MEMS器件光刻--厚膠工藝

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷推進(jìn)，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(jī)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(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System）。MEMS已經(jīng)在消費(fèi)電子產(chǎn)品、航空航天設(shè)備及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

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生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展依托于MEMS技術(shù)，能夠?qū)⒋笮偷膶?shí)驗(yàn)室系統(tǒng)微縮于一個(gè)小型的基板上，從而實(shí)現(xiàn)更快速，更便捷的功能。其中，微流控技術(shù)是生物芯片的基石，能夠?qū)崿F(xiàn)在微米尺度上操控流體運(yùn)動、溶液反應(yīng)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(shí)，也能夠適應(yīng)更多復(fù)雜的環(huán)境。

一、       MEMS制造工藝

MEMS制造工藝主要來自于半導(dǎo)體和微電子工藝，以光刻、外延、刻蝕等為基礎(chǔ)制作出不同結(jié)構(gòu)功能的三維器件。

其中光刻工藝是加工制造微納圖形與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝之一，利用光與光敏性材料發(fā)生反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)抗蝕涂層的圖案化，再結(jié)合不同的刻蝕方式得到不同結(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)具有高深寬比的特點(diǎn)，因此在光刻中通常使用負(fù)性厚膠進(jìn)行制備。目前常用的負(fù)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(dá)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(dá)10:1。

三、       厚膠工藝的一般光刻流程

1.       預(yù)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(jìn)行RCA清洗，石英、玻璃襯底使用SPM清洗，清洗后的襯底用氮?dú)獯蹈珊蠓胖糜跓岚迳希?00-160 ℃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(jìn)行增附處理）。

2.       旋涂：旋涂分為兩個(gè)階段，低轉(zhuǎn)速階段使光刻膠均勻攤開，高轉(zhuǎn)速階段使膠層達(dá)到目標(biāo)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(jìn)行加熱，前烘不充分時(shí)，會影響光刻膠側(cè)壁的垂直度，也可能會產(chǎn)生漂膠的現(xiàn)象。

4.       曝光：尋找合適的曝光劑量對樣品進(jìn)行曝光。

5.       后烘：曝光結(jié)束后，對樣品再次進(jìn)行烘烤，使曝光區(qū)域進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，宏觀上可觀察到光刻圖案。另外，可以降低駐波效應(yīng)對膠層側(cè)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(jié)構(gòu)具有較大的深寬比，可利用倒置超聲顯影的方式進(jìn)行。

7.       堅(jiān)膜：溫度通常在150-250 ℃，時(shí)間在5-30 分鐘范圍內(nèi)。堅(jiān)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(shí)可以消除光刻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，消除膠表面的裂紋。

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參考文獻(xiàn)：

[1]Altpeter D.Description of SU-8[J], 2005.

[2]張立國，陳迪，楊帆等. SU-8膠光刻工藝研究[J]，2002，10(3)：266-270.

[3] Teh W H, Dürig U, Drechsler U, et al. Effect of low numerical-aperture femtosecond two-photon absorption on (SU-8) resist for ultrahigh-aspect-ratio microstereolithography[J]. Journal of applied physics, 2005, 97(5): 054907.