SU- 8光刻膠是一種環(huán)氧型的、近紫外光負(fù)光刻膠, 它基于環(huán)氧 SU- 8 樹脂( 來源于橡膠工業(yè))。 由于平均一個分子中含有 8 個環(huán)氧基, 所以名稱 中包含/ 80。目前已經(jīng)商業(yè)化的 SU- 8 光刻膠有美國 的 Microlithography Chemical 公司生產(chǎn)的 SU- 8系列光刻膠, 如 SU8- 5 和 SU8- 50, 以及瑞士 Sotec Microsystems 公司生產(chǎn)的 SM 系列光刻膠。 SU- 8 膠專門用于在非常厚的底層上需要高深寬比的應(yīng)用。此光刻膠在近紫外光范圍內(nèi)光 吸收率低, 這使得它在整個光刻膠厚度上都有較 好的曝光均勻性。即使膜厚達(dá) 1000Lm, 所得到的圖形邊緣仍近乎垂直, 深寬比可達(dá) 50: 1。因此對于整個結(jié)構(gòu)的高度可以有一個很好的尺寸控制。

SU- 8 光刻膠可用環(huán)氧樹脂SU-8溶解在有機(jī)溶劑 GBL ( gamma- butyrolactone 百萬分之一克的丁內(nèi)酯)。溶劑的數(shù)量決定了粘度, 從而也決定了光刻膠可能的厚度范圍。最后, 光引發(fā)劑三苯 基硫鹽(環(huán)氧 SU- 8重量的 10%) 被混合在樹脂 中。SU- 8 膠另一個優(yōu)點是在前烘中它的自平 整能力, 因此也去除了邊緣的水珠效應(yīng)。結(jié)果在 接觸式光刻中使掩模版和光刻膠之間有良好的接 觸。該膠經(jīng) 100 e 以上固化后, 已經(jīng)交聯(lián)的SU- 8具有良好的抗腐蝕性, 熱穩(wěn)定性大于200 e , 因 而可以在高溫、腐蝕工藝中使用。例如能在高溫 下抵御 PH= 13 的強(qiáng)堿性電鍍液。同時SU- 8成膜材料具有良好的物理及光塑化特性, 其本身也可以制作微型的零件。

SU-8的光刻機(jī)理簡述如下: 光刻膠中的光引發(fā)劑吸收光子發(fā)生了光化學(xué)反應(yīng), 生成一種強(qiáng)酸, 其作用是在中烘過程中作為酸催化劑促進(jìn)交 聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生。只有曝光區(qū)域的光刻膠中才含有強(qiáng)酸, 而未曝光的區(qū)域則沒有這種強(qiáng)酸的存在。 在隨后的中烘過程中, 曝光區(qū)域在強(qiáng)酸的催化作用下, 分子發(fā)生交聯(lián)。交聯(lián)反應(yīng)以鏈?zhǔn)皆鲩L, 每一個環(huán)氧基都能與同一分子或不同分子中的其他環(huán)氧基反應(yīng)。如前所述, 每個環(huán)氧基平均/ 預(yù)連接0有另外 7 個環(huán)氧基, 再經(jīng)擴(kuò)展交聯(lián)就形成了致密 的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)不溶于顯影液中。而未經(jīng)曝光的區(qū)域, 光刻膠未發(fā)生交聯(lián), 則溶于顯影液中, 因此顯影后形成了掩膜板的反圖形。

1.SU- 8光刻膠工藝

SU- 8光刻膠具有許多優(yōu)異的性能, 可以制造數(shù)百Lm 甚至1000Lm 厚、深寬比可達(dá)50的MEMS微結(jié)構(gòu), 在一定程度上代替了 LIGA 技術(shù), 而成本大大降低, 成為近年來研究的一個熱點。但眾所周知, SU- 8對工藝參數(shù)的改變非常敏感, 且固化厚的光刻膠難以徹底的清除。這些工藝參 數(shù)包括襯底類型、基片預(yù)處理、前烘溫度和時間、 曝光時間、中烘溫度和時間、顯影方式和時間等。

在這些工藝參數(shù)中, 我們選擇前烘溫度和時間、中烘溫度和時間、曝光時間及顯影時間進(jìn)行了研究, 得到如下的結(jié)論:

   1)前烘的溫度較低時, 成品率較高。但是升高前烘溫度有利于減小光刻膠圖形于掩模板圖形 線寬差。對于陽圖形, 由于存在成品率不高的問題, 因此可采用較低的前烘溫度。但一般應(yīng)高于80e。對于陰圖形, 其主要問題則是光刻膠交聯(lián) 不足使曝光區(qū)域會發(fā)生開裂現(xiàn)象, 因此應(yīng)該采用 較高的前烘溫度來增加交聯(lián)度, 以改善線形; 但不宜超過 95 e , 因為前烘溫度太高會減弱光引發(fā)劑 的感光性, 反而影響其光化學(xué)反應(yīng), 使生成的酸催化劑的量減少, 交聯(lián)度降低。

