李剛 李大維 趙清華 菅傲群 王開(kāi)鷹 胡杰 桑勝波 程再軍 孫偉

摘 要 利用斜光刻技術(shù)替代傳統(tǒng)的直光刻技術(shù)在相同底面積的基礎(chǔ)上增大微陣列比表面積制備了高比表面積三維微陣列結(jié)構(gòu)，。首先，利用MATLAB仿真對(duì)微陣列排布方式進(jìn)行分析，確定最佳單個(gè)柱體寬度及陣列間距。實(shí)驗(yàn)中，采用兩次甩膠法將SU-8光刻膠均勻旋涂在2寸硅基底上，甩膠轉(zhuǎn)速設(shè)為1500 r/min，旋涂時(shí)間設(shè)為35 s；分別置于65℃烘臺(tái)上保持20 min和95℃烘臺(tái)上保持70 min進(jìn)行兩次前烘處理；隨后進(jìn)行雙向斜曝光，微柱寬度為20 μm，陣列間距為30 μm，光刻角度為20°。最后，再通過(guò)高低溫后烘處理并顯影30 min成功制備出了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的“X”型三維微陣列結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞 三維微陣列； 斜光刻技術(shù)； SU-8光刻膠； 比表面積

1 引 言

SU-8光刻膠是一種環(huán)氧型、近紫外線負(fù)膠，具有良好的機(jī)械、光學(xué)、物理和抗腐蝕性質(zhì)。由于SU-8膠在近紫外光范圍內(nèi)光吸收度低，具有很高的透光性能，整個(gè)光刻膠層可獲得的曝光量一致，通過(guò)對(duì)SU-8膠進(jìn)行光刻可制得具有垂直側(cè)壁和高深寬比的厚膜圖形，這種工藝可部分取代LIGA技術(shù)，避免LIGA工藝中昂貴的同步輻射光源和特制的掩模板的限制[ 1～5]。因此，SU-8膠被廣泛應(yīng)用于制備具有高深寬比的微結(jié)構(gòu)。Wang提出通過(guò)對(duì)SU-8膠進(jìn)行光刻制備三維微電極結(jié)構(gòu)，提高微型超級(jí)電容器中電極的比表面積[6]；Duy借助SU-8高深寬比特性制備的三維微柱為平臺(tái)，設(shè)計(jì)出了高性能的氣體傳感器[7]；Al-Shehri等利用SU-8膠高深寬比的特性，研究制備了微流體流動(dòng)特性的模板[8]。然而，制備SU-8膠高深寬比微結(jié)構(gòu)， 大多研究是通過(guò)對(duì)溫度、時(shí)間等工藝參數(shù)的優(yōu)化， 在直光刻技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的[9]。隨著微結(jié)構(gòu)深寬比的增加，膠層厚度也必然相應(yīng)增大，會(huì)給器件微型化、工藝條件帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)[10，11]。因此，在不增加膠層厚度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)在相同底面積上更高的比表面積更具現(xiàn)實(shí)意義。

本研究提出利用斜光刻技術(shù)對(duì)SU-8膠雙向斜光刻形成堆疊的“X”型三維微陣列結(jié)構(gòu)，在直光刻基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大了材料的比表面積。為了制備比表面積大且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的“X”型微陣列結(jié)構(gòu)，本研究在斜光刻的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論模型分析研究微陣列最佳排布方式，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索最佳工藝參數(shù)，解決硅片和膠層熱收縮率不同而可能導(dǎo)致的圖形坍塌、扭曲變形問(wèn)題，以及“X”型結(jié)構(gòu)孔洞中可能出現(xiàn)的堵塞、粘連情況。

2 斜光刻理論分析及實(shí)驗(yàn)制備

2.1 斜光刻表面積影響因素分析

理論上，利用斜光刻技術(shù)替代傳統(tǒng)的直光刻技術(shù)，可以在相同底面積、相同厚度基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大微陣列比表面積。微陣列的表面積是由曝光角度θ和微結(jié)構(gòu)的陣列密度共同決定。在膠層厚度一定的條件下，傾斜角度越大，陣列的表面積越大。當(dāng)曝光角度固定時(shí)，三維微結(jié)構(gòu)比表面積將由微結(jié)構(gòu)的陣列密度即微陣列的排布方式?jīng)Q定。

如圖1所示，決定陣列密度的兩個(gè)參數(shù)分別是單個(gè)微柱寬度d及陣列間距（即掩膜寬度W）。因此，在曝光角度固定的條件下，研究這兩個(gè)參數(shù)對(duì)微陣列表面積的影響對(duì)于微陣列設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本研究將傾斜角度θ設(shè)定為20°，單個(gè)陣列的長(zhǎng)度a設(shè)定為常數(shù)50 μm。

將圖1虛線框所標(biāo)注內(nèi)的部分作為1個(gè)陣列單元，其表面積由8個(gè)側(cè)面、1個(gè)底面和1個(gè)頂面組成，考慮到“X”型結(jié)構(gòu)的堆疊效應(yīng)，去除頂面和底面間的交叉面積，底面和頂面的面積之和是一定值，因此，在分析計(jì)算陣列單元表面積的影響因素時(shí)，頂面和底面面積無(wú)需考慮?！癤”型結(jié)構(gòu)中1個(gè)陣列單元的表面積可表示為：

