基于超聲輔助的UV-LIGA光柵制備技術(shù)研究

成杰，李寒松，朱荻

(南京航空航天大學(xué) 江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點試驗室，江蘇 南京 210016)

基于超聲輔助的UV-LIGA光柵制備技術(shù)研究

成杰，李寒松，朱荻

(南京航空航天大學(xué) 江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點試驗室，江蘇 南京 210016)

光柵在通信、光存儲及光譜分析領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。對超聲輔助UV-LIGA技術(shù)制備光柵的可行性進(jìn)行了試驗研究。試驗中兩次利用超聲的特殊效應(yīng)，實現(xiàn)不同的輔助功能。1) 采用超聲輔助顯影，通過改善光刻膠模溝槽內(nèi)的物質(zhì)傳輸，提高光刻膠模結(jié)構(gòu)的顯影效率和顯影質(zhì)量。2) 在后烘之后、顯影之前對光刻膠結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲處理，通過在空氣中對光刻膠模結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲處理，有效降低SU-8膠模在電鑄過程中的溶脹。選取優(yōu)化的工藝參數(shù)，采用側(cè)向沖液電鑄方式，獲得了鎳基光柵。

光柵；超聲；輔助

0 引言

光柵是由平行排列的許多柵線條組成的，通常作為核心器件廣泛應(yīng)用在許多光學(xué)系統(tǒng)中, 起著色散、分束、偏振和位相匹配等作用[1]。目前光柵的制作方法主要有機(jī)械刻劃、全息光刻、納米壓印、電子束光刻、X射線光刻、UV-LIGA技術(shù)等[2]。機(jī)械刻劃能夠改變刻刀的形狀、方向，從而能制作出其他工藝方法難以達(dá)到的柵條外形，適用于加工大線寬尺寸光柵；納米壓印可以批量、無損地復(fù)制目標(biāo)圖形；全息光刻、電子束光刻、X射線光刻能精確復(fù)制圖形、具備高分辨率光刻能力，適用于加工亞微米線寬尺寸光柵[3]。利用UV-LIGA技術(shù)制備光柵，技術(shù)已經(jīng)較為成熟。該項技術(shù)以SU-8膠為光敏材料，采用低廉的遠(yuǎn)紫外光為光源，主要包括光刻、微細(xì)電鑄和塑鑄3個工藝環(huán)節(jié)[4-8]。因其具有低成本、高深寬比加工能力等特殊優(yōu)勢，UV-LIGA技術(shù)近年逐漸成為微結(jié)構(gòu)加工的首選加工手段[9]，適用于加工各種線寬尺寸的光柵。但是實際應(yīng)用中，當(dāng)光柵具有一定厚度時，光刻膠模顯影困難，同時由于SU-8膠在電鑄時存在明顯溶脹，制備所得光柵結(jié)構(gòu)柵條線寬與電鑄之前膠模溝槽線寬存在尺寸偏差，對UV-LIGA技術(shù)制備光柵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不利影響。

在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)光柵線寬尺寸特征選用合適的光柵制作方法。針對如圖1所示光柵結(jié)構(gòu)：光柵柵條長25mm，寬64μm，厚度為60μm，柵條線長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線寬和光柵厚度，應(yīng)首選UV-LIGA技術(shù)。針對UV-LIGA工藝難題，試驗采用超聲輔助的UV-LIGA技術(shù)，探討超聲引入對改善SU-8膠模溶脹性及顯影質(zhì)量的影響。超聲輔助的UV-LIGA技術(shù)制備光柵，國內(nèi)尚未見報道，因而對其進(jìn)行制備研究具有重要的意義。

圖1 光柵示意圖(單位：mm)

1 試驗材料、設(shè)備及試驗過程

1.1 試驗材料及設(shè)備

試驗中使用的光刻膠是美國Micro Chem公司生產(chǎn)的SU-8 2050光刻膠，實驗用基底為不銹鋼圓形基片(直徑50mm，厚度8mm)。試驗所需設(shè)備如表1所示。

表1 試驗設(shè)備

其中，超聲試驗選用定制的超聲振動裝置，如圖2所示。超聲振動裝置主要由超聲波振動源、換能器、變幅桿、工具頭以及工作臺組成。

(a)超聲試驗裝置

(b)超聲裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖2 超聲振動裝置

1.2 試驗過程

試驗過程如圖3所示，具體方法及參數(shù)如下。

圖3 超聲輔助的UV-LIGA技術(shù)制備光柵工藝過程示意圖

1) 基底預(yù)處理(圖3a)：對切割好的不銹鋼基片進(jìn)行表面車削、磨削、拋光處理。拋光好的基片，按標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝清洗程序清洗、烘干。

2) 倒膠、前烘(圖3b)：制作60μm厚的光柵結(jié)構(gòu)，需要旋涂65μm厚的光刻膠，具體過程是，從轉(zhuǎn)速100r/min勻加速到1 100r/min，維持10s；然后勻加速到1800r/min，維持30s。前烘采用背板加熱分步烘烤工藝：65℃烘烤10min，95℃烘烤150min。

