第3期 微细加工技术 2005年9月 MICROF ABRICATION TECHNOLOGY Sep.,2005 文章编号:10038213(2005)03-003606 SU-8胶光刻工艺参数优化研究 张晔,陈迪,张金娅,倪智萍,朱军,刘景全 (上海交通大学微纳科学技术研究院微米/纳米加工技术国家级重点实验室 薄膜与微细技术教育部重点实验室,上海200030) 摘要:对基于SU8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500m厚光刻胶微结构。 关键词: UV-LIGA技术;SU-8胶;高深宽比;微结构 中图分类号:TN23 文献标识码:A 1引言 1861,而对于高深宽比圆柱结构而言所获得 的深宽比还不超过105。在本实验中通过 SU8胶是一种在微机电系统(MEMS)优化工艺参数得到了深宽比为20的微圆柱 中广泛应用的负性厚光刻胶。由于SU8结构。衡量高深宽比微结构有两个重要的参 胶光敏性较好,同时吸收系数也较小,几百微数线宽变化和倾角角度。前者关系到所做 米厚的SU8胶进行紫外光刻,在较短的时图形的可控性和精确性,而后者则关系到其 间内即可达到曝光剂量的要求,而且厚胶内后期作为模具的可行性。在现有对于SU8 的曝光剂量也比较均匀2。因此它几乎应胶的研究中,人们对于表面线宽的控制已经 用到了MEMS的各个方面例如作为塑性机达到了一定的精确度(。但是对于高深宽比 械结构、徽模具、微流体器件的微通道结构等的SU-8胶来说,由于其胶厚很厚(100μm 等3-5)。 1200m),底部和顶部的感光量必定有差 由于SU8胶可以用紫外光进行光刻,值,要保证表面线宽变化很小,往往会造成底 光刻厚度达数百微米,可部分取代LIGA技部由于曝光不足而出现倒角现象(Ttop) 术中的同步辐射X光光刻工艺,这大大降低尤其在300μm以上的胶厚中,这种现象更 了LIGA技术的成本。目前利用常规的紫外为明显,而且这给之后将其作为模具以及电 曝光工艺,文献报道的最大高深宽比值为镀金属模具之后的脱模带来困难。现在已经 收稿日期:2005-01-12;修订日期:200503-04 基金项目:国家科技部863资助项目(2004AA404260) 作者简介:张晔(1982-),女,内蒙古人,在读硕士,主要研究方向为MEMS器件、 UV-LIGA技术和SU8 胶工艺等 万方数据
第3期 2005年9月 微细加工技术 MICROFABRICATION TECHNOLOGY No．3 Sep．·2005 文章编号：1003．8213(2005)03—0036-06 S U．8胶光刻工艺参数优化研究 张哗，陈迪，张金娅，倪智萍，朱军，刘景全 (上海交通大学微纳科学技术研究院微米／纳米加工技术国家级重点实验室 薄膜与微细技术教育部重点实验室，上海200030) 摘要：对基于SU一8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一8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 o正角的 300 ttm厚光刻胶微结构和侧壁角度为89．98 o近似垂直的500 btm厚光刻胶微结构。 关键词：UV．LIGA技术；SU．8胶；高深宽比；微结构 中图分类号：TN23 文献标识码：A 1 引言 SU．8胶是一种在微机电系统(MEMS) 中广泛应用的负性厚光刻胶L1l。由于su一8 胶光敏性较好，同时吸收系数也较小，几百微 米厚的SU一8胶进行紫外光刻，在较短的时 间内即可达到曝光剂量的要求，而且厚胶内 的曝光剂量也比较均匀【2J。因此它几乎应 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 竺[3—5] 寸0 由于SU一8胶可以用紫外光进行光刻， 光刻厚度达数百微米，可部分取代LIGA技 术中的同步辐射x光光刻工艺，这大大降低 了LIGA技术的成本。目前利用常规的紫外 曝光工艺，文献报道的最大高深宽比值为 18[6]，而对于高深宽比圆柱结构而言，所获得 的深宽比还不超过10[5 J。在本实验中通过 优化工艺参数得到了深宽比为20的微圆柱 结构。衡量高深宽比微结构有两个重要的参 数：线宽变化和倾角角度。前者关系到所做 图形的可控性和精确性，而后者则关系到其 后期作为模具的可行性。在现有对于SU一8 胶的研究中，人们对于表面线宽的控制已经 达到了一定的精确度[7|。但是对于高深宽比 的SU一8胶来说，由于其胶厚很厚(100肚m一 1 200弘m)，底部和顶部的感光量必定有差 值，要保证表面线宽变化很小，往往会造成底 部由于曝光不足而出现倒角现象(T．top)。 尤其在300 ttm以上的胶厚中，这种现象更 为明显，而且这给之后将其作为模具以及电 镀金属模具之后的脱模带来困难。现在已经 收稿日期：2005．01．12；修订日期：2005．03．04 基金项目：国家科技部863资助项目(2004AA404260) 作者简介：张晔(1982一)，女，内蒙古人，在读硕士，主要研究方向为MEMS器件、uV—LIGA技术和SU，8 胶工艺等。 万方数据
