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MEMS器件光刻--厚膠工藝

來(lái)源:托托科技(蘇州)有限公司   2024年11月15日 11:13  

MEMS器件光刻--厚膠工藝

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷推進(jìn),器件逐步朝著小型化,集成化發(fā)展。將大規(guī)模的電路、傳感器、執(zhí)行器等集成在一片或多片芯片上,使傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)微縮至微米甚至納米尺度,這種微系統(tǒng)被稱為MEMS,即微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System)。MEMS已經(jīng)在消費(fèi)電子產(chǎn)品、航空航天設(shè)備及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

 

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圖片來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)

 

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展依托于MEMS技術(shù),能夠?qū)⒋笮偷膶?shí)驗(yàn)室系統(tǒng)微縮于一個(gè)小型的基板上,從而實(shí)現(xiàn)更快速,更便捷的功能。其中,微流控技術(shù)是生物芯片的基石,能夠?qū)崿F(xiàn)在微米尺度上操控流體運(yùn)動(dòng)、溶液反應(yīng)等。這種小型化的發(fā)展,使得生物醫(yī)療行業(yè)中對(duì)樣品的采集需求量和試劑消耗量大幅減少,同時(shí),也能夠適應(yīng)更多復(fù)雜的環(huán)境。

 

一、       MEMS制造工藝

 

MEMS制造工藝主要來(lái)自于半導(dǎo)體和微電子工藝,以光刻、外延、刻蝕等為基礎(chǔ)制作出不同結(jié)構(gòu)功能的三維器件。

 

其中光刻工藝是加工制造微納圖形與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝之一,利用光與光敏性材料發(fā)生反應(yīng),實(shí)現(xiàn)抗蝕涂層的圖案化,再結(jié)合不同的刻蝕方式得到不同結(jié)構(gòu)的微電子器件。

 

光刻方式主要分為: 

厚膠工藝 

二、       光刻膠

 

光刻膠一般分為正膠和負(fù)膠,其中正膠受光分解,具有高分辨率,但粘附性和抗腐蝕性差。負(fù)膠受光交聯(lián),分辨率相對(duì)較差,但具有高粘附力且耐腐蝕,常用于MEMS器件的制備中。

 

MEMS結(jié)構(gòu)具有高深寬比的特點(diǎn),因此在光刻中通常使用負(fù)性厚膠進(jìn)行制備。目前常用的負(fù)性厚膠多為美國(guó)MicroChem的SU-8系列光刻膠,單次旋涂的膠厚甚至可以達(dá)到數(shù)百微米,曝光顯影后的圖形邊緣也近乎垂直,深寬比可達(dá)10:1

 

三、       厚膠工藝的一般光刻流程

1.       預(yù)處理:主要包括對(duì)光刻膠和襯底的處理。SU-8通常低溫儲(chǔ)存,在勻膠前需使其回溫至室溫。硅襯底通常進(jìn)行RCA清洗,石英、玻璃襯底使用SPM清洗,清洗后的襯底用氮?dú)獯蹈珊蠓胖糜跓岚迳希?00-160 ℃熱烘5-10 分鐘,以此增加襯底與光刻膠的粘附性(或使用HMDS對(duì)襯底進(jìn)行增附處理)。

 

2.       旋涂:旋涂分為兩個(gè)階段,低轉(zhuǎn)速階段使光刻膠均勻攤開(kāi),高轉(zhuǎn)速階段使膠層達(dá)到目標(biāo)厚度。對(duì)于厚膠工藝,旋涂后的襯底邊緣位置因表面張力而聚集多余光刻膠,影響旋涂的均勻性,可使用棉簽蘸取丙酮擦去邊緣厚膠。

 

3.       前烘:前烘的目的主要是為了使光刻膠中的溶劑揮發(fā),一般使用熱板進(jìn)行加熱,前烘不充分時(shí),會(huì)影響光刻膠側(cè)壁的垂直度,也可能會(huì)產(chǎn)生漂膠的現(xiàn)象。

 

4.       曝光:尋找合適的曝光劑量對(duì)樣品進(jìn)行曝光

 

5.       后烘:曝光結(jié)束后,對(duì)樣品再次進(jìn)行烘烤,使曝光區(qū)域進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),宏觀上可觀察到光刻圖案。另外,可以降低駐波效應(yīng)對(duì)膠層側(cè)壁的影響。

 

6.顯影:SU-8顯影采用PGMEA(丙二醇甲醚醋酸酯)和IPA(異丙醇)交替浸泡的方式。若制備的結(jié)構(gòu)具有較大的深寬比,可利用倒置超聲顯影的方式進(jìn)行。

 

7.       堅(jiān)膜:溫度通常在150-250 ℃,時(shí)間在5-30 分鐘范圍內(nèi)。堅(jiān)膜可以提高光刻膠與襯底之間的粘附性,提高穩(wěn)固性,使膠層有更高的抗刻蝕和抗離子注入的能力,同時(shí)可以消除光刻過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,消除膠表面的裂紋。

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托托科技一家快速成長(zhǎng)的技術(shù)驅(qū)動(dòng)型企業(yè),專注于光學(xué)顯微加工及光學(xué)顯微檢測(cè)的光學(xué)儀器設(shè)備制造。其無(wú)掩膜版紫外光刻機(jī)通過(guò)數(shù)字化方式,將圖案加載于DMD(數(shù)字微鏡器件)上,再投影至光刻膠上進(jìn)行微納器件的加工。通過(guò)這種方式可實(shí)現(xiàn)厚膠工藝中單層光刻以及雙層套刻的工藝,為微納器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更多的可能性。


參考文獻(xiàn):

[1]Altpeter D.Description of SU-8[J], 2005.

[2]張立國(guó),陳迪,楊帆等. SU-8膠光刻工藝研究[J],2002,10(3):266-270.

[3] Teh W H, Dürig U, Drechsler U, et al. Effect of low numerical-aperture femtosecond two-photon absorption on (SU-8) resist for ultrahigh-aspect-ratio microstereolithography[J]. Journal of applied physics, 2005, 97(5): 054907.

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