江南大学
感光高分子论文
—SU-8光刻工艺及其研究
题目：SU-8光刻工艺及其研究 班级： 姓名： 学号：
SU-8光刻工艺及其研究
摘要：SU-8 胶是一种基于环氧 SU- 8 树脂的环氧型的、近紫外光、负光刻胶，SU-8光刻工艺同时也是基于UV-LIGA技术基础上，专门用于在非常厚的底层上需要高深宽比的结构。本文主要介绍了SU-8光刻工艺流程，同使也介绍了近几年对SU-8光刻工艺得一些优化研究进展。
关键词：SU-8胶;光刻工艺;研究进展
Abstract: SU-8 photoresist is an epoxy, near-UV and negative photoresist which is based on epoxy resin SU-8, and its lithography process is also based on UV-LIGA technology, it is specifically for the requirements of a high aspect ratio of thickness of the underlying structure. This paper mainly introduces the SU-8 photolithography processand some research development for the process in recent years.
Key Words:SU-8 photoresist; lithography process; research development
1引言
MEMS（微机电系统）器件已广泛得到应用，但其发展离不开加工技术，同时也正是由于微机电系统的蓬勃发展，各种加工工艺相继得到研究。[1]实际应用中，许多MEMS器件都需要高深宽比的结构，同时还要求侧壁陡直。能够实现这样的技术包括：（1）同步辐射深X射线LIGA技术。其获得的微器件具有较大的高深宽比和精细的结构，但需要昂贵的同步辐射X光光源和X光掩模板，且加工周期长，得不到广泛的应用；（2））干法刻蚀技术（ICR-RIE）。该技术是深层（RIE）技术和（ICP）技术结合，但只能在硅材料上进行，也限制了其应用；（3）近几年推出准LIGA技术，基于UV-LIGA的SU-8胶技术得到了发展。这种技术克服了上述的缺点，同时满足了MEMS器件对于高深宽比结构的需求，因此在MEMS的领域得到了广泛的应用。[2-4]
2SU-8胶简介：
SU-8光刻胶是20世纪90年代中期由美国IBM公司的研究人员研制出的一种基于环氧SU- 8树脂(来源于橡胶工业)的近紫外、负性光刻胶，由于平均一个分子中含有8个环氧基, 所以名称中包含“8”。它具有良好的光学特性、生物耐受性、热稳定性、化学稳定性及机械特性。这一特性决定了SU-8光刻胶的曝光深度较其它光刻胶有很大的提高，可以达到1000μm以上，从而使通过曝光工艺获得边缘陡直、高深宽比的厚胶图案成为可能。
正是由于SU-8光刻胶的诸多优良特性使得其在MEMS技术领域得到了广泛的应用，
如使用SU-8光刻工艺制作微型传感器、微电机、微型泵、集成光学和微光学元件、微型马达、微型涡轮机、微型医疗器件和装置、流体技术微元件、纳米技术元件及系统等等。[1, 4, 5]
2.1SU-8胶光刻的机理如下：
SU-8是由一种具有多官能团的、高度分支的聚合物环氧树脂和少量光引发剂溶于有机溶剂构成。环氧树脂由双酚A酚醛甘油醚组成。SU-8光刻胶含有一种只占环氧树脂质量少量百分比的光引发剂(PGA)，由三苯基硫盐组成。
（1）SU-8光成像机理：SU-8光刻胶一旦吸收了光，在固体光刻胶中就会发生光化学反应，生成强酸，因此只有直接受光照的光刻胶区域才会生成这种酸。强酸的作用是在后烘过程中作为酸催化剂促进交联反应的发生。[6]
（2）SU-8的交联机理：SU-8发生交联有两个条件：一是仅含催化剂的区域；二是仅后烘的过程中。适当的后烘温度是必需条件，因为光刻胶膜的玻璃化转变温度(Tg)约为550C，室温下光刻胶呈固态，分子运动被冻结，交联反应进行得非常缓慢，故后烘温度必须高于玻璃化转变温度Tg。在酸催化的作用下，交联反应以链式增长，每一个环氧基都能与同一分子或不同分子中的其它环氧基发生反应。但如果没有酸催化剂存在，后烘过程中也不会发生交联反应。经过扩展交联就形成了致密的交联网络，这种网络不溶于显影液。
