01年 微细加工技术 第2期 microfabrication Technology 文章编号:10038213(2001)02005704 SU-85光刻胶的应用工艺研究 朱军,赵小林,倪智萍 (上海交通大学信息存储研究中心,上海2000 摘要:SU8系列负性光刻胶是一种新品光胶,它具有良好的光敏性和高深宽比,适 合于微机电系统, UV-LIGA和其它厚膜、超厚膜应用12)。介绍了利用SU85光剡 胶,采用UV曝光制备LlGA掩檨板所涉及的SU85工艺研究结果 关键词:微机电系统;高深宽比;SU8系列光刻胶; UV-LIGA 中图分类号:TN057文献标识码:A 引言 不多。以高深宽比介质微结构为模子,采用 电镀方法电镀出金属微结构仍具有高深宽比 随着信息技术的飞速发展,器件小型化特性,这是目前较为简便易行的工艺路线 是必然趋势,传统的微细加工技术已不能完S深刻蚀粉醛树脂光刻胶经多次甩胶得到 全满足MEMS或 MOEMS的发展要求。厚光刻胶是制备高深宽比介质微结构的有效 IGA技术正是为适应MMs与 MOEMS方法,但我们采用SU8光刻胶制备的微结 技术而发展起来的一种新的技术,它使微结构深宽比最大制备工艺最为简便。 构及微零件深宽比达到200以上,并可实现 前,对SU-8光刻胶的应用研究十分 微结构与微零件的批量生产。这是LIGA技有限。它对紫外线具有低光光学吸收特性 术采用X射线进行光刻而具有的优势,但ⅹ既使膜厚高达1000做改米所得图形边缘仍近 射线光刻需要同步辐射光源,这就带来了成乎垂直。SU8是一种应用前景广阔的新型 本高的缺点。SU8光刻胶是一种化学增幅光刻胶产品但它对工艺条件很敏感,因此实 型负性光刻胶,具有良好的光敏性和高深宽际应用中对工艺条件的研究及控制有一定的 比,适合于MEMS或 MOeMS, UV-LIGA和难度。本文报道我们在LGA掩模板研制中 其他超厚膜应用。它既克服了普通光刻采用所涉及的SU85光刻胶的特性研究 UV光刻深宽比不足的问题,又不存在LGA 工艺成本高的问题,因此直接采用SU8光2实验与分析 刻胶来制备深宽比高的微结构与微零件是微 加工领域的一场革新。 2.1甩胶及前烘 目前能制作高深宽比金属微结构的技术 我们在试验中发现SU8光刻胶和基底 收稿日期:200040403 作者简介:朱军(1967),女,江苏如东人,固体电子学专业,硕士,删教授;赵小林(1954-),男,上海人,半 导体专业教授 万方数据
2001证 第2期 微细加工技术 M]crofabrication’Fechn&ogy №2 2001 文章编号：1003—8213(2001)02·0057—04 SU一8 5光刻胶的应用工艺研究 朱军。赵小林．倪智萍 (上悔交通大学信息存储研究中心，上海200030) 摘要：SU一8系列负性光刻胶是一种新品光刻胶，它具有良好的光敏性和高深宽比，适 合于微机电系统，UV—L|GA和其它厚膜、超厚膜应用【1，2。。介绍了利用SU一8 5光刻 胶，采用UV曝光制备LIGA掩模板所涉厦的SU-8 5工艺研究结果。 关键词：微机电系统；高深宽比；SU-8系列光刻胶；UV-LIGA 中图分类号：TN305·7 文献标识码：A 1引言 随着信息技术的飞速发展．器件小型化 是必然趋势，传统的微细加工技术已不能完 全满足MEMs或MOEMS的发展要求。 I，IGA技术正是为适应MEMS与MOFMS 技术而发展起来的一种新的技术，它使微结 构及微零件深宽比达到200以上，并可实现 微结构与微零件的批量生产。这是LfGA技 术采用x射线进行光刻而具有的优势，但x 射线光刻需要同步辐射光源，这就带来了成 本高的缺点。SU一8光刻胶是一种化学增幅 型负性光刻胶，具有良好的光敏性和高深宽 比，适合于MEMS或MOEMS，UV—LIGA和 其他超厚膜应用。它既克服r普通光刻采用 uv光刻深宽比不足的问题，又不存在LIGA 工艺成本高的问题，因此直接采用SU一8光 刻胶来制备深宽比高的徽结构与微零件是微 加工领域的一场革新。 目前能制作高深宽比金属微结构的技术 不多。以高深宽比介质微结构为模于，采用 电镀方法电镀出金属微结构仍具有高深宽比 特性，这是目前较为简便易行的工艺路线。 Si深刻蚀，粉醛树脂光刻胶经多次甩胶得到 厚光刻胶是制备高深宽比介质微结构的有效 方法，但我们采用SU一8光刻胶制备的微结 构深宽比最大，制备工艺最为简便。 目前，对SU一8光刻胶的应用研究十分 有限。它对紫外线具有低光光学吸收特性， 既使膜厚高达1000微米，所得图形边缘仍近 乎垂直。SU-8是一种应用前景广阔的新型 光刻胶产品，但它对工艺条件很敏感，因此实 际应用中对工艺条件的研究及控制有一定的 难度。本文报道我们在LIGA掩模板研制中 所涉及的SU-8 5光刻胶的特性研究。 2实验与分析 2．1甩胶及前烘 我们在试验中发现SU一8光刻胶和基底 收稿日期：2000—04-03 作者简介：朱军(1967一)，女，江苏如东人，固体电子学专业。硕士，副教授；赵小林(1954一)，男，上海人，半 导体专业．教授。 万方数据
朱军等:SU-85光刻胶的应用工艺研究 的结合力及光刻等工艺条件与基底材料很敏比与边缘陡直图形的本质所在。我们对不同 感,我们制备了如下基片。 材质的基片采用相同的工艺条件进行试验发 (1)在S片上溅射沉积20m厚的Cr和现:当基片底膜为Feⅶ时、丙该材料对紫外 0mm厚的C 线反射大,会有明显的反射光产生图形下部 (2)在S片上溅射沉积20nmn厚的(r和边缘的光刻胶饺链,经中烘热铰链导致该部 8nm厚的NiFe; 分光刻胶不能被显影掉,这就导致了图形质 (3)在S片上溅射沉积20mm厚的Cr和量不理想,要想避免出现这种悄况,必须减少 80m厚的A 曝光时间,而曝光时间减少是有下限的,因为 (4)在S片上溅射沉积20mm厚的Cr和中烘只有在已产生光铰链的光刻胶上才能进 80nn厚的Ti,然后对Ti进行氧化处理 步热铰链,从而提高光刻胶抗显影能力 我们制备LIGA掩模板需要电镀25微曝光剂量的下限决定十光刻胶产生光铰链所 米的Au作为X射线曝光吸收器,所以需要需要的喽光剂量,曝光剂量的上限由图形质 甩制30做米厚的光刻胶。甩胶在 Karlsuss量要求所限制。如中烘不足,热饺链不足,光 spin coating上完成,甩胶起始转速为300转刻胶抗显影能力差,表现为显影时脱胶或图 分,保持10秒后在5秒内上升到650转/形钴蚀。中烘过头,会增加薄膜中的应力,引 分,保持15秒后自然降速。让甩好胶的片子起胶裂等问题。对(u、Ti与Au底膜基片而 平放于空气中10分钟以使光刻胶稳定进行言,曝光范围比FeNi底膜要宽 前烘。对所有光刻胶而言,前烘的作用都是2.3显影 使光刻胶在一定程度上固化。如前烘不足 显彩在SU-8光刻胶专川显影液中进 曝光时真空接触,片子和板子会粘在一起,这行。显影的作用是将未曝光部分的光刻胶去 不仅会污染板子,还会影响图形质量。如前掉,如何能在较短的时间显影卡净是我们 烘过头这又会破坏光刻胶与基底之间的结最初遇到的问题。从整个工艺来看,决定它 合力研究表明:SU-8光刻胶的前烘时间很能否在较短的时间里显影干净,取决于前烘 重要3。我们研究得出的前烘条件为:50℃与中烘,从前面对前烘与中烘作用的分析来 4分钟,然后将烘箱温度升到90℃,保持看,前烘与中烘均取下限对显影有利。因为 10分钟后关烘箱。前烘主要应考虑的因素尽管SU8光吸收低,曝光区域底部与顶部 是光刻胶与基底的结合力。 接受的曝光剂量较为接近,但底部总比顶部 2.2曝光及中烘 要弱,因此如果显影时间过长,会使底部钻 曝光工艺对光刻胶与基底之间的结合蚀,影响图形与基片的结合力与电镀金属图 力、图形质量(分辨率及边缘陡直度)起决定形的质量,所以前烘与中烘在满足胶与基底 性的作用。曝光在 Karlsuss mA6h进行,曝结合力与曝光区充分热铰链即可,这样可使 光紫外波长为365mm,曝光功率密度为显影时间最短,以使底部不致钻蚀。但从图 2mw/cm2。SU8是紫外负性光刻胶,它对形边缘陡直角度考虑,则希望中烘应尽可能 电子束、近紫外线及350-400nm紫外线敏充分,有时局部200mm以下显影不净,可用 感。噪光部分产生光铰链。因为该胶对光吸反应离子刻蚀中的氧清洁L艺在两分钟內清 收弱,所以很厚的光刻胶都能在较短的曝光除掉,且图形质量不受影响,这是实际制备过 时间内产生整个光刻胶内近似剂量的曝光,程屮常采用的十分有效的方法。显影好的片 这说明在整个曝光区域光刻胶内产生的铰链子不能用D水冲洗,应立即甩于。 程度相似,这是该胶能用来制作具有高深宽 万方数据