3) 曝光和后烘(圖3c)：采用BG-401型曝光機(jī)，光源強度為15mW/cm2，曝光時間14s。SU-8膠在后烘過程會產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力[10]，為減少內(nèi)應(yīng)力，采用階梯式升溫、降溫的方式。先由室溫緩慢升溫至65℃，保持5min后升溫至95℃，保持30min，自然冷卻至室溫。

4) 超聲處理和顯影(圖3d)：在顯影之前進(jìn)行超聲處理：超聲功率50W，空氣中超聲處理10min，超聲頻率為20kHz。顯影過程使用超聲輔助，時間為10min，然后用異丙醇清洗，直至無白色沉淀產(chǎn)生，最后用去離子水將膠模表面殘留雜質(zhì)清洗干凈。

5) 微細(xì)電鑄(圖3e)：采用0.6A/dm2的電流密度，陰陽極間距離為6mm，電鑄溫度43℃，電鑄時間5.5h，采用側(cè)向沖液電鑄方式。

6) 去膠(圖3f)：將電鑄后微結(jié)構(gòu)置于加熱的去膠液中浸泡數(shù)小時，之后輔之以低頻超聲振動的方式進(jìn)行去膠。

2 超聲輔助對光柵結(jié)構(gòu)的影響分析

試驗中兩次利用超聲的特殊效應(yīng)，實現(xiàn)不同的輔助功能。1) 采用超聲輔助顯影，利用超聲波對顯影液產(chǎn)生的特殊的機(jī)械攪拌、微射流和空化等綜合作用，試驗研究超聲對光刻膠模溝槽內(nèi)物質(zhì)傳輸?shù)挠绊憽?) 在后烘之后、顯影之前對光刻膠結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲處理[11]，試驗分析超聲處理對降低膠模溶脹性的有效程度。

SU-8膠光刻膠模的品質(zhì)除了與前烘條件、曝光劑量和后烘條件等光刻工藝參數(shù)有關(guān)外，還與膠模顯影的方式相關(guān)。采用常規(guī)人工手動顯影方式顯影速度慢、短時間內(nèi)膠模底部不能顯影完全、容易出現(xiàn)側(cè)壁錐度及表面缺陷，顯影時間過長還容易導(dǎo)致膠模從基底脫落。這是因為顯影時微細(xì)溝槽結(jié)構(gòu)中物質(zhì)傳質(zhì)效果受限，光柵微結(jié)構(gòu)溝槽底部的顯影液不能得到快速更新，導(dǎo)致膠模微結(jié)構(gòu)上下表面顯影程度不一致，比如上表面顯影過度而下表面顯影不足的現(xiàn)象，有時膠模表面也會因為顯影液過度腐蝕，造成表面缺陷。本試驗中采用的顯影裝置振動頻率為33kHz，超聲功率0-100W連續(xù)可調(diào)。試驗研究超聲輔助顯影對光刻膠模顯影質(zhì)量的影響。

圖4所示為未施加超聲和施加不同功率超聲顯影后的光柵膠模結(jié)構(gòu)形貌圖，試驗顯影時間為10min。

圖4 不同功率下的膠模結(jié)構(gòu)形貌圖

未施加超聲振動顯影(圖4a)，光刻膠顯影較慢，溝槽不能完全顯出。超聲功率小于15W時(圖4b)，光柵膠模溝槽底部無法顯影徹底。這是因為超聲功率較小時，超聲效應(yīng)不明顯，對顯影液產(chǎn)生的攪拌和空化作用弱，物質(zhì)傳輸受阻。超聲功率為25W時(圖4c)，溝槽結(jié)構(gòu)雖然能夠基本顯透，但部分溝槽底部仍殘留少量光刻膠。超聲功率為35W時(圖4d)，光柵膠模顯影透徹，溝槽側(cè)壁輪廓清晰，膠模表面無明顯缺陷。當(dāng)超聲功率再繼續(xù)增大時，如45W和55W(圖4e、圖4f)，光柵側(cè)壁尺寸會變差，且膠模局部被破壞，甚至變形脫落，這是因為超聲功率過大，導(dǎo)致光柵側(cè)壁或者邊緣腐蝕脫落。

試驗證明：采用顯影液浸泡，并輔助超聲振動的顯影措施，利用超聲波對顯影液產(chǎn)生的特殊的機(jī)械攪拌、微射流和空化等綜合作用，增強新鮮顯影液和反應(yīng)產(chǎn)物的物質(zhì)傳輸效果，大大改善光柵膠模的顯影質(zhì)量，縮短了顯影時間。

在前烘之后、顯影之前引入超聲處理，在空氣中對光刻膠模進(jìn)行超聲振動，試驗采用超聲功率為50W，超聲處理時間10min，超聲頻率為20kHz，研究超聲處理對降低膠模溶脹性的有效程度。試驗分未施加超聲組和施加超聲組，分別對兩組試樣電鑄前膠模溝槽線寬和電鑄后光柵結(jié)構(gòu)鑄層線寬進(jìn)行測量。測量中，選取不同位置的8處測量點，去除最大值和最小值后，將剩余六個測量點求平均值作為測量值。