（3）SU-8的显影机理：曝光后交联的光刻胶不溶于有机显影液，而未经曝光的、未发生交联的光刻胶溶于显影液，因此显影后形成了掩模板的反图形。
3 SU-8 光刻工艺[5, 7-9]
SU-8 光刻工艺大体上分为 9 步，分为：基片预处理、涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、坚膜、图形转移、去胶等。
3.1 基片预处理
预处理作用是除去基片表面的污尘及一些杂质，保证基片表面的纯净。同时干燥基片 保证基片表面的绝对干燥，使光刻胶可以很好的附着在上面。甚至，有时还会根据需要，在基片表面涂上增塑剂，增强基片与光刻胶的浸润性，增加粘附力，防止脱落。
3.2 涂胶
在基片表面涂胶通常采用甩胶的方法，即在基底中央部分滴上光刻胶，通过旋转的方法，离心力的作用，使光刻胶较均匀的涂在基片上。甩胶的过程中，要严格控制转速、时间等因素，在其它参数不变的情况下，转速与时间参数决定了光刻胶的膜厚与胶膜均匀性。
3.3 前烘
主要是为了蒸发掉光刻胶中的有机溶剂，增大引发剂在光刻胶中的含量，使基片表面固化，其工艺参数的选取对光刻胶中溶剂的挥发以及光刻胶的粘附性、曝光性、显影特性等有较大的影响。其中，前烘时间与前烘温度是需要控制的因素。
前烘是光刻工艺中关键的一步。
3.4 曝光
光刻工艺中的最关键一步，它直接影响SU-8光刻工艺最后的分辨率及高深宽比。SU-8 光刻工艺中，直接受光照的光刻胶区域会发生光化学反应，发生交联反应形成网状结构，而未曝光的部分不交联。
最重要的是控制合适的曝光剂量，剂量的大小决定光刻胶曝光的充分与否，将直接影响最终的光刻胶的质量。足够大的曝光剂量对光刻有优良的作用，但过度的曝光会损失掉掩模图形中的高频细节分量，降低质量。
3.5 后烘
后烘的目的是为使交联充分，以使显影后能得到高质量的微结构图形。后烘温度应控制在 70～95℃之间，随着温度的升高，图形开裂程度渐渐减弱，80℃以上就可以达到比较好的效果。后烘时间则应根据光刻胶的厚度和曝光时间来控制，光刻胶越厚及曝光时间越短时，后烘的时间应长，这样可使交联比较充分，开裂也会越少。但超过一定的时间限度，作用也会变得不明显。
3.6 显影
显影的目的是为了将未曝光的部分除掉。一般使用溶剂溶解，因曝光而交联的部分不溶于显影液，而未曝光的部分则溶于显影液，而除去。这样，经过显影之后掩模板的图形就可以准确地转移到光刻胶膜之上。
3.7 坚膜
通过烘烤使胶膜更加牢固的粘在基板之上，而且可以增加光刻胶的抗蚀能力。坚膜是否需要可以视具体情况而定。如果胶膜与基板已经很好的粘接，则可以省去坚膜步骤。因为坚膜会增加后续的处理。
3.8 图形转移
图形转移的目的是使光刻胶图形结构转移至被加工材料之上。在 UV-LIGA 工艺中，图形转移将以电铸的形式完成，以光刻胶图形结构为芯膜实施电铸工艺，最终将生成光刻胶图形结构的反图形的金属结构。
3.9 去胶
经图形转移后，SU-8胶的作用已失去，需要将其从基板上除去。UV-LIGA光刻工艺中，SU-8 光刻胶的精确去除是整个工艺中的关键一步，SU-8 光刻胶有着非常好的化学稳定性，一般有机溶剂对其不起作用，非常难以去除，这是 SU-8 光刻胶的最大的缺点，也是目前世界范围内亟待解决的难题。
目前光刻工艺中常用的去胶方法主要是在温度为 600℃的高温条件下使 SU-8 光刻胶灰化，但这种方法会在一定程度上对微细结构产生一定破坏作用。但目前尚无在低温下除去SU-8的方法。
利用SU-8的光刻工艺可以实现金属和塑胶的复制。由于这种UV-LIGA技术工艺简单可行，并可以实现大规模的复制生产，因而对于MEMS制作工艺来讲这种方法极具有前景。
4 SU-8光刻工艺的优化研究
上海交通大学对光刻胶工艺的研究已有很长的一段时间，研究的内容涉及很多方面，下面稍微的做一介绍。
