研究分析了溶液超声搅拌对电铸层形貌的影响,试验结果显示,适度 功率大小的溶液超声搅拌能明显减少电铸件针孔,提高铸层平整性 第五章分析了微细电火花加工的电极损耗机理,选择了三种有增强电铸钢电 极抗电蚀性能潜势的试验方案,通过在硫酸铜基液中添加明胶、添加强耐电蚀性的石墨微粉和焦磷酸盐基液中添加纳米稀土氧化物—氧化锎组成新电 解液,研究分析了基于这些电解液所电铸的宏观电极试样的耐电蚀能力、形貌特征和显微硬度等,并以耐电蚀能力为主要评价指标依次优选了上述三类 试验的工艺参数和操作条件。然后以各自优选出的工艺参数和操作条件电铸出微电极试样,并进行了电蚀性试验,以进一步分析它们的微细电铸能力和 “微观”抗电蚀行为,试验结果表明,利用焦磷酸盐基液添加适量(1.52g/1)纳米氧化所组成的新电解液电铸出的微电极试样在微细电火花加工中表
优选了关键制备环节的工艺参数,在此基础上,制作出微型柔性镍接触探针.试验结果表明:采用工艺条件优选的UV-LIGA技术,如前烘60 ℃,120 min,90 ℃,120 min;较大曝光剂量;后烘65 ℃,10 min,95 ℃,45 min;匀胶后静置、随炉冷却和超声辅助显影等辅助措施,所制备出的柔性接触探针(主体总长4 mm,宽80 μm,高100 μm;弹簧处高宽比为5(100 μm:20 μm))尺寸精度高;三角锥状针尖曲率半径小于5 μm;缺陷少,形貌质量高. 5.学位论文 秦江 SU-8胶紫外光刻理论与实验研究 2006 随着微机电系统的迅速发展，基于SU-8胶的UV-LIGA技术得到更加广泛的应用。本课题研究了SU-8胶紫外光刻理论和工艺实验，并对SU-8胶微结构的 尺寸及其公差进行了定量研究。 通过对硅模具工艺、背板生长工艺和无背板生长工艺三种工艺路线进行比较分析，我们认为无背板生长工艺较其 他两种工艺路线更适合于微流控芯片热压模具制作的需要。无背板生长法是利用SU-8光刻胶，通过低成本的UV-LIGA技术，直接在金属基板上电铸镍图形 来实现的。在整个无背板生长工艺中，SU-8胶紫外光刻工艺作为微电铸的前序工艺，其工艺参数的优化和光刻精度直接影响微电铸模具的质量和精度。 本文首先分析了各工艺参数的影响因素，然后通过实验和仿真分析确定各工艺参数的最优化结果，最终建立了SU-8胶紫外光刻的标准工艺流程。在该标 准工艺流程的基础上，通过后序工艺微电铸已成功制作出高质量的微热压模具和微注塑模具。 本文根据菲涅耳衍射理论建立了紫外曝光模型和尺 寸公差模型。用MATLAB软件对SU-8微结构的尺寸及其公差进行数值模拟，针对数值模拟结果进行了SU-8胶紫外光刻的实验研究。数值模拟结果与实验结 果进行比较，变化趋势基本一致。因此，可以用本文的模型来预测SU-8微结构的尺寸及其公差。在紫外曝光模型的基础上，本文根据溶胀原理建立了显 影模型，分析了SU-8胶在显影过程中的溶胀趋势。最后总结了紫外曝光模型和显影模型对实验的指导作用。 紫外曝光模型对实验的指导作用： (1)模拟结果表明微通道的顶部线宽小于掩模的特征线宽。在设计掩模时，掩模的特征线宽要略大于所需要微通道的线宽。 (2)根据SU-8胶的厚 度确定曝光剂量的大小。 (3)间隙量对线宽变化影响较大，因此在工艺过程中尽可能让SU-8胶的表面平整，减小间隙量。 (4)预测微通道横 截面的形状，根据数值模拟结果，优化工艺参数，使微通道的侧壁更加陡直。 显影模型对实验的指导作用： 定量地分析SU-8胶微结构在显 影过程中因为溶胀而发生的尺寸变化，预测SU-8胶在显影过程中的溶胀趋势。 6.期刊论文 张晔.陈迪.张金娅.朱军.刘景全.Zhang Ye.Chen Di.Zhang Jinya.Zhu Jun.Liu Jingquan UV-LIGA中 光源波长和曝光量对SU-8光刻胶微结构的影响 -中国机械工程2005,16(z1) 基于UV-LIGA技术采用SU-8光刻胶制备了高深宽比微结构,最高深宽比达20:1.研究了改变光源的波长和曝光量对SU-8光刻胶成形的影响,揭示了在一 定范围内线宽随曝光量非线性变化的规律.从聚合度和聚合所得高分子结构两方面对该变化规律给出了合理的解释,并基于该变化规律提出了一种新的消 除微结构倒角的方法. 