王　鑫，王永紅，呂有斌，盧怡如，涂思琪

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

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SU-8光刻膠應(yīng)變分布光學(xué)全場檢測方法

王鑫，王永紅*，呂有斌，盧怡如，涂思琪

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

由于SU-8光刻膠的內(nèi)應(yīng)力將會(huì)影響高深寬比結(jié)構(gòu)的全金屬光柵的制作質(zhì)量，本文針對(duì)近年來SU-8光刻膠應(yīng)力測量困難的情況，提出了一種基于激光剪切散斑干涉技術(shù)的SU-8光刻膠應(yīng)變分布測量的新方法。該方法通過對(duì)被測膠體加載前后兩幅干涉圖像的處理，直接得到被測膠體結(jié)構(gòu)的全場應(yīng)變分布情況，由膠體的應(yīng)變變形數(shù)據(jù)即可反映出內(nèi)應(yīng)力的變化和分布趨勢。同時(shí)使用ANSYS有限元分析軟件對(duì)同一被測膠體進(jìn)行應(yīng)變仿真模擬研究，獲得膠體結(jié)構(gòu)的變形場仿真數(shù)據(jù)。組建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：實(shí)際測量變形量約為1.189 μm，仿真的最大變形量為1.088 μm，測量誤差在允許范圍內(nèi)，且測量的形變趨勢與仿真模擬結(jié)果相一致，表明激光剪切散斑干涉技術(shù)可應(yīng)用于SU-8光刻膠的應(yīng)變分布全場無損檢測。

剪切散斑干涉；SU-8光刻膠；應(yīng)力分布；應(yīng)變；仿真模擬

1　引　言

SU-8光刻膠是一種樹脂型的高聚合物，因?yàn)槠渚哂辛己玫臋C(jī)械、物理、力學(xué)、光學(xué)等性能，從而成為制作高深寬比結(jié)構(gòu)的全金屬光柵的首選膠[1]。但是，在光刻工藝中，SU-8膠會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致SU-8膠膠層出現(xiàn)裂紋或從基片上脫落，破壞其圖形結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。因此，SU-8膠膠層的內(nèi)應(yīng)力研究對(duì)保證制作全金屬光柵工件的工藝質(zhì)量十分重要[2]。

目前，SU-8膠的內(nèi)應(yīng)力研究大多只是為了滿足各種具體微結(jié)構(gòu)的制作要求而進(jìn)行的優(yōu)化[3-5]，或是對(duì)內(nèi)應(yīng)力的仿真模擬，對(duì)工藝過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的實(shí)際定性定量研究卻很少有研究報(bào)道。由于涂膠的特殊性，所以無法采用傳統(tǒng)的應(yīng)變片等接觸式的應(yīng)力測量方法。文獻(xiàn)[6]中提出了一種通過計(jì)算曲率半徑的變化來計(jì)算內(nèi)應(yīng)力的理論模型，它是一種機(jī)械式的接觸測量方法，通過機(jī)械測頭掃描測量膠體的輪廓尺寸，然后再間接計(jì)算出應(yīng)力數(shù)據(jù)。該方法只能進(jìn)行單點(diǎn)近似間接測量，且接觸式測量方法較復(fù)雜。由于膠體的變形應(yīng)變是由內(nèi)應(yīng)力引起的，因此獲得膠體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變形數(shù)據(jù)即可反映出內(nèi)應(yīng)力的分布和變化。數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)可以實(shí)現(xiàn)全場非接觸變形應(yīng)變測量[7]，但是由于測量表面需要有散斑，而在膠體表面無法加工散斑，因此無法應(yīng)用DIC測量膠體的變形應(yīng)變場。

本文提出了一種適合于SU-8膠應(yīng)變的全場非接觸測量方法，該方法基于激光剪切散斑干涉技術(shù)(Shearography)測量原理，獲取SU-8膠應(yīng)變場數(shù)據(jù)，從而反映出膠體內(nèi)應(yīng)力的分布趨勢。該方法具有全場、無損、非接觸的優(yōu)勢。本文對(duì)所提出的測量方法進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，并通過ANSYS有限元分析軟件仿真了特定情況下SU-8膠內(nèi)應(yīng)力的分布趨勢和最大變形量，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與仿真軟件分析結(jié)果基本吻合。膠體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布趨勢的測量與分析為提高SU-8膠工藝制作的穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)。

