用SU-8胶加工微结构的试验研究

以正交实验设计为研究方法,对采用负性光刻胶（SU-8）加工高分辨率和高深宽比微结构进行了工艺研究,得出：前烘温度与前烘时间对光刻质量影响最大,对120~340μm厚的光刻胶,前烘温度取90℃,前烘时间50~120min时图形质量最佳。分析了高深宽比微结构电铸的特点,实验表明传质是微细电铸的限制性环节。实现了光刻、电铸加工微结构的工艺参数优化。     

基于BP神经网络的SU-8光刻胶工艺参数优选研究

SU-8是一种性能优异的厚胶,广泛应用于高深宽比的MEMS微结构中。本文首先用正交试验研究了前烘时间、曝光剂量、后烘时间以及显影时间对SU-8光刻胶图形尺寸精度的影响,得到了优化的工艺组合。在此基础上,运用BP神经网络对试验数据进行分析处理,预测了较正交试验分析结果更为优化的工艺组合,并用试验验证了其正确性。结果表明,经正交试验数据训练过的BP神经网络,很好地映射了工艺参数与优化指标之间的复杂非线性关系,此时应用BP神经网络对工艺参数进行优选研究能够得到更全面、准确的结果。     

模糊神经网络在UV-LIGA工艺优化中的应用

将模糊神经网络理论和算法应用于负性光刻胶(SU-8)加工高分辨率和高深宽比微结构的工艺研究,在正交试验的基础上对网络进行训练,建立了光刻图形质量与前烘时间、前烘温度、曝光量、后烘时间之间的预测模型。该模型采用五层前向模糊神经网络,学习算法为梯度下降法。进行了实验,实验结果表明,前烘温度与前烘时间对光刻质量影响最大。对120~340 μm厚的光刻胶,前烘温度取95℃,前烘时间100 min时,图形的相对线宽差最小;超声搅拌能缩短显影时间,显著改善图形质量,试验结果与计算结果十分吻合。将模糊神经网络应用于UV－LIGA工艺中,能实现光刻加工微结构的工艺参数优化。     

后烘温度对SU-8光刻胶热溶胀性及内应力的影响

对不同后烘温度条件下,SU-8胶在电铸液中的热溶胀性及胶层的内应力大小进行了研究。SU-8胶层内应力会使胶体结构开裂变形,而SU-8胶膜在电铸液中的热溶胀效应则是造成微电铸结构线宽减小的主要因素。SU-8胶内应力和溶胀性问题的存在,严重地影响了所制作图形的深宽比和尺寸精度。在其他工艺参数相同的情况下,测量了不同后烘温度条件下,SU-8胶微通道线宽随溶胀时间的变化。溶胀实验结果表明,后烘温度越低,SU-8胶的溶胀变形越大,且热溶胀现象主要发生在前30分钟,其后溶胀速率逐渐减缓而趋于稳定。在SU-8胶后烘后,利用基片曲率法的原理测量了胶层内应力的大小,实验数据表明,采用较低的后烘温度可以降低SU-8胶层的内应力。因此在工艺过程中,应该综合考虑热溶胀性及胶层内应力的影响,根据实际加工器件的要求适当选取后烘工艺参数。     

压电喷墨打印头聚合物喷孔制作工艺研究

描述了一种压电喷墨打印头SU-8光刻胶锥形喷孔的制作方法。该方法基于接近式曝光工艺和键合工艺,首先在PDMS基底上旋涂SU-8光刻胶,通过控制曝光量、曝光间隙、后烘、显影等工艺参数,得到带有微小锥形喷孔的SU-8光刻胶喷孔板,再将喷孔板与SU-8光刻胶开放腔室层键合,形成压电喷墨打印头腔室。采用耦合压电物理场和层流流场的方法,数值模拟了喷孔形状对喷墨速度的影响,确定了最佳喷孔形状。通过实验,确定了制作SU-8锥形喷孔的工艺参数为:曝光量110 m J/cm2,曝光间隙110μm,后烘60℃、15 min和显影时间3.5 min;并采用30μm孔径的掩模,制作出了大孔孔径30μm、小孔孔径20μm、孔高45μm的SU-8光刻胶微小锥形喷孔。     

玻璃微流检测芯片厚胶光刻温度条件的平衡优化

采用正性光刻胶AZ 4620进行玻璃微流检测芯片的厚胶光刻制备,试验了各工艺阶段不同的温度参数条件对光刻胶浮雕面形、光刻胶与玻璃基质的粘附性、光刻胶在刻蚀液中的耐受时间、刻蚀速率和最大刻蚀深度等因素的影响。结果表明,软烘温度直接影响曝光显影工艺质量;后烘温度对显影效果有一定影响;坚膜温度对光刻胶浮雕面形、耐受时间有较大影响;而刻蚀环境温度直接影响着刻蚀速率、刻蚀深度和刻蚀面形效果。经平衡优化后,得出了理想的温度参数选取方案。     

