成杰，李寒松，朱荻

(南京航空航天大學 江蘇省精密與微細制造技術重點試驗室，江蘇 南京 210016)

基于超聲輔助的UV-LIGA光柵制備技術研究

成杰，李寒松，朱荻

(南京航空航天大學 江蘇省精密與微細制造技術重點試驗室，江蘇 南京 210016)

光柵在通信、光存儲及光譜分析領域具有廣泛的應用。對超聲輔助UV-LIGA技術制備光柵的可行性進行了試驗研究。試驗中兩次利用超聲的特殊效應，實現(xiàn)不同的輔助功能。1) 采用超聲輔助顯影，通過改善光刻膠模溝槽內(nèi)的物質(zhì)傳輸，提高光刻膠模結構的顯影效率和顯影質(zhì)量。2) 在后烘之后、顯影之前對光刻膠結構進行超聲處理，通過在空氣中對光刻膠模結構進行超聲處理，有效降低SU-8膠模在電鑄過程中的溶脹。選取優(yōu)化的工藝參數(shù)，采用側向沖液電鑄方式，獲得了鎳基光柵。

光柵；超聲；輔助

0 引言

光柵是由平行排列的許多柵線條組成的，通常作為核心器件廣泛應用在許多光學系統(tǒng)中, 起著色散、分束、偏振和位相匹配等作用[1]。目前光柵的制作方法主要有機械刻劃、全息光刻、納米壓印、電子束光刻、X射線光刻、UV-LIGA技術等[2]。機械刻劃能夠改變刻刀的形狀、方向，從而能制作出其他工藝方法難以達到的柵條外形，適用于加工大線寬尺寸光柵；納米壓印可以批量、無損地復制目標圖形；全息光刻、電子束光刻、X射線光刻能精確復制圖形、具備高分辨率光刻能力，適用于加工亞微米線寬尺寸光柵[3]。利用UV-LIGA技術制備光柵，技術已經(jīng)較為成熟。該項技術以SU-8膠為光敏材料，采用低廉的遠紫外光為光源，主要包括光刻、微細電鑄和塑鑄3個工藝環(huán)節(jié)[4-8]。因其具有低成本、高深寬比加工能力等特殊優(yōu)勢，UV-LIGA技術近年逐漸成為微結構加工的首選加工手段[9]，適用于加工各種線寬尺寸的光柵。但是實際應用中，當光柵具有一定厚度時，光刻膠模顯影困難，同時由于SU-8膠在電鑄時存在明顯溶脹，制備所得光柵結構柵條線寬與電鑄之前膠模溝槽線寬存在尺寸偏差，對UV-LIGA技術制備光柵結構產(chǎn)生了不利影響。

在實際應用中，需要根據(jù)光柵線寬尺寸特征選用合適的光柵制作方法。針對如圖1所示光柵結構：光柵柵條長25mm，寬64μm，厚度為60μm，柵條線長遠遠大于線寬和光柵厚度，應首選UV-LIGA技術。針對UV-LIGA工藝難題，試驗采用超聲輔助的UV-LIGA技術，探討超聲引入對改善SU-8膠模溶脹性及顯影質(zhì)量的影響。超聲輔助的UV-LIGA技術制備光柵，國內(nèi)尚未見報道，因而對其進行制備研究具有重要的意義。

圖1 光柵示意圖(單位：mm)

1 試驗材料、設備及試驗過程

1.1 試驗材料及設備

試驗中使用的光刻膠是美國Micro Chem公司生產(chǎn)的SU-8 2050光刻膠，實驗用基底為不銹鋼圓形基片(直徑50mm，厚度8mm)。試驗所需設備如表1所示。

表1 試驗設備

其中，超聲試驗選用定制的超聲振動裝置，如圖2所示。超聲振動裝置主要由超聲波振動源、換能器、變幅桿、工具頭以及工作臺組成。

(a)超聲試驗裝置

(b)超聲裝置內(nèi)部結構圖圖2 超聲振動裝置

1.2 試驗過程

試驗過程如圖3所示，具體方法及參數(shù)如下。

圖3 超聲輔助的UV-LIGA技術制備光柵工藝過程示意圖

1) 基底預處理(圖3a)：對切割好的不銹鋼基片進行表面車削、磨削、拋光處理。拋光好的基片，按標準的光刻工藝清洗程序清洗、烘干。

2) 倒膠、前烘(圖3b)：制作60μm厚的光柵結構，需要旋涂65μm厚的光刻膠，具體過程是，從轉速100r/min勻加速到1 100r/min，維持10s；然后勻加速到1800r/min，維持30s。前烘采用背板加熱分步烘烤工藝：65℃烘烤10min，95℃烘烤150min。

