SU-8光刻胶产品性能及光刻工艺介绍

Tips:汶颢提供不同型号正/负性光刻胶和相关加工设备。

SU-8光刻胶以其优异的机械性能、良好的热稳定性和耐腐蚀性，具有自整平、对近紫外光敏感且吸收极小等优点，在MEMS (micro (optical) electromechanical systems)制造和装配方面表现出其他光刻胶无法比拟的制造和性能优势。与硅或玻璃基底相比，金属衬底上的SU-8工艺更有利于微细电铸工艺。胶膜结构质量受光刻工艺，如基底前处理、匀胶、前后烘、曝光、显影等环节影响，其中显影操作是光刻图形成形的关键环节，对于微结构的显影时间、搅拌方式等参数直接决定了图形质量，尤其对整体质量影响较大。显影时间一般由胶厚度确定，具体随图形形状、深宽比、搅拌强度等因素不同而变化。
SU-8胶的显影原理是在显影液中溶解掉未曝光部分的光刻胶。当基片放人显影液中，未曝光部分的光刻胶会被显影液溶解。而曝光过的光刻胶已交联形成网状聚合物，因此显影液对它基本没有溶解作用，形成与掩模版相反的微结构图形。SU-8胶结构与显影条件和工艺参数密切相关，容易出现显影不足、显影过度、胶屑粘附等缺陷。解决问题的关键是改善显影传质条件，加快新鲜显影液传送到微结构底部和反应产物排出的速度。利用超声或兆频振动搅拌可以极大提高传质速度和显影质量闯，超声产生的空化作用、微射流和机械冲刷等综合作用可实现高效传质，加快溶解过程。
SU-8 系列光刻胶在不锈钢基底的前处理、前烘、曝光剂量、后烘等工艺参数如下:控制胶厚在120-340 um，匀胶转速控制为:700r/min,5 s;按400r/min加速度增加转速到2000r/min，并保持15s，按500 r/min的加速度使转速降为零。在恒温对流烘箱中进行前后烘。显影装置由超声清洗设备改造而成，振动频率33 kHz,超声功率0-100W可调。采用可视化工具测量显微镜和扫描电镜观测胶膜图形质量。显影时影响线宽控制的主要因素是显影时间。对于SU-8胶，显影时间越长，光刻胶的膨胀程度越严重，线宽的变化越大。因此，显影应合理选择一组既能保证显影充分，又不致于使线宽变化过大的显影参数，对于微结构阵列而言还必须注意图形尺寸的一致性要求。由于光刻图形形状比较复杂，传统深宽比的概念难以描述胶膜微结构的显影特性。
按最终胶膜图形特征，可以将其细分为:凹(阴)型和凸(阳)型结构特征;连通型与非连通型图形;根据图形形状分为曲线型、直线型、点状图形;按胶膜局部特征分为尖角型与圆角型。通常，凹型难以彻底显影，凸型结构容易出现坍塌。由于不同类型图形在显影过程中与显影液接触方式的不同将导致胶膜溶解速度产生差异，从而影响微结构的质量。
深宽比为5-7的曲线型、直线型、点状图形显影的难度应该渐次增大，原因是胶膜与显影液接触的面积逐渐变小。点状图形属于非连通型，所需要的时间明显高于其他两种图形。当然显影难度随深宽比的增加而增大，但是不同图形即使在深宽比相同的条件下，显影的时间相差很大。在同样搅拌条件下(超声搅拌，功率15W，频率为33kHz)做显影操作，三种图形完全显清所需要的时间分别为:13, 16, 24 min。而对于凸结构，同样条件下只需要8min即可完全显影，远低于凹型图形。可见，凸型图形的显影难度远低于凹型;连通型图形显影时间低于非连通型图形;曲线型图形显影难度低于直线图形。
 
SU-8操作参数
新型的化学增幅型负像SU-8光刻胶克服了普通光刻胶采用UV光刻深宽比不足的问题，十分适合于制备高深宽比微结构，因此SU-8胶是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶。它在近紫外光(365nm- 400 nm)范围内光吸收度很低，且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在受到紫外辐射后发生交联，是一种化学扩大负性胶，可以形成台阶等结构复杂的图形;且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，SU -8胶正被逐渐应用于MFMS、芯片封装和微加工等领域。直接采用SU -8光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项新技术。
 
SU-8光刻胶的光刻工艺
将SU-8光刻胶组分旋涂在基材上，施涂厚度几至几百微米。涂覆晶片随后在95摄氏度下干燥20分钟并随后冷却至室温。然后，将负光掩模与涂覆晶片接触并将所得组件用来自汞灯的紫外辐射在剂量250mJ/cm2，下进行成像方式曝光。然后，通过在95摄氏度下加热曝光晶片10分钟而进行热处理，或曝光后烘烤。浮雕图像随后通过将晶片在显影液中浸渍10分钟随后用水漂洗和在空气中干燥而显影。