朱军等：SU 8 5光到胶的应用工艺研究 的结合力及光刻等工艺条件与基底材料很敏 感，我们制备r如下基片。 (I)在Si片上溅射沉积26nm厚的cr和 80nm厚的Cu： (2)在sj片上溅射沉积20nm厚的(：r和 80nm厚的NjFe： (3)在Si片上溅射沉积20nm厚的Cr和 80nm厚的Au： (4)在si片上溅射沉积20nm厚的Cr和 80nrn岸的Ti，然后对Ti进行氧化处理。 我仃J制备I。IGA掩模板需要电镀25微 米的Au作为X射线曝光吸收器，所以需要 甩制30微米厚的光刘胶。甩胶在Karlsuss spin coating上完成，甩胶起始转速为300转 ／分，保持10秒后在5秒内上升到650转／ 分，保持15秒后自然降速。让甩好胶的片子 平放于空气中10分钟以使光刻胶稳定进行 前烘。对所有光刻胶而言，前烘的作用都是 使光刻胶在一定程度上固化。如前烘不足， 曝光时真空接触，片子和板子会粘在一起，这 彳；仅会污染板子，还会影响图形质量。如前 烘过头，这又会破坏光刻胶与摹底之间的结 合力，研究表明：SU一8光刻胶的前烘时间很 重要【j J。我们研究得出的前烘条件为：50℃ 烘4分钟，然后将烘箱温度升到90I：，保持 10分钟后关烘箱。前烘主要戊考虑的因素 足光刻腔与基底的结合力。 2．2曝光及中烘 曝光工艺对光刻胶与基底之间的结合 力、图形质量(分辨率及边缘陡直度)起决定 性的作用，曝光在Karlsuss MA6卜进行，曝 光紫外波长为365nm，曝光功率密度为 12row／cm2。SU一8是紫外负性光刻胶，它对 电予束、近紫外线及350—400nm紫外线敏 感。曝光部分产生光铰链。因为该胶对光吸 收弱，所以很厚的光刻胶都能在较短的曝光 时间内产生整个光刻胶内近似剂量的曝光， 这说明在整个曝光区域光刻胶f～产生的饺链 程度相似，这是该胶能用来制作具有高深宽 5R 比与边缘陡直图形的本质所在。我们对下同 材质的基片采用相|_j的工艺条件进行试验发 现：当基片底膜为FeNi时，冈浚利料埘紫外 线反射大，会有明显的反射光产生图形下部 边缘的光刻胶铰链，经中烘热铰链导致该部 分光刻胶不能被显影掉，这就导致r刚形质 量4：理想，爱想避免出现这种情况，必须减少 曝光时间，而曝光时间减少足有下限的，【目为 中烘只有在已产生光铰链的光到胶Ed能进 一步热铰链，从而提岛光刻胶抗显影能力。 曝光剂量的下限决定十光刻胶产乍光铰链所 需要的曝光剂量，曝光剂量的卜限由图形_『!乏 量要求所限制。如中烘不足，热铰链不足，光 刻胶抗显影能力差，表现为显影时脱胶或网 形钻蚀。巾烘过头，会增加薄膜中的应力，引 起胶裂等问题。对Cu、T·与Au底膜基』{而 言，曝光范围比FeNi底膜要宽， 2．3显影 显影在SU一8光到胶专刚显影液巾进 行。屁影的作用是将未曝光部分的光刻胶去 掉，如何能在较短的时间里显影十净是我“J 最初遇到的问题。从整个工艺来看，决定它 能否在较短的时间里显影干船，取决于前烘 与巾烘，从前面对前烘畸中烘作用的分析来 看，前烘与巾烘均取下限列显影有利。因为 尽管SU一8光吸收低，曝光区域底部与顶部 接受的曝光剂量较为接近，但底部总比顶部 要弱，因此如果显影时问过长，会使底部钻 蚀，影响图形与基片的结合力与电镀金属图 形的质量，所以前烘与巾烘在满足胶与基底 结合力勺曝光区充分热铰链即可，这样可使 显影时间最短，以使底部不致铺蚀。阻从图 形边缘陡直角度考虑，则希望中烘应尽可能 充分，有时局部200nn、以下显影不净，町用 反应离子刻蚀rf，的氧清清L．艺在两分钟内清 除掉，且图形礁量不受影响，这是实际帝{备过 程中常采用的十分有效的方法二显影好的片 子不能用DI水冲洗，应立即甩干。 万方数据
朱军等:SU-85光刻胶的应用工艺研究 3结论 我们经过几种基底试片的整个工艺条件 的研究,得到下面一些结果 (1)对Cu,Au与Ti底膜基片,在紫外波 长365mm,功率密度12mw/cm2条件下曝光, 最佳的工艺条件是:曝光6分钟,在85℃中 烘10分钟,显影4分钟,对FeNi底膜基片, 在相同的紫外波长与功率密度条件下曝光,图1(a1885光刻胶图1(bSU85光刻胶 最佳的工艺条件是:曝光90秒,在85℃中烘 齿轮电镜照片 线条电镜照片 15分钟,显影4分钟,这是因为FeNi底膜反 (3)在研究中我们发现,一些工艺条件 射严重,为保证图形质量不得不将曝光取在 是相互关联,相互制约的。如从改善图形底 下限,通过增加中烘以确保光刻胶具有一定 部钻蚀来看,希望整个曝光区域被充分曝光 的抗显影能力。 和热铰链,这就是说有必要增加曝光和中烘 (2)四种不同的金属底膜与S85 光刻胶的结合强度是不同的,其中T底膜与 时间,而曝光时间长,图形质量会随曝光时间 增加而下降,且中烘时间过长,会引起胶起弓 SU85的结合明显优于其它几种,在底剧烈,光刻胶显影困难等,因此曝光和中烘要 膜上制备的具有高深宽比的光刻胶图形能完 全具备抗显影液及电镀液的能力,因此对于 综合考思,取最适合整体质量的工艺条件 (4)图1(a)(b)是SU-85光刻胶图形的 在SU-85高深宽比介质微结构基础上复制 电镜照片,光刻胶高度都是30微米,图1(b) 金属微结构与微零件工艺而言,最佳的金属 中为三根线条,其中长线条宽度是5微米,两 底膜是T。这是自去年SU8系列光刻胶商 根短线条的宽度均是10微米。从电镜照片 品化以来,国内外文献中所未报道过的。 来看,图形侧壁陡直性好。这是正性光刻胶 难以做到的。 参考文献: [Il Lovenz H Despont M, Fahrni N. High-aspectratin, ultrmthck, negative tone tier-UV Photoresist and its ap- plications for MEMS[J). Sensors and Achutrs, 1998,A64: 33-39 [2. Lee K Y, IaHiancn N, Rishter $ A Micmnuiching application of s High resolution With thick Pkosturesis[J. 」 ac Sci terhune,195,1l3(6):3012-3016 [3] Eyre B, Blosiu J, wiberg D. Taguchi Opeimization for the Proxtssing of epon Sr8 resist[C]. In: Proceeding ol the IEEE Micro Electro Mechanical Systems, 1998, 218-222 万方数据