3) 曝光和后烘(圖3c)：采用BG-401型曝光機，光源強度為15mW/cm2，曝光時間14s。SU-8膠在后烘過程會產(chǎn)生很大的內(nèi)應力[10]，為減少內(nèi)應力，采用階梯式升溫、降溫的方式。先由室溫緩慢升溫至65℃，保持5min后升溫至95℃，保持30min，自然冷卻至室溫。

4) 超聲處理和顯影(圖3d)：在顯影之前進行超聲處理：超聲功率50W，空氣中超聲處理10min，超聲頻率為20kHz。顯影過程使用超聲輔助，時間為10min，然后用異丙醇清洗，直至無白色沉淀產(chǎn)生，最后用去離子水將膠模表面殘留雜質(zhì)清洗干凈。

5) 微細電鑄(圖3e)：采用0.6A/dm2的電流密度，陰陽極間距離為6mm，電鑄溫度43℃，電鑄時間5.5h，采用側向沖液電鑄方式。

6) 去膠(圖3f)：將電鑄后微結構置于加熱的去膠液中浸泡數(shù)小時，之后輔之以低頻超聲振動的方式進行去膠。

2 超聲輔助對光柵結構的影響分析

試驗中兩次利用超聲的特殊效應，實現(xiàn)不同的輔助功能。1) 采用超聲輔助顯影，利用超聲波對顯影液產(chǎn)生的特殊的機械攪拌、微射流和空化等綜合作用，試驗研究超聲對光刻膠模溝槽內(nèi)物質(zhì)傳輸?shù)挠绊憽?) 在后烘之后、顯影之前對光刻膠結構進行超聲處理[11]，試驗分析超聲處理對降低膠模溶脹性的有效程度。

SU-8膠光刻膠模的品質(zhì)除了與前烘條件、曝光劑量和后烘條件等光刻工藝參數(shù)有關外，還與膠模顯影的方式相關。采用常規(guī)人工手動顯影方式顯影速度慢、短時間內(nèi)膠模底部不能顯影完全、容易出現(xiàn)側壁錐度及表面缺陷，顯影時間過長還容易導致膠模從基底脫落。這是因為顯影時微細溝槽結構中物質(zhì)傳質(zhì)效果受限，光柵微結構溝槽底部的顯影液不能得到快速更新，導致膠模微結構上下表面顯影程度不一致，比如上表面顯影過度而下表面顯影不足的現(xiàn)象，有時膠模表面也會因為顯影液過度腐蝕，造成表面缺陷。本試驗中采用的顯影裝置振動頻率為33kHz，超聲功率0-100W連續(xù)可調(diào)。試驗研究超聲輔助顯影對光刻膠模顯影質(zhì)量的影響。

圖4所示為未施加超聲和施加不同功率超聲顯影后的光柵膠模結構形貌圖，試驗顯影時間為10min。

圖4 不同功率下的膠模結構形貌圖

未施加超聲振動顯影(圖4a)，光刻膠顯影較慢，溝槽不能完全顯出。超聲功率小于15W時(圖4b)，光柵膠模溝槽底部無法顯影徹底。這是因為超聲功率較小時，超聲效應不明顯，對顯影液產(chǎn)生的攪拌和空化作用弱，物質(zhì)傳輸受阻。超聲功率為25W時(圖4c)，溝槽結構雖然能夠基本顯透，但部分溝槽底部仍殘留少量光刻膠。超聲功率為35W時(圖4d)，光柵膠模顯影透徹，溝槽側壁輪廓清晰，膠模表面無明顯缺陷。當超聲功率再繼續(xù)增大時，如45W和55W(圖4e、圖4f)，光柵側壁尺寸會變差，且膠模局部被破壞，甚至變形脫落，這是因為超聲功率過大，導致光柵側壁或者邊緣腐蝕脫落。

試驗證明：采用顯影液浸泡，并輔助超聲振動的顯影措施，利用超聲波對顯影液產(chǎn)生的特殊的機械攪拌、微射流和空化等綜合作用，增強新鮮顯影液和反應產(chǎn)物的物質(zhì)傳輸效果，大大改善光柵膠模的顯影質(zhì)量，縮短了顯影時間。

在前烘之后、顯影之前引入超聲處理，在空氣中對光刻膠模進行超聲振動，試驗采用超聲功率為50W，超聲處理時間10min，超聲頻率為20kHz，研究超聲處理對降低膠模溶脹性的有效程度。試驗分未施加超聲組和施加超聲組，分別對兩組試樣電鑄前膠模溝槽線寬和電鑄后光柵結構鑄層線寬進行測量。測量中，選取不同位置的8處測量點，去除最大值和最小值后，將剩余六個測量點求平均值作為測量值。