2002年，上海交通大学张立国等人，对影响光刻后图形质量的主要工艺参数前烘温度及前烘时间、中烘温度和中烘时间、曝光时间及显影时间进行了研究，得出前烘时间和显影时间是影响图形分辨率及高深宽比的最主要的参数。同时给出了200μm厚 SU -8光刻胶的建议工艺条件：200μm甩胶，1h的 95℃前烘，近紫外光( 400nm) 接触式曝光，95℃的中烘 30min， PGMEA中显影 20min。
同时也对实验中的问题基片弯曲和光刻胶的难以去除作了的探讨，给出对于基片弯曲可采用四种措施来降低：降低中烘的温度同时增加中烘的时间、用厚硅片来代替薄硅片、对于薄硅片在前烘后可用金刚刀切成 4~ 8小片、适当的设计掩模板；对于光刻胶的去除用热丙酮泡、超声清洗、反应离子刻蚀和高温灰化法相结合，能达到较好的效果。[10]。三年后，该研究室利用超厚SU-8负胶，制备了各种深宽比MEMS微结构，研究了热处理和曝光两个重要因素对高深宽比结构的影响，他们通过研究得出表面线宽变化和曝光时间之间并不是以往一贯认为的线性关系，而是表面线宽变化会在一定的曝光时间范围内得到一个最小值。同时通过优化温度与曝光时间，制得了较好的高深宽比微结构。[11]。09年交通大学，通过改变SU-8光刻胶中 PAG的含量获得的改性SU-8后，在光刻胶的最小曝光剂量随 PAG浓度的降低而增大，使得加工上大下小的光刻胶结构也可以在不同 PAG浓度光刻胶的合理选用以及曝光参数的控制基础上，通过多次光刻、一次显的加工方法实现复杂多层结构的制造。他们通过测定改性SU-8的吸光度，吸光系数以及最小曝光剂量的测定对改性后的光刻胶进行性能研究，再进行不同曝光剂量的研究。该技术的成功克服了现有技术只能加工上小下大结构的缺陷，这有利于提高微器件的机械强度、抗振性等。[12]
与此同时，国内的其他研究结构对光刻胶工艺的研究也有所突破。
2009年，中国科技大学，黄新龙等人，在最后的显影部分，通过外加辅助的兆声辅助显影方法，显著提高了显影液的对流与扩散，使显影液更加容易的循环进入狭窄的胶结构底部，为后续电铸工艺提供了很好的胶膜。[13]
2010年，科学院研究者们研究了不同激光功率与曝光时间等激光加工条件，后烤与无后烤等条件对SU -8聚合点形貌与尺寸的影响。利用飞秒激光双光子聚合技术研究了SU-8光刻胶微加工时的加工工艺条件与分辨率之间的关系。采用真空蒸镀方法在经后处理的加工样品表面蒸镀一层厚度为数纳米的金膜，在扫描电子显微镜下对加工样品的点阵列结构进行形貌观察并测量其相应的尺寸。研究结果表明，降低激光功率和缩短曝光时间可以获得尺寸较小的微加工点，后烤工艺有利于降低加工能量并提高加工分辨率，基于双光子聚合加工理论的模拟分析与实验结果具有良好的一致性。[14]
近年来，国外的一些研究学者对SU-8胶的一些力学性质进行研究，扩大了其在MEMS中的应用；同时也有利用新的光刻技术，并通过工序顺序不同导致制品性能差异而进行了研
究。
2013年，S. Chung and S. Park研究了温度对SU-8力学性质的影响他通过拉伸试验和动
[15]
力学分析，找到合适的烘烤条件，来表明在较高的温度下硬烘烤是很重要的。Khalid Dhima
等人，用UV-NIL（UV-纳米压印光刻）技术对SU-8胶进行了研究。在UV-NIL常见的处理顺序是印抗蚀剂，然后再曝光它的印迹层在邮票的分离之前，以稳定的结构。这篇文章里使用了热压印步骤作为后烘，仍然用Si作为印模和衬底的材料。相比于传统的UV-NIL处理顺序是相反的：抗蚀剂先曝光，然后压印和PEB热处理同时进行，这种抗蚀剂得要求是：曝光可能会导致交联，不再适合压印，由印后曝光和后处理温度的材料特性的变化后得到的残余层高度的进行了研究。得到了一个优化的工艺过程：就其中两个步骤，在曝光后，压印由50℃加热到100℃，并进行交联，易于分离，最终达到了良好的压印能力。[16]
5总结
SU-8作为一种近紫外的负性光刻胶，由于其具有良好的高深宽比的厚膜，在微机电系统MEMS领域有很大的应用与发展，然而，其主要的核心问题还是光刻工艺如何进一步优化。目前，很多研究者都在对SU-8光刻工艺进行不断的改进，希望找到一种合适的方法，合适的工艺参数来达到很好的分辨率与高深宽比。相信，随着研究的不断深入，科技的不断发展，SU-8所面临的种种难题终将为我们所解决。
参考文献
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