用SU-8胶制高深宽比微结构的试验研究

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，得到光刻胶图形侧壁陡直，分辨率高，与基底附着性能，深宽比大于20。     

SU-8胶及其在MEMS中的应用

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。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;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,被逐渐应用于MEMS的多个研究领域。本文主要分析SU-8胶的特点,介绍其在MEMS的一些主要应用,总结了我们研究的经验,以及面临的一些问题,并对厚胶技术在我国的应用提出建议和意见。     

SU-8胶及其在MEMS中的应用

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.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; 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,被逐渐应用于MEMS的多个研究领域.本文主要分析SU-8胶的特点,介绍其在MEMS的一些主要应用,总结了我们研究的经验,以及面临的一些问题,并对厚胶技术在我国的应用提出建议和意见.     

降低SU-8光刻胶侧壁粗糙度的研究

SU-8负性光刻胶可通过UV-LIGA技术得到高深宽比微结构,是微机械系统(MEMS)制造中极具前景的一种技术。目前已有对于SU-8微结构的线宽变化,侧壁倾角,表面粗糙度,增加深宽比等方面的大量研究,但是鲜有对于SU-8微结构侧壁粗糙度的研究。该文从造成微结构侧壁粗糙度的原因入手,讨论了各个工艺参数对侧壁粗糙度的影响,并且通过优化工艺参数达到了降低SU-8微结构侧壁粗糙度的目的。     

SU-8胶微结构的显影技术研究

突破了传统深宽比概念,提出金属基底上基于图形特征的光刻胶显影技术,对采用SU-8胶加工高分辨率和高深宽比微结构的显影工艺进行了讨论,分析了120～340μm厚具有不同图形特征的SU-8胶显影规律,认为在同样条件下,凸型图形显影效果优于凹型非连通性图形;曲线型显影效果优于直线型图形与点状图形;圆弧连接的图形显影效果优于尖角型图形。显影时辅助适当功率的超声搅拌显著改善图形质量,凸型结构最佳超声功率小于10W;凹型结构超声功率为15W左右;深宽比为5～7的凸型胶膜结构适宜显影时间为10min以内,凹型结构显影时间达25min。     

SU-8胶微结构的显影技术研究

突破了传统深宽比概念,提出金属基底上基于图形特征的光刻胶显影技术,对采用SU-8胶加工高分辨率和高深宽比微结构的显影工艺进行了讨论,分析了120-340μm厚具有不同图形特征的SU-8胶显影规律,认为在同样条件下,凸型图形显影效果优于凹型非连通性图形;曲线型显影效果优于直线型图形与点状图形;圆弧连接的图形显影效果优于尖角型图形。显影时辅助适当功率的超声搅拌显著改善图形质量,凸型结构最佳超声功率小于10w;凹型结构超声功率为15W左右;深宽比为5-7的凸型胶膜结构适宜显影时间为10min以内,凹型结构显影时间达25min。     

玻璃纤维增强SU-8胶技术

SU-8胶是一种能够以低成本制作高深宽比微结构的负性光刻胶,在非硅微电子机械系统(MEMS)领域具有广阔的应用前景。针对SU-8胶作为微结构材料时,其弹性模量和断裂强度较低的特性,采用透明度高的微细玻璃纤维作为增强相材料,制备玻璃纤维/SU-8复合材料。开发出一种既能够增强成型后SU-8微结构机械强度,又不影响SU-8可直接光刻成型能力的改性技术。通过光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对该复合材料的微观结构进行了分析和表征。同时,利用拉伸实验对复合材料的机械性能进行测试。实验结果表明,在不改变紫外光刻电铸(UV-LIGA)的光刻-显影工艺特征的条件下该复合材料的弹性模量(1 613 MPa)、断裂伸长率(1.63%)和断裂强度(26.7 MPa)均比纯SU-8胶材料有较大提升。     

