MEMS器件光刻--厚膠工藝

隨著科學技術的不斷推進，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，即微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System）。MEMS已經在消費電子產品、航空航天設備及生物醫(yī)學等領域中得到了廣泛的應用。

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生物醫(yī)學領域的發(fā)展依托于MEMS技術，能夠將大型的實驗室系統(tǒng)微縮于一個小型的基板上，從而實現(xiàn)更快速，更便捷的功能。其中，微流控技術是生物芯片的基石，能夠實現(xiàn)在微米尺度上操控流體運動、溶液反應等。這種小型化的發(fā)展，使得生物醫(yī)療行業(yè)中對樣品的采集需求量和試劑消耗量大幅減少，同時，也能夠適應更多復雜的環(huán)境。

一、       MEMS制造工藝

MEMS制造工藝主要來自于半導體和微電子工藝，以光刻、外延、刻蝕等為基礎制作出不同結構功能的三維器件。

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

光刻方式主要分為：

二、       光刻膠

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

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

三、       厚膠工藝的一般光刻流程

1.       預處理：主要包括對光刻膠和襯底的處理。SU-8通常低溫儲存，在勻膠前需使其回溫至室溫。硅襯底通常進行RCA清洗，石英、玻璃襯底使用SPM清洗，清洗后的襯底用氮氣吹干后放置于熱板上，100-160 ℃熱烘5-10 分鐘，以此增加襯底與光刻膠的粘附性（或使用HMDS對襯底進行增附處理）。

2.       旋涂：旋涂分為兩個階段，低轉速階段使光刻膠均勻攤開，高轉速階段使膠層達到目標厚度。對于厚膠工藝，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)，一般使用熱板進行加熱，前烘不充分時，會影響光刻膠側壁的垂直度，也可能會產生漂膠的現(xiàn)象。

4.       曝光：尋找合適的曝光劑量對樣品進行曝光。

5.       后烘：曝光結束后，對樣品再次進行烘烤，使曝光區(qū)域進一步發(fā)生交聯(lián)反應，宏觀上可觀察到光刻圖案。另外，可以降低駐波效應對膠層側壁的影響。

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。若制備的結構具有較大的深寬比，可利用倒置超聲顯影的方式進行。

7.       堅膜：溫度通常在150-250 ℃，時間在5-30 分鐘范圍內。堅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，同時可以消除光刻過程中產生的內應力，消除膠表面的裂紋。

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