2　激光剪切散斑干涉測量原理

激光剪切散斑干涉技術(shù)是20世紀(jì)80年代末至90年代初發(fā)展并逐漸成熟起來的新型激光全場測量技術(shù)，具有全場、無損、非接觸的優(yōu)勢，通過計(jì)算被測物受激光照射后產(chǎn)生的干涉散斑場的相位信息來檢測被測物的變形梯度，即應(yīng)變[8]。

圖1　激光剪切散斑干涉原理 Fig.1　Principle diagram of laser shearing speckle interference

該技術(shù)基本原理如圖1所示，由激光器發(fā)出的激光通過擴(kuò)束鏡擴(kuò)束以后照射在被測物表面，從被測物表面漫反射的光束通過邁克爾遜剪切裝置后成像在CCD相機(jī)的靶面上，CCD相機(jī)連接計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)采集、保存并處理CCD系統(tǒng)接收的圖像。邁克爾遜剪切裝置由一個(gè)分光棱鏡和兩個(gè)反射鏡組成，反射鏡1沿光軸垂直方向傾斜一個(gè)微小的角度，反射鏡2垂直于光軸；被測物漫反射的光通過分光棱鏡分成兩束，分別由反射鏡1和反射鏡2對(duì)其反射，由于反射鏡1的傾斜設(shè)置，由其反射后的光束也將偏轉(zhuǎn)一定的角度，而反射鏡2垂直設(shè)置，由其反射后的光束依舊平行于光軸，兩束反射光再次通過分光棱鏡，共同通過CCD成像系統(tǒng)并在CCD靶面上形成兩個(gè)相互錯(cuò)位的像，這兩個(gè)相互錯(cuò)位的像相互干涉成一幅剪切散斑干涉圖像。

剪切散斑干涉圖的強(qiáng)度可以表示為：

(1)

式中，I0為背景光強(qiáng)，γ為對(duì)比度，θ為物體表面兩個(gè)相互干涉點(diǎn)光波的相位差。

對(duì)物體施加一定載荷使物體發(fā)生變形，在剪切散斑干涉技術(shù)的應(yīng)用中，被測物的變形都在微米級(jí)，可以認(rèn)為物體變形前后背景光強(qiáng)和對(duì)比度保持不變。物體變形后，光波將形成一個(gè)相應(yīng)的相位變化Δ，故物體變形后的散斑圖強(qiáng)度為：

(2)

將變形前后光場強(qiáng)度進(jìn)行相減即可獲得剪切散斑干涉條紋圖：

Id=I2-I1=

(3)

同時(shí)，剪切量相比較物體到CCD靶面及激光器很小，因此相對(duì)相位差Δ可由下式表示：

(4)

式中，α為激光照射角，δu為被測物表面相互干涉的兩點(diǎn)之間X方向上變形量的差(本文設(shè)定剪切方向?yàn)閄方向)，δw為相互干涉的兩點(diǎn)之間面外方向上變形量的差。設(shè)干涉兩點(diǎn)的剪切距離為δx，上式可化為：

(5)

通過調(diào)整照射角度α接近于 0，可知測量所得的相對(duì)相位差與面外位移w對(duì)x的偏導(dǎo)相關(guān)：

(6)

根據(jù)相對(duì)相位差即可得出物體變形導(dǎo)數(shù)信息。通過相移技術(shù)[9-10]可獲得剪切散斑干涉的相對(duì)相位差。例如，對(duì)一個(gè)四周固定、中心加載的方形鋁板試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，令剪切方向?yàn)閄方向，采用時(shí)間相移技術(shù)，獲得相對(duì)相位條紋圖(如圖2(a)所示)，該相位條紋圖的形狀和分布反映了被測物的面外變形信息。

由于測量獲得的是變形的導(dǎo)數(shù)，因此需要通過積分方法來計(jì)算出實(shí)際的變形量。式(6)可以變形為：

(7)

將變形導(dǎo)數(shù)通過積分方法[11-12]，即根據(jù)公式：

(8)

圖2　相位條紋及形變量分布 Fig.2　Phase map and curve of shpae variable distribution

3　實(shí)驗(yàn)與討論

3.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)所用光刻膠試片為銅基底加SU-8膠組成，表1列出了銅和SU-8膠的性能參數(shù)，隨著溫度的變化，其泊松比、密度以及熱膨脹系數(shù)等變化不大，為固定值，當(dāng)溫度變化時(shí)，由于SU-8膠與銅基底的熱膨脹系數(shù)相差很大，且SU-8膠熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于銅基底，因此，SU-8膠體將會(huì)凹曲變形，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。因此只要獲得膠體試樣的變形數(shù)據(jù)即可反映出膠體的內(nèi)應(yīng)力分布。

