基于斜光刻技術(shù)的SU—8膠三維微陣列結(jié)構(gòu)制備

李剛 李大維 趙清華 菅傲群 王開鷹 胡杰 桑勝波 程再軍 孫偉

摘 要 利用斜光刻技術(shù)替代傳統(tǒng)的直光刻技術(shù)在相同底面積的基礎(chǔ)上增大微陣列比表面積制備了高比表面積三維微陣列結(jié)構(gòu)，。首先，利用MATLAB仿真對微陣列排布方式進行分析，確定最佳單個柱體寬度及陣列間距。實驗中，采用兩次甩膠法將SU-8光刻膠均勻旋涂在2寸硅基底上，甩膠轉(zhuǎn)速設(shè)為1500 r/min，旋涂時間設(shè)為35 s；分別置于65℃烘臺上保持20 min和95℃烘臺上保持70 min進行兩次前烘處理；隨后進行雙向斜曝光，微柱寬度為20 μm，陣列間距為30 μm，光刻角度為20°。最后，再通過高低溫后烘處理并顯影30 min成功制備出了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的“X”型三維微陣列結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞 三維微陣列； 斜光刻技術(shù)； SU-8光刻膠； 比表面積

1 引 言

SU-8光刻膠是一種環(huán)氧型、近紫外線負膠，具有良好的機械、光學(xué)、物理和抗腐蝕性質(zhì)。由于SU-8膠在近紫外光范圍內(nèi)光吸收度低，具有很高的透光性能，整個光刻膠層可獲得的曝光量一致，通過對SU-8膠進行光刻可制得具有垂直側(cè)壁和高深寬比的厚膜圖形，這種工藝可部分取代LIGA技術(shù)，避免LIGA工藝中昂貴的同步輻射光源和特制的掩模板的限制[ 1～5]。因此，SU-8膠被廣泛應(yīng)用于制備具有高深寬比的微結(jié)構(gòu)。Wang提出通過對SU-8膠進行光刻制備三維微電極結(jié)構(gòu)，提高微型超級電容器中電極的比表面積[6]；Duy借助SU-8高深寬比特性制備的三維微柱為平臺，設(shè)計出了高性能的氣體傳感器[7]；Al-Shehri等利用SU-8膠高深寬比的特性，研究制備了微流體流動特性的模板[8]。然而，制備SU-8膠高深寬比微結(jié)構(gòu)， 大多研究是通過對溫度、時間等工藝參數(shù)的優(yōu)化， 在直光刻技術(shù)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的[9]。隨著微結(jié)構(gòu)深寬比的增加，膠層厚度也必然相應(yīng)增大，會給器件微型化、工藝條件帶來巨大的挑戰(zhàn)[10，11]。因此，在不增加膠層厚度的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)在相同底面積上更高的比表面積更具現(xiàn)實意義。

本研究提出利用斜光刻技術(shù)對SU-8膠雙向斜光刻形成堆疊的“X”型三維微陣列結(jié)構(gòu)，在直光刻基礎(chǔ)上進一步增大了材料的比表面積。為了制備比表面積大且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的“X”型微陣列結(jié)構(gòu)，本研究在斜光刻的基礎(chǔ)上，通過理論模型分析研究微陣列最佳排布方式，并通過實驗探索最佳工藝參數(shù)，解決硅片和膠層熱收縮率不同而可能導(dǎo)致的圖形坍塌、扭曲變形問題，以及“X”型結(jié)構(gòu)孔洞中可能出現(xiàn)的堵塞、粘連情況。

2 斜光刻理論分析及實驗制備

2.1 斜光刻表面積影響因素分析

理論上，利用斜光刻技術(shù)替代傳統(tǒng)的直光刻技術(shù)，可以在相同底面積、相同厚度基礎(chǔ)上進一步增大微陣列比表面積。微陣列的表面積是由曝光角度θ和微結(jié)構(gòu)的陣列密度共同決定。在膠層厚度一定的條件下，傾斜角度越大，陣列的表面積越大。當(dāng)曝光角度固定時，三維微結(jié)構(gòu)比表面積將由微結(jié)構(gòu)的陣列密度即微陣列的排布方式?jīng)Q定。