第3 张晔等:SU8胶光刻工艺参数优化研究 有了一些消除倒角的方法,如灰度曝光、多次骤包括:清洗烘干、甩胶、前烘、曝光、后烘以 倾斜曝光、背面曝光、用长波长光源以及减少及显影。SU8胶对于基体的清洁度要求极 PGA浓度(8-10。但是这些方法都有其局限性高,必须采用严格的程序清洗基体。首先用 和缺点如成本太高、应用受结构限制、无法进净的丙酮、酒精及去离子水分别超声清洗 行后续的电铸工艺曝光时间太长等。 基体6min-8min,然后在烘箱中180℃再 本文通过对工艺参数的研究,发现微结烘4h以上。300pm厚的胶前烘为热板上 构线宽变化并不是通常所认为的线性变化,65℃10min,95℃3h,后烘为程控烘箱中 因此希望通过工艺参数之间的优化组合,调65℃10min,25min升到90℃保持40mino 节顶部和底部的线宽大小,在保证表面线宽500m厚的胶前烘为热板上65℃10min, 变化很小的前提下,得到一个垂直或正角的85℃过夜,95℃2h,后烘为程控烘箱中 SU8胶构型,以解决其作为模具的困难,简65℃10min,25min升到90℃保持50min 化和方便后续工艺。 具体实验参数如表1所示。 22材料与设备 2实验过程 SU-8100(GBL)—美国 Microche 公司,SU8显影液—一美国 MicroChem公 2.1实验步骤 司,甩胶台—德国 Karl Suss公司,MA6型 实验采用常规的紫外光刻技术,基本步双面曝光机——德国 Karl Suss公司 表1实验参数 名称 胶厚/pm 光源波长(强度)/nm 曝光时间/s 显影时间/m 实验 实验B 365(26mW/cm2) 500,550,580,620,700,75030 实验C 365(2.6mW/cm2) 350 实验D 365(3,6mW/cm2) 405(9.4mW/cm2) 200,250,300,350 实验E 365(36mW/m2) 405(94mW/cm2) 250,300,360,400,450,550 3结果与讨论 合程度,二是聚合成高分子的结构。曝光量 越大,聚合程度越高,参加聚合的小分子数目 3.1曝光时间对表面线宽变化的影响 越多,同时形成的高分子链越长,缠绕的也就 通过实验A,B,D和E得到了如图1所越紧密;而曝光量较小的时候,聚合程度较 示的表面线宽变化规律。 低,参加聚合的小分子较少,并且形成的高分 从300m和500μm在不同光源的系子链较短,相互间缠绕不紧密,在显影过程中 列实验中发现,表面线宽变化和曝光时间之容易溶胀。在一定的曝光量范围内,参加反 间并不是以往一贯认为的线性关系10,而是应的小分子数量是差不多的,而形成的高分 表面线宽变化会在一定的曝光时间范围内得子结构却有较大的差别。曝光量较大时,高 到一个最小值。这是因为曝光量对于SU8分子间缠绕紧密,不易溶胀;曝光量较小时 胶聚合成的高分子有两方面的影响:一是聚高分子间缠绕松散,较易溶胀。因此并不把 万方数据
第3期 张晔等：SU．8胶光刻工艺参数优化研究 37 有了一些消除倒角的方法，如灰度曝光、多次 倾斜曝光、背面曝光、用长波长光源以及减少 PGA浓度[8-10]。但是这些方法都有其局限性 和缺点，如成本太高、应用受结构限制、无法进 行后续的电铸工艺、曝光时间太长等。 本文通过对工艺参数的研究，发现微结 构线宽变化并不是通常所认为的线性变化， 因此希望通过工艺参数之间的优化组合，调 节顶部和底部的线宽大小，在保证表面线宽 变化很小的前提下，得到一个垂直或正角的 SU一8胶构型，以解决其作为模具的困难，简 化和方便后续工艺。 2实验过程 2．1实验步骤 实验采用常规的紫外光刻技术，基本步 骤包括：清洗烘干、甩胶、前烘、曝光、后烘以 及显影。SU．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 min～8 min，然后在烘箱中180℃再 烘4 h以上。300 ttm厚的胶前烘为热板上 65℃10 rain，95℃3 h，后烘为程控烘箱中 65℃10 rain，25 min升到90℃保持40 min。 500 tLm厚的胶前烘为热板上65℃10 min， 85℃过夜，95℃2 h，后烘为程控烘箱中 65℃10 min，25 min升到90℃保持50 min。 具体实验参数如表1所示。 2．2材料与设备 SU一8 100(GBL)——美国MicroChem 公司，SU一8显影液——美国MicroChem公 司，甩胶台——德国Karl Suss公司，MA6型 双面曝光机——德国Karl Suss公司。 表1实验参数 3结果与讨论 3．1曝光时间对表面线宽变化的影响 通过实验A，B，D和E得到了如图1所 示的表面线宽变化规律。 从300耻m和500肛m在不同光源的系 列实验中发现，表面线宽变化和曝光时间之 间并不是以往一贯认为的线性关系【10J，而是 表面线宽变化会在一定的曝光时间范围内得 到一个最小值。这是因为曝光量对于SU一8 胶聚合成的高分子有两方面的影响：一是聚 合程度，二是聚合成高分子的结构。曝光量 越大，聚合程度越高，参加聚合的小分子数目 越多，同时形成的高分子链越长，缠绕的也就 越紧密；而曝光量较小的时候，聚合程度较 低，参加聚合的小分子较少，并且形成的高分 子链较短，相互间缠绕不紧密，在显影过程中 容易溶胀。在一定的曝光量范围内，参加反 应的小分子数量是差不多的，而形成的高分 子结构却有较大的差别。曝光量较大时，高 分子间缠绕紧密，不易溶胀；曝光量较小时， 高分子问缠绕松散，较易溶胀。因此并不把 万方数据
