SU—8微小網(wǎng)孔陣列結(jié)構(gòu)的形貌優(yōu)化工藝研究*

李令英, 張 慧, 陳 超, 吳其鑫, 錢 波

(1.中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇 蘇州 215123；2.上海新型煙草制品研究院有限公司，上海 201315)

0 引 言

霧化是指通過加熱或振動(dòng)的方式將液體噴射到氣體中，并使液體分散成體積微小、數(shù)量眾多的液滴的過程[1～3]。當(dāng)前霧化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)及生活的諸多領(lǐng)域，如電子煙霧化、醫(yī)療霧化、噴墨打印、霧化噴涂、霧化加濕器等[4]。其中，電子煙霧化主要是靠加熱霧化，其缺點(diǎn)是煙油在加熱過程中，由于受高溫會(huì)分解釋放醛類等有害物質(zhì)，對(duì)身體造成大的健康隱患[5]。醫(yī)學(xué)上利用網(wǎng)孔式霧化技術(shù)的吸入治療，給藥便捷、患者不適感小，受到業(yè)界廣泛關(guān)注。該技術(shù)是讓液體通過小于10 μm的微孔板得到所需的噴霧[6]。其中，微孔板上的微孔直徑及分布決定了噴霧液滴的體積及霧化量。傳統(tǒng)的微孔板采用不銹鋼或者聚酰亞胺膜激光打孔，缺點(diǎn)是當(dāng)微孔孔徑達(dá)到3 μm及以下時(shí)，難以高效率、低成本的生產(chǎn)大面積均勻分布的網(wǎng)式微孔。

SU—8光刻膠為負(fù)性光刻膠，對(duì)近紫外波段(350～400 nm)曝光最為敏感[7]。普通紫外光源一次能曝光的SU—8膜厚從數(shù)微米到數(shù)百微米，形成質(zhì)量較高的高深寬比MEMS微結(jié)構(gòu)[8～10]，已廣泛應(yīng)用于微流體通道結(jié)構(gòu)、微齒輪、微懸臂梁、光波導(dǎo)、MEMS神經(jīng)元微探針等器件中[11]。SU—8作為微結(jié)構(gòu)使用時(shí)，具備良好的機(jī)械性能，優(yōu)異的生物兼容性、抗化學(xué)腐蝕性，因此可應(yīng)用于制作霧化器的網(wǎng)孔片。

本文根據(jù)網(wǎng)式霧化器對(duì)微孔結(jié)構(gòu)的要求及SU—8膠在不同厚度可實(shí)現(xiàn)的孔徑，選用SU—8光刻膠MEMS微機(jī)械加工的方式制備霧化振動(dòng)的網(wǎng)孔板。研究了SU—8制備直徑約3 μm,深度5 μm的小孔作霧化出口，研究其形貌，尤其是小孔傾角與曝光條件之間的關(guān)系；在最優(yōu)形貌結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步光刻孔徑24 μm,深度15 μm的霧化液體進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)基于SU—8的雙層通孔結(jié)構(gòu)的陣列式霧化微孔。

1 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)采用Nikon I7 55i7B Stepper光刻機(jī)研究光刻工藝，紫外光源波長為365 nm，能量密度為450 mJ/cm2/s, 根據(jù)光刻機(jī)要求，本實(shí)驗(yàn)選用2英寸(inch)硅基襯底，并在其上研究雙層SU—8膠結(jié)構(gòu)的陣列式微孔的加工工藝。主要工藝步驟(圖1)包括：

1)清洗硅基襯底。由于微納加工工藝對(duì)襯底的清潔度要求高，本實(shí)驗(yàn)首先將2 inch襯底置于H2SO4∶H2O2=4∶1的溶液中常溫浸泡15 min，之后用去離子水沖洗、吹干襯底，最后在120 ℃熱板上烘干襯底表面的水分。