2)對于同一圖形, 隨曝光時間的增加, 陽圖形 線寬偏差單調(diào)遞增, 陰圖形線寬偏差單調(diào)遞減。 即陽圖形線寬將大于掩模板圖形線寬, 陰圖形線 寬將小于掩模版圖形, 且隨曝光時間增加此偏差 逐漸拉大, 同一圖形的陰陽板線寬偏差幾乎對稱。 其原因是曝光時間短時, 光引發(fā)劑反應(yīng)產(chǎn)生的酸 催化劑少, 光刻膠交聯(lián)不足, 受熱后由于部分曝光 區(qū)域邊緣的膠在被顯影液也溶解掉了。因而, 陽 圖形的線寬大于掩模板圖形線寬, 而陰圖形則相 反。隨曝光時間的增加, 交聯(lián)變的充分, 因而線寬 偏差將減小。

 3)中烘溫度應(yīng)控制在 70~ 90 e 之間, 隨溫度 的升高, 圖形開裂程度逐漸減弱, 80e以上就可以 達(dá)到較好的效果。中烘時間則應(yīng)根據(jù)光刻膠的厚 度及曝光時間來控制, 光刻膠越厚, 曝光時間短時, 中烘的時間應(yīng)長, 這樣可使交聯(lián)變得充分, 開裂也會越少。但超過一定的時間限度, 作用也不明顯了。

 4)顯影的時間以不超過20min為宜, 且加噪聲顯影的質(zhì)量要優(yōu)于不加時的。

    5)在前烘時間、曝光時間、中烘時間及顯影時間這四個參數(shù)中, 其對最終圖形的質(zhì)量影響所占的比例并不一樣。其中, 前烘時間和顯影時間是 影響圖形分辨率及高深寬比的最主要的參數(shù)。而曝光時間和中烘時間的影響則較小。而隨著光刻 膠厚度的增加, 顯影時間對圖形質(zhì)量影響所占的 比重也越來越大。其原因是更多的光刻膠需要顯 影了, 因此這就需要更精確的控制曝光時間。另 外隨著結(jié)構(gòu)的變厚, 顯影液滲透到光刻膠的底部 將變得困難, 這使得顯影液的效率降低。在這四 個參數(shù)中, 前烘時間是最重要的因素之一。其原因在于前烘的作用是除去溶劑, 增大光引發(fā)劑在 光刻膠中的比例, 而時間短時, 溶劑去除的較少, 單位體積內(nèi)光引發(fā)劑所占的百分比較小, 曝光后曝光區(qū)域產(chǎn)生的酸催化劑就較少, 中烘后交聯(lián)就 不完全, 大大影響圖形的質(zhì)量。如果時間較長, 則因中烘后交聯(lián)度過大, 內(nèi)應(yīng)力也較大, 對襯底的附 著力較小, 成品率不高。對于曝光時間, 當(dāng)曝光時間太短時, 產(chǎn)生的酸催化劑的量就不夠, 即使在適 當(dāng)?shù)闹泻鏃l件下所有的酸催化劑都發(fā)生了反應(yīng), 光刻膠的交聯(lián)密度也不高, 因此, 適當(dāng)?shù)钠毓鈺r間是保證圖形質(zhì)量的首要因素之一。

SU-8光刻膠也存在著一些問題, 其中最主要的是基片彎曲及交聯(lián)后的光刻膠難以徹底的去除干凈的問題。

基片彎曲 在SU- 8 的厚膠工藝中存在的一個很大的 問題是內(nèi)應(yīng)力和熱應(yīng)力都很大, 導(dǎo)致基片發(fā)生了 彎曲, 這樣就使得光刻膠圖形發(fā)生了較大的變形, 圖形無法經(jīng)受顯影液的的腐蝕大量脫落。下面分 析一下應(yīng)力的來源。在前烘階段, 由于晶片和 SU- 8 膠的熱膨脹系數(shù)不同, 產(chǎn)生了小的拉伸應(yīng) 力。這個應(yīng)力很小, 因為在前烘的冷卻階段, SU - 8 分子鏈在沒有交聯(lián)的光刻膠中發(fā)生了重排。 晶片的這種小彎曲在接觸式光刻中非常有用, 這是因為好的掩模板或晶片接觸可以得到保證。當(dāng) 光刻膠的厚度與晶片的厚度可比較時, 這個應(yīng)力 會很高, 從而使晶片彎曲。