表1　材料的性能參數(shù)

本文實(shí)驗(yàn)采用已拋光的銅基底片和美國Microchen公司生產(chǎn)的SU-8光刻膠(3050)，如圖3所示，銅基底長寬為5 cm×5 cm，厚度為3 mm，其表面涂覆的光刻膠的厚度為400 μm，本文試片光刻工藝與文獻(xiàn)[13]中一致，即旋涂，前烘，曝光，后烘，顯影。SU-8光刻膠的內(nèi)應(yīng)力主要來自于后烘過程，本文試片后烘溫度為90 ℃，光刻膠為高聚物。

圖3　涂覆光刻膠的銅片 Fig.3　Photoresist on the sheet copper

3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在光學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)上，根據(jù)激光剪切散斑干涉技術(shù)測量原理(圖1)，搭建實(shí)驗(yàn)測量裝置。如圖4所示，將涂覆了SU-8光刻膠的銅片固定在夾持器上，選用功率為200 mW的單縱模綠色激光器，分光棱鏡為單波長分光棱鏡，CCD攝像系統(tǒng)選用200萬像素面陣相機(jī)。設(shè)定工作距離D為200 mm，選用焦距f=25 mm的成像鏡頭，調(diào)節(jié)反射鏡1設(shè)置剪切量為5 mm，用反射鏡2后的壓電陶瓷裝置實(shí)現(xiàn)時(shí)間相移。

圖4　剪切散斑干涉測量裝置 Fig.4　Shearing speckle interferometry device

通過加熱裝置對(duì)被測物進(jìn)行均勻熱加載，溫度降低時(shí)，如果內(nèi)應(yīng)力為零，降溫引起的變形是均勻的，即產(chǎn)生剛性變形，經(jīng)過計(jì)算機(jī)計(jì)算后不會(huì)產(chǎn)生相位條紋圖；如果膠體內(nèi)應(yīng)力不為0時(shí)，降溫引起的變形是非均勻的，而這非均勻的變形即會(huì)引起相位的變化，經(jīng)過計(jì)算后產(chǎn)生相位條紋圖。通過計(jì)算該條紋圖即可獲得膠體的應(yīng)變變形數(shù)據(jù)。

3.3實(shí)驗(yàn)分析

圖5　膠體變形的相位條紋 Fig.5　Phase map of the photoresist deformation

由CCD攝像系統(tǒng)拍攝并由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)保存的加載前后的散斑圖，利用自編軟件通過使用時(shí)間相移技術(shù)原理對(duì)其進(jìn)行相位提取，并經(jīng)過濾波處理后得到表征SU-8膠變形的相位條紋圖，如圖5所示。分析條紋整體分布，可以看到，圖5中條紋由中間區(qū)域分別向左右兩端延伸并聚攏于中間區(qū)域，由剪切散斑干涉原理可知中間區(qū)域形變量最大，故在中間區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中。

為了更直觀地分析SU-8膠應(yīng)力分布，對(duì)圖5其進(jìn)行相位解包裹處理，得到被測膠的面外變形導(dǎo)數(shù)情況，為方便觀察，選取圖5中直線所在像素，通過對(duì)其變形導(dǎo)數(shù)進(jìn)行積分，得到恢復(fù)成原始相位的變形量，如圖6所示。縱坐標(biāo)為變形量，橫坐標(biāo)為試樣的位置。在實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)文獻(xiàn)[9]中結(jié)論，保持左邊剪切量范圍內(nèi)變形量為0。從圖6中可以明顯看出，SU-8光刻膠變形量沿從膠體中心到兩端逐漸減小，中間區(qū)域變形量最大，約為1.189 μm。