微细加工技术 2005年 15 a实验A中光源加滤波片30μm厚微结构 h实验B中光源加滤波片500pm厚微结构 086 5050 曝光时间/s 曝光时间/s c实验D中光源不加滤波片3n厚微结构 d实验E中光源不加滤波片5001m厚微结构 图1表面线宽随曝光时间变化曲线 实验A中小于400s以及实验B中小于600s宽变化很大。这证明了当曝光时间小于最优 的曝光量称为曝光不足,而是相对曝光不足,时,在通常的显影时间下线宽是增大的,和实 即在这种工艺条件下,该曝光量并不足以使验A吻合。但是假若适当减少显影时间,线 sU-8胶聚合成的高分子链达到一定的长度,宽变化会很小。这说明此时参加聚合的小分 且高分子间也没有达到一定的缠绕程度,因子数并不是不足,而是聚合形成的高分子结 此在显影的过程中溶胀了。表面获得的曝光构较为松散,因此在显影的过程中容易溶胀 量在整个微结构中是最大的,基本可以保证但是溶胀产生的线宽变化不会线性增加,它 有足够的小分子参加了聚合,因此在所做的在达到一定程度后就会趋于平缓。 小于最优曝光时间(线宽变化最小的曝光时 间)的情况下,溶胀是造成线宽变化的主导因 素,图1中的变化趋势也说明了这一点。随8 着曝光量的增加,溶胀变得困难,线宽增加也 就减少了。而在大于最优曝光时间的情况 下,由于有过多的小分子参与了聚合,即过曝 20253035 光( over dose),使得线宽增大 显影时间/min 3.2显影时间对表面线宽变化的影响 图2光源加滤波片300μm厚微结构表面线宽 为了证实以上的解释,做了实验C,讨论 随显影时间变化曲线 在小于最优曝光时间(350s)的情况下,微结3.3不同光源条件的对比实验 构是否会溶胀,以及如果溶胀,溶胀和显影时 在加或不加滤波片的光源下,都可以通 间的关系 过控制曝光量并设置适当的显影时间来获得 从图2中可以看出,在10min的显影时较小的表面线宽变化。但是由于微结构的顶 间下,线宽变化很小,而增加显影时间后,线部比底部所受到的曝光量更大,显影时间也 万方数据
38 微细加工技术 2005笠 晏 藿《 厂—＼ | ＼ ／ ＼／ lO 虽8 童6 接a 《2 0 曝光时间／s a实验A中光源加滤波片300坤'n厚微结构 —一 ～ ／／ ＼ ／ ＼／ 1踟230 280 330 380 曝光时间／s r实验D中光源不加滤波片300印n厚微结构 ／、 ? 、 —、＼ ／ ＼／ 曝光时间／s b实验B中光源加滤波片500I_tm厚微结构 呈 翟 餐 搿 ／ ／ 、． ／ ．＼．／ 曝光时问，s d实验E中光源不加滤波片500Hm厚微结构 图1表面线宽随曝光时间变化曲线 实验A中小于400 S以及实验B中小于600 s 的曝光量称为曝光不足，而是相对曝光不足， 即在这种工艺条件下，该曝光量并不足以使 S U．8胶聚合成的高分子链达到一定的长度， 且高分子间也没有达到一定的缠绕程度，因 此在显影的过程中溶胀了。表面获得的曝光 量在整个微结构中是最大的，基本可以保证 有足够的小分子参加了聚合，因此在所做的 小于最优曝光时间(线宽变化最小的曝光时 间)的情况下，溶胀是造成线宽变化的主导因 素，图1中的变化趋势也说明了这一点。随 着曝光量的增加，溶胀变得困难，线宽增加也 就减少了。而在大于最优曝光时间的情况 下，由于有过多的小分子参与了聚合，即过曝 光(over dose)，使得线宽增大。 3．2显影时间对表面线宽变化的影响 为了证实以上的解释，做了实验C，讨论 在小于最优曝光时间(350 s)的情况下，微结 构是否会溶胀，以及如果溶胀，溶胀和显影时 间的关系。 从图2中可以看出，在10 rain的显影时 间下，线宽变化很小，而增加显影时间后，线 宽变化很大。这证明了当曝光时间小于最优 时，在通常的显影时间下线宽是增大的，和实 验A吻合。但是假若适当减少显影时问，线 宽变化会很小。这说明此时参加聚合的小分 子数并不是不足，而是聚合形成的高分子结 构较为松散，因此在显影的过程中容易溶胀。 但是溶胀产生的线宽变化不会线性增加，它 在达到一定程度后就会趋于平缓。 呈薹 ||| i 厂 ／ ／ ／ ／r · ， IU D 珊 D 30 ∞ 显影时间／|Ilil、 图2光源加滤波片300肚m厚微结构表面线宽 随显影时间变化曲线 3．3不同光源条件的对比实验 在加或不加滤波片的光源下，都可以通 过控制曝光量并设置适当的显影时间来获得 较小的表面线宽变化。但是由于微结构的顶 部比底部所受到的曝光量更大，显影时间也 ；寻晕僦憾《 万方数据
第3期 张晔等:SU-8胶光刻工艺参数优化研究 更长,那么在不同的光源下,顶部和底部的差 通过实验A,B,D和E得到如图3所示 异——即微结构的倾角有什么变化呢 的倾角变化规律。 250035040045050550 5050050600650707508 曝光时间/s a实验A中光源加滤波片30m厚徹结构 b实验B中光源加滤波片00μm厚微结构 89865 蛋882 89835 曝光时间/s 曝光时间/s c实验D中光源不加滤波片300厚微结构 d实验E中光源不加滤波片50m厚微结构 图3倾角随曝光时间变化曲线 从图3中可以看出,不同光源下倾角的个最大值。而在变化过程中顶部的线宽变化 变化规律是相似的。但是在加了滤波片的光是影响倾角变化的主导因素。图3中倾角的 源下曝光,300pm厚的胶可获得倾角为正角最大值均出现在表面线宽变化最小的时候, (90.64°)的微结构,500μm厚的胶可获得近并且变化趋势正好相反。 似垂直(8998°)的微结构;而由不加滤波片 但是加了滤波片的光源获得的最大倾角 的光源曝光,300m厚的胶可得到基本垂直要大于不加滤波片的情况,也就是说加了滤 89909)的微结构,500μm厚的胶的微结构波片后,调整曝光时间和显影时间,300m 均为倒角。