感光干膜微結(jié)構(gòu)模具制備關(guān)鍵技術(shù)

劉旭玲, 劉 威, 左文思, 葉國(guó)勇, 金少搏, 李松晶

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 河南 鄭州 450002; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),微流控技術(shù)、新材料技術(shù)等高新技術(shù)蓬勃發(fā)展。微流控技術(shù)中微流控芯片運(yùn)用了大量的流體傳動(dòng)控制技術(shù),例如使用微流控芯片制備的膜閥等。微流控芯片上集成了各式各樣的流道與膜閥結(jié)構(gòu), 這些流道與膜閥結(jié)構(gòu)承擔(dān)了大量的能量傳動(dòng)與控制,且其尺寸在幾微米到幾百微米之間,因此優(yōu)秀的流道與膜閥結(jié)構(gòu)對(duì)于微流控芯片非常重要。微流控芯片三大技術(shù)核心分別是微結(jié)構(gòu)模具的設(shè)計(jì)和制造、微流控芯片的驅(qū)動(dòng)與其控制、微流控芯片封裝及其整體系統(tǒng)的集成[1]。微流控芯片模具的制備是最重要的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)之一。流道尺寸達(dá)到微米級(jí)環(huán)境下,流道壁面的粗糙度[2]、流體的穩(wěn)定性[3]、流體的特性[4]、流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等都是重大影響因子[5]。制備微結(jié)構(gòu)模具的其中一種方法是機(jī)械加工,但機(jī)械加工的微結(jié)構(gòu)在精度方面無(wú)法滿足要求,并且機(jī)械加工使用的儀器造價(jià)普遍非常高[6]。金屬精密刻蝕解決了精度問(wèn)題,但是其使用高腐蝕性的化學(xué)試劑產(chǎn)生了無(wú)法避免的側(cè)蝕問(wèn)題,側(cè)蝕問(wèn)題的產(chǎn)生使其在3 μm以下時(shí)誤差較大[7]。為解決側(cè)蝕問(wèn)題,杜立群等[8]采用電化學(xué)刻蝕和電鑄的方法解決了側(cè)蝕問(wèn)題,但是這種方式的流程復(fù)雜工藝?yán)щy,量產(chǎn)不易實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在主流使用的是液體光刻膠刻蝕,常用SU-8液體光刻膠制備模具,這種方法精度較高,流程也較為簡(jiǎn)單[9]。但是其工作環(huán)境要求在超凈環(huán)境下,同時(shí)勻膠的復(fù)雜性、曝光光源問(wèn)題、成本問(wèn)題等都是其亟需解決的方面。為此,張敏等[10]提出使用感光干膜刻蝕(Dry Film Photoresist,DFP)方法制備微結(jié)構(gòu)模具。該方法對(duì)模具制備環(huán)境要求較低,精度高且工藝流程簡(jiǎn)單,但是針對(duì)DFP方法中的關(guān)鍵技術(shù)還有空白部分,比如曝光光源UV燈的選擇及光源的光譜特性分析等。因此,本研究針對(duì)感光干膜光刻膠刻蝕微結(jié)構(gòu)模具制備方法的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,首先,介紹目前微結(jié)構(gòu)模具制備方法,并對(duì)各種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。其次,針對(duì)感光干膜主要工藝流程壓膜、曝光和顯影等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究,給出光源光譜特性、光源功率、曝光距離、曝光時(shí)間、微結(jié)構(gòu)厚度、顯影液濃度和顯影時(shí)間之間的關(guān)系,并給出原因分析。最后,在自然室內(nèi)光源、自然室外光源條件下,給出曝光時(shí)間與干膜變性的極限試驗(yàn)結(jié)果,為干膜存儲(chǔ)、裁剪、晾放時(shí)間給出具體建議和技術(shù)指導(dǎo)。

1 微結(jié)構(gòu)模具制備方法比較

目前,微結(jié)構(gòu)模具的制備方法主要有以下5種:

1) 機(jī)械加工

超精密加工(精雕機(jī))一方面可以加工出微小而精密的微結(jié)構(gòu),另一方面在此基礎(chǔ)上又能保證結(jié)構(gòu)表面光滑。但其缺點(diǎn)在于加工的尺寸有限,最小的加工尺寸為500 μm,而且設(shè)備價(jià)格昂貴,加工時(shí)間長(zhǎng),不適用于在加工設(shè)計(jì)階段需要反復(fù)修改設(shè)計(jì)圖案的微流控模具。且使用這種方法加工微結(jié)構(gòu)蛇型部位(轉(zhuǎn)角處)模具時(shí)的曲面不夠流暢。