2)在清洗后的硅襯底上，以lift-off剝離工藝得到Ti/Cu犧牲層的標(biāo)記，作為后續(xù)光刻的基準(zhǔn)對(duì)位標(biāo)記，其中用FHR磁控濺射的Ti/Cu犧牲層厚度為20/100 nm。

3) 在Ti/Cu犧牲層上，旋涂5 μm厚SU—8 2005(MicroChem Corporation,USA)光刻膠，依次經(jīng)過前烘(熱板95 ℃,2 min)、曝光(見表1)、后烘(熱板95 ℃,3 min)、顯影(先在PGMEA中顯影30 s后換IPA中漂洗10 s，該過程重復(fù)1遍)、堅(jiān)膜(150 ℃,5 min)，形成霧化液體出口的陣列微孔結(jié)構(gòu)。表1中，曝光時(shí)間=曝光劑量/能量密度。

表1 SU—8 2005曝光實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4)在SU—8 2005微孔結(jié)構(gòu)層上，旋涂20 μm厚的SU—8 3025(MicroChem Corporation,USA)光刻膠，依次經(jīng)過前烘(熱板95 ℃，11 min)、曝光(時(shí)間450 ms，散焦量0)、后烘(熱板65 ℃，1 min后，升溫至95 ℃，4 min)、顯影(PGMEA中顯影2 min后換IPA中漂洗15 s，該過程重復(fù)2遍)、固化(熱板150 ℃，20 min)，形成直徑約24 μm的陣列孔結(jié)構(gòu)，作為霧化過程中液體的進(jìn)口。

5)最后，將光刻完成后的樣品浸泡到H2SO4∶H2O2∶H2O=1∶1∶8溶液中，常溫浸泡10 h， 釋放Ti/Cu犧牲層，得到帶微孔陣列結(jié)構(gòu)的霧化網(wǎng)孔薄膜。

由圖1(3)～(5)可以看出，小孔出射口朝向襯底方向，為了有利于液體噴射，小孔成型傾角需要接近或大于90°。

6)為單個(gè)網(wǎng)孔片俯視示意圖，網(wǎng)孔片的直徑為16 mm，其中網(wǎng)孔部分(圖中白色虛線包絡(luò)處)的分布區(qū)域直徑為3.125 mm。圖中黑色虛線處為本文中邊界傾角研究的樣品切割位置。

圖1 雙層SU—8膠陣列微孔薄膜加工工藝(1)～(5)；(6)為單個(gè)SU—8網(wǎng)孔片俯視示意

2 結(jié)果與討論

本文首先采用系統(tǒng)默認(rèn)的聚焦位置，即散焦量為-0.6 μm時(shí)，針對(duì)5 μm厚度SU—8光刻膠，設(shè)計(jì)孔徑為4 μm的圖形，研究曝光時(shí)間和實(shí)際開口孔徑的關(guān)系。這里的散焦量代表光刻機(jī)的聚焦平面與襯底表面的相對(duì)位置，當(dāng)光刻機(jī)的聚焦平面位于襯底上表面的下方，此時(shí)設(shè)備定義的散焦量為負(fù)值；當(dāng)光刻機(jī)的聚焦平面位于襯底上表面的上方，此時(shí)設(shè)備定義的散焦量為正值[12]。

圖2為曝光時(shí)間和實(shí)測(cè)微孔孔徑的關(guān)系曲線?？梢钥闯鰧?shí)際得到的小孔直徑小于設(shè)計(jì)值4 μm。隨著曝光時(shí)間從355 ms增加到365 ms，采用光學(xué)顯微鏡(基恩士VHX—600)測(cè)量得到孔徑從2.9 μm增大到3.3 μm；當(dāng)曝光時(shí)間達(dá)到375 ms時(shí)，測(cè)得孔徑為3.21 μm，但由于曝光劑量過大，造成交聯(lián)后的SU-8膜內(nèi)應(yīng)力較大，顯影時(shí)邊沿漂膠，圖形受損；當(dāng)曝光時(shí)間增加到400 ms時(shí)，由于曝光劑量過大，顯影后孔并未打開。由此可見，對(duì)于小孔成型，曝光時(shí)間不宜過長，時(shí)間控制在365 ms以下較為合適。