7.学位论文 王煜 SU-8光刻胶超声时效的实验研究 2008 随着MEMS(微电子机械系统)技术的迅速发展，基于SU-8胶的UV-LIGA技术得到了广泛的应用。SU-8光刻胶已成为制作高深宽比结构的首选光刻胶。然 而SU-8胶在工艺过程中会产生较大的内应力，这个问题是制约用SU-8胶制作更高深宽比及尺寸精度微结构的重要问题之一。超声时效技术是材料去应力 方面的一项重要技术，这种技术可以有效降低金属残余应力，可以在聚合物加工中影响大分子链运动，降低聚合物黏度。本文旨在利用超声时效技术去 除SU-8胶内应力，研究有效的超声时效去除SU-8胶内应力的方法。 本文结合振动时效去除金属残余应力的机理，以及超声振动提高聚合物分子链 运动能力的机理，根据聚合物结构原理及力学特性，讨论了超声时效去除聚合物SU-8胶内应力的机理。 选定了超声振动装置各组件的类型，设计 了可安装不同类型夹具的工作台。利用ANSYS软件进行了仿真分析，得出了SU-8胶与硅片所组成体系的各阶固有频率，从而选定了超声时效装置的输出频 率，搭建出超声时效装置。 以基片曲率法为基础，采用了轮廓法测量内应力的计算模型测量了SU-8胶的内应力。提出取点法用于消除因胶厚不均 引起的测量误差，并用Matlab软件拟合得出较准确的基片轮廓。实验证明，取点法是一种有效的减小轮廓法测量误差的方法。 采用两种不同的夹 具夹持样片进行超声时效实验。实验结果表明：采用压环型夹具进行超声时效可以有效降低SU-8胶的内应力，而采用托台型夹具时，超声时效实验后SU- 8胶应力明显增大。讨论了托台型夹具夹持方式下SU-8胶应力增大的原因，优化了在压环夹具夹持方式下SU-8胶超声时效的时间。 8.期刊论文 张晔.陈迪.潘欣欣.方华斌.朱军.刘景全.ZHANG Ye.CHEN Di.PAN Xin-xin.FANG Hua-bin.ZHU Jun. LIU Jing-quan UV-LIGA双层微齿轮加工工艺研究 -微细加工技术2005(4) 利用SU-8光刻胶UV-LIGA技术制备了双层微齿轮,齿轮单层的厚度可达450 μm.制备中分别采用了三种工艺路线:两次电铸、溅射种子层一次电铸和直 接一次电铸,均成功地制备出了双层微齿轮,并讨论了三种工艺路线各自的适用范围,即两次电铸工艺路线适用于对机械强度要求不高的各类多层微结构器 件,一次电铸工艺路线适用于对机械强度要求较高的结构,其中溅射种子层工艺适用于深宽比较小的多层微结构模具,而直接电铸工艺适用于深宽比较大且 层间直径相差较小的多层微结构器件. 9.学位论文 明平美 UV-LIGA—微细电火花加工组合制造技术基础研究 2006 MEMS (Micro Electromechanical System)技术作为新兴技术，受到学术界、产业界和政府部门的极大重视，已经在信息、精密机械、汽车、航空航 天、生物医药和国防等领域得到较广泛应用。微细加工是MEMS和Micro/Meso尺度结构器件的实现基础和技术关键。以具有优越热力学、光学和化学性能 的SU-8系列光刻胶为光敏材料、紫外光为曝光光源的UV-LIGA技术，是借用LIGA(德语：LIthograpie，Galvanoformung，Abformung三词缩写，由X射线光 刻、电铸成型和塑铸成型等三个主要工艺步骤组成)工艺思路，且制造成本低廉、工艺可控性好、易于实现批量生产、胶模制作质量高的新型高深宽比三 维Micro/Meso结构技术，是近年微细加工领域的研究热点。微细电火花加工作为一种低成本、高材料选择度的柔性非接触式加工技术，在微制造中具有 独特的工艺优势，尤其在加工Micro/Meso尺度金属结构器件方面表现突出。整合UV-LIGA和MicroEDM各自工艺优点而形成UV-LIGA－MicroEDM组合加工技 术以制造形状复杂、材料性能优越或特殊的Micro/Meso尺度结构器件，是微细加工的创新性思路。 本文在国家自然科学基金(50375073)和两项江 苏省自然科学基金(BK2002206、BK2004214)的资助下，围绕UV-LIGA及其与微细电火花加工技术组合以制造Micro/Meso尺度金属结构器件的一些技术基础 和工艺关键进行了探讨与研究。