2) 金屬精密蝕刻

金屬精密刻蝕工藝流程主要包括清潔處理、防蝕處理、刻蝕加工和清除防蝕層,蝕刻加工工藝是整個(gè)金屬刻蝕過(guò)程的關(guān)鍵,襯底金屬的不同決定著金屬刻蝕劑的不同,采用金屬蝕刻技術(shù)加工微結(jié)構(gòu)模具可以避免光刻模具容易脫膠的問(wèn)題[11]。而且由于基底是金屬制備的不易損壞,因此增加了耐用度。能夠支撐多次脫模,反復(fù)利用,有效的降低了微流控芯的制備成本。但是也存在著制備的微結(jié)構(gòu)橫截面呈T形和頂部寬度與設(shè)計(jì)尺寸過(guò)大的缺點(diǎn)。

3) 液體光刻膠刻蝕

利用膠膜在曝光前后性質(zhì)變化,溶解于不同性質(zhì)的化學(xué)溶液,將光刻膠作為襯底硅片的涂層,紫外線燈透過(guò)掩膜版對(duì)涂層進(jìn)行曝光,曝光后根據(jù)光刻膠不同的性質(zhì)放置在對(duì)應(yīng)的顯影液中得到模具。掩膜質(zhì)量決定微結(jié)構(gòu)模具精度,從而影響整個(gè)模具的精確度,對(duì)流體流動(dòng)性能的研究造成誤差,且微流道表面容易遺留殘液,腐蝕芯片[12]。液體光刻膠常用的兩種掩膜分別是玻璃掩膜板和膠片掩膜板。玻璃掩膜版工藝復(fù)雜、精度較高、價(jià)格高;膠片掩膜板工藝簡(jiǎn)單、精度較低和價(jià)格低。

4) 感光干膜光刻膠刻蝕

感光干膜光刻膠是將配制好的液態(tài)光刻膠利用精密的涂布機(jī)均勻涂布在載體聚酯薄膜(PET膜)上,經(jīng)烘干、冷卻后,覆上聚乙烯薄膜(PE膜),再收卷而成的卷狀薄膜型光刻膠。展開的DFP是三明治結(jié)構(gòu),上下各有一層透明的保護(hù)層,分別為質(zhì)地較軟的PE膜和質(zhì)地稍硬的PET膜。使用時(shí)直接將PET軟膜解開緊緊貼敷在襯底上即可,使用簡(jiǎn)單且厚度有多種選擇。需要更厚的模具時(shí)只需多次疊加即可。通過(guò)紫外線曝光、顯影即可得到模具。顯影液采用的是低濃度的弱堿性溶液。

5) 電化學(xué)刻蝕與微電鑄工藝

對(duì)襯底進(jìn)行清洗,提高襯底對(duì)于膠膜的高黏度。采用稀硝酸對(duì)金屬表面進(jìn)行清洗,去除氧化層。采用電化學(xué)刻蝕的方法在膠膜上刻蝕出流道形狀,但由于各向同性物質(zhì)存在所以會(huì)產(chǎn)生側(cè)蝕現(xiàn)象[13]。長(zhǎng)時(shí)間的電化學(xué)刻蝕會(huì)影響精度。采用電鑄的方法在刻蝕完成的流道下進(jìn)行。電鑄完成將膠膜去除即可得到一個(gè)微結(jié)構(gòu)模具[14]。這種方式制備的微結(jié)構(gòu)模具在抗剪切方向表現(xiàn)良好,經(jīng)久耐用。但是在制備流程方面比較繁瑣,運(yùn)用到的器材和試劑太多,而且試劑具有一定的危險(xiǎn)性。

