微納加工工藝流程

1、高通量微流控器件的設計與加工羅春雄掩模的制作掩模的制備是光刻中的關鍵步驟之一，其作用是在一個平面上有選擇性的阻擋紫外光的通過，從而實現(xiàn)光刻膠的局部曝光。掩模的圖形及尺度由計算機設計完成，常用的設計軟件有L-edit （目前最新版本為10.0）和AutoCAD等。帶有圖形結構的掩模常用介質(zhì)有透明膜和玻璃板，圖形結構一般由透明和不透明的區(qū)域組成。掩模有時也被稱作原圖或光刻版。當分辨率要求不高時，掩?？捎煤唵蔚姆椒▉碇苽洹Ｗ畛Ｓ玫姆椒ㄊ鞘褂酶叻直媛实募す庹张艡C（3000dpi以上）將圖形打印在透明膠片上，這種方法的誤差一般為 3-7 g,視激光照排機的精度而定。當圖形的尺度為10 m量級時，此法制成

2、的掩?？山埔暈榫_。使用激光照排機的優(yōu)點在于設備易得，一般的出版社就有可以滿足要求的機器；并且制作過程很簡單，只需要一步打印。設計的模版圖。圖1采用L-edit通過電子束曝光的方法可以得到精度更高的掩模版，精度可達100nm甚至10nm級。這種掩模版為金屬掩模，所以不論是精度、壽命還是使用時的方便程度，均要優(yōu)于打印方法制成的模版。但它的缺點也十分明顯：成本非常高（一塊模版通常要上千元人民幣）,并且制作周期時間長。還有其他一些方法可以得到掩模版，如準分子激光刻蝕和光學縮小等方法，這樣得到的模版精度較高，但對設備的要求都比較高。光刻膠光刻膠是由溶解在一種或幾種有機溶劑中的光敏聚合物或預聚合物的混

3、合物組成的，它是用光刻技術將掩模上的微結構精確轉移到基片的關鍵媒介。根據(jù)用途不同，有多種黏度、光學性質(zhì)及物理化學性質(zhì)不同的品種供選擇。光刻膠有兩種基本的類型：一種是負型光刻膠，它們在曝光時發(fā)生交聯(lián)反應形成較曝光前更難溶的聚合物；另一種是正型光刻膠，它們在曝光時聚合物發(fā)生鏈斷裂分解而變得更容易溶解。根據(jù)它們的特性，負型光刻膠顯影后曝光部分被固定而非曝光部分被洗掉；正型光刻膠則是曝光的部分在顯影 后被洗掉，非曝光部分被固定。下面分別介紹這兩種光膠： a.負光膠負光膠曝光中發(fā)生的光化學反應比正光膠相對簡單。例如Minsk于1954賣給Eastman Kodak公司的專禾U,應用的是聚乙烯醇肉桂酸酯中

4、的肉硅酸部分的雙鍵對紫外線敏感，雙鍵之一被打開后形成雙游離基，這些雙游離基不穩(wěn)定，很快與其他游離基間相互連接，形成新的碳-碳鏈，并與其他線形分子交聯(lián)形成更大的聚合物分子。與曝光前相比，聚合物變得更不易溶解且抗化學侵蝕性更強，因而未曝光的部分可被顯影液溶解而去掉。此即為KPR（柯達光刻膠）和其他負膠的基本原理。我們實驗室常用的負光膠是國產(chǎn)的BP系歹U,特點是光膠薄（1-3 m）,附著力極好，分辨率高，但缺點是難去除。另一種具有代表性的光敏聚合物為SU-8。它是一種環(huán)氧型聚合物材料，因為平均一個單體分子中含有8個環(huán)氧基，因此名稱中有 8,其結構如圖2所示。SU-8光學透明性、硬質(zhì)、光敏的獨特性質(zhì)，