圖5所示為電鑄后所得光柵結(jié)構(gòu)。

圖5 去膠后所得光柵結(jié)構(gòu)

微細(xì)電鑄過程中光柵結(jié)構(gòu)鑄層線寬是由電鑄前膠模溝槽線寬來保證的，通過比較電鑄結(jié)構(gòu)相對膠模結(jié)構(gòu)的線寬變化量，探討超聲處理對膠模溶脹性的影響。

表2是電鑄后光柵結(jié)構(gòu)鑄層線寬與電鑄前膠模溝槽線寬的測量結(jié)果統(tǒng)計，其中D代表電鑄前SU-8膠模溝槽的線寬，T代表電鑄后光柵結(jié)構(gòu)鑄層的線寬。

表2 電鑄結(jié)構(gòu)相對膠模結(jié)構(gòu)的線寬差值

續(xù)表2

763.162.263.662.9863.262.263.362.8平均值63.462.063.663.2差值1.40.4

由表2中數(shù)據(jù)可知，膠模溶脹性的存在，使得電鑄后所得微結(jié)構(gòu)鑄層線寬較膠模溝槽線寬發(fā)生尺寸偏差。未施加超聲組光柵試樣，電鑄后所得光柵結(jié)構(gòu)相對電鑄前膠模結(jié)構(gòu)的線寬差值為1.4μm；施加超聲組光柵試樣，該值為0.4μm。這主要由兩方面的原因：1) 熱膨脹效應(yīng)：微細(xì)電鑄時電鑄液溫度43℃，高的電鑄液溫度導(dǎo)致光刻膠模發(fā)生熱膨脹變形；2) 溶脹效應(yīng)：電鑄過程中，光刻膠模在電鑄液中浸泡會發(fā)生溶脹，導(dǎo)致膠模線寬的變化，稱為溶脹效應(yīng)[12]。

對比表2中電鑄后所得微結(jié)構(gòu)鑄層線寬較膠模溝槽線寬尺寸變化值，未施加超聲組為1.4μm，施加超聲組為0.4μm，試驗證明了超聲處理有效降低了膠模溶脹性，減小了膠模溶脹給微結(jié)構(gòu)制備造成的不良影響。

通過上述超聲輔助對光柵結(jié)構(gòu)的影響分析，可以證實超聲輔助的UV-LIGA技術(shù)制備光柵具有顯著優(yōu)勢。直接采用上述技術(shù)進(jìn)行光柵制備：首先采用旋涂方式得到65μm厚的SU-8光刻膠，進(jìn)行曝光后對光刻膠進(jìn)行10min超聲振動處理，再經(jīng)超聲輔助顯影10min后得到光刻膠模，通過微細(xì)電鑄填充鎳金屬，去膠后得到面積高達(dá)30mm×30mm、線長25mm、線寬64μm、結(jié)構(gòu)完整、鑄層表面質(zhì)量好的鎳基光柵。如圖6所示。

圖6 電鑄所得光柵結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

試驗針對超聲輔助的UV-LIGA工藝制備宏微尺度共存的光柵結(jié)構(gòu)開展試驗研究。在現(xiàn)有UV-LIGA工藝基礎(chǔ)上，兩次采用超聲輔助工藝：1) 在后烘之后、顯影之前引入超聲振動，降低了光刻膠的溶脹性，減小了電鑄后所得光柵結(jié)構(gòu)相對電鑄前膠模結(jié)構(gòu)的線寬差值；2) 采用超聲輔助顯影，提高了光刻膠模顯影速度和顯影質(zhì)量。試驗采用優(yōu)化后的超聲輔助UV-LIGA技術(shù)，最終成功制備出整體尺寸為30mm×30mm，線長25mm，線寬64μm，厚65μm的鎳基光柵。超聲輔助的UV-LIGA技術(shù)是一種高效、經(jīng)濟(jì)的制備光柵結(jié)構(gòu)的有效手段。

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Research on Preparation of Gratings Based on Ultrasonic-assisted UV-LIGA

CHENG Jie, LI Han-song ,ZHU Di

(CMEE,Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing, 210016, China)

The grating is widely used in the fields of communication, optical storage and spectroscopy. In this paper, the experiment of grating preparation by ultrasonic-assisted UV-LIGA is conducted. Different auxiliary functions are realized by using special ultrasonic effects twice. Firstly, the ultrasonic-assisted process is used to improve the substances transmission in the photoresist mold groove, the developing efficiency and quality. Secondly, the ultrasonic-assisted developing is introduced between the processes of post-baking and developing, and the structure of photoresist mold is subjected to the ultrasonic treatment in the air, then the swelling of plastic mold of SU-8 is reduced evidently in the electroforming process. The process parameters are optimized and the lateral red liquid electroforming way is adopted. Finally, a thickness of 65μm nickel based grating is successfully prepared.

ultrasound-assisted;UV-LIGA;grating preparation

成杰(1986-)，女，河北定州人，碩士研究生，研究方向為微細(xì)、精密特種加工。

TH741.6

A

1671-5276(2014)02-0163-04

2013-01-24