如圖1所示，決定陣列密度的兩個參數(shù)分別是單個微柱寬度d及陣列間距（即掩膜寬度W）。因此，在曝光角度固定的條件下，研究這兩個參數(shù)對微陣列表面積的影響對于微陣列設(shè)計至關(guān)重要。本研究將傾斜角度θ設(shè)定為20°，單個陣列的長度a設(shè)定為常數(shù)50 μm。

將圖1虛線框所標(biāo)注內(nèi)的部分作為1個陣列單元，其表面積由8個側(cè)面、1個底面和1個頂面組成，考慮到“X”型結(jié)構(gòu)的堆疊效應(yīng)，去除頂面和底面間的交叉面積，底面和頂面的面積之和是一定值，因此，在分析計算陣列單元表面積的影響因素時，頂面和底面面積無需考慮?！癤”型結(jié)構(gòu)中1個陣列單元的表面積可表示為：

根據(jù)公式（2），在忽略邊緣微陣列不完整的情況下，可通過MATLAB仿真分析得出：在面積固定的硅襯底上，所制備的微陣列結(jié)構(gòu)總表面積S分別與掩膜寬度W、單個微柱寬度d之間的關(guān)系，仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2的整體趨勢可以看出：選定傾斜角度為20°時，整個三維曲面的最高點既為微陣列總表面積的最大值，此時對應(yīng)的單個微柱寬度d約為15 μm，掩膜寬度W約為20 μm，微陣列表面積S的最大值約為3.3×107 μm2。微陣列表面積S隨單一參量的變化關(guān)系也可通過分析圖2得出：當(dāng)掩膜寬度W為定值時，隨著單個微柱寬度d的增大，微陣列的總表面積S不斷縮小；而當(dāng)單個微柱寬度d為定值時，微陣列的總表面積S隨掩膜寬度W的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

2.2 實驗制備流程

為了制備比表面積大且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的“X”型三維微陣列結(jié)構(gòu)，在掩膜板設(shè)計時，參考上述MATLAB仿真結(jié)果，同時考慮到紫外曝光的分辨率，我們將單個微柱寬度d設(shè)定為20 μm，陣列間距也設(shè)定為30 μm。如圖3所示，“X”型三維微陣列結(jié)構(gòu)的初步制備工藝主要有5個步驟：

（1）選取2寸硅片作為基底，硅片依次在二甲苯、丙酮、酒精、H2SO4/H2O2、氨水/H2O2、HCl/H2O2 中清洗， 以去除油污、氧化膜和金屬離子等有機或無機污染物。將清洗后的硅片置于烘臺上加熱至45℃。（2）采用兩次甩膠法均勻旋涂較厚的SU-8-2100光刻膠層。第一次甩膠的轉(zhuǎn)速設(shè)為1500 r/min，旋涂時間設(shè)為35 s； 第一次甩膠完成后， 先對光刻膠進行15 min的烘干固定，接著進行第二次甩膠，轉(zhuǎn)速和時間不變。通過兩次涂膠，SU-8膠厚度可達到500 μm。（3）兩次甩膠完成后，將涂有SU-8膠的硅片放置在65℃烘臺上保持20 min，再調(diào)節(jié)烘臺至95℃保持70 min。（4）將涂好光刻膠的硅片固定在載物臺上，對SU-8光刻膠進行雙向斜曝光，如圖3所示。光刻角度θ為20°，曝光時間為120 s。曝光后將樣品置于烘臺上進行后烘處理：首先將溫度調(diào)節(jié)至65℃，時間為30 min，隨后，調(diào)節(jié)至 95℃并保持90 min。（5）將樣品浸泡在SU-8顯影液中，常溫超聲顯影30 min。

3 結(jié)果與討論

3.1 陣列結(jié)構(gòu)坍塌影響分析

通過上述實驗方案，如圖4所示，成功地制備出微陣列結(jié)構(gòu)，獲得了希望得到的多層“X”型結(jié)構(gòu)。然而，從微陣列的SEM圖還可以看到部分“X”型結(jié)構(gòu)發(fā)生了坍塌。

導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌的可能原因是： 在實驗的后烘階段，硅片和SU-8膠的溫度從常溫迅速升至95℃，由于硅片與SU-8光刻膠的熱膨脹系數(shù)不同，微陣列及孔洞產(chǎn)生的應(yīng)力將得不到有效釋放，這些未能釋放的殘余應(yīng)力會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲甚至坍塌。因此，在降低升溫過程中， 由于材料熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的殘余應(yīng)力將是解決微陣列坍塌的潛在手段。