在金属基底上制作高深宽比金属微光栅的方法

根据光学领域对高深宽比金属微器件的需求,利用UV-LIGA工艺在金属基底上制作了具有高深宽比的金属微光栅。采用分层曝光、一次显影的方法制作了微电铸用SU-8胶厚胶胶模,解决了高深宽比厚胶胶模制作困难的问题。由于电铸时间长易导致铸层缺陷,故采取分次电铸等措施得到了电铸光栅结构;同时通过线宽补偿的方法解决了溶胀引起的线宽变小问题。在去胶工序中,采用"超声-浸泡-超声"循环往复的方法。最终,制作了周期为130μm、凸台长宽高为900μm×65μm×243μm的金属微光栅,其深宽比达到5,尺寸相对误差小于1%,表面粗糙度小于6.17nm。本文提出的工艺方法克服了现有方法制作金属微光栅时高度有限、基底易碎等局限性,为在金属基底上制作高深宽比金属微光栅提供了一种可行的工艺参考方案。     

紫外厚胶光刻技术在3-D MEMS电感中的应用

研究了紫外厚胶光刻技术在三维微机械电感中的应用.实验用负性光刻胶SU-8构造了三维微机械电感的胶结构模型,并对光刻胶的工艺条件进行了研究.结果表明,负性光刻胶SU-8的光敏性好,形成的胶结构侧墙较陡直,能够实现较大的深宽比,为结构复杂的三维微机械电感的制作提供了保证.     

微机电系统中SU-8厚光刻胶的内应力研究

在对基片曲率法常用的Stoney公式进行必要修正的基础上,提出了适合计算SU-8胶层内应力的理论模型,并采用轮廓法直观地测量了内应力引起的基底曲率的变化.通过ANSYS仿真揭示了基片直径,胶层厚度及后烘温度三者对基片曲率的影响.仿真结果表明:后烘温度是影响胶层内应力的主要因素.实验测量了后烘温度分别为55℃、70℃和85℃三种条件下的SU-8胶层的内应力.结果表明:降低后烘温度能有效地减小SU-8胶层的内应力,实验测量值与仿真计算值基本吻合.内应力的测量为SU-8胶层内应力的定量研究奠定了基础.     

基于超声辅助的UV-LIGA光栅制备技术研究

光栅在通信、光存储及光谱分析领域具有广泛的应用。对超声辅助UV-LIGA技术制备光栅的可行性进行了试验研究。试验中两次利用超声的特殊效应,实现不同的辅助功能。1）采用超声辅助显影,通过改善光刻胶模沟槽内的物质传输,提高光刻胶模结构的显影效率和显影质量。2）在后烘之后、显影之前对光刻胶结构进行超声处理,通过在空气中对光刻胶模结构进行超声处理,有效降低SU-8胶模在电铸过程中的溶胀。选取优化的工艺参数,采用侧向冲液电铸方式,获得了镍基光栅。     

Effects of temperature on mechanical properties of SU-8 photoresist material

A representative fabrication processing of SU-8 photoresist, Ultraviolet (UV) lithography is usually composed of spin coat, soft bake, UV exposure, post exposure bake (PEB), development and optional hard bake, etc. The exposed region of SU-8 is crosslinked during the PEB process and its physical properties highly depend on UV exposure and PEB condition. This work was initiated to investigate if thermal baking after fabrication can affect the mechanical properties of SU-8 photoresist material because SU-8 is trying to be used as a structural material for MEMS operated at high temperature. Since a temperature of 95°C is normally recommended for PEB process, elevated temperatures up to 200°C were considered for the optional hard bake process. The viscoelastic material properties were measured by dynamic mechanical analyses (DMA). Also, pulling tests were performed to obtain Young’s modulus and Poisson’s ratio as a function of strain rate in a wide temperature range. From this study, the effects of temperature on the elastic and viscoelastic material properties of SU-8 were obtained.     

超声处理对UV-LIGA工艺中SU-8胶溶胀的影响

首次将超声处理引入UV-LIGA工艺中,研究了超声处理对SU-8胶模溶胀的影响,并探讨了其影响机理,从而获得了减小胶模溶胀及提高电铸微器件尺寸精度的方法.试验研究了超声处理对显影过程及电铸过程中SU-8胶模溶胀的影响,分析了不同超声时间下SU-8胶表面亲水性的变化趋势,并计算了不同超声时间下胶模的溶胀去除率.讨论了超声处理对不同结构微器件尺寸精度的影响.试验结果表明:SU-8胶模在显影过程中的溶胀不明显,并且超声处理对显影过程中胶模的溶胀影响很小,其主要影响SU-8胶模在电铸过程中的溶胀.随着超声时间的增加,胶模溶胀及其表面亲水性均呈现先减小后增大的趋势.当超声时间为10 min时,胶模溶胀最小,其溶胀去除率a值可高达70％,并且超声处理后电铸微器件的尺寸误差与结构尺寸无关.根据超声波的机械断键作用与聚合物吸水机理,从亲水性和内应力两个方面,探究了SU-8胶模溶胀随超声时间的增加而变化的原因.文中提出的减小SU-8胶溶胀的方法不依赖于工艺参数也不会增加掩模图形设计的复杂性,是一种实用的减小SU-8胶溶胀的新方法.     