#¨§an##《dH∞《十IZ*# ∞ⅢA，*ⅫT自!镕*， (¨目(-t，Au’』T-月Ⅸ#H．＆*"＆ K 365nm，n}女月12tt-wtnf§”F《]t ＆＆∞T2*#n《±6*#．t 85r÷ *10**B#4**”FeNiB*￡H ☆“月∞镕*#K5日$女m§#r％№， 日＆白勺IZ**￡％m 90#．Ⅱ85℃十m 15j}*R$4*#，tE目～Tw，R#Ⅲ *Pi女RⅡ目mm目{*f#*№m＆ FRⅢn镕m pm“m*№“Kj}☆m ∞#B#∞^ (2} H#*目∞±目E《自sIl 8 5 *Ⅲ*∞“jⅫ＆≈T日∞II十“1匠№b sII#5”*☆刚】＆№十#E儿_¨，＆li E ⅨM*∞A《日*日【E∞mⅫ＆Hm％≈ ±#*nⅡ％＆Ⅱm镕镕∞№女HnH十 ＆SU 8 5≈*日№n自m#∞4Ⅷ±￡㈣ ±目#镕目目№g*1￡m汛＆＆∞±月 EmB“。H月自★4sL{％Ⅻ№d*m *№“※，月^“女#÷Ⅲ*mmdH 闯匿 ¨1*n≈十#¨mm #T￡** ＆目i*ⅨⅧ““∞∞ⅫM＆#日％R ∞#Ⅷ$目}盱i#十《mn#*％"％* ”^K*，H“ⅢmHBⅦ#¨】【_％％目-j-* 目目■日mHHR d口目*§日％m q口J 口mm F*口rjtm tmdk 2…《№≈{ dⅫ^自＆i％【Hm*，目“mm目十mg 目☆{自．U＆】§e《*mE∞1￡§” (4，【目1¨)(1t)B su 8 3*{j＆■Ⅳ∞ №％M忆md＆自＆*≈30m女．m t|n) -∞=m#*#十Kn$i＆￡5№*W mⅢ#§∞％＆目n 10m*M自镕J日H $i+目*Ⅷt№自rL女f。E*Ⅱ#mⅢm m“№“m }≈女m 【L L…lk【Ⅲ～N H”Ⅲ1 nm)，L J】【…：I*tl vPIcⅢ：d、Pmlw‘、1 andiINⅢ D__…h…J……c^md“H lm M4．】)_， 2…Ylmh…nN“洲日s^M㈣日Ⅱd“《哪“Ⅻt1『H H．¨rH_umlwlh『h M P}“…【J №*m}uuJ【1995．{】3I∽：30 L 2_301 6 [¨l州B d…J w-栅g’n目1d_【(轴m…hlh…Ⅶ“"Ⅻ％8…t-In-P…linR tkI…Mi_】E…㈧rH_S～199H．2lg 222 万方数据
朱军等:SU-85光刻胶的应用工艺研究 Study on Application technology of SU-8 5 Photo Resist ZHU Jun, ZHAO Xiao-lin, NI Zhir ping (Information Storage Research Center, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China) Abstract: SU-8 series photo resist is a new epoxy-negative-tone resist product. It has good light sensitivity and high aspect ratio. It is suited to application in MEMS sys tem, UV-LIGA and other thick and ultra-thick films. The processing results related to fabricate LIGA mask using SU-8 5 resist and UV exposure system are reported Key words: MEMS; High aspect ratio, SU-8 series resist, UV-LIGA (上接I3页) [2] Pithayachariyakul P Excimer laser printing with 193nm wavclength[c semiconductor International Chu. 3] Lin B]. Electromagnetic nearfield diffraction of a medium slit[J].JOSA, 1972, 62(8) [4] Hudson J A. A fast algorithm for diffraction calculations, and some application[J ] SPIE, t986, 679: 134-140 [5]Lin BJ. Optical methods for fine line lithography[]. Fine Line Lithography, North-Holland Publishing Com any,1980:107-140,157-163 物理光学(修订本)M].北京:机械工业出版社,1987(第二版):159-165 L7. D:Jule R. Lithography: 0. 18um and beyond[ J].Secondi u.9225 [8] Burggraf P. Sub-100nm features with conformable contact photolithography[J]. Solid State Technolegy April2000:26-27 Simulation and Analysis of Resolution Enhancement in Proximity Lithography by Off-axis Illumination ZHAO Yong-kai, HUANG Huijie, LU Dunwu, DU Long-lor YANG Liang-min, YUAN Cai-lai, JIANG Baocai, WANG Run-wen (Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, The Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China) Abstract: Intensity distribution on the wafer plane in proximity printing system under off-axis illumination is derived based on the amplitude analytic expression for Fresne Kirchhoff diffraction Numerical simulations have been done under various conditions Resolution enhancement effect by off-axis illumination and its application are ana Key words: proximity lithography; excimer laser lithography; resolution enhancement off- 万方数据