在有无滤波片的情况下,SU-8胶厚的胶可得到正角结构(底部线宽大于顶部 微结构电镜照片如图4~图7所示。 线宽),500μm厚的胶可得到垂直结构(底部 微结构倾角会在一定曝光范围内产生最线宽和顶部线宽相等)。而不加滤波片的光 大值,这是由于顶部和底部因曝光量和显影源曝光所得到的结构中没有正角,即底部线 时间不同引起线宽变化造成的。由于底部的宽均小于顶部线宽,为通常所说的倒角(T 感光量小于顶部,使得底部参加聚合的小分top)。这是因为在不同光源下顶部和底部的 子数目少于顶部,这个效应造成底部的线宽曝光量是不同的。曝光量的差异是由于紫外 小于顶部线宽,同时底部聚合产生的高分子光在SU8胶中的透光系数决定的,不同波 结构要比顶部的更为松散,在显影过程中也长的光的透光系数是不同的,并且随着SU-8 更容易溶胀。尽管微结构中顶部接触显影液胶的聚合而改变。365mm波长的光在未曝 的时间大于底部,但是溶胀的程度主要是由光的SU8胶中的透光系数是3998m-1,而 高分子的空间结构决定的在一定的显影时在曝光后的SU8胶中的透光系数是 间后,溶胀不会再加深,这个效应促使底部的9868m-1;405m波长的光在未曝光的SU-8 线宽增加而大于顶部。这两个效应使得在一胶中的透光系数是396m1,而在曝光后的 定的曝光量范围内,倾角的变化中会出现 sU8胶中的透光系数是3669 万方数据
第3期 张晔等：SU．8胶光刻工艺参数优化研究 39 更长，那么在不同的光源下，顶部和底部的差 异——即微结构的倾角有什么变化呢? 一 o ＼ 媛 坚 曝光时间，s a实验A中光源加滤波片3(】0岫厚微结构 ／＼ ／ ＼ ／ ＼ ／ ＼ 、 曝光时间／s 通过实验A，B，D和E得到如图3所示 的倾角变化规律。 ● 一＼ 姬 坚 ——b 厂＼ ／ ＼ ／ ＼ ／ ＼ n厂p～一 曝光时问，s b实验B中光源加滤波片5(DIL'n厚微结构 曝光时间／s c实验D中光源不加滤波片300山n厚微结构d实验E中光源不加滤波片500tam厚微结构 图3倾角随曝光时间变化曲线 从图3中可以看出，不同光源下倾角的 变化规律是相似的。但是在加了滤波片的光 源下曝光，300 btm厚的胶可获得倾角为正角 (90．64。)的微结构，500／．tm厚的胶可获得近 似垂直(89．98 o)的微结构；而由不加滤波片 的光源曝光，300 ym厚的胶可得到基本垂直 (89．90。)的微结构，500／．tm厚的胶的微结构 均为倒角。在有无滤波片的情况下，SU．8胶 微结构电镜照片如图4～图7所示。 微结构倾角会在一定曝光范围内产生最 大值，这是由于顶部和底部因曝光量和显影 时间不同引起线宽变化造成的。由于底部的 感光量小于顶部，使得底部参加聚合的小分 子数目少于顶部，这个效应造成底部的线宽 小于顶部线宽，同时底部聚合产生的高分子 结构要比顶部的更为松散，在显影过程中也 更容易溶胀。尽管微结构中顶部接触显影液 的时间大于底部，但是溶胀的程度主要是由 高分子的空间结构决定的，在一定的显影时 间后，溶胀不会再加深，这个效应促使底部的 线宽增加而大于顶部。这两个效应使得在一 定的曝光量范围内，倾角的变化中会出现一 个最大值。而在变化过程中顶部的线宽变化 是影响倾角变化的主导因素。图3中倾角的 最大值均出现在表面线宽变化最小的时候， 并且变化趋势正好相反。 但是加了滤波片的光源获得的最大倾角 要大于不加滤波片的情况，也就是说加了滤 波片后，调整曝光时间和显影时间，300肚m 厚的胶可得到正角结构(底部线宽大于顶部 线宽)，500肚m厚的胶可得到垂直结构(底部 线宽和顶部线宽相等)。而不加滤波片的光 源曝光所得到的结构中没有正角，即底部线 宽均小于顶部线宽，为通常所说的倒角(T． toD)。这是因为在不同光源下顶部和底部的 曝光量是不同的。曝光量的差异是由于紫外 光在SU．8胶中的透光系数决定的，不同波 长的光的透光系数是不同的，并且随着SU一8 胶的聚合而改变。365 nm波长的光在未曝 光的SU．8胶中的透光系数是3 998 1TI～，而 在曝光后的SU一8胶中的透光系数是 9 868 m。1；405 nm波长的光在未曝光的SU一8 胶中的透光系数是396 m-。，而在曝光后的 SU一8胶中的透光系数是3 669 m。1【loj。 万方数据
微细加工技术 2005年 图4加滤波片300μm厚正角(微结构高302pm,图5不加滤波片300μm厚倒角(微结构高323μm, 线宽40μm,在有滤波片光源下曝光420s) 线宽40pm,在有滤波片光源下曝光250s) 图6加滤波片500pm厚垂直微结构 图7加滤波片500m厚垂直微结构 (微结构高526μm,线宽50μm, (微结构高527μm,线宽50μm, 在有滤波片光源下曝光620s) 在有滤波片光源下曝光580s) 其中,们为表面处光强,/为范离高表面:处光 强,a为介质的透光系数。对加或不加滤波 钟未曝光 片的光源分别从SU8胶表面每隔10μm计 算光 算该处的光强,比较不同厚度处SU8胶感 400500 受到的光强。并将加或不加滤波片的透光光 光源不加波片 强分布作图比较,如图8所示 从图8中可以看出,不加滤波片的情况 下,由于405mm波长光的存在,曝光后光 末曝光 源光线在SU8胶中的透光性大大小于曝光 前。上层胶由于曝光阻挡了越来越多的光 则底部的胶随着时间的增加感受到的光强越 来越小,这使得顶部和底部的感光强度相差 很大,造成了它们之间的曝光量也相差很 图8SU-8胶曝光前后透光光强分布图 大,即完全曝光后顶部和底部的光强差为后也有变化,但其引起的顶部和底部的光强 77mW/cm2。而加了滤波片之后,消除了差相对较小,即完全曝光后顶部和底部的光 405nm波长光的影响,尽管365mm波长光强差为2.3mW/m2。图9和图10分别为 的透光系数大于405m波长光,并且曝光前加滤波片和不加滤波片的情况下曝光过量时 万方数据