為了降低材料膨脹系數(shù)不同的影響，采取兩種方法：首先，曝光前將涂好光刻膠的硅片先置于45℃的烘臺上預(yù)熱，使SU-8膠在一定溫度下曝光產(chǎn)生孔洞，其目的是減少硅片和SU-8膠在后烘階段由于溫度變化過大產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)坍塌。同時，還可避免殘余應(yīng)力過大使微陣列在加熱和自然冷卻的過程中從硅片上脫落下來。其次，采用縮短微陣列結(jié)構(gòu)的整體長度的方法，將較長陣列“截斷”成幾個較短陣列，進一步降低在單位陣列上的殘余應(yīng)力。根據(jù)硅片和SU-8膠熱膨脹差Δ的表達式：

Symbolm@@ 6， TMAX是加熱的最大溫度為95℃， T0是室溫為25℃。當(dāng)設(shè)計的微陣列長度為40 mm時，溫度變化的范圍最高可達70℃。由此，可以計算出膠層結(jié)構(gòu)的熱膨脹變化是138 μm，相對于微結(jié)構(gòu)陣列來說，熱膨脹差較大。因此，整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭曲變形的情況，如圖4所示。理論上，如果將結(jié)構(gòu)截斷成兩個相同部分，熱膨脹差將縮短至1/2， 也就說每個陣列所受到的由于膨脹差帶來的殘余應(yīng)力將減少為原來的1/2。如圖5所示，將陣列長度由40 mm 截斷成兩個20 mm陣列， 微陣列圖形較為整齊且坍塌、扭曲現(xiàn)象基本得到了解決。因此，通過對涂好光刻膠的硅片進行預(yù)熱和縮短陣列長度，可有效地解決由于材料熱膨脹系數(shù)不同帶來的坍塌和變形問題。

3.2 陣列孔洞堵塞影響分析

如前所述，按照上述工藝改進方案可以有效解決三維微陣列的坍塌和變形問題，但是，如果將微陣列放大至更高倍數(shù)，如圖6所示，可以觀察到“X”型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的孔洞較小，孔洞間還存在堵塞、粘連的問題。

可能的原因是：曝光時間過長導(dǎo)致曝光過程中SU-8膠的交聯(lián)度過大； 同時，后烘溫度過高會引起光刻膠中的光活性物質(zhì)橫向擴散，圖案定型速度加快，圖形質(zhì)量下降，導(dǎo)致大多數(shù)孔洞產(chǎn)生堵塞，難以形成較大的通孔。

通過上述分析可以看出，減少曝光時間和降低后烘溫度可能是解決微陣列孔洞堵塞和粘連問題的有效方法。在先前實驗的基礎(chǔ)上，將曝光時間縮短到80 s，后烘溫度降低到80℃但時間延長到2 h，如圖7a所示，“X”型三維微陣列結(jié)構(gòu)整齊、基本保持垂直狀態(tài)，未發(fā)生坍塌和扭曲現(xiàn)象。

同時，從圖7b中可以觀察到， 工藝優(yōu)化后微陣列中孔洞大小基本保持一致且形狀、形態(tài)良好；孔洞直徑明顯增加，單個孔洞的平均水平長度可達到15.9 μm，平均垂直長度可達到68.3 μm，孔洞堵塞和粘連現(xiàn)象得到有效改善。

4 結(jié) 論

本實驗提出利用斜光刻技術(shù)制備“X”形三維微陣列結(jié)構(gòu)，在直光刻基礎(chǔ)上進一步增大了材料的比表面積。首先，通過MATLAB仿真理論分析得出了微陣列表面積單個柱體寬度及陣列間距的關(guān)系。在微陣列制備過程中，分析得出硅片和膠層熱膨脹系數(shù)的不同是導(dǎo)致微陣列坍塌和扭曲的可能原因，還得出了曝光時間過長和后烘溫度過高是帶來微陣列中孔洞堵塞和粘連現(xiàn)象的可能原因，并提出了相應(yīng)的解決方案，成功制備出了比表面積大且結(jié)構(gòu)整齊穩(wěn)定的“X”型三維微陣列，單個孔洞的平均水平長度可達到15.9 μm，平均垂直長度可達到68.3 μm。

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