SU-8胶光刻工艺研究

SU-8胶是一种基于环氧SU-8树脂的环氧型的、近紫外光、负光刻胶.其专门用于在非常厚的底层上需要高深宽比的应用.但是SU-8胶对工艺参数的改变非常敏感.本文对影响光刻后图形质量的主要工艺参数前烘温度和时间、中烘温度和时间、曝光时间及显影时间进行了研究,发现前烘时间和显影时间是影响图形分辨率及高深宽比的最主要的参数.随后给出了200μm厚SU-8光刻胶的建议工艺条件:200μm/s甩胶,1h的95°C前烘,近紫外光(400nm)接触式曝光,95°C的中烘 30min,PGMEA中显影20min.另外对实验中实现的主要问题基片弯曲和光刻胶的难以去除作了一定的探讨,给出了合理化建议:对于基片弯曲可采用以下四种措施来降低,降低中烘的温度同时增加中烘的时间、用厚硅片来代替薄硅片、对于薄硅片在前烘后可用金刚刀切成4～8小片、适当的设计掩模板;对于光刻胶的去除用热丙酮泡、超声清洗、反应离子刻蚀和高温灰化法相结合,能达到较好的效果.     

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。     

具有三层结构的SU-8胶V形微电热驱动器

为解决SU-8胶微电热驱动器在工作过程中存在平面外运动的问题,提出了一种具有铜-SU-8胶-铜三层对称结构的新型SU-8胶V形微电热驱动器.采用刚度矩阵方法建立了包含被驱动结构刚度的微电热驱动器力学模型,并针对一种柔性微夹钳,利用该模型对微电热驱动器进行了几何参数设计.利用Ansys仿真软件对所设计微驱动器进行了分析,仿真结果验证了所建模型的合理性.提出了一种新的MEMS加工工艺来制作三层结构微电热驱动器,并测试了它的性能.结果表明,实验结果与仿真结果相差不大,在150mV驱动电压下,所设计微驱动器温度仅升高约32.93℃,并对微夹钳产生约2.5 μm的输入位移,使微夹钳产生126μm的钳口距离改变量.微驱动器仅消耗大约30.35 mW的功率,钳口的平面外运动小于500 nm.最后,利用微电热驱动器驱动的微夹钳成功地对一个长1.2 mm,宽135μm,厚50μm的SU-8胶材料微型零件进行了微操作实验,实验证明了微驱动器实际性能基本满足设计要求.     

基于SU-8厚胶光刻工艺的微电铸铸层尺寸精度控制新方法

以SU-8胶为微电铸母模制作镍模具时,胶模的热溶胀性使胶模变形,导致铸层线宽缩小,这是影响微电铸铸层尺寸精度的主要因素。针对密集蛇形沟道图形的镍模具微电铸工艺,以200.0μm厚SU-8胶为胶模,研究微电铸铸层尺寸精度的控制方法,提出基于SU-8厚胶光刻工艺的微电铸铸层尺寸精度控制新方法,即在图形四周增设一条封闭等间距的隔离带,用隔离带减少影响图形区域的SU-8胶模的体积,阻止电铸时该处胶模的热溶胀对图形区域的影响,进而减小铸层尺寸变化。结果表明,采用增设隔离带方法制作的镍模具,胶模线宽变化量最大值由61μm减小到31.4μm,铸层尺寸相对误差的最大值由31.3%减小到16.7%,这种方法显著提高微电铸铸层的尺寸精度。     

基于SU-8胶的新型被动式微型阀

为了在微流体控制系统中实现对流体流速的控制和流体的单向流动,借鉴人体心脏瓣膜的结构,设计了新型被动式微阀.选用SU-8作为被动式微型阀的结构材料,用ANSYS仿真了不同厚度(10,15,20 μm)的阀门膜片在不同压力作用下的挠度与应力,进而确定了合适的阀门膜片厚度.利用微细加工技术,集成加工了微型阀,并由此确定和优化了微型阀的加工工艺.用去离子水作为介质测试了微型阀的过流特性,在正向压力为11.7 kPa的压力作用下,测得A、B型被动式微阀的正向流速分别为1.66 ml/min和1.35 ml/min.对测试数据的分析表明,设计的微型阀有线性控制的潜能.以SU-8胶作为结构材料的微型阀不仅性能较好,同时具有生物兼容性,可扩展微型阀的应用范围.     