微细加工技术 2005焦 图4加滤波片300,am厚正角(微结构高302,um， 线宽40肚m，在有滤波片光源下曝光420 8) 图6加滤波片500 ttm厚垂直微结构 (微结构高526／xm，线宽50 ttm， 在有滤波片光源下曝光620 s) 由透光公式，=Ioexp(一口戈) (1) 其中：，。为表面处光强，，为距离表面石处光 强，口为介质的透光系数。对加或不加滤波 片的光源分别从su一8胶表面每隔10／．tm计 算该处的光强，比较不同厚度处SU．8胶感 受到的光强。并将加或不加滤波片的透光光 强分布作图比较，如图8所示。 从图8中可以看出，不加滤波片的情况 下，由于405 nm波长光的存在，曝光后光 源光线在SU一8胶中的透光性大大小于曝光 前。上层胶由于曝光阻挡了越来越多的光， 则底部的胶随着时间的增加感受到的光强越 来越小，这使得顶部和底部的感光强度相差 很大，造成了它们之间的曝光量也相差很 大，即完全曝光后顶部和底部的光强差为 7．7 mW／cm20而加了滤波片之后，消除了 405 nm波长光的影响，尽管365 nm波长光 的透光系数大于405 nm波长光，并且曝光前 图5不加滤波片300 p．m厚倒角(微结构高323”m， 线宽40脚，在有滤波片光源下曝光250 s) ．q．---．10 i 8 富6 兽4 婪z O 譬3 ≤2 载 图7加滤波片500 ptm厚垂直微结构 (微结构高527肚m，线宽50,ttm， 在有滤波片光源下曝光580 s) 咯～．． 、1、‰… 、 ～不碍兀 ’～-． ．——’■慨 0 l∞200 30D 400 500 6130 胶厚lima a光源不加滤波片 h光源加滤波片 图8 SU．8胶曝光前后透光光强分布图 后也有变化，但其引起的顶部和底部的光强 差相对较小，即完全曝光后顶部和底部的光 强差为2．3 mW／cm2。图9和图10分别为 加滤波片和不加滤波片的情况下曝光过量时 万方数据
张晔等:SU-8胶光刻工艺参数优化研究 微结构顶部电镜照片。可以看出,在不加滤4结论 波片的情况下,曝光过量的顶部呈帽子状, 这就是因为顶部曝光后,由于405mm和 采用SU8胶在 UV-LIGA技术的基础 365m光的穿透系数改变引起顶部聚集大上制备高深宽比微结构是一种非常有效而实 量能量造成的顶部过聚合。而在加了滤波片用的方法。但为了其应用及后续工艺如电 的情况下,由于消除了405mm光的影响 镀模具,在追求高深宽比的同时,要控制线宽 顶部尽管线宽增加,但并未出现帽子结构。 变化,消除普遍存在的倒角结构。本文通过 改变光源和曝光条件,用普通的紫外曝光技 术得到了深宽比为15,线宽变化小于2pm 的正角圆柱微结构,以及深宽比为20,线宽 变化小于1μm的垂直圆柱微结构。结合光 源透光系数的改变和实验结果,解释了线宽 变化和曝光量间的非线性关系以及倒角消除 的原因。 图9不加滤光片时曝光过量的顶部 参考文献 [1 Lee K Y, Labianca N, Rishten S A. Micr hick photoresist [ J]. J Vac Sci Technol, 1995 B13(6):3012-3016. anon pect ratio microparts and micromolds using SU-8 [J]. Mi [3] Seidemann V, Rabe J, Feldmann H, et al. SU 图10加滤光片时曝光过量的顶部 8-micromechanical structures with in situ fabri- cated movable parts[ J]. Microsystem Technolo 正是由于不加滤波片顶部和底部曝光量 gies,2002,8:348-350 的差值也很大,使得顶部和底部因聚合程度4] Kukharenka E, Farooqui M M, Grigore L,et 造成的线宽差异也很大,尽管底部的溶胀效 al. Electroplating moulds using dry film thick 应大于顶部,但并不足以弥补前者的差异 notoresist [J.J Micromech Micro- 因此不加滤波片的情况下,底部的线宽变化 eng,2003,13:S67-S74. 不会大于顶部,即不会出现正角。而在加了5] Lin Che-Hsin, Lee gwo-bir, Chang BaoWen, et al. A new fabrication process for ultra-thick 滤波片后顶部和底部的曝光量差异减小,底 microfluidic microstructures utilizing SU-8 ph 部的线宽增加有可能会大于顶部,即 toresist[J]. J Micromech Microeng, 2002, 12 300pm厚的胶在300s-400s曝光范围内会 出现正角。500m厚的胶其顶部和底部的[6] Zhang j, Tan K L, ong H O. Characterization 曝光差异相对较大,没有出现正角,但是在 of the polymerization of su-8 photoresist and its 580s~620s曝光范围内微结构接近垂直 (下转第80页) 万方数据