表1 不同微結(jié)構(gòu)模具制備方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

2 DFP與液體光刻膠模具制備工藝比較

液體光刻膠模具制備流程如圖1所示,首先將襯底清潔干凈(在無(wú)塵環(huán)境),然后將襯底放在勻膠機(jī)上,根據(jù)轉(zhuǎn)速與涂層厚度關(guān)系旋涂光刻膠,完畢后在90～95 ℃ 條件下烘烤固化之后冷卻,將掩膜板對(duì)準(zhǔn)放齊進(jìn)行紫外線曝光。曝光之后去除掩膜版再在相同溫度下進(jìn)行一次烘烤,冷卻之后選擇適當(dāng)?shù)娘@影液進(jìn)行顯影,最后在100～120℃下烘干固化。檢查流道質(zhì)量得到一個(gè)完整模具。

圖1 液體光刻膠模具制備工藝

圖2為DFP制備微結(jié)構(gòu)模具的流程,首先清洗襯底,干燥后將感光干膜通過(guò)壓膜機(jī)貼附在襯底上,冷卻后覆蓋掩膜版進(jìn)行曝光,曝光結(jié)束冷卻放置在顯影液中顯影,顯影結(jié)束清洗烘干得到模具。

圖2 DFP模具工藝流程

利用DFP制備模具,比利用傳統(tǒng)液體光刻膠軟刻蝕制備模具有以下優(yōu)勢(shì):

(1) 不需要超潔室,普通試驗(yàn)室條件即可完成;

(2) 曝光設(shè)備簡(jiǎn)單,普通UV燈即可,無(wú)需價(jià)格貴的曝光設(shè)備;

(3) 感光干膜光刻膠比液體SU-8系列膠便宜很多;

(4) 省時(shí),利用液體光刻膠制備一張模具需要花費(fèi)4 h左右,而利用DFP只需1.5 h即可完成;

(5) 利用DFP制備的模具平整度高,厚度均勻;

(6) 成功率高,除潔凈條件外,試驗(yàn)室溫度、濕度和操作方式對(duì)軟刻蝕工藝都有一定程度的影響,而DFP方式制備模具無(wú)需考慮這些因素。

3 DFP制備關(guān)鍵技術(shù)

利用DFP制備模具的工藝流程主要包括壓膜、曝光和顯影。DFP作為新型微結(jié)構(gòu)制備材料有許多優(yōu)點(diǎn):厚度均勻,與襯底黏附性能良好;可以多層疊加,制備較厚的微結(jié)構(gòu)模具;不需要?jiǎng)蚰z步驟。本研究將采用DFP方法制備橫截面為矩形的微結(jié)構(gòu)模具,工藝流程簡(jiǎn)單,成本低。

3.1 壓膜

首先將壓膜機(jī)在110 ℃熱封模式下預(yù)熱,用去離子水或純凈水將10 cm×10 cm的高精度鏡面不銹鋼板表面清洗干凈,并用高純氮?dú)獯蹈苫蛘邿o(wú)塵布擦拭干凈。將感光干膜剪裁成與鏡面不銹鋼板相同的尺寸。用鑷子將其一側(cè)的聚乙烯薄膜去掉,去除保護(hù)膜一端,沿襯底的邊緣貼附1 cm左右,不要全部貼滿,在預(yù)熱后的壓膜機(jī)中隨著滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)將感光干膜貼附在襯底上面,反復(fù)壓制3～5遍。冷卻結(jié)束后進(jìn)行氣泡檢查。

用肉眼進(jìn)行觀察,如果有明顯的氣泡存在或氣泡存在于流道區(qū)域,如圖3a所示,則需要將感光干膜去除重新壓膜,并重復(fù)上面的步驟。在肉眼觀察不到氣泡時(shí)需要在顯微鏡下觀察是否有細(xì)小氣泡的存在,當(dāng)氣泡存在于流道域時(shí),如圖3c所示這種情況是不能使用的,需要重新貼膜。直到表面光滑無(wú)氣泡視為壓膜成功,如圖3b所示。若氣泡不在流道區(qū)域則不影響試驗(yàn),如圖3d所示。

圖3 氣泡和覆膜成功圖

3.2 曝光

由于本試驗(yàn)使用的是負(fù)性光刻膠其曝光部分不溶解與顯影劑,未被光照的區(qū)域會(huì)被溶解,顯影時(shí)形成的圖形與膜膜版相反[15]。