全文共七章： 第一章概述了UV-LIGA及其与微细电火花组合加工的研究现状、技术关键以及本文的研究内容。 第二章描述了SU-8胶光刻各操作环节的工艺基础和技术难点，以金属基片上制备厚度100~200 胶模为对象，试验研究并优化了前烘、曝光、后烘等工艺 环节的操作条件及工艺参数。相比硅基片SU-8胶光刻工艺，降低前后烘程度和适度提高曝光剂量，并辅助超声振动去除胶中气体、静置、随炉冷却等措 施，能大大改善胶模质量。试验研究并分析了超声功率对不同特征类型(阳型和阴型)胶模结构显影质量的影响并优选了各自适宜的功率大小，阳型结构 实施的超声功率要比阴型结构要低一定值。分析了不同金属片(不锈钢和铜)不同特征类型(阳型和阴型)胶模去胶的工艺特点，并开展了相应试验研究 ，用NMP去胶液作为去胶试剂，辅助加热、溶液超声振动搅拌、热胀冷缩等措施，获得较为理想的去胶效果。在此基础上，制备出了轮廓清晰，表面质量 好，无明显缺陷，与基底粘结性强的平面微线圈、微型流道、微型柔性探针和筛网等胶模。 第三章在分析电沉积时电极过程液相传质方式及其作 用规律的基础上，探讨了微细电铸时物质输运受限的影响因素，建立了微深槽类特征电沉积时液相传质的两种数值分析模型(一维模型和二维模型)，分 别描述多种物质组分的扩散、电离、电迁移和电沉积的动力学过程和单一物质组分在强制对流、自然对流和扩散等综合作用下的物质传输情况；并分别 用Matlab软件PDEtool工具箱和Fluent流体仿真软件数值解算了分析模型，数值表征了UV-LIGA槽特征(槽内溶液视为静止)电沉积时离子浓度、PH值等空 间变化规律，以及不同传质模式单独或复合作用时，槽内(包括沉积面处)电解液的流场分布规律，并分析了它们对微细电铸过程传质效果的影响。数值 分析结果表明：单纯的外部强制对流或扩散传质作用无法满足高深宽比微细结构电沉积物质输运量的要求；发挥并加强电沉积时浮力驱动自然对流的传 质作用能大大增强微细电铸的传质效果，外部强制对流和自然对流的协同传质作用是微细电铸高效实施的重要保证；增大沉积面与体液间的温度差一定 程度上提高了物质综合输运效果。 第四章概述了微细电铸工艺基础及研究进展，从工艺实践的角度分析了工艺优化的途径与措施，对比试验研究 了阴极水平放置和竖直放置对电铸层形貌质量的影响，研究结果证明浮力驱动自然对流是高深宽比微小结构电铸高效传质的关键性力量，试验验证了第 三章数值分析结果的正确性。利用自行研制的微细电铸装置，单独或综合采用交替性给封闭电铸槽抽进气（抽气降低电铸槽压力，进气高速冲液搅拌 ）、热梯度等工艺措施，对微细电铸进行了试验研究。试验结果表明：采用阴极板水平放置、交替性给电铸槽抽进气、热梯度(25℃/60℃)等电沉积复合 工艺措施，能明显提高电铸微小结构件的形貌质量，减少铸件针孔、结瘤等缺陷。研究分析了溶液超声搅拌对电铸层形貌的影响，试验结果显示，适度 功率大小的溶液超声搅拌能明显减少电铸件针孔，提高铸层平整性。 第五章分析了微细电火花加工的电极损耗机理，选择了三种有增强电铸铜电 极抗电蚀性能潜势的试验方案，通过在硫酸铜基液中添加明胶、添加强耐电蚀性的石墨微粉和焦磷酸盐基液中添加纳米稀土氧化物——氧化镧组成新电 解液，研究分析了基于这些电解液所电铸的宏观电极试样的耐电蚀能力、形貌特征和显微硬度等，并以耐电蚀能力为主要评价指标依次优选了上述三类 试验的工艺参数和操作条件。然后以各自优选出的工艺参数和操作条件电铸出微电极试样，并进行了电蚀性试验，以进一步分析它们的微细电铸能力和 “微观”抗电蚀行为。试验结果表明，利用焦磷酸盐基液添加适量(1.5~2g/l)纳米氧化镧所组成的新电解液电铸出的微电极试样在微细电火花加工中表