第3期 张哗等：SU．8胶光刻工艺参数优化研究 41 微结构顶部电镜照片。可以看出，在不加滤 波片的情况下，曝光过量的顶部呈帽子状， 这就是因为顶部曝光后，由于405 nm和 365 nm光的穿透系数改变引起顶部聚集大 量能量造成的顶部过聚合。而在加了滤波片 的情况下，由于消除了405 ilm光的影响， 顶部尽管线宽增加，但并未出现帽子结构。 图9不加滤光片时曝光过量的顶部 图10加滤光片时曝光过量的顶部 正是由于不加滤波片顶部和底部曝光量 的差值也很大，使得顶部和底部因聚合程度 造成的线宽差异也很大，尽管底部的溶胀效 应大于顶部，但并不足以弥补前者的差异。 因此不加滤波片的情况下，底部的线宽变化 不会大于顶部，即不会出现正角。而在加了 滤波片后顶部和底部的曝光量差异减小，底 部的线宽增加有可能会大于顶部，即 300 ptm厚的胶在300 s～400 s曝光范围内会 出现正角。500 ptm厚的胶其顶部和底部的 曝光差异相对较大，没有出现正角，但是在 580 s～620 s曝光范围内微结构接近垂直。 4结论 采用SU．8胶在uV—LIGA技术的基础 上制备高深宽比微结构是一种非常有效而实 用的方法。但为了其应用及后续工艺，如电 镀模具，在追求高深宽比的同时，要控制线宽 变化，消除普遍存在的倒角结构。本文通过 改变光源和曝光条件，用普通的紫外曝光技 术得到了深宽比为15，线宽变化小于2 ttm 的正角圆柱微结构，以及深宽比为20，线宽 变化小于1 ttm的垂直圆柱微结构。结合光 源透光系数的改变和实验结果，解释了线宽 变化和曝光量间的非线性关系以及倒角消除 的原因。 参考文献： [1]Lee K Y，Labianca N，Rishten S A．Micro— maching application of a high resolution with thick photoresist[J]．J Vac Sci Technol，1995， B13(6)：3012—3016． ‘ [2]Lorenze H．Fabrication of photoplastic high一髂- pect ratio microparts and micromolds using SU一8 UV resist[J]．Microsystem Technologies， 1998．4：143—146． [3]Seidemann V，Rabe J，Feldmann H，et a1．SU- 8-micromeehanical structures with in situ fabri． cated movable parts[J]．Microsystem Technolo· gies，2002，8：348—350． [4] Kukharenka E，Farooqui M M，Grigore L，et a1．Electroplating moulds using dry fdm thick negative photoresist[J]．J Micromech Microeng，2003，13：$67一$74． [5]Lin Che-Hsin，Lee Gwo-Bin，Chang Bao·Wen， et a1．A new fabrication process for ultra-thick microfluidic microstructures utilizing SU--8 pho·· toresist[J]．J Micromech Microeng，2002，12： 590—597． [6]Zhang J，Tan K L，Gong H O．Characterization of the polymerization of SU-8 photoresist and its (下转第80页) 万方数据
微细加工技术 2005年 Motion Controller Design of Precision Stage Based on Linear Motor YANG Kai-ming, YE Pei-qing, YIN Weng-sheng Department of Precision Instruments and Mechanology, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: In order to improve the tracking accuracy and dynamical response of the precision stage based on the discrete model of the identified control object, pole assignment method is used to de- sign the feedforward loop and feedback loop of the motion controller for the precision stage. In the test experiments, compared to the PD control with acceleration feedforward, the