SU-8胶紫外光刻的尺寸精度研究

研究了衍射效应对SU-8胶紫外光刻尺寸精度的影响。根据菲涅耳衍射理论建立了紫外曝光改进模型,预测微结构的尺寸,分析了光刻参数变化对尺寸的影响。为了更好地与数值模拟结果进行比较,以硅为基底,进行了SU-8胶紫外光刻的实验研究。实验分四组,实验中掩模的特征宽度分别取50 μm、100 μm、200 μm和400 μm,SU-8胶表面的曝光剂量取400 mJ/cm²。用扫描电镜测量了微结构的顶部线宽、底部线宽和SU-8胶的厚度,用MATLAB软件对紫外曝光过程中SU-8胶层内曝光剂量的分布情况进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果基本吻合。数值模拟结果为进一步的实验研究提供了光刻参数的参考值。     

UV-LIA制作超高微细阵列电极技术研究

超高金属微细阵列电极在微细加工领域和生命科学领域有广泛应用。本文采用UV-LIGA技术制作超高金属微细阵列电极,并利用电解置桩的方法辅助去除SU-8胶。通过单次涂胶、提高前烘温度、降低后烘温度的方法制作了厚度达1mm的SU-8胶结构;采取反接电极法在金属基底上电解得到微坑,增强电铸金属电极与金属基底的结合力,保证去胶后电铸金属的完整性。选取优化的工艺参数：单次注射式涂胶;前烘110℃/12h;适量曝光剂量;分步后烘50℃/5min、70℃/10min、90℃/30min;反接电极电解10V/15min等,获得了高900μm、线宽300μm的金属微细阵列电极结构。试验表明,UV-LIGA技术是一种高效、经济的制造超高微细阵列电极的有效手段。     

用UV-LIGA技术制造大通孔率精细镍网

高开孔率、大厚度金属精细网板的制造是网板业界的技术难题。分析了现有的精细金属网板制造工艺的优缺点,并提出采用基于SU-8光刻胶的UV-LIGA技术来制备高开孔率大厚度精细金属网板的工艺思路。优选了关键工艺环节的操作参数,表征了试样的形貌特点,检测并分析了试样的相关性能。结果显示,采用优化的工艺条件(前烘65 ℃/20 min,95 ℃/20 min;适量曝光剂量;后烘65 ℃/10 min,95 ℃/15 min;匀胶后静置、随炉冷却;超声辅助显影等)所制备的六边形镍网(边200 μm),不仅开孔率高(88%),厚度大((120±3) μm),且具有尺寸精度高(形位误差±2 μm)、孔形一致性好(筋宽偏差＜3 μm)、孔壁平滑等特点。结果表明,UV-LIGA技术是一种制备高通孔率、大厚度精细金属网的有效工艺手段。     

Fabrication of suspended micro-structures using diffsuser lithography on negative photoresist

We report the results of diffuser lithography applied to a negative-type thick photoresist to fabricate 3-dimensional microstructures suspended on supports. When UV light passes through a diffuser film, the direction of the light is randomized because of the irregular surface of the diffuser. By exposing through a diffuser on a Cr-mask, a circular or an elliptical cross-section of exposed region can be formed on a spin-coated photoresist. When applied to a negative-type thick photoresist, diffuser lithography gives a 3-dimensional circular cross-section of the exposed and cross-linked regions, which could be used for making suspended microstructures. The size of the exposed region has been controlled by the dose of the UV light. The current study clearly shows that the depth of exposed region of photoresist is affected by the geometry of the pattern. By controlling the depth of the exposed region using different pattern size, beam structures suspended on the support structures could be fabricated by single exposure process. The characteristics of the diffuser lithography process were investigated on a negative type photopolymer, SU-8, with different doses of UV-light and different geometry.     

Effects of carbon fillers on the tribological and mechanical properties of an epoxy-based polymer (SU-8)

SU-8, an epoxy-based negative photoresist polymer, is highly suitable for making micro-electro-mechanical systems (MEMS) structures. Despite fabrication advantages, its bulk mechanical and tribological properties are the main limitations for application as MEMS material. Carbon filler materials such as graphene, graphite and multi-walled carbon nanotube (MWCNT) are added to SU-8 for tribological and mechanical property enhancements. SU-8/(5 wt%) graphite composite has performed better for the steady-state coefficient of friction at all loads including for the speed effect. SU-8/(5 wt%) MWCNT has shown excellent wear resistance. At 10 wt% graphite content, SU-8/graphite is superior in tribological performance to other composites tested.