圖6　黑線區(qū)域的變形量 Fig.6　Deformation of the measuring result in the black line

為了驗(yàn)證本文所做實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果是否準(zhǔn)確，使用ANSYS有限元分析軟件對(duì)上述被測SU-8膠試片進(jìn)行有限元分析，根據(jù)表1中的性能參數(shù)來定義材料的屬性值，建模所采用的單元類型為SOLID185，將模型的結(jié)構(gòu)特性假設(shè)為：SU-8膠為粘彈性材料，銅基片假定為勻質(zhì)、各向同性的彈性材料，材料的力學(xué)性能服從胡克定律；SU-8膠層表面不施加約束，只對(duì)銅基片側(cè)面的兩底邊施加自由度約束，以限制其剛性位移。使用自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為0.001 mm，在后烘溫度為90 ℃、降溫速率為10 ℃/h的條件下，利用熱-結(jié)構(gòu)耦合場直接法對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析[14-15]， 得到變形量分布情況如圖7所示，從圖7中可以看出，變形量沿x方向從膠體中心到兩端逐漸減小，表明中間區(qū)域應(yīng)力最大。由此可見仿真結(jié)果與前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是對(duì)應(yīng)一致的。仿真的最大變形量為1.088 μm。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的差異，這是由于仿真是按照理想涂膠狀態(tài)計(jì)算的結(jié)果，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)由于受涂膠均勻性、銅片變形和溫度變化等因素影響，造成測量結(jié)果與仿真結(jié)果還是有一定的差異，但是整體的膠體變形趨勢是一致的，驗(yàn)證了本方法的適用性。

圖7　膠體結(jié)構(gòu)變形仿真ANSYS有限元分析圖 Fig.7　ANSYS simulation of photoresist structure deformation

4　結(jié)　論

本文提出了一種基于激光剪切散斑干涉的SU-8光刻膠應(yīng)變測量的新方法，并對(duì)制作的SU-8光刻膠試片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)，使用ANSYS有限元分析軟件對(duì)同一SU-8光刻膠進(jìn)行了應(yīng)變仿真模擬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果顯示最大形變量分別為1.189 μm和1.088 μm，誤差在可允許測量誤差范圍之內(nèi)，且兩種方法獲得的應(yīng)力分布趨勢是一致的，表明使用激光剪切散斑干涉技術(shù)可應(yīng)用于SU-8光刻膠應(yīng)變分布測量。

使用激光剪切散斑干涉技術(shù)對(duì)SU-8光刻膠內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行測量，是一種新型的光刻膠應(yīng)力測量技術(shù)，具有無損、非接觸、全場的優(yōu)勢，實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果對(duì)光刻膠工藝的優(yōu)化具有十分重要的意義。目前實(shí)驗(yàn)研究限于應(yīng)變分布情況的研究，下一步工作方向?qū)⑦M(jìn)行SU-8光刻膠應(yīng)力定量研究。

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Whole field optical detection method of strain distribution of SU-8 photoresist

WANG Xin, WANG Yong-hong*, LYU You-bin, LU Yi-ru,TU Si-qi

(School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)*Correspondingauthor,E-mail:yhwang@hfut.edu.cn

The quality of full metal grating is affected by internal stress of SU-8 photoresist. Considering the stress measurement of SU-8 photoresist is difficult in recent years, the shearography is applied to measure the strain distribution of SU-8 photoresist which corresponds to the stress distribution of SU-8 photoresist. Strain distribution is acquired by processing interferometer images which are recorded before and after loading on the tested photoresist. The simulation result of the same photoresist is obtained by using the ANSYS finite element analysis software. The shearography measurement system is setup and demonstration experimental is carried out. The deformation of actual measurement is about 1.189 μm, and the deformation of simulation is 1.088 μm. The measurement error is in the allowed range. The deformation trend of experimental result is consistent with the simulation result. Results show that the shearography in SU-8 photoresist strain distribution measurement is valid and may be applied to measure whole field strain distribution of SU-8 photoresist in lossless.

shearography;SU-8 photoresist;stress distribution;strain;simulation

2016-02-12；

2016-03-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51375136),中航產(chǎn)學(xué)研專項(xiàng)資助項(xiàng)目(No.CXY2013HFGD22)

2095-1531(2016)03-0379-06

TP394.1； TH691.9

A

10.3788/CO.20160903.0379

王鑫(1990—)，女，安徽安慶人，碩士研究生，2013年于合肥工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事激光剪切散斑干涉技術(shù)方面的研究。E-mail:wangxinqj@126.com

王永紅(1972—)，男，安徽合肥人，博士后，教授，研究生導(dǎo)師，1994年于合肥工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,1997年于中科院安徽光機(jī)所獲得碩士學(xué)位，2004年于合肥工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事精密測試技術(shù)及儀器、光電檢測、機(jī)器視覺等方面的研究。E-mail:yhwang@hfut.edu.cn

Supported by National Natural Science Foundation of China(No.51375136), Special Project of University & Research of AVIC(No.CXY2013HFGD22)