朱军等：SU 8 5光刻胶的应用工艺研究 Study on Application technology of SU一8 5 Photo Resist ZHU Jun，ZHAO Xiao-lin，NI Zhi—ping (Information Storage Research Center，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China) Abstract：SU一8 series photo resist is a new epoxy—negative—tone resist product．It has good light sensitivity and high aspect ratio．It is suited to application in MEMS sys— tem，UV—LIGA and other thick and ultra-thick films．The processing results related to fabricate L1GA mask using SU一8 5 resist and UV exposure system are reported． Key words：MEMS；High aspect ratio．SU一8 series resist．UV—LIGA (j：接13页) [2]Pithayaeharlyakul P Excimer laser printing with 193nm wavdength[C 1987 [3]LinBJ．Eiectmmag|lletic near-field diffraction of amedium silt[J]．J O SA．1972，62(8) 【4]Hud．≈m J A．Afast algorithmfor diffraction calculatiorLs．and Rmle application[J]．SPIE，1986，679：134—140 [5]Lin／3』．Optical rnelhodsforfinelineIiI}ngmphy[J]Fine Line Lithography，North—Holland Publishing Com pany，1980：107—140，157—163． [6]梁铨廷．物理光学(修订本)【M]北京：机械工业出版社．1987(第二版)：／59—165． 【7：IMuleR，Lithography：0 18／an and beyond[j]，SeanioonductorIntemationa[，1998．21(2)：54—60． [8]Burggraaf P Suh·100nm features with conformable contact photolithography[J】：Solid Stare lechnology 恕)ril 2000：26—27． Simulation and Analysis of Resolution Enhancement in Proximity Lithography By Off-axis Illumination ZHAO Yong—kai，HUANG Hui-jie，LU Dun—wu，DU Long—long， YANG Liarg-min，YUAN Cai—lai，JIANG Bao-cai，WANG Run—wen (Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics，The Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201800，China) Abstract：Intensity distribution on the wafer plane in proximity printing system under off-axis illLmlinati。n is derived based on the amplitude analytic expression for Fresnel— Kirchhoff diffraction．Numerical simulations have been done under various conditions Resolution enhancement effect by off—axis illumination and its application are ann。 lyzed Key words：proximity]．ithography；exeimer lair lithography；re．．mlution enhancement； off-axis illumination 万方数据
SU-85光刻胶的应用工艺研究 旧万数据 文献链接 军,赵小林,倪智萍, Zhu Jun, Zhao xiaolin, Ni Zhiping 作者单位 上海交通大学信息存储研究中心 刊 微细加工技利sT 英文刊名: MICROFABRICATION TECHNOLOGY 年,卷(期): 2001,(2) 引用次数: 1. Lovenz H Despont M Fahrni N High-aspect-ratio, ultrathick, negative-tone near-UV Photoresist and its applications for MEMS 1998 2. Lee K Y LaBianca N. Rishten S A Micromaching application of a High resolution With thick 3. Eyre B. Blosiu J Wiberg d Taguchi Opeimization for the Processing of epon Su-8 resist 1998 1.会 工艺与传统oMs工艺不兼容,所以形成高深宽比的深隔 离槽(宽约3μL深20~100μn是体硅集成中急待解决的工艺难题.本文采用M微加工的DRLE( Deep Reactive Ion etching)技术、热氧化技术和多品 硅填充技术,形成了高深宽比的深电隔离槽(宽3.6μ深85μm).还提出了一种改变深槽形状的方法,使深槽的开口变大,以利于多品硅的填充避免了空 2.期刊论文高建忠.赵玉龙蒋庄德杨静.张奇功. Gao Jianzhong. Zhao Yulong. Jiang Zhuangde. Yang Jing Zhang Qigong基于硅隔离衬底的高深宽比微型杠杆机构研究-西安交通大学学报2005,39(9) 针对微机电系统微执行器输出位移小不能满足实际工作需要的问题设计了一种微型柔性杠杆位移放大机构,并用有限元方法对放大倍数及影响因素 进行了分析该机构不含任何旋转部件,利用单品硅微梁的弹性变形来实现微位移的放大,采用深层反应离子刻蚀技术将整个机构制作在硅隔离衬底上,并 把它置于40%的H溶液中使其成功释放.对集成加工在同一衬底上的电热微执行器进行了性能测试,测试结果表明,在没有优化的条件下加工的两级微型杠 杆机构在14V工作电压下的放大倍数为18.9倍,输出位移达到36pm,测试结果与仿真结果相吻合 3.学位论文毛计庆分层微细电铸基础研究及装置设计2008 微细制造技术被广泛地认为是21世纪最重要的技术之一。随着微机电系统(B)的发展,对微机构所提出的要求也越来越高,高深宽比微细结构 就是其中关键之一。一种分层电化学(电沉积)制造技术(EFAB)可以直接、快速、批量生产出复杂的高深宽比三维微细金属结构,与其它机械加工相 比,具有较好的经济性。但是EAB制造高深宽比三维微细金属存在着材料单一、质量不稳定、生产效率低等缺点,这严重制约了EFA及高深宽比三维金 用。本文针对这些问题,提出了改进方案,形成了一种新的分层电铸技术。并通过理论分析和试验,对该工艺进行了基础性研究。本文主要 四个方面的内容 1、首先调查了国内外高深宽比微细结构制造技术的现状与发展,着重介绍了EFAB加工技术。