SU-8胶及其在MEMS中的应用

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。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 ;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 ,被逐渐应用于MEMS的多个研究领域。本文主要分析SU 8胶的特点 ,介绍其在MEMS的一些主要应用 ,总结了我们研究的经验 ,以及面临的一些问题 ,并对厚胶技术在我国的应用提出建议和意见     

SU-8胶曝光衍射效应的模拟及丙三醇补偿方法

基于SU-8胶的UV-LIGA技术是MEMS中制备高深宽比结构的一种重要方法,但由于衍射效应会使结构的侧壁不再垂直，根据菲涅耳衍射模型,考虑了丙三醇/SU-8界面的反射和折射现象,模拟了丙三醇填充在掩膜版和光刻胶之间时的刻蚀图形。计算结果与已有的实验进行了比较,模型基本可以描述这种光刻过程,可在设计时作为参考。     

SU-8胶曝光衍射效应的模拟及丙三醇补偿方法

基于SU-8胶的UV-LIGA技术是MEMS中制备高深宽比结构的一种重要方法,但由于衍射效应会使结构的侧壁不再垂直.根据菲涅耳衍射模型,考虑了丙三醇/SU-8界面的反射和折射现象,模拟了丙三醇填充在掩膜版和光刻胶之间时的刻蚀图形.计算结果与已有的实验进行了比较,模型基本可以描述这种光刻过程,可在设计时作为参考.     

基于UV-LIGA技术的双层微齿轮模具镶块工艺

以氧化铟锡(ITO)玻璃作为基底,采用UV-LIGA技术制作了双层微齿轮型腔模具的镶块。首先,采用正胶(RZJ-304)进行光刻,在ITO玻璃表面电镀镍掩模,通过镍掩模对第一层SU-8光刻胶进行背面曝光。再利用正面套刻的方法对第二层SU-8光刻胶进行曝光,显影得到双层微齿轮的胶模。最后,进行微电铸得到双层微齿轮型腔镶块。通过实验验证了双层微齿轮模具镶块制作的工艺流程,优化了其工艺参数,克服了底部曝光不足引起的问题,并对制作工艺过程中产生的涂胶不平整、前烘时胶层不稳定、热板加热不均以及接触式曝光破坏胶层表面等问题进行了研究。所制得的双层微齿轮胶模垂直度高,表面质量好,且套刻精度高。     

基于UV-LIGA技术的微注塑金属模具的工艺研究

介绍了一种新颖的微注塑模具的制作方法———无背板生长法,它是利用负性厚SU-8光刻胶,通过低成本的UV-LIGA表面微加工工艺,直接在金属基板上电铸镍图形而制作完成的。讨论了SU-8胶与基底的结合特性以及几种去除SU-8胶的有效方法,所制作的微注塑模具已用于微注塑加工中。无背板生长工艺的突出优点是微电铸时间短、模具质量高,而且还适合于制作其他微机械组件,是目前MEMS领域中比较有发展前途的加工方法。     

MEMS螺线管型电感器正负胶结合的加工工艺

MEMS螺线管型电感器由于具有很多优点，其用途或潜在用途相当广泛 。为了获得高质量的MEMS螺线管型电感器，在充分利用SU-8特点的基础上，结合使用正胶AZ-4000系列和负胶SU-8系列，新开发了UV-LIGA多层微加工工艺，它主要包括：在基片上溅射Cr/Cu作为电镀种子层，涂布正胶，紫外光刻得到电镀模具，电镀Cu和FeNi分别得到线圈的下层、中层和上层以及铁芯；在完成下层和中层后，分别进行一次负胶工艺以形成电绝缘层和后续结构的支撑平台，即涂布负胶覆盖较下层结构，光刻开通往较上一层的通道并使SU-8聚合、交联以满足性能要求。实验表明该工艺是可行和实用的。它除了可用于螺线管电感器的加工，还可以用来加工其它三维结构的MEMS器件。     

SU-8 nanocomposite photoresist with low stress properties for microfabrication applications

A new nanocomposite photoresist based on SU-8 epoxy resin has been developed. It consists in a homogeneous dispersion of nano-silica particles in the negative tone photosensitive SU-8. The nanocomposite photoresist is more sensitive than the SU-8 photoresist and the photopatterned composite structures show low stress and less cracks than pure SU-8 structures. No significant resolution difference has been observed for both materials.     