圖2 散焦-0.6 μm時(shí)不同曝光時(shí)間下的微孔孔徑

圖3是在散焦-0.6 μm處，曝光時(shí)間360 ms時(shí)SU—8微孔表面形貌和剖面電鏡圖。由圖3(a)可以看出小孔成型邊界光滑，圓形度較好，表面成型直徑為2.95 μm；圖3(b)所示SU—8光刻膠厚度為4.964 μm，但是小孔成型呈倒梯形結(jié)構(gòu)，小孔頂部直徑小于設(shè)計(jì)孔徑4 μm，底部孔徑4.35 μm大于設(shè)計(jì)孔徑，成型側(cè)壁傾角為78.9°?？梢钥闯?，在此條件下產(chǎn)生的傾角較大，不利于液體出射。

圖3 散焦-0.6 μm,曝光時(shí)間360 ms時(shí)5 μm厚的SU—8微孔表面及剖面形貌

由于紫外光經(jīng)過聚焦后射入光刻膠內(nèi)(非平行光入射)，同時(shí)，根據(jù)透光公式為

I=I0exp(-αx)

(1)

式中I0為表面處光強(qiáng)，I為距離表面x處光強(qiáng)，α為介質(zhì)的透光系數(shù)?？梢钥闯觯诠饪棠z介質(zhì)內(nèi)的光強(qiáng)分布呈指數(shù)形式衰減，由于SU—8為負(fù)性光刻膠，曝光部分會(huì)實(shí)現(xiàn)交聯(lián)，越靠近圖形底部曝光量越小，聚焦平面和光刻膠層的相對(duì)位置，可能是導(dǎo)致傾角的重要原因。因此，在聚焦光路固定的情況下，本文考慮采用調(diào)節(jié)散焦量即焦平面和襯底的相對(duì)位置的方法，調(diào)節(jié)光刻膠內(nèi)的光場分布，研究散焦量與曝光圖形側(cè)壁傾角的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)接近90°的側(cè)壁傾角。

為了便于研究(更易于電鏡制樣等)，選取網(wǎng)孔片圖形邊界研究散焦量和曝光圖形側(cè)壁傾角的關(guān)系，如圖1(6)黑色虛線處所示。實(shí)驗(yàn)選取光刻膠目標(biāo)厚度為5 μm，設(shè)計(jì)孔徑4 μm，散焦量從-0.6 μm變化到0.2 μm，變化間隔為0.2 μm，曝光時(shí)間采用圖2中較好的360 ms。圖4為電鏡測(cè)量的圖形邊界傾角隨散焦量的變化曲線，可以看出，隨著散焦量從-0.6 μm變化到0的過程中，圖形傾角從82.3°變化到90°，而當(dāng)散焦量從0變化到0.2 μm時(shí)，圖形傾角又變小為88.4°。因此，可以得出散焦量為0時(shí)是圖形傾角最優(yōu)的條件。需要指出的是，SU—8為負(fù)性光刻膠，本實(shí)驗(yàn)中的非曝光區(qū)為小孔及圖形邊界外部區(qū)域。圖形邊界外部非曝光區(qū)的線寬為300 μm，遠(yuǎn)大于小孔的設(shè)計(jì)直徑4 μm(可與曝光波長365 nm相比擬)，由于小孔掩模的圓屏衍射效應(yīng)，光場分布在圖形邊界和小孔內(nèi)存在差異[13]，因此圖4圖形邊界傾角值和圖3小孔內(nèi)的傾角值(散焦量為-0.6 μm時(shí))是不同的，但是傾角隨著散焦量的變化趨勢(shì)，可以作為小孔成型散焦量控制的重要依據(jù)。