圖4為在距UV燈15 cm處曝光60, 75, 300 s的時(shí)間下對(duì)后續(xù)模具的影響。如圖4c所示,曝光時(shí)間不足會(huì)導(dǎo)致模具在清洗時(shí)被顯影液破壞,導(dǎo)致整個(gè)模具損壞。如圖4a所示,當(dāng)曝光時(shí)間過(guò)久會(huì)導(dǎo)致感光干膜在微觀表現(xiàn)為干膜收縮邊緣鋸齒狀增加,在宏觀表現(xiàn)為干膜變脆。如圖4b所示,正確的曝光時(shí)間顯影制備的流道模具表現(xiàn)最好。

圖4 不同曝光程度對(duì)模具的影響

1) 光源光譜特性研究

本試驗(yàn)采用的是飛利浦紫外線燈UVA和UVC系列和醫(yī)獻(xiàn)UVA系列。了解光源的光譜特性的理解對(duì)于下一步的試驗(yàn)有重要意義。圖5是3種型號(hào)光源的光譜分析圖。

圖5 光譜分析圖和曝光效果圖

圖6a是飛利浦UVA系列的光譜分析圖,從圖中可以看出,此系列的光譜主要是在340～400 nm之間,整體觀察來(lái)看,這個(gè)系列UV燈的波段相對(duì)較為集中,在其他波段領(lǐng)域顯示的幾乎沒(méi)有,體現(xiàn)出比較良好的性能。

圖6 不同功率曝光情況

圖6b是醫(yī)獻(xiàn)UVA系列的光譜分析圖,從圖中可以看出,此系列的光譜主要是在300～462 nm區(qū)間,同時(shí)在550, 565 nm的區(qū)段也有少量分布,表現(xiàn)的波段分布比較發(fā)散。醫(yī)獻(xiàn)品牌UV燈波段的分布與飛利浦的相比集中度不夠,但是范圍要比飛利浦的更大。

圖6c是飛利浦UVC系列的光譜分析圖,從圖中可以看出,此系列的光譜主要是在250 nm,同時(shí)在300, 350, 420 nm等波段也有少量分布。通過(guò)光譜分析可知,UVC系列的波段分布主要是在250 nm,在其他波段零星分布。

如圖5d分別使用醫(yī)獻(xiàn)、飛利浦UVA和UVC 15 W的光源進(jìn)行照射75 s, 從圖中可看出, 同為UVA的曝光程度幾乎一致,但是使用UVC的光源感光干膜幾乎沒(méi)有變化。說(shuō)明UVC光源不適合作為曝光光源使用。同時(shí)通過(guò)查閱資料可知,本試驗(yàn)所使用的干膜長(zhǎng)興E9420的曝光波段是在360～420 nm之間,圖5d試驗(yàn)與理論一致,表明UVC不適合作為曝光光源。另一方面考慮性價(jià)比,飛利浦UVA最適合作為曝光任務(wù)的光源。

2) 不同功率光源曝光

使用飛利浦UVA 8,15,18 W三種功率的紫外線燈在距離相同的情況下曝光75 s,曝光情況如圖6所示。

在相同的曝光距離、曝光時(shí)間和掩膜圖案情況下,最終的曝光效果是幾乎一樣。由此得出,在波長(zhǎng)一定的情況下曝光效果并不會(huì)隨著功率的上升而縮短時(shí)間和改變曝光效果。因此選擇燈源時(shí)重點(diǎn)要考慮波長(zhǎng)是否符合曝光所需波長(zhǎng),功率不作為選擇燈源的重要依據(jù)。

3) 曝光距離

在襯底和紫外燈之間曝光距離在15 cm處最佳曝光時(shí)間是75 s。圖7是將襯底與UV燈放置在距離5, 10, 15 cm處進(jìn)行曝光。

圖7 不同距離的曝光效果

保證燈源和曝光時(shí)間相同情況下觀察不同距離下曝光的情況。燈源均使用飛利浦UVA 15 W,曝光時(shí)間統(tǒng)一為75 s,在5 cm處曝光后,干膜表現(xiàn)的藍(lán)色最深表示曝光程度較深,在15 cm處干膜曝光后,干膜的綠色還有存在表示干膜未完全曝光。在10 cm處的干膜曝光情況是三者中最好的。在距離改變后使用最佳曝光時(shí)間曝光效果最好的是10 cm,說(shuō)明最佳曝光時(shí)間不是固定的,要根據(jù)曝光距離的改變而改變。