在此基础上,提出改进 形成了基于EFAB的新的分层电铸技术 专用于EFAB的数控机床研发,机床具有结构简单、成本低、扩展性好的特点,能够较好地满 的要求 3、利用LabⅥE软件及PC-734运动控制卡,根据运动控制系统的需求分析,划分功能模块,对运动控制及压力数据采集系 统进行设计 4、进行基础工艺试验 论文最后对提出的改进分层微细电铸技术的后续研究提出了展望 4.会议论文刘景全.朱军.丁桂甫.赵小林.蔡炳初用SU-8胶制高深宽比微结构的工艺研究200 对其工艺进行分析.采用3个因素进行实验,对试验进行了分析.根据因素分析,给出了建议的工艺条件.文中以200μ面厚的S-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、与衬底附着性强、深宽比大于20.此外,文中对几种金属衬底与S-8的附着性进行比较,得出经过氧化处理的Ti片附着性强 这有利于为MM提供低成本的高深宽比微结构 5.学位论文李雄WN-LIGA技术光刻工艺的研究2004 M(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M发展的重要基础LIGA射线深层光刻、电铸成型和微复制)和W 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U-1IGA技术是制作这种微结构的重 要手段U-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光光源因此-LIG技术要比LGA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V-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 多个研究领域.本文研究了基于SU-8胶的u-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280-35 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SM图片分析了不同穿透深度对S 8胶图形的影响,进而得出 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 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 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最大深宽比可达15 -微细加工技术2002(1) 艺参数很敏慼 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200m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20 2学论家和同电氨间技甲木自图正命厘起面复使构的加20可 处理器、微型执行器、直至接口、迺讯和电源等于一体,具有多种功能的系统。微机电系统不但通过微 成化达到节省空间、时间、材料和能源
SU-8 5光刻胶的应用工艺研究 作者： 朱军， 赵小林， 倪智萍， Zhu Jun， Zhao Xiaolin， Ni Zhiping 作者单位： 上海交通大学信息存储研究中心, 刊名： 微细加工技术 英文刊名： MICROFABRICATION TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2001，(2) 引用次数： 3次 参考文献(3条) 1.Lovenz H.Despont M.Fahrni N High-aspect-ratio,ultrathick,negative-tone near-UV Photoresist and its applications for MEMS 1998 2.Lee K Y.LaBianca N.Rishten S A Micromaching application of a High resolution With thick Photoresist 1995(6) 3.Eyre B.Blosiu J.Wiberg D Taguehi Opeimization for the Processing of epon Su-8 resist 1998 相似文献(10条) 1.会议论文 朱泳.闫桂珍.王成伟.王阳元 高深宽比深隔离槽的刻蚀技术研究 2003 体硅集成MEMS器件中的一个非常重要的技术就是微结构与电路部分的电隔离和互连.由于体硅工艺与传统CMOS工艺不兼容,所以形成高深宽比的深隔 离槽(宽约3 μm,深20～100 μm)是体硅集成中急待解决的工艺难题.本文采用MEMS微加工的DRIE(Deep Reactive Ion Etching)技术、热氧化技术和多晶 硅填充技术,形成了高深宽比的深电隔离槽(宽3.6 μm,深85 μm).还提出了一种改变深槽形状的方法,使深槽的开口变大,以利于多晶硅的填充,避免了空 洞的产生. 2.期刊论文 高建忠.赵玉龙.蒋庄德.杨静.张奇功.Gao Jianzhong.Zhao Yulong.Jiang Zhuangde.Yang Jing. Zhang Qigong 基于硅隔离衬底的高深宽比微型杠杆机构研究 -西安交通大学学报2005,39(9) 针对微机电系统微执行器输出位移小,不能满足实际工作需要的问题,设计了一种微型柔性杠杆位移放大机构,并用有限元方法对放大倍数及影响因素 进行了分析.该机构不含任何旋转部件,利用单晶硅微梁的弹性变形来实现微位移的放大,采用深层反应离子刻蚀技术将整个机构制作在硅隔离衬底上,并 把它置于40%的HF溶液中使其成功释放.对集成加工在同一衬底上的电热微执行器进行了性能测试,测试结果表明,在没有优化的条件下,加工的两级微型杠 杆机构在14 V工作电压下的放大倍数为18.9倍,输出位移达到36 μm,测试结果与仿真结果相吻合. 3.学位论文 毛计庆 分层微细电铸基础研究及装置设计 2008 微细制造技术被广泛地认为是21世纪最重要的技术之一。随着微机电系统（MEMS）的发展，对微机构所提出的要求也越来越高，高深宽比微细结构 就是其中关键之一。一种分层电化学（电沉积）制造技术（EFAB）可以直接、快速、批量生产出复杂的高深宽比三维微细金属结构，与其它机械加工相 比，具有较好的经济性。但是EFAB制造高深宽比三维微细金属存在着材料单一、质量不稳定、生产效率低等缺点，这严重制约了EFAB及高深宽比三维金 属结构的应用。本文针对这些问题，提出了改进方案，形成了一种新的分层电铸技术。并通过理论分析和试验，对该工艺进行了基础性研究。本文主要 研究了以下四个方面的内容： 1、首先调查了国内外高深宽比微细结构制造技术的现状与发展，着重介绍了EFAB加工技术。在此基础上，提出改进 技术措施，形成了基于EFAB的新的分层电铸技术。 2、专用于EFAB的数控机床研发，机床具有结构简单、成本低、扩展性好的特点，能够较好地满 足工艺试验的要求。 3、利用Lab VIEW软件及PCI-7344运动控制卡，根据运动控制系统的需求分析，划分功能模块，对运动控制及压力数据采集系 统进行设计。 4、进行基础工艺试验。 论文最后对提出的改进分层微细电铸技术的后续研究提出了展望。 4.会议论文 刘景全.朱军.丁桂甫.赵小林.蔡炳初 用SU-8胶制高深宽比微结构的工艺研究 2001 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.