圖5所示為電鑄后所得光柵結構。

圖5 去膠后所得光柵結構

微細電鑄過程中光柵結構鑄層線寬是由電鑄前膠模溝槽線寬來保證的，通過比較電鑄結構相對膠模結構的線寬變化量，探討超聲處理對膠模溶脹性的影響。

表2是電鑄后光柵結構鑄層線寬與電鑄前膠模溝槽線寬的測量結果統(tǒng)計，其中D代表電鑄前SU-8膠模溝槽的線寬，T代表電鑄后光柵結構鑄層的線寬。

表2 電鑄結構相對膠模結構的線寬差值

續(xù)表2

763.162.263.662.9863.262.263.362.8平均值63.462.063.663.2差值1.40.4

由表2中數(shù)據(jù)可知，膠模溶脹性的存在，使得電鑄后所得微結構鑄層線寬較膠模溝槽線寬發(fā)生尺寸偏差。未施加超聲組光柵試樣，電鑄后所得光柵結構相對電鑄前膠模結構的線寬差值為1.4μm；施加超聲組光柵試樣，該值為0.4μm。這主要由兩方面的原因：1) 熱膨脹效應：微細電鑄時電鑄液溫度43℃，高的電鑄液溫度導致光刻膠模發(fā)生熱膨脹變形；2) 溶脹效應：電鑄過程中，光刻膠模在電鑄液中浸泡會發(fā)生溶脹，導致膠模線寬的變化，稱為溶脹效應[12]。

對比表2中電鑄后所得微結構鑄層線寬較膠模溝槽線寬尺寸變化值，未施加超聲組為1.4μm，施加超聲組為0.4μm，試驗證明了超聲處理有效降低了膠模溶脹性，減小了膠模溶脹給微結構制備造成的不良影響。

通過上述超聲輔助對光柵結構的影響分析，可以證實超聲輔助的UV-LIGA技術制備光柵具有顯著優(yōu)勢。直接采用上述技術進行光柵制備：首先采用旋涂方式得到65μm厚的SU-8光刻膠，進行曝光后對光刻膠進行10min超聲振動處理，再經(jīng)超聲輔助顯影10min后得到光刻膠模，通過微細電鑄填充鎳金屬，去膠后得到面積高達30mm×30mm、線長25mm、線寬64μm、結構完整、鑄層表面質(zhì)量好的鎳基光柵。如圖6所示。

圖6 電鑄所得光柵結構

3 結語

試驗針對超聲輔助的UV-LIGA工藝制備宏微尺度共存的光柵結構開展試驗研究。在現(xiàn)有UV-LIGA工藝基礎上，兩次采用超聲輔助工藝：1) 在后烘之后、顯影之前引入超聲振動，降低了光刻膠的溶脹性，減小了電鑄后所得光柵結構相對電鑄前膠模結構的線寬差值；2) 采用超聲輔助顯影，提高了光刻膠模顯影速度和顯影質(zhì)量。試驗采用優(yōu)化后的超聲輔助UV-LIGA技術，最終成功制備出整體尺寸為30mm×30mm，線長25mm，線寬64μm，厚65μm的鎳基光柵。超聲輔助的UV-LIGA技術是一種高效、經(jīng)濟的制備光柵結構的有效手段。

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Research on Preparation of Gratings Based on Ultrasonic-assisted UV-LIGA

CHENG Jie, LI Han-song ,ZHU Di

(CMEE,Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing, 210016, China)

The grating is widely used in the fields of communication, optical storage and spectroscopy. In this paper, the experiment of grating preparation by ultrasonic-assisted UV-LIGA is conducted. Different auxiliary functions are realized by using special ultrasonic effects twice. Firstly, the ultrasonic-assisted process is used to improve the substances transmission in the photoresist mold groove, the developing efficiency and quality. Secondly, the ultrasonic-assisted developing is introduced between the processes of post-baking and developing, and the structure of photoresist mold is subjected to the ultrasonic treatment in the air, then the swelling of plastic mold of SU-8 is reduced evidently in the electroforming process. The process parameters are optimized and the lateral red liquid electroforming way is adopted. Finally, a thickness of 65μm nickel based grating is successfully prepared.

ultrasound-assisted;UV-LIGA;grating preparation

成杰(1986-)，女，河北定州人，碩士研究生，研究方向為微細、精密特種加工。

TH741.6

A

1671-5276(2014)02-0163-04

2013-01-24