3.3 顯影

曝光結(jié)束之后將鏡面鋼板取出,在紫外線的影響下,感光干膜的表面溫度會(huì)上升,因此在取出后要將鏡面鋼板冷卻5～10 min。因?yàn)樨?fù)性感光干膜未曝光區(qū)域會(huì)顯示出弱酸性,在曝光區(qū)域不會(huì)呈現(xiàn)出弱酸性,因此顯影液使用無(wú)水碳酸鈉進(jìn)行調(diào)制顯影液[16]。調(diào)制濃度為0.6%,0.85%,1.1%的碳酸鈉溶液,保證水的質(zhì)量和溫度一致,顯影3 min。如圖8分別為濃度逐漸增加的顯影效果圖?？芍?.85%的效果最好,襯底的鏡面鋼板完全顯露,0.6%濃度襯底鏡面鋼板未完全顯露且圖案不如0.85%的清晰,1.1%的濃度在顯影3min的情況下光刻模具圖案的邊緣變得發(fā)皺,流道遭到破壞。

圖8 不同濃度顯影液顯影效果

4 極限條件干膜性狀

4.1 室外自然光源曝光

圖9a為感光干膜在自然光線下的表現(xiàn),從圖中可以看出,15 min時(shí)干膜變化非常明顯,在30 min之后干膜轉(zhuǎn)為深藍(lán)色,隨時(shí)間增長(zhǎng)干膜顏色越來(lái)越深。

圖9 自然光曝光和曝光后對(duì)光刻影響

圖9b是被自然光源干膜曝光后對(duì)于后續(xù)模具制備的影響。使用飛利浦UVA 8 W的紫外線燈光對(duì)其進(jìn)行75 s曝光,距離為15 cm?？梢钥闯?經(jīng)歷15 min的室外曝光的感光干膜再次進(jìn)行光刻時(shí),襯底的圖案較清楚但是顯影后無(wú)法清洗,經(jīng)歷30 min自然光照射的感光干膜幾乎無(wú)法光刻。在30 min以上自然光曝光之后完全無(wú)法光刻。

4.2 室內(nèi)自然光源曝光

針對(duì)室內(nèi)自然光線對(duì)于感光干膜的影響,在室內(nèi)分為了30, 60, 120, 240 min 4組對(duì)象,如圖10所示。在室內(nèi)光源30 min時(shí)干膜仍然沒(méi)有大的變化,在60 min 時(shí)干膜已經(jīng)發(fā)生明顯變化,120 min與60 min的變化不明顯,240 min后干膜已經(jīng)達(dá)到室外光線30 min 的狀態(tài),表明干膜已經(jīng)完全曝光。在使用曝光30 min的基底時(shí),從圖11可以看出,對(duì)于后續(xù)的模具制備工作影響不大,但在使用曝光60 min的基底時(shí)就會(huì)變得有影響,如圖11所示,光刻的圖案不再特別清晰,在顯影時(shí)被室內(nèi)光線充分曝光的部分無(wú)法沖洗干凈。

圖10 室內(nèi)自然光線曝光

圖11 室內(nèi)光線曝光30 min和60 min曝光顯影效果圖

5 結(jié)論

本研究針對(duì)基于負(fù)性感光干膜,采用DFP刻蝕方法制備微結(jié)構(gòu)模具的若干個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究與分析。對(duì)于壓膜工藝過(guò)程中產(chǎn)生氣泡的情況,給出可能出現(xiàn)的原因及解決措施, 提高對(duì)壓膜結(jié)果的辨別。對(duì)正確曝光的判斷提供了試驗(yàn)依據(jù)。試驗(yàn)證實(shí)感光干膜在350 nm波長(zhǎng)的UV燈下曝光效果最好,針對(duì)不同波長(zhǎng),不同品牌光源進(jìn)行分析,為之后選擇光源提供了試驗(yàn)支撐。針對(duì)不同距離、顯影濃度、曝光時(shí)間、曝光功率的試驗(yàn),得出合適的曝光距離在10 cm,最好的顯影濃度為0.85%,最佳的曝光時(shí)間75 s 以及光譜一定功率并不改變曝光效果等結(jié)果,為日后的試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支持。通過(guò)對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)的研究,豐富了DFP制備模具方法的理論知識(shí),同時(shí)針對(duì)室外和室內(nèi)的光源曝光影響也對(duì)儲(chǔ)藏干膜方法做出了試驗(yàn)證明。