飞秒激光微加工的研究进展

综述了近年来国内外利用飞秒激光微加工的研究进展。飞秒激光脉冲作为材料微纳加工的一项工具,已经从实验室进入到工业化阶段。介绍了飞秒激光在微纳加工领域的一些研究情况,分别就飞秒激光烧蚀微加工以及双光子聚合加工进行了阐述。最后分析了飞秒激光微加工目前存在的问题及未来发展的主要方向。     

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环氧树脂的分离实验研究

为分析和解决商业用SU-8胶在355 nm波长的吸收性和后烘缩胶等问题,先采用柱层析对SU-8环氧树脂进行分离,然后进一步用高压液相色谱-尺寸排阻色谱法对SU-8环氧树脂进行分离和分析。结果表明,SU-8环氧树脂包括SU-1,SU-2,SU-4,SU-6和SU-8多种组分及其它杂质,分子量分布在100-100 000的范围。根据分析结果,研究了上述问题出现的原因,并配制了性能优化的SU-8光刻胶,结合全息光刻技术制作了三维光子晶体。     

SU-8胶光刻工艺参数优化研究

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。     

飞秒激光双光子制造生物微器件微支架

介绍了飞秒激光双光子吸收和光聚合的机制,将飞秒激光技术应用于生物相容性材料(ORMOCER)的三维微纳米加工中.在ORMOCER材料内实现了双光子光聚合,最高加工精度达到0.5 μm,突破了衍射极限.推导出双光子光聚合阈值的数学表达式,研究了扫描速度V和激光功率P对横向尺寸的影响规律.在此基础上采用飞秒激光双光子微细加工技术制备了典型的微生物器件--微井阵列、微柱阵列和光子晶体生物微型支架.     

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。     

不同波段近紫外光在SU-8胶中穿透深度的研究

通过对SU—8胶近紫外波段下透射光谱的分析，得到不同波长近紫外光在SU—8胶中的穿透深度，并分析了不同波段近紫外光对SU—8胶微结构的影响，结果表明穿透深度大的近紫外波段曝光出来的图形质量好，深宽比大，侧壁陡直。     

SU-8微针执行器的研究

设计和采用MEMS工艺技术制作了一种由电磁驱动的微量取样执行器.执行器的结构包括微针、通道、反应室、电极以及永磁微阵列等.通过外部磁场可以实现双向线性驱动.本文主要介绍了利用SU-8光刻胶材料,采用多级曝光实现3D结构的工艺技术,研制出了微针执行器的雏形器件.微针的尺寸为600μm×800μm×40μm,微针孔径截面为20μm×20μm,并给出了SEM分析的研究结果.     

SU-8光刻胶氧刻蚀的研究

采用氧气反应离子刻蚀(RIE)SU-8光刻胶,以获得三维SU-8微结构(如斜面)。实验采用套刻、溅射、湿法腐蚀、电镀等技术实现光刻胶上镍掩膜图形化。分别研究氧气气压、射频(RF)功率、氧气流量对刻蚀速率的影响,并对实验结果进行了理论分析,在此基础上可进一步优化刻蚀工艺以获得更高的刻蚀速率。     

SU-8光刻胶去胶工艺研究

SU-8光刻胶因具有良好的机械耐久性、聚合物水密性、介电性能、生物兼容性和抗化学腐蚀性而被广泛用于MEMS器件、生物医学和芯片封装等领域。现有制作工艺中,在不损伤器件的同时完全去除和剥离SU-8光刻胶仍是一个难题。文章研究了一种基于O₂/CF₄等离子刻蚀配合湿法刻蚀的去除方法,实现了SU-8光刻胶在硅基底、非晶无机非金属材料、电镀金属等材料上的有效去除。     

SU-8胶深紫外光刻模拟

综合了SU-8胶光刻过程中衍射、反射、折射、吸收率随光刻胶深度的变化及交联显影等各种效应,考虑了折射及吸收系数随时间的变化,建立了SU-8化学放大胶的光刻模型.模拟结果显示,该模型比现有的模拟方法结果更精确,与实验结果符合较好,可以在实际应用中对SU-8光刻胶的二维模拟结果进行有效预测.     

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。     

UV-LIGA工艺中SU-8光刻胶的热溶胀性研究

对SU-8胶的热溶胀效应及其机理进行了研究,在现有微模具的UV-LIGA工艺的基础上,利用AN-SYS对SU-8胶的热溶胀性规律进行了仿真分析。通过SU-8胶模的溶胀实验,建立了热溶胀变形的速率模型,并计算了不同电铸时间下微模具的顶部线宽,计算结果与实验值基本吻合。仿真结果可用来优化掩模图形的设计及预测电铸后微模具的尺寸。     

SU-8胶模去除技术

对各种去胶技术的原理、优缺点及其适用场合进行了综述,并结合本实验室的电铸Ni结构去胶试验,对强碱熔盐浴氧化、强酸氧化等经济有效的去胶方法进行了有益发展。最后介绍了SU-8辅助去胶技术,如辅助剥离牺牲层技术、辅助电铸结构抵抗去胶剥落的桩基形成技术。提出了一种与多层互连电路微制造兼容的金属桩基形成技术,并采用强酸氧化去胶方法在制作有互联电路及薄膜电极的基片上成功地集成了200μm厚的Ni结构。     

双光子聚合制备聚苯胺微结构

为直接制备小尺度且具有可控形貌的导电聚合物微结构,利用一种基于飞秒激光的双光子聚合法,实现了聚苯胺在基底上任意位置处微纳米尺寸线条的精准可控制备。以苯胺为单体、硝酸为氧化剂,通过调控苯胺与硝酸的浓度,可以制备出具有不同形貌的聚苯胺微纳米线。不溶于水的苯胺高聚物在水相界面处合成,苯胺与硝酸的浓度及激光功率会影响水溶性苯胺低聚物的分布,进而影响聚苯胺微纳米线的形貌。当苯胺与硝酸浓度分别为0.69 mol·L^-1和0.60 mol·L^-1时,可制备出具有致密光滑形态、电导率为5.79×10^-6 S·cm^-1的聚苯胺微纳米线。本研究为导电聚合物的制备及其在传感器、微型探测器等微纳米器件中的广泛应用提供了新思路。     

Fabrication of SU-8 microreactors for radiopharmaceutical production

SU-8 is a very interesting material for the fabrication of lab-on-chip devices applied to organic synthesis because of its resistance to chemicals and solvents. Among the possible application fields of microreactor technology, radiochemistry is emerging because microfluidic apparatuses allow to perform radiosynthesis in a quicker, safer and more reliable way compared to traditional vessel-based approaches. Microreactors for synthesizing [¹⁸F]-labelled radiopharmaceuticals require the employment of materials that do not adsorb fluoride and are resistant to solvents and chemicals. Pyrex, glass and silicon adsorb fluoride ions, therefore they are not the best choice. SU-8 is stable towards chemicals and solvents but nothing is known about its behaviour with radioactive fluoride. Here we develop a simple fabrication procedure to make fully coated SU-8 microreactors and we demonstrate the potentiality of SU-8 microfluidic architectures to be used for radiosynthesis, giving a proof of their low tendency to trap radioactive fluoride if compared with traditional glass microchannels.