圖4 曝光360 ms時(shí),不同散焦量下的邊界傾角角度，散焦量為0時(shí)的邊界傾角

根據(jù)圖4的結(jié)果，選取傾角最優(yōu)的散焦量為0 μm的條件，以及優(yōu)化的曝光時(shí)間360 ms，制備了微孔結(jié)構(gòu)。根據(jù)小孔的電鏡圖5(a)可以看出，小孔成型圖像清晰，表面直徑為3.163 μm；根據(jù)圖5(b)，小孔的剖面電鏡圖可以看出，小孔的倒梯形問題相比于圖3(b)得到了很大的改善，側(cè)壁傾角通過散焦量的優(yōu)化可以達(dá)到89°，孔底部曝光尺寸接近版圖設(shè)計(jì)值4 μm。需要指出的是，小孔的上方存在導(dǎo)致孔徑變小的突出部分，這與同樣條件情況下的邊界成型不同(圖4散焦量為0的情況)，這可能是由于小孔設(shè)計(jì)尺寸很小時(shí)，光場在小孔區(qū)域存在衍射的情況(圖5(b)小孔剖面右上角的突出缺陷為電鏡制樣造成的)。由于網(wǎng)式霧化的原理[13]是通過振動(dòng)子的上下振動(dòng)，通過噴嘴型的網(wǎng)式噴霧頭的微孔將液體擠出，利用微小的超聲波振動(dòng)和網(wǎng)式噴霧頭構(gòu)造來噴霧，因此，本研究所制備網(wǎng)孔的光滑的突出部分可能有利于網(wǎng)孔振動(dòng)時(shí)擠壓液體，起到促進(jìn)霧化微滴產(chǎn)生的作用；同時(shí)，這也為人為控制圓屏衍射光強(qiáng)分布，調(diào)節(jié)曝光突出部分，突破小孔圖形尺度極限，制備尺寸更小的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，提供了可能。這需要在后續(xù)工作中通過改變?cè)O(shè)計(jì)尺寸、調(diào)節(jié)曝光時(shí)間等，做進(jìn)一步的研究。

圖5 曝光360 ms，散焦量0時(shí)5 μm厚的SU—8微孔表面及剖面形貌

根據(jù)小液滴霧化對(duì)液體出口的形貌要求，在圖5的微孔膜層上面，選擇SU—8 3 025光刻膠進(jìn)一步制備設(shè)計(jì)孔徑24 μm的液體進(jìn)口。圖6(a)為少數(shù)陣列分布的雙層霧化微孔，微孔表面形貌一致性好，且均勻分布，霧化微孔分布周期84.51 μm，即300 dpi； 圖6(b)為單個(gè)霧化微孔的剖面圖，其中作為霧化液體進(jìn)口的上層大孔直徑23.8 μm，固化后SU—8膜的總厚度為19.88 μm。由于上方進(jìn)液口設(shè)計(jì)孔徑較大[14]，SU—8較容易實(shí)現(xiàn)陡直的側(cè)壁結(jié)構(gòu)，有利于減小霧化供液的流阻。

圖6 雙層SU—8的霧化網(wǎng)孔陣列分布及單個(gè)霧化孔的剖面結(jié)構(gòu)

3 結(jié) 論

本文提出了基于SU—8光刻膠的霧化網(wǎng)孔片的制備方法，系統(tǒng)研究了曝光劑量與散焦量對(duì)SU—8微孔形貌的影響。通過散焦量的調(diào)節(jié)，本文將小孔傾角從78.9°優(yōu)化到了89°，為霧化出液提供了最優(yōu)的角度。雖然在設(shè)計(jì)孔徑很小時(shí)，存在圓屏衍射現(xiàn)象導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)有突出部分，但如果善加利用，可以得到小于設(shè)計(jì)孔徑的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)3 μm以下網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)新的思路。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了霧化網(wǎng)孔的完整制備工藝。此工藝加工成本低，重復(fù)周期短，所制備的陣列微孔一致性好且分布均勻，有利于霧化液滴體積的一致性，為小液滴霧化結(jié)構(gòu)的制備提供了新的方法。