5、在微加工材料中獨樹一幟。主要特點如下：高機械強度；高化學惰性；可進行高深寬比、厚膜和多層結構加工。由于它在近紫外區(qū)光透過率高，因而在厚膠上仍有很好的曝光均勻性，即使膜厚達100 m 所得到的圖形邊緣仍近乎垂直，深寬比可達50: 1。圖2 SU-8單體的典型結構。SU-8是機理和材料完全不同的一類負光刻膠。該膠可溶于GBL（gamma-butyrolactone ）溶液中。溶劑的量決定了黏度，從而也決定了可能的涂覆厚度，不同的型號可合適做不同的厚度，最常見的是 10 m到100 m 引發(fā)劑三苯基硫鹽按 su-8量的io%t匕例加入。su-8在前烘中有很好的自平整能力。經(jīng) 100oC以上固化后，交

6、聯(lián)的 SU-8有較強的抗腐蝕性，熱穩(wěn)定性大于200匕 高溫下可耐pH值13的堿性溶液的侵蝕。SU-8的光反應機理：光刻膠中的光引發(fā)劑吸收光子發(fā)生光化學反應，生成一種強酸，其作用是在中烘過程中作為酸性催化劑促進發(fā)生交聯(lián)反應。只 有曝光區(qū)域的光膠才含有這樣形成的強酸，未曝光區(qū)域則不含有。交聯(lián)反應鏈式增長，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。 交聯(lián)反應形成了致密的交聯(lián)網(wǎng)絡結構不溶于顯影液PGMEAKb.正光膠正光膠的有關技術主要來自含氮染料、印刷和復印工業(yè)。正光膠基于重氮鹽和二疊氮化物的兩個反應。在堿性條件下，重氮鹽或二疊氮化物很快與 酚類偶合劑發(fā)生幾乎定量的反應，形成各種有色且

7、難溶的染料，其顏色和溶解性取決于二疊氮化物和偶合物的結構。上述兩種成分在偏酸性緩沖液中則 不發(fā)生反應。顯影液提供的堿性條件則可引發(fā)耦合反應。二疊氮化物經(jīng)紫外線曝光發(fā)生分解反應，釋放出氮氣，在顯影過程中無法再發(fā)生耦合反應，而 是形成容易被溶解的產(chǎn)物。很多常用的正光膠含有不同烷基的蔡醍二疊氮化物，具有不同的粘性、溶解性和其他特性。該類疊氮化物在紫外線照射下分解并重排生成乙烯酮， 在潮濕氣氛下進一步轉化成竣基酸苛。在堿性溶液中顯影時，竣基酸苗被溶解，即曝光的光膠部分被溶解，而未被曝光的疊氮化物之間與共存的酚類化 合物在堿性顯影液中發(fā)生耦合反應，形成膠連的難溶物。通常原理可用圖3表示：圖3 正光膠的有

8、關化學反應。我們實驗室常用的正光膠有AZ公司的一系列產(chǎn)品，如 AZ50、AZ5214、AZ9260等。它們都有不同的特性，如AZ50的黏度比較大，可以用于制作厚膠模版（10-60 g厚）；AZ5214則為薄膠（1-3頻，分辨率較高，作掩模的耐腐蝕性也很好。光刻標定高度曲線圖（SU-8 3000系列）Spin peedfrpm)Spin 印電電d vs.Thklcnessfor SU*8 3000 re$i$t$(20C)光刻標定相關數(shù)據(jù)(SU-8 3005 )膠型環(huán)境溫度環(huán)境濕度涂膠轉數(shù)前烘時間后烘時間光刻機光強曝光時間平均高度65 c95 c65 c95 cSU-8 300523 C39%1

9、0" 500rpm30" 1000rpm1min4min1min3min20w/ cm270sec9.6 科 mSU-8 300522 c22%10" 500rpm30" 1500rpm1min4min1min2min20.8(iw/ cm265sec8mSU-8 300524 c20%10" 500rpm30" 2000rpm1min4min1min2min20.8(iw/ cm260sec6.95 科 mSU-8 300524 c20%10" 500rpm30" 2500rpm1min3min1min2min2