曝光階段只是光引發(fā)劑發(fā)生了光化學(xué)反應(yīng), 并不引入應(yīng)力。在中烘階段, 在交聯(lián)后的 SU- 8 膠冷卻的過程中, 產(chǎn)生了主要的應(yīng)力。一方面是因熱 膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力; 另一方面也是最 主要的是, 光刻膠聚合所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。由于在中 烘的冷卻階段, 交聯(lián)后的光刻膠分子鏈較長, 大分子無法進(jìn)行大的重排, 應(yīng)力就無法消解, 導(dǎo)致基片 發(fā)生了彎曲。簡而言之, 涂有 SU- 8 膠的晶片彎曲(應(yīng)力)可以通過下面四種措施降低:

( 1)降低中烘的溫度同時增加中烘的時間。

( 2)用厚硅片來代替薄硅片, 前者承受應(yīng)力的能力比后者要強(qiáng)得多, 彎曲變形也要小得多。

( 3)若用薄硅片做實驗, 在前烘后可用金剛刀 切成 4~ 8 小片。

( 4) 適當(dāng)?shù)脑O(shè)計掩模板以降低曝光區(qū)域。

 2)光刻膠去除

SU- 8 厚膠工藝中存在的另外一個問題是 高度交聯(lián)后的光刻膠難以去除徹底, 尤其是經(jīng)過 電鑄工藝以后, 專用的 SU- 8 去膠劑無能為力, 因此在實驗中我們初步探索了 SU- 8 膠的去除工藝。

對于交聯(lián)面積大的 SU- 8膠, 可以采用熱丙 酮加熱數(shù)小時,使得 SU- 8 膠充分溶脹, 再用超聲振蕩, 破壞膠膜與襯底之間的結(jié)合力, 可以去除 SU - 8。交聯(lián)的光刻膠并不是在熱丙酮當(dāng)中溶解了, 而是以一層膜的形式脫落下來, 去除效果較好。

對于殘留在底部的少量 SU- 8光刻膠可以采用 RIE 刻蝕的方法除去。刻蝕的具體工藝條件如下:

刻蝕氣體: O2= 25sccm

RF Power: 25Watt

工作氣壓: 40 mTor

自偏壓: 140 Volt

刻蝕時間: 10min 

在刻蝕當(dāng)中尤其要注意的是刻蝕時間不能過長, 刻蝕功率不能過大, 否則 SU- 8光刻膠容易發(fā)黑、變性, 則會更加難于除去。

試驗中最難于除去的則是間隔開來、殘留在微孔隙中的 SU- 8光刻膠, 采用熱丙酮超聲或者是反應(yīng)離子刻蝕的方法均難以除去。下圖即為DNA芯片模具當(dāng)中殘留在微孔隙中的SU- 8光刻膠的電鏡照片, 由圖可見采取以上兩種方法都難以 徹底除掉 SU- 8光刻膠。

圖 1 殘留有 SU- 8 的DNA芯片模具的電鏡照片 Fig. 1 SEM picture of DNA mold with SU- 8.

對此種情況, 應(yīng)采取高溫灰化法。用高溫?zé)颇＞邅沓z, 其后再把片子用熱丙酮超聲清洗, 取得了較好的效果。但是此種方法只適用于金屬 模具除膠, 而硅片等不適用, 因此在實際應(yīng)用中有極大的局限性。下圖為此法處理后的DNA 芯片模具電鏡照片。

圖 2 高溫灰化法處理后的 DNA 模具電鏡照片 Fig. 2 SEM picture of DNA mold using hot ciner ation

對200Lm 厚的 SU- 8 光刻膠的硅片甩膠, 曝光及顯影建議工藝

條件如下: ( 1)低速的、短時間的甩膠( 200Lm/ s), 用傳 統(tǒng)的甩膠臺。

( 2) 1h 的 95e前烘。

( 3)近紫外光( 400nm)曝光, 接觸式。

( 4) 95 e 的中烘 30min。

( 5)在 PGMEA 中顯影 20min。

SU-8光刻工藝, 解決了研究工作中普遍碰到的難題, 工藝成熟, 提供了一 種加工高分辨率和高深寬比的MEMS結(jié)構(gòu)的有效方法。SU-8光刻技術(shù)相對于LIGA 技術(shù)其成本低, 加工周期短, 與半導(dǎo)體工藝的兼容性好, 其厚膠工藝的成熟研究相信對于MEMS的產(chǎn)業(yè)化會有深遠(yuǎn)的影響。（文章來源：上海交通大學(xué) 微納米科學(xué)技術(shù)研究院, 上海 200030 文章編號 10042924X( 2002) 0320266205 轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除）