但SU-8胶对工艺参数得敏感.本文采用正交试验设计方法 对其工艺进行分析.采用3个因素进行实验,对试验进行了分析.根据因素分析,给出了建议的工艺条件.文中以200μm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、与衬底附着性强、深宽比大于20.此外,文中对几种金属衬底与SU-8的附着性进行比较,得出经过氧化处理的Ti片附着性强 .这有利于为MEMS提供低成本的高深宽比微结构. 5.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. 6.期刊论文 刘景全.朱军.丁桂甫.赵小林.蔡炳初 用SU-8胶制高深宽比微结构的试验研究 -微细加工技术2002(1) 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200μm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20. 7.学位论文 蒋利民 约束刻蚀剂层技术（CELT）用于金属材料表面复杂三维微结构的加工研究 2007 微机电系统(MEMS)和微光机电系统(MOEMS)是当今科学技术的热点研究领域之一。微机电系统，泛指体积微小、集微型机械、微型传感器、微型信号 处理器、微型执行器、直至接口、通讯和电源等于一体，具有多种功能的系统。微机电系统不但通过微型化和集成化达到节省空间、时间、材料和能源
的目的,并且具有小惯性、易控制、高速度、高功能密度、高信息密度、高互联密度等特点,更重要的还在于它可以完成大尺寸系统所不能完成的任务 延拓人们认识自然的视野,开辟新的技术领域和产业 微纳米尺度的微结构加工技术是今日微机电系统和微光机电系统技术的关键部分,微机 电系统和微光机电系统的制造需要高深宽比的复杂三维微结构,当今的主导微加工技术,即以光刻工艺为基础的IC工艺和IGA技术,虽然可以达到较高 深宽比,但它们都难于完成复杂三维微结构的加工。许多新研究的方法在这方面也存在困难。鉴于现有的微加工技术在加工复杂三维微结构方面存在许 多屙限性,尤其在加工金属材料方面,存在更多不足,1992年,田昭武院士等提出了约束刻蚀剂层技术 Confined Etchant Layer Techique,简称 CELT),该技术是一种可用于三维超微图形复制加工的新型技术,原则上它能同时满足微系统加工技术中的三个要求,即,微纳米级的分辨率、真正的复 杂三维微结构和微结构的批量复制加工。本论文进行了用约束刻蚀剂层技术对金属材料进行复杂三维微结构加工研究,实现了在Cu、Ni、Ti、 A1、駟g和Cd等金属材料上进行亚微米级分辨率的复杂三维微结构的电化学刻蚀加工,将模板上的微结构通过“电化学一化学”联合作用的加工方式复制 到上述材料表面,或对上述材料进行微米尺度的通孔或盲孔加工,达到微米或亚微米级分辨率。这一技术弥补了现行的MNS加工方法的不足。论文对电 化学刻蚀机理进行了一定的探讨。论文主要研究了如下几个方面内容 1.关于金属铜的约束刻蚀加工 以SnC12和抗坏血酸为捕提剂,并添加络合剂2,2-联吡啶,或者,以NM2为产生刻蚀剂Hw03的前驱 0H为捕捉剂,并辆助以络合剂柠橡酸,成 功实现了在金属铜表面进行微孔加工和复杂三维微结构的复制加工。复制加工分辨率为亚微米级。提出了初步的刻蚀加工工艺,采用恒电流电解方式 典型的工艺参数为:电流密度I=1×10-2~25×10-2/cm2,温度1=35~40℃ 研究了Fe3+刻蚀体系的反应机理。通过循环伏安曲线对络合剂和 捕提剂的特性和作用进行了分析。研究了刻蚀剂的产生速度对刻蚀表面形态的影响,刻蚀剂的生成速度越快,越容易得到均匀腐蚀的刻蚀表面,但电流 密度过高则会降低刻蚀加工分辨率,还会产生氧气析出,干扰扩散层 研究了不同络合剂对刻蚀表面形态的影响。加入不同的络合剂,由于络合 物的空间构型不一样,空间位阻不一样,在腐蚀过程中,Fe3+的进攻方式也会不一样,导致刻蚀表面腐蚀形态存在较大差异 2关于金属镍的约 束刻蚀加工研究了NaN体系的约束刻蚀机理,通过循环伏安曲线、Ipv1/2线等分析了捕捉剂NOH的加入对HO2电化学氧化生成刻蚀剂N03的电 极过程的影响,并讨论了进行CELT加工时工艺参数选择问题 设计以NM为产生刻蚀剂HW3的前驱体,以NaOH为捕提剂,并加入Ni的络合剂酒石 酸以及其它添加剂,成功实现了在镍表面进行复杂三维微结构的复制加工,加工分辨率达到亚微米级 实现了在镍箔(厚度50μn)上进行通孔加工 对于直径为89μm的圆孔,单边加工误差约为4面。该误差与仪器的重复定位精度有关,研究了刻蚀电解液中各成分浓度以及电流密度等因素对 加工分辨率的影响 提出了对于对金属镍进行CEI微加工的基本工艺。电流密度i=5×10-34cm2~25×10-2M/cn2,室温 3.关于金属 钛的约束刻蚀加工在全面分析金属钛的腐蚀特性基础上,设计了以“NaNO2-NaC103”为产生H的先驱物,与设计加入到溶液中的另一组分NaF中的 结合形成刻蚀剂酸,并辅助以其它添加剂,来刻蚀金属钛,并设计以。NaOH作为捕捉剂来约束刻蚀剂层的厚度 研究了“NaW2-NaC103-NP- NaOH”体系的刻蚀过程机理。研究了NaM2与NaC103之间的相互作用以及NaN02与NaC103浓度对刻蚀分辨率的影响。实验表明,MM2自身就有一定的约束 用。使用“NaN02-NC103-NaF-aH”刻蚀体系成功地实现了在钛表面进行微孔加工和复杂三维微结构的复制加工,加工分辨率达到亚微米级 分析了表面活性剂的作用,研究了表面活性剂对刻蚀加工金属钛的分辨率的影响 提出了合适的刻蚀加工工艺,电流密度i=1.25 2~5.0×10-2aMcn,温度1=35~45℃ 4.关于金属铝、镁和镉的约束刻蚀加工研究了以NaM2为产生刻蚀剂的先驱物、以NaOH为捕提剂 在酒石酸及缓蚀剂硅酸钠或多聚磷酸钠等存在下刻蚀金属铝的机理。应用该约束刻蚀体系,实现了在铝表面进行复杂三维微结构的复制加工。加工分 辨率在亚微米级 研究了在N2氧化的电极过程中,表面p的变化情况,以及电流密度对H扩散层厚度的影响,分析了用NaOH作为捕提剂刻蚀铝 的同限性和解决问题的方法。通过腐蚀速度测定、电极表面p测定以及线性扫描伏安曲线测定并结合刻蚀实验,对镁的一些刻蚀体系进行了分析 和筛选,应用NaMO2为产生刻蚀剂的先驱物、以NOH为捕捉剂,在硅酸纳等添加剂的存在下对金属镁的约束刻蚀加工进行了初步研究,复制加工出阵列 方体微结构,加工分辨率也可达到亚微米级 应用NaM2为产生刻蚀剂的先驱物、以NaOH为捕提剂,辅助以NCl,完成了在金属镉表面进行刻蚀 加工的初步研究。并取得初步成效。综合研究还表明,要取得高刻蚀分辨率和高加工质量,生成的刻蚀剂对被加工材料应有很高的腐蚀速度,在刻蚀剂 的电化学产生过程中,电极(模板)上最好没有伴随气体副产物产生,当不可避免地有气体产生时,应添加适当及适量的表面活性剂 8.学位论文郭照沛SU-8胶界面结合性及超声时效的分子模拟研究2009 随着微机电系统(E)的迅速发展,SU8光刻胶作为制作高深宽比结构的首选胶,已经被广泛地应用于MBS研究领域。然而SU-8較在工艺过程中么 产生很大的内应力,导致在后续的工艺过程中出现胶体开裂,甚至从基底上脱落等现象。这些问题的存在限制了高深宽比胶结构的制作和图形分辨率的 提高,本文主要针对数与金属N1基底的结合性及超声时效进行分子动力学极拟研究,为S8胶光刻实验参数的选取提供依据,使用Am 能的分析,得到了SU-8胶的力学弹性常数。