10、0.8(iw/ cm255sec5.6 mSU-8 300522 c30%10" 500rpm30" 3000rpm1min3min1min2min20w/ cm250sec5.05 科 mSU-8 300523 c26%10" 500rpm30" 3500rpm1min3min1min2min20w/ cm245sec4.4 mSU-8 300523 c24%10" 500rpm30" 4000rpm1min3min1min2min21.7 tw/ cm238sec3.65 科 m光刻標定相關數(shù)據(jù)(SU-8 3010 )膠型環(huán)境溫度

11、環(huán)境濕度涂膠轉數(shù)(兩步程序)前烘時間后烘時間光刻機光強曝光時間平均高度65 c95 c65 c95 cSU-8 301021c20%10" 500rpm30" 1000rpm2min10min1min4min17.3(iw/ cm2100sec18.4 mSU-8 301023 C20%10" 500rpm30" 1500rpm2min10min1min4min18w/ cm295sec14.3 mSU-8 301024 C20%10" 500rpm30" 2000rpm1min9min1min3min18w/ cm290sec12.

12、1 mSU-8 301024 C20%10" 500rpm30" 2500rpm1min4min1min2min18w/ cm285sec10.7 mSU-8 301022 C52%10" 500rpm30" 3000rpm1min4min1min2min17.8(iw/ cm280sec9.6 科 mSU-8 301023 C44%10" 500rpm30" 3500rpm1min4min1min2min18.3(iw/ cm275sec9mSU-8 301023 C46%10" 500rpm30" 4000rp

13、m1min3min1min2min18.3(iw/ cm270sec8.1 m光刻標定相關數(shù)據(jù)（SU-8 3025 ）膠型環(huán)境溫度環(huán)境濕度涂膠轉數(shù)（兩步程序）前烘時間后烘時間光刻機光強曝光時間平均高度65 c95 c65 c95 cSU-8 302523 C30%10" 500rpm30" 1000rpm2min20min1min5min19.1 w/ cm2170sec76.15 科 mSU-8 302524 C21%10" 500rpm30" 1500rpm2min17min1min9min23.2 w w/ cm2150sec49mSU-8 302

14、522 C60%10" 500rpm30" 2000rpm2min15min1min5min16w/ cm2135sec42.5 科 mSU-8 302524 C24%10" 500rpm30" 2500rpm2min8min1min5min20.7 w w/ cm2115sec31mSU-8 302522 C22%10" 500rpm30" 3000rpm2min6min1min4min20.7 w w/ cm290sec25.8 科 mSU-8 302525 C不詳（不至U 20%）10" 500rpm30"

15、3500rpm2min5min1min3min19w/ cm280sec22 dmSU-8 302522 C不詳（不至U 20%）10" 500rpm30" 4000rpm1min3min1min2min19w/ cm265sec19m光刻標定相關數(shù)據(jù)(SU-8 3050 )膠型環(huán)境溫度環(huán)境濕度涂膠轉數(shù)(兩步程序)前烘時間后烘時間光刻機光強曝光時間平均高度65 c95 c65 c95 cSU-8 305020 C52%10" 500rpm30" 1000rpm2min25min1min7min18w/ cm2230sec182.4 科 mSU-8 305

16、023 C42%10" 500rpm30" 1500rpm2min20min1min6min19.5w/ cm2190sec82.45 科 mSU-8 305022 c20%10" 500rpm30" 2000rpm2min15min1min5min18w/ cm2160sec72.4 科 mSU-8 305023 C22%10" 500rpm30" 2500rpm2min15min1min5min18.8w/ cm2130sec57.85 科 mSU-8 305024 C24%10" 500rpm30" 3000