现出优异的抗电蚀能力。第六章分析了用Uv-LIGA技术制备的工具电极微细电火花批量加工复杂形状微小结构器件的工艺特点。初步试验研究了电 极对面积和加工面积对微细电火有 条件下,批量加工型腔类结构的 有这种变化规律。电极对面积相 的间情1 垂生 构时的加工精度、表面质量、加工速度和电极损耗的影响。结果表明:在设定加工规准的 复和表 对面积的增大而提高,而批量加工型架类结构的加工精度和表面质量与电极对面积之间并没 加工速度比型架类加工大,而电极损耗比型架类加工小。另外,采用反复穿打的加工方式 加工出了加工精度和表面质量都较高的不锈 本文最后一章,即第七章,对本文的研究进行了总结和展望。 10.会议论文明平美.朱荻.胡洋洋.赵波.曾永彬基于u-LIGA技术制备微型柔性镍接触探针2006 介绍了基于I-IGA技术制备微型柔性镍接触探针的工艺过程,分析了制备的技术关键,试验优选了关键制备环节的工艺参数。试验结果表明:采用 优化的工艺条件能低成本制备出形貌质量高、缺陷少的微型柔性镍接触探针。 证文就(8条) 1·陆振华许宝建金庆辉赵建龙用于PDs微芯片塑性成型的SU-8模具制作工艺的优化[期刊论文]一功能材料与器 件学报2008(03) 2.汤自荣.姚园媛.史铁林.黁广兰光刻结合热解制备高深宽比碳微结构的新方法[期刊论文]-微细加工技术 3.宋海英.刘世炳355mm微光曝光SU-8胶的XPS谱和FT-IR谱研究[期刊论文]-光散射学报207(04) 4.许宝建.金庆辉.赵建龙基于多层SU8结构的微喷阵列芯片的制作与应用研究[期刊论文]一功能材料与器件学报 2006(05) 5.王彬.陈翔.许宝建.金庆辉.赵建龙.徐元森基于SU-8负胶的微流体器件的制作及研究[期刊论文]-功能材料与器 件学报2006(03) 6.路亮紫外激光曝光光刻SU-8胶的工艺研究[学位论文]硕士2006 7.关艳霞微流控分析系统中微流体驱动技术的研究[学位论文]博士2006 8.秦江SU-8胶紫外光刻理论与实验研究[学位论文]硕士2006 本文链接http://d.g.wanfangdata.comcn/periodiCal_gnclygjxb200502027.aspy 下载时间:2010年2月15日
现出优异的抗电蚀能力。 第六章分析了用UV-LIGA技术制备的工具电极微细电火花批量加工复杂形状微小结构器件的工艺特点。初步试验研究了电 极对面积和加工面积对微细电火花批量加工型腔类和型架类结构时的加工精度、表面质量、加工速度和电极损耗的影响。结果表明：在设定加工规准的 条件下，批量加工型腔类结构的加工精度和表面质量随电极对面积的增大而提高，而批量加工型架类结构的加工精度和表面质量与电极对面积之间并没 有这种变化规律。电极对面积相同的情况下，型腔类加工的加工速度比型架类加工大，而电极损耗比型架类加工小。另外，采用反复穿打的加工方式 ，加工出了加工精度和表面质量都较高的不锈钢微齿轮。 本文最后一章，即第七章，对本文的研究进行了总结和展望。 10.会议论文 明平美.朱荻.胡洋洋.赵波.曾永彬 基于UV-LIGA技术制备微型柔性镍接触探针 2006 介绍了基于UV-LIGA技术制备微型柔性镍接触探针的工艺过程，分析了制备的技术关键，试验优选了关键制备环节的工艺参数。试验结果表明：采用 优化的工艺条件能低成本制备出形貌质量高、缺陷少的微型柔性镍接触探针。 引证文献(8条) 1.陆振华.许宝建.金庆辉.赵建龙 用于PDMS微芯片塑性成型的SU-8模具制作工艺的优化[期刊论文]-功能材料与器 件学报 2008(03) 2.汤自荣.姚园媛.史铁林.廖广兰 光刻结合热解制备高深宽比碳微结构的新方法[期刊论文]-微细加工技术 2007(04) 3.宋海英.刘世炳 355nm激光曝光SU-8胶的XPS谱和FT-IR谱研究[期刊论文]-光散射学报 2007(04) 4.许宝建.金庆辉.赵建龙 基于多层SU-8结构的微喷阵列芯片的制作与应用研究[期刊论文]-功能材料与器件学报 2006(05) 5.王彬.陈翔.许宝建.金庆辉.赵建龙.徐元森 基于SU-8负胶的微流体器件的制作及研究[期刊论文]-功能材料与器 件学报 2006(03) 6.路亮 紫外激光曝光光刻SU-8胶的工艺研究[学位论文]硕士 2006 7.关艳霞 微流控分析系统中微流体驱动技术的研究[学位论文]博士 2006 8.秦江 SU-8胶紫外光刻理论与实验研究[学位论文]硕士 2006 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gnclyqjxb200502027.aspx 下载时间：2010年2月15日