SU-8胶的杨氏模量,剪切模量和泊松比的模拟值同文献中的实验值相吻合,说明构建的分子模型是合理的。 采用反应活性对之间距离最短优先发生交联的方法,在后烘温度为348时对SU-8胶分子体系进行了交联反应的模拟。得到了一个交联率为75%的SU- 8胶网状交联体系。对其进行优化模拟后,分析计算了交联体系的力学弹性常数,其中杨氏模量的数值和文献中的实验值相吻合 基于超声作用的 模拟,直到体系达到完全的平衡后,分析体系的静态弹性常数。通过和交联的SU8胶的弹性常数相比,杨氏模量有一定的下降,这说明了超声作用对胶 体内应力的消除有一定的作用。 在对SU-8胶无定形单元和N(100)面结构进行最优化模拟的基础上,构建了包含SU-8胶和Ni(100)面的界面分子模 型。对界面分子模型进行了能量最优化后,分别模拟计算了不同前烘温度下的界面结合能,得出在温度为343时界面结合能达到最大,说明此时界面结 合最好。对体系中各能量项的分析发现,界面原子间的范德华力是影响界面结合的决定因素 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 等领域得到较广泛应用。微细加工是w和 Viera/eso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ⅣLIGM技术,是借用LIGA(德语: Lithograph, Galvano orang, Aborning三词缩写,由射线光 剡、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 siero/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 Hiero/Meso尺度金属结构器件方面表现突出,整合Ⅳv-LIGA和 MicroE各自工艺优点而形成W-IGA一Micr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 文在国家自然科学基金(503 苏省自然科学基金(BE2002206、BK2004214)的资助下,困绕 UV-LIGA及其与微细电火花加工技术组合以制造icro/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-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,降低頔后烷程度和适度提高曎光剂量,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,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,制备出了轮察清晰,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Mat1ab软件 PDEtoo1l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Wv-LIGA槽特征(槽内溶液视为静止)电沉积时离子浓度、HH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 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
的目的，并且具有小惯性、易控制、高速度、高功能密度、高信息密度、高互联密度等特点，更重要的还在于它可以完成大尺寸系统所不能完成的任务 ，延拓人们认识自然的视野，开辟新的技术领域和产业。 微纳米尺度的微结构加工技术是今日微机电系统和微光机电系统技术的关键部分。微机 电系统和微光机电系统的制造需要高深宽比的复杂三维微结构，当今的主导微加工技术，即以光刻工艺为基础的IC工艺和LIGA技术，虽然可以达到较高 深宽比，但它们都难于完成复杂三维微结构的加工。许多新研究的方法在这方面也存在困难。鉴于现有的微加工技术在加工复杂三维微结构方面存在许 多局限性，尤其在加工金属材料方面，存在更多不足，1992年，田昭武院士等提出了约束刻蚀剂层技术(Confined Etchant Layer Techique，简称 CELT)，该技术是一种可用于三维超微图形复制加工的新型技术，原则上它能同时满足微系统加工技术中的三个要求，即，微纳米级的分辨率、真正的复 杂三维微结构和微结构的批量复制加工。 本论文进行了用约束刻蚀剂层技术对金属材料进行复杂三维微结构加工研究，实现了在Cu、Ni、Ti、 Al、Mg和Cd等金属材料上进行亚微米级分辨率的复杂三维微结构的电化学刻蚀加工，将模板上的微结构通过“电化学一化学”联合作用的加工方式复制 到上述材料表面，或对上述材料进行微米尺度的通孔或盲孔加工，达到微米或亚微米级分辨率。这一技术弥补了现行的MEMS加工方法的不足。论文对电 化学刻蚀机理进行了一定的探讨。论文主要研究了如下几个方面内容： 1.关于金属铜的约束刻蚀加工 以FeCl2为产生刻蚀剂Fe3+的前驱体 ，以SnCl2和抗坏血酸为捕捉剂，并添加络合剂2，2-联吡啶，或者，以NaNO2为产生刻蚀剂HNO3的前驱体，以NaOH为捕捉剂，并辅助以络合剂柠檬酸，成 功实现了在金属铜表面进行微孔加工和复杂三维微结构的复制加工。复制加工分辨率为亚微米级。提出了初步的刻蚀加工工艺，采用恒电流电解方式 ，典型的工艺参数为：电流密度I=1×10-2～2.5×10-2A/cm2，温度T=35～40℃。 研究了Fe3+刻蚀体系的反应机理。通过循环伏安曲线对络合剂和 捕捉剂的特性和作用进行了分析。研究了刻蚀剂的产生速度对刻蚀表面形态的影响，刻蚀剂的生成速度越快，越容易得到均匀腐蚀的刻蚀表面，但电流 密度过高则会降低刻蚀加工分辨率，还会产生氧气析出，干扰扩散层。 研究了不同络合剂对刻蚀表面形态的影响。加入不同的络合剂，由于络合 物的空间构型不一样，空间位阻不一样，在腐蚀过程中，Fe3+的进攻方式也会不一样，导致刻蚀表面腐蚀形态存在较大差异。 2.关于金属镍的约 束刻蚀加工 研究了NaNO2体系的约束刻蚀机理，通过循环伏安曲线、Ip-v1/2线等分析了捕捉剂NaOH的加入对HNO2电化学氧化生成刻蚀剂HNO3的电 极过程的影响，并讨论了进行CELT加工时工艺参数选择问题。 设计以NaNO2为产生刻蚀剂HNO3的前驱体，以NaOH为捕捉剂，并加入Ni的络合剂酒石 酸以及其它添加剂，成功实现了在镍表面进行复杂三维微结构的复制加工，加工分辨率达到亚微米级。 实现了在镍箔(厚度50μm)上进行通孔加工 。对于直径为89μm的圆孔，单边加工误差约为4μm。该误差与仪器的重复定位精度有关。 研究了刻蚀电解液中各成分浓度以及电流密度等因素对 加工分辨率的影响。 提出了对于对金属镍进行CELT微加工的基本工艺。电流密度i=5×10-3A/cm2 ～2.5×10-2A/cm2，室温。 3. 关于金属 钛的约束刻蚀加工 在全面分析金属钛的腐蚀特性基础上，设计了以“NaNO2-NaClO3”为产生H+的先驱物，与设计加入到溶液中的另一组分NaF中的 F-结合形成刻蚀剂HF酸，并辅助以其它添加剂，来刻蚀金属钛，并设计以。NaOH作为捕捉剂来约束刻蚀剂层的厚度。 研究了“NaNO2-NaClO3-NaFNaOH”体系的刻蚀过程机理。研究了NaNO2与NaClO3之间的相互作用以及NaNO2与NaClO3浓度对刻蚀分辨率的影响。实验表明，NaNO2自身就有一定的约束 作用。 使用“NaNO2-NaClO3-NaF-NaOH”刻蚀体系成功地实现了在钛表面进行微孔加工和复杂三维微结构的复制加工，加工分辨率达到亚微米级。 