17、rpm2min15min1min5min19.2w/ cm2100sec45.15 科 mSU-8 305022 C20%10" 500rpm30" 3500rpm2min15min1min5min19.9w/ cm290sec35.65 科 mSU-8 305023 C20%10" 500rpm30" 4000rpm2min15min1min5min18.3w/ cm280sec35.45 科 m光膠的涂布光膠的均勻涂布是通過甩膠機完成的。先將基片（通常是硅片襯底）置于甩膠機的轉盤上，基片在真空的作用下被吸在盤上。液體光刻膠被置于基 材的中間?；谵D

18、動盤的帶動下快速旋轉，一般先用較低速運轉數(shù)秒使膠散開，然后再以高速運轉使膠在離心力的作用下均勻的覆蓋在基片上，此過 程稱旋涂（Spin-Coating ）。涂敷光膠層的厚度取決于光膠黏度和旋轉的速度。此外，光膠預烘烤的溫度和時間、光膠的施加量及環(huán)境溫度也有一定影響。甩膠通常要在超凈間內(nèi)進行，否則有兩個原因可以導致缺陷：甩膠和曝光時空氣中的微塵顆粒和液體光膠中含有沾污的顆粒。超凈間內(nèi)微塵的數(shù)量一般為千級（每立方英尺空氣中的直徑大于0.5叩的微粒數(shù)低于1000個），局部為百級，可以很好的保證甩膠的質(zhì)量。另外，有些光膠與硅片襯底之間的附著力并不是很好，這會影響甩膠的厚度均一性，同時也會增大顯影的難度

19、。解決的方法為在硅片上預先涂上一層物質(zhì)，使光膠的附著力增強。對于AZ系列的光膠，常用的物質(zhì)為 HMDS它可以很好的增加其附著力。光刻及顯影光膠涂布后，要進行前烘烤，使液態(tài)光膠固化，稱為前烘。前烘時間一般為3-5分鐘，具體要依照光刻膠的種類和厚度。一般曝光設備大多采用紫外光源如汞燈，且具有 X-Y方向的對位功能，簡易式的可只需一個汞燈光源。圖4北大微流與納米技術中心的紫外曝光機。經(jīng)過光刻，可將掩模上的圖形轉移到硅片上。具體過程為，在曝光間內(nèi)，將前烘好的基片置于曝光臺上，再將掩模置于其上。之后進行紫外曝光,5所示:曝光機在曝光的區(qū)域內(nèi)光強的誤差一般會小于5%這使得整個基片上的光刻膠可以均勻的進行曝

20、光。曝光時間一般由光膠厚度決定。如圖紫外曝光顯影圖5光刻膠對掩模上圖形的轉移。曝光后的光膠經(jīng)過顯影就完成了對掩模上圖形的轉移。使用正光膠時，顯影得到的圖形與所用掩模的圖像相同；使用負光膠時，顯影得到的圖形與掩模上的圖形相反。利用掩模圖形的灰度變化或在掩模之上加帶有光透過率梯度的濾光片還可能在光膠上進行不同程度的曝光，從而形成立體結構。根據(jù)不同的需要，顯影后有時要進行定影和后烘烤，以保證圖形的平整度和堅固性?？偨Y：光刻工藝：一、光刻前首先把硅片放在 195 c熱板上烘烤5分鐘，目的是烘干水分。二、按甩膠，前烘，曝光，后烘，顯影，吹干步驟完成由掩模上的圖形轉移到光刻膠上。三、使用臺階儀對高度進行進一步測定，以及記錄PDMS勺塑模聚二甲基硅氧烷（polydimethylsilicone ）簡稱PDMS俗稱硅橡膠，是當前應用最多的微流芯片材料之一。PDMS?于具有獨特的彈性，良好的透光性，高介電性，化學惰性，無毒，容易加工，價格便宜而得到廣泛的應用。PDM器易由單體和交聯(lián)劑的預聚物熱交聯(lián)而得到固體狀態(tài)。PDMS寸300nm以上的光有很好的光透性。圖6 PDMS聚合后的分子式和實物 A膠（單體）與 B膠（膠聯(lián)劑）通過控制單體和交聯(lián)劑的比例可