自写入光波导聚合物微透镜阵列的设计与制作

利用聚合物SU-8光刻胶在激光作用下折射率会发生变化的特点,将其作为最后的光学材料,采用光刻胶热熔法和图形转移法,设计并制作了填充因子接近0.75、自写入光波导、六角排列的微透镜阵列。对阵列的表面形态、三维结构和光学性能分别进行了观察、测试与分析,发现用SU-8胶制作的微透镜阵列外观良好,边缘清晰;自写入光波导微透镜阵列的三维结构良好;波导末梢的光点分布均匀,光强一致性高。这种自写入光波导的微透镜阵列降低了透镜阵列与探测阵列精确装配的难度,而且其制作工艺流程简单、成本低廉、适合批量复制,这种阵列元件还有质量轻、体积小的特点,有很广的应用前景。     

Feasibility study on cellular network analysis with patterned cell culture microdevice

In order to realize cellular network analysis on a chip-based system, our group has been developing a patterned cell culture microdevice with pillars in an array for tapping cells into space surrounded by the pillars. The pillar structures has advantages to trap both adhesive and non-adhesive cells and to precisely control positions of cells and distances between cells for understanding effects of various cell patterns on functions of a cellular network such as cell proliferation, differentiation, and network formation. In this paper, HeLa cell cultivation with the patterned cell culture microdevice having a pillar array fabricated by dry film of thick negative photoresist SU-8 on a glass substrate was executed as a feasibility study on a cellular network analysis. The results revealed that the device performance was found to be enough to culture HeLa cells for more than 48 h. In addition, relative extensibility of blocks of multiple cells compared with single cells tapped on the device was observed. Thus, the patterned cell culture microdevice proposed here could be applicable to analysis of cellular functions.     

Experimental study on ultrasonic stress relief for cured SU-8 photoresist layer

The purpose of this work is to reduce the internal stress in cured SU-8 photoresist layer by ultrasonic stress relief technology. The stress relief mechanism of SU-8 photoresist layer was presented. Based on improved Stoney’s formula, a theoretical calculation model for SU-8 internal stress was proposed. Profile method was used to measure the curvature radius of substrate. The effect of ultrasonic stress relief on SU-8 layers was studied by experiments. Meanwhile, some important factors, such as amplitude of vibration, power input and relief time, have been discussed. The values of internal stress before and after the ultrasonic stress relief process were compared. The experimental results show that the internal stress in cured SU-8 layers can be effectively reduced if the proper experimental parameters are chosen.     

LTPS工艺中光刻胶与膜层粘附力的研究

本文对影响LTPS工艺中光刻胶和衬底间粘附力的4个因素进行了实验及理论分析。经实验发现:衬底的材质和粗糙度以及光刻胶中分子量的分布是影响光刻胶和衬底粘附力的最重要的两个因素。在改善粘附力方面HMDS对于电负性较强的金属衬底和光刻胶的粘附力有较好的改善效果,对于SiNX、A-Si及P-Si衬底改善效果明显,且无差异,对于ITO没有改善。光刻胶涂布后适当延长烘烤时间也可以有效改善光刻胶和衬底的粘附力。     

Three-dimensional SU-8 sub-micrometer structuring by electron beam lithography

We demonstrate electron beam lithography on the negative tone electron resist SU-8 to fabricate self-supporting three-dimensional structures in sub-micrometer range. Applying SU-8 thin films spin cast on glass substrates and forming layers of 1 μm thickness, the structuring is performed in a two step process. First, the SU-8 film is exposed for supporting structures down to the substrate, a second exposure step with accordingly modified parameters leads to elevated structures. Applications as microscale shadow masks for evaporation based deposition processes and microfluidics are discussed.