集成铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器的制作

由于SU-8胶的弹性模量比硅的低,在SU-8胶悬臂梁上集成金属压阻可获得很高的力灵敏度系数,因此本文基于SU-8胶设计并制作了一种集成蛇形结构铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器。介绍了制作微力传感器的新型工艺,并进行了传感器性能测试。实验结果表明:设计的SU-8胶微力传感器在0～350μN具有较好的线性度,力灵敏度为0.24mV/μN,测量误差为4.06%。该微力传感器可以满足对微小力的测量,相对于硅材料的微力传感器,其制作工艺更加简单,周期更短。由于SU-8胶的生物兼容性好,该传感器在生物医学研究领域有着很好的应用前景。     

基于SU-8胶的微针执行器的研制

利用MEMS技术设计和制作了一种微量取样执行器.执行器由微针、微通道、反应室、电极以及永磁微阵列等各部分组成,通过外部磁场可以实现双向线性地驱动.利用SU-8光刻胶为主要材料,采用多级曝光和电铸金属实现3D结构的工艺技术,研制出了微针执行器的雏形器件.针尖的尺寸为500μm×60μm× 60μm,针孔截面为20μm×20μm.     

UV-LIGA中光源波长和曝光量对SU-8光刻胶微结构的影响

基于UV-LIGA技术采用SU-8光刻胶制备了高深宽比微结构,最高深宽比达201.研究了改变光源的波长和曝光量对SU-8光刻胶成形的影响,揭示了在一定范围内线宽随曝光量非线性变化的规律.从聚合度和聚合所得高分子结构两方面对该变化规律给出了合理的解释,并基于该变化规律提出了一种新的消除微结构倒角的方法.     

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。     

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.     

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 紫外深度光刻的误差及修正

在深紫外LIGA加工中,制作高精度大高宽比的微器件是很困难的。难点在于SU-8 光刻胶对紫外光的吸收系数随着波长变短而很快变大,而且其穿透深度也相应迅速变小;同时由于紫外光的衍射效应,获得高精度的大高宽比结构并不容易。本文深入研究了影响紫外深度光刻图形转移精度的如下因素:衍射效应、曝光剂量、紫外光波长和蝇眼透镜的分布等等。建立了基于模型区域的校正系统,该校正系统采用了分类分区域的思想将掩模图形按其畸变的特点进行了分类,在校正过程中对不同的类别分别建立校正区域,在每一校正区域内进行校正优化处理和校正评价,这种基于模型的分类分区域评价思想,使得校正过程有效且实时,该校正方法不仅降低了校正的复杂性,同时提高了校正的效率。     

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。     

Study of SU-8 photoresist cross-linking process by atomic force acoustic microscopy

In this paper, a method is presented to detect the different phases of epoxy cross-linking process and the subsurface structures of SU-8 thin films by atomic force acoustic microscopy (AFAM). The AFAM imaging of SU-8 thin films was investigated under different exposure and bake conditions. Optimized conditions were obtained for the cross-linking of SU-8 thin film at the exposure does of eight laser pulses with the laser fluence 10 mJ cm^–2 per pulse and the post exposure bake (PEB) time at 90 s. The subsurface structures of undeveloped SU-8 thin films were visible in the AFAM images. This method provides an effective and low-cost way for the determination of different phases of epoxy cross-linking process in nanostructured compounds, for the non-destructive testing of subsurface defects, and for the evaluation of the quality of patterned structures.     

基于SU-8聚合物波导的多模干涉型RGB合波器

针对现有的RGB合波器分立元件多、结构复杂、成本高等问题,同时为了满足器件的微型化发展和高效率传输的需求,设计了一种基于SU-8聚合物波导的多模干涉型(MMI)RGB合波器.该合波器通过2个级联的2×1MMI对RGB三个波长进行组合,第一级MMI使R(660 nm)、B(440 nm)光束进行组合输出,第二级MMI使R...     

Tribological analysis of tip-cantilever made of SU-8, talc and PFPE composite

ABSTRACT

SU-8 polymer with talc particle (30?wt-%) and liquid perfluoropolyether (PFPE) (30?wt-%) fillers was used as a composite to fabricate conical tip-cantilever device. The composite tip demonstrated lower coefficient of friction (～0.22) when compared with a tip made of pure SU-8 (～0.65). Fluorine was detected on the wear track and the tip surface, which resulted from the transfer of PFPE from the tip to the wear track. The counterface made of pure SU-8 remained smooth and unworn when slid against the composite tip even after 1000 cycles of sliding. This composite with improved tribological and mechanical properties can be used for fabricating small component devices such as for micro-electro-mechanical systems (MEMS).