static positioning accuracy is improved by 0.5 um, and the tracking accuracy is improved by 3 um at the uniform show that motion controllers based on the pole assignment method have much better dynamical re- sponse and tracking performance Key words: precision stage; linear motor; motion control; pole assignment (上接第41页) J Micromech Microeng, 2003, 13: 380-382 plications in micro-electro-mechanical syste [9 Manhee Han, Lee Woonseob, Lee Sun-Ke (MEMS)[J]. Polymer Testing, 2001,20 UV lithography [J]. Sensors and Actuators, [7] Kudryashov V, Yuan X C, Cheong W C, et al 2004,A111:14-20. Grey scale structures formation in SU-8 with e [10] Ling Zhonggeng, Lian Kun, Jian Linke.Im eam and Uv[J].Mi proved patterning quality of sU-8 microstru 2003,67-68:306-311 tures b [8] Peter M C, Huie P, Bloom D M, et al. Building [A]. Proc SPIE-Int Soc Opt Eng[C].USA thick photoresist structures from the bottom up[J] sPIE,2000,3999:1019-1027 Process Optimization of Optical Lithography of su-8 Photoresist ZHANG Ye, CHEN Di, ZHANG Jin-ya, NI Zhi-ping, ZHU Jun, LiU Jing-quar State Key Laboratory of Micro/Nano Fabrication Technology, Thin Film and Microtechnology Key Laboratory of Ministry of Education, Institute of Micro/Nar Science and Technology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China Abstract: Process parameters of SU-8 photoresist based UV-LIGA technique were optimized. The influences of expose time and the wavelength of expose source(on the resist formation) were in- tigated. The line width of photoresist surface first decreased then increased with expose It has a minimum. The sidewall angle first increased then decreased with expose time. It has a maximum. We have optimized the process parameters like wavelength of expose source, expose time and developing time to fabricate 300 Am-thickness microstructures with sidewall angle of 0.64 and those of 500 um-thickness with sidewall of 89.98% Key words: UV-LIGA; SU-8 photoresist; high aspect ratio; microstructure 万方数据