分析了表面活性剂的作用，研究了表面活性剂对刻蚀加工金属钛的分辨率的影响。 提出了合适的刻蚀加工工艺。电流密度i=1.25×10- 2～5.0×10-2mA/cm2，温度T=35～45℃。 4.关于金属铝、镁和镉的约束刻蚀加工 研究了以NaNO2为产生刻蚀剂的先驱物、以NaOH为捕捉剂 ，在酒石酸及缓蚀剂硅酸钠或多聚磷酸钠等存在下刻蚀金属铝的机理。应用该约束刻蚀体系，实现了在铝表面进行复杂三维微结构的复制加工。加工分 辨率在亚微米级。 研究了在NO2-氧化的电极过程中，表面pH的变化情况，以及电流密度对H+扩散层厚度的影响。分析了用NaOH作为捕捉剂刻蚀铝 的局限性和解决问题的方法。 通过腐蚀速度测定、电极表面pH测定以及线性扫描伏安曲线测定并结合刻蚀实验，对镁的一些刻蚀体系进行了分析 和筛选。应用NaNO2为产生刻蚀剂的先驱物、以NaOH为捕捉剂，在硅酸纳等添加剂的存在下对金属镁的约束刻蚀加工进行了初步研究，复制加工出阵列立 方体微结构，加工分辨率也可达到亚微米级。 应用NaNO2为产生刻蚀剂的先驱物、以NaOH为捕捉剂，辅助以NH4Cl，完成了在金属镉表面进行刻蚀 加工的初步研究。并取得初步成效。综合研究还表明，要取得高刻蚀分辨率和高加工质量，生成的刻蚀剂对被加工材料应有很高的腐蚀速度，在刻蚀剂 的电化学产生过程中，电极(模板)上最好没有伴随气体副产物产生，当不可避免地有气体产生时，应添加适当及适量的表面活性剂。 8.学位论文 郭照沛 SU-8胶界面结合性及超声时效的分子模拟研究 2009 随着微机电系统(MEMS)的迅速发展，SU-8光刻胶作为制作高深宽比结构的首选胶，已经被广泛地应用于MEMS研究领域。然而SU-8胶在工艺过程中会 产生很大的内应力，导致在后续的工艺过程中出现胶体开裂，甚至从基底上脱落等现象。这些问题的存在限制了高深宽比胶结构的制作和图形分辨率的 提高。本文主要针对SU-8胶与金属Ni基底的结合性及超声时效进行分子动力学模拟研究，为SU-8胶光刻实验参数的选取提供依据。 使用Atom-toAtom的方法建立了SU-8胶分子模型，对其进行能量最小化和动力学模拟相结合的优化模拟。在反复进行优化模拟后，对分子模型体系进行了静态力学性 能的分析，得到了SU-8胶的力学弹性常数。SU-8胶的杨氏模量，剪切模量和泊松比的模拟值同文献中的实验值相吻合，说明构建的分子模型是合理的。 采用反应活性对之间距离最短优先发生交联的方法，在后烘温度为348K时对SU-8胶分子体系进行了交联反应的模拟。得到了一个交联率为75％的SU- 8胶网状交联体系。对其进行优化模拟后，分析计算了交联体系的力学弹性常数，其中杨氏模量的数值和文献中的实验值相吻合。 基于超声作用的 热效应，本文试图通过对交联的SU-8胶体系施加高温高压来模拟超声作用对其内应力的消除。在高温高压下对SU-8胶反复进行能量最小化和分子动力学 模拟，直到体系达到完全的平衡后，分析体系的静态弹性常数。通过和交联的SU-8胶的弹性常数相比，杨氏模量有一定的下降，这说明了超声作用对胶 体内应力的消除有一定的作用。 在对SU-8胶无定形单元和Ni(100)面结构进行最优化模拟的基础上，构建了包含SU-8胶和Ni(100)面的界面分子模 型。对界面分子模型进行了能量最优化后，分别模拟计算了不同前烘温度下的界面结合能，得出在温度为343K时界面结合能达到最大，说明此时界面结 合最好。对体系中各能量项的分析发现，界面原子间的范德华力是影响界面结合的决定因素。 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一氧化镧组成新电 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(1.52g/1)纳米氧化锎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U-LIG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.期刊论文卢德江.蒋庄德. Lu dejiang. Jiang Zhuangde等离子体低温刻蚀单晶硅高深宽比结构-真空科学与技 等离子体低温刻蚀是一种针对高深宽比结构的干法刻蚀技术本文在低温刻蚀单品硅样品时得到典型的刻蚀结果为:各向异性值 >1.5pm/min,对Si02刻蚀选择比>75,说明该刻蚀方法很具竞争力通过对载片台温度、反应气体配比、腔体气压和ICP线圈功率 分析,证明低温刻蚀高深宽比硅微结构必需一定的低温和氧,同时揭示出低温刻蚀过程的主要控制因素是离子轰击而非刻蚀表面的化 过程中刻蚀滞后和凹蚀现象的产生机理进行了分析讨论,指出介电质掩蔽层的充放电效应导致了凹蚀而刻蚀滞后的诱因则与通常的 台阶对离子轰击的覆盖效应 1.杨特育高精度微光学器件激光直写光刻系统研究[期刊论文]-现代电子技术2008(24) 2.杜立群.秦江.刘冲.朱神渺.李园园SU-8胶紫外光刻的尺寸精度研究[期刊论文]-光学精密工程2007(04) 3.秦江.杜立群.刘冲.朱神渺SU-8胶微结构的尺寸公差研究[期刊论文]一传感技术学报2006(05) 4.汪潇血糖监测微系统中微针头的制作研究[学位论文]硕士2006 5.秦江SU-8胶紫外光刻理论与实验研究[学位论文]硕士2006 6.姜勇US机理及鉴码齿轮集一体化工艺研究[学位论文]硕士200 7.李雄UN-LIGA技术光刻工艺的研究[学位论文]硕士2004 本文链接http://d.g.wanfangdata.comcn/periodiCalwxjgjs200102014.aspx
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.期刊论文 卢德江.蒋庄德.Lu Dejiang.Jiang Zhuangde 等离子体低温刻蚀单晶硅高深宽比结构 -真空科学与技 术学报2007,27(1) 等离子体低温刻蚀是一种针对高深宽比结构的干法刻蚀技术.本文在低温刻蚀单晶硅样品时得到典型的刻蚀结果为:各向异性值＞0.99,硅刻蚀速率 ＞1.5 μm/min,对SiO2刻蚀选择比＞75,说明该刻蚀方法很具竞争力.通过对载片台温度、反应气体配比、腔体气压和ICP线圈功率等工艺参数的系列实验 分析,证明低温刻蚀高深宽比硅微结构必需一定的低温和氧,同时揭示出低温刻蚀过程的主要控制因素是离子轰击而非刻蚀表面的化学反应.本文还对刻蚀 过程中刻蚀滞后和凹蚀现象的产生机理进行了分析讨论,指出介电质掩蔽层的充放电效应导致了凹蚀,而刻蚀滞后的诱因则与通常的刻蚀情况不同,主要是 台阶对离子轰击的覆盖效应. 引证文献(7条) 1.杨特育 高精度微光学器件激光直写光刻系统研究[期刊论文]-现代电子技术 2008(24) 2.杜立群.秦江.刘冲.朱神渺.李园园 SU-8胶紫外光刻的尺寸精度研究[期刊论文]-光学精密工程 2007(04) 3.秦江.杜立群.刘冲.朱神渺 SU-8胶微结构的尺寸公差研究[期刊论文]-传感技术学报 2006(05) 4.汪潇 血糖监测微系统中微针头的制作研究[学位论文]硕士 2006 5.秦江 SU-8胶紫外光刻理论与实验研究[学位论文]硕士 2006 6.姜勇 UQS机理及鉴码齿轮集一体化工艺研究[学位论文]硕士 2005 7.李雄 UV-LIGA技术光刻工艺的研究[学位论文]硕士 2004 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_wxjgjs200102014.aspx 下载时间：2010年2月15日
