MEMS器件光刻--厚胶工艺

随着科学技术的不断推进，器件逐步朝着小型化，集成化发展。将大规模的电路、传感器、执行器等集成在一片或多片芯片上，使传统机电系统微缩至微米甚至纳米尺度，这种微系统被称为MEMS，即微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System）。MEMS已经在消费电子产品、航空航天设备及生物医学等领域中得到了广泛的应用。

图片来源：百度图片

生物医学领域的发展依托于MEMS技术，能够将大型的实验室系统微缩于一个小型的基板上，从而实现更快速，更便捷的功能。其中，微流控技术是生物芯片的基石，能够实现在微米尺度上操控流体运动、溶液反应等。这种小型化的发展，使得生物医疗行业中对样品的采集需求量和试剂消耗量大幅减少，同时，也能够适应更多复杂的环境。

一、MEMS制造工艺
MEMS制造工艺主要来自于半导体和微电子工艺，以光刻、外延、刻蚀等为基础制作出不同结构功能的三维器件。

其中光刻工艺是加工制造微纳图形与结构的关键工艺之一，利用光与光敏性材料发生反应，实现抗蚀涂层的图案化，再结合不同的刻蚀方式得到不同结构的微电子器件。

光刻方式主要分为：

二、光刻胶
光刻胶一般分为正胶和负胶，其中正胶受光分解，具有高分辨率，但粘附性和抗腐蚀性差。负胶受光交联，分辨率相对较差，但具有高粘附力且耐腐蚀，常用于MEMS器件的制备中。

MEMS结构具有高深宽比的特点，因此在光刻中通常使用负性厚胶进行制备。目前常用的负性厚胶多为美国MicroChem的SU-8系列光刻胶，单次旋涂的胶厚甚至可以达到数百微米，曝光显影后的图形边缘也近乎垂直，深宽比可达10:1。

三、厚胶工艺的一般光刻流程
1. 预处理：主要包括对光刻胶和衬底的处理。SU-8通常低温储存，在匀胶前需使其回温至室温。硅衬底通常进行RCA清洗，石英、玻璃衬底使用SPM清洗，清洗后的衬底用氮气吹干后放置于热板上，100-160 ℃热烘5-10 分钟，以此增加衬底与光刻胶的粘附性（或使用HMDS对衬底进行增附处理）。

2. 旋涂：旋涂分为两个阶段，低转速阶段使光刻胶均匀摊开，高转速阶段使胶层达到目标厚度。对于厚胶工艺，旋涂后的衬底边缘位置因表面张力而聚集多余光刻胶，影响旋涂的均匀性，可使用棉签蘸取丙酮擦去边缘厚胶。

3. 前烘：前烘的目的主要是为了使光刻胶中的溶剂挥发，一般使用热板进行加热，前烘不充分时，会影响光刻胶侧壁的垂直度，也可能会产生漂胶的现象。

4. 曝光：寻找合适的曝光剂量对样品进行曝光。

5. 后烘：曝光结束后，对样品再次进行烘烤，使曝光区域进一步发生交联反应，宏观上可观察到光刻图案。另外，可以降低驻波效应对胶层侧壁的影响。

6. 显影：SU-8显影采用PGMEA（丙二醇甲醚醋酸酯）和IPA（异丙醇）交替浸泡的方式。若制备的结构具有较大的深宽比，可利用倒置超声显影的方式进行。

7. 坚膜：温度通常在150-250 ℃，时间在5-30 分钟范围内。坚膜可以提高光刻胶与衬底之间的粘附性，提高稳固性，使胶层有更高的抗刻蚀和抗离子注入的能力，同时可以消除光刻过程中产生的内应力，消除胶表面的裂纹。

托托科技（苏州）有限公司一家快速成长的技术驱动型企业，专注于光学显微加工及光学显微检测的光学仪器设备制造。其无掩膜版紫外光刻机通过数字化方式，将图案加载于DMD（数字微镜器件）上，再投影至光刻胶上进行微纳器件的加工。通过这种方式可实现厚胶工艺中单层光刻以及双层套刻的工艺，为微纳器件的结构设计提供更多的可能性。

参考文献：
[1]Altpeter D.Description of SU-8[J], 2005.
[2]张立国，陈迪，杨帆等. SU-8胶光刻工艺研究[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.