80 微细加工技术 2005年 YANG Kai—ming，YE Pei—qing，YIN Weng-sheng (Department of Precision Instruments and Mechanology，Tsinghua University，Beijing 100084，China) Abstract：In order to improve the tracking accuracy and dynamical response of the precision stage， based on the discrete model of the identified control object，pole assignment method is used to de— sign the feedforward loop and feedback loop of the motion controller for the precision stage．In the test experiments，compared to the PD control with acceleration feedforward，the static positioning accuracy is improved by O．5 ttm，and the tracking accuracy is improved by 3 ttm at the uniform speed of 120 mm／s，while the positioning establishment time is reduce by 10 ms．The results show that motion controllers based on the pole assignment method have much better dynamical re— sponse and tracking performance． Key words：precision stage；linear motor；motion control；pole assignment (上接第41页) applications in micro-electro-mechanical systems (MEMS)[J]．Polymer Testing，2001，20： 693—701． [7]Kudryashov V，Yuan X C，Cheong W C，et a1． Grey scale structures formation in SU-8 with e。 beam and UV[J]．Miercelectronic Engineering， 2003，67—68：306—311． [8]Peter M C，Huie P，Bloom D M，et a1．Blfilding thick photoresist stmctm,℃s from the bottom up[J]． J Micromech Mieroeng，2003，13：380—382． [9] Manhee Han，Lee woonseob，Lee Sun-Keun，et a1．3D mierofabrication with inelined／rotated UV lithography[J]．Sensors and Actuators， 2004．A111：14—20． [10]Ling Zhong-geng，Lian Kun，Jian Linke．Im— proved patterning quality of SU--8 mierostrue·· tures by optimizing the exposure parameters [A]．Proo SPIE-Int Scc Opt Eng[C]．USA： SPIE．2000，3999：1019—1027． ZHANG Ye，CHEN Di，ZHANG Jin—ya，NI Zhi—ping，ZHU Jun，LIU Jing—quan (State Key Laboratory of Miero／Nano Fabrication Technology，Thin Film and Mierotechnology Key Laboratory of Ministry of Education，Institute of Micro／Nano Science and Technology，Shanghai JiaoTong University，Shanghai 200030，China) Abstract：Process parameters of SU一8 photoresist based UV—LIGA technique were optimized．The influences of expose time and the wavelength of expose source(on the resist formation)were in— vestigated．The line width of photoresist surface first decreased then increased with expose time． It has a minimum．The sidewall angle first increased then decreased with expose time．It has a maximum．We have optimized the process parameters hke wavelength of expose source，expose time and developing time to fabricate 300肛m．thickness microstructures with sidewall angle of 90．640 and those of 500 um．thickness with sidewall of 89．980． Key ： ． ； 一 UV LIGA SU 8 photoresist ； high aspect ratio；．words microstructure 万方数据