根據(jù)公式（2），在忽略邊緣微陣列不完整的情況下，可通過(guò)MATLAB仿真分析得出：在面積固定的硅襯底上，所制備的微陣列結(jié)構(gòu)總表面積S分別與掩膜寬度W、單個(gè)微柱寬度d之間的關(guān)系，仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2的整體趨勢(shì)可以看出：選定傾斜角度為20°時(shí)，整個(gè)三維曲面的最高點(diǎn)既為微陣列總表面積的最大值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的單個(gè)微柱寬度d約為15 μm，掩膜寬度W約為20 μm，微陣列表面積S的最大值約為3.3×107 μm2。微陣列表面積S隨單一參量的變化關(guān)系也可通過(guò)分析圖2得出：當(dāng)掩膜寬度W為定值時(shí)，隨著單個(gè)微柱寬度d的增大，微陣列的總表面積S不斷縮小；而當(dāng)單個(gè)微柱寬度d為定值時(shí)，微陣列的總表面積S隨掩膜寬度W的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

2.2 實(shí)驗(yàn)制備流程

為了制備比表面積大且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的“X”型三維微陣列結(jié)構(gòu)，在掩膜板設(shè)計(jì)時(shí)，參考上述MATLAB仿真結(jié)果，同時(shí)考慮到紫外曝光的分辨率，我們將單個(gè)微柱寬度d設(shè)定為20 μm，陣列間距也設(shè)定為30 μm。如圖3所示，“X”型三維微陣列結(jié)構(gòu)的初步制備工藝主要有5個(gè)步驟：

（1）選取2寸硅片作為基底，硅片依次在二甲苯、丙酮、酒精、H2SO4/H2O2、氨水/H2O2、HCl/H2O2 中清洗， 以去除油污、氧化膜和金屬離子等有機(jī)或無(wú)機(jī)污染物。將清洗后的硅片置于烘臺(tái)上加熱至45℃。（2）采用兩次甩膠法均勻旋涂較厚的SU-8-2100光刻膠層。第一次甩膠的轉(zhuǎn)速設(shè)為1500 r/min，旋涂時(shí)間設(shè)為35 s； 第一次甩膠完成后， 先對(duì)光刻膠進(jìn)行15 min的烘干固定，接著進(jìn)行第二次甩膠，轉(zhuǎn)速和時(shí)間不變。通過(guò)兩次涂膠，SU-8膠厚度可達(dá)到500 μm。（3）兩次甩膠完成后，將涂有SU-8膠的硅片放置在65℃烘臺(tái)上保持20 min，再調(diào)節(jié)烘臺(tái)至95℃保持70 min。（4）將涂好光刻膠的硅片固定在載物臺(tái)上，對(duì)SU-8光刻膠進(jìn)行雙向斜曝光，如圖3所示。光刻角度θ為20°，曝光時(shí)間為120 s。曝光后將樣品置于烘臺(tái)上進(jìn)行后烘處理：首先將溫度調(diào)節(jié)至65℃，時(shí)間為30 min，隨后，調(diào)節(jié)至 95℃并保持90 min。（5）將樣品浸泡在SU-8顯影液中，常溫超聲顯影30 min。

3 結(jié)果與討論

3.1 陣列結(jié)構(gòu)坍塌影響分析

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)方案，如圖4所示，成功地制備出微陣列結(jié)構(gòu)，獲得了希望得到的多層“X”型結(jié)構(gòu)。然而，從微陣列的SEM圖還可以看到部分“X”型結(jié)構(gòu)發(fā)生了坍塌。

導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌的可能原因是： 在實(shí)驗(yàn)的后烘階段，硅片和SU-8膠的溫度從常溫迅速升至95℃，由于硅片與SU-8光刻膠的熱膨脹系數(shù)不同，微陣列及孔洞產(chǎn)生的應(yīng)力將得不到有效釋放，這些未能釋放的殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲甚至坍塌。因此，在降低升溫過(guò)程中， 由于材料熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的殘余應(yīng)力將是解決微陣列坍塌的潛在手段。

為了降低材料膨脹系數(shù)不同的影響，采取兩種方法：首先，曝光前將涂好光刻膠的硅片先置于45℃的烘臺(tái)上預(yù)熱，使SU-8膠在一定溫度下曝光產(chǎn)生孔洞，其目的是減少硅片和SU-8膠在后烘階段由于溫度變化過(guò)大產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)坍塌。同時(shí)，還可避免殘余應(yīng)力過(guò)大使微陣列在加熱和自然冷卻的過(guò)程中從硅片上脫落下來(lái)。其次，采用縮短微陣列結(jié)構(gòu)的整體長(zhǎng)度的方法，將較長(zhǎng)陣列“截?cái)唷背蓭讉€(gè)較短陣列，進(jìn)一步降低在單位陣列上的殘余應(yīng)力。根據(jù)硅片和SU-8膠熱膨脹差Δ的表達(dá)式：

Symbolm@@ 6， TMAX是加熱的最大溫度為95℃， T0是室溫為25℃。當(dāng)設(shè)計(jì)的微陣列長(zhǎng)度為40 mm時(shí)，溫度變化的范圍最高可達(dá)70℃。由此，可以計(jì)算出膠層結(jié)構(gòu)的熱膨脹變化是138 μm，相對(duì)于微結(jié)構(gòu)陣列來(lái)說(shuō)，熱膨脹差較大。因此，整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭曲變形的情況，如圖4所示。理論上，如果將結(jié)構(gòu)截?cái)喑蓛蓚€(gè)相同部分，熱膨脹差將縮短至1/2， 也就說(shuō)每個(gè)陣列所受到的由于膨脹差帶來(lái)的殘余應(yīng)力將減少為原來(lái)的1/2。如圖5所示，將陣列長(zhǎng)度由40 mm 截?cái)喑蓛蓚€(gè)20 mm陣列， 微陣列圖形較為整齊且坍塌、扭曲現(xiàn)象基本得到了解決。因此，通過(guò)對(duì)涂好光刻膠的硅片進(jìn)行預(yù)熱和縮短陣列長(zhǎng)度，可有效地解決由于材料熱膨脹系數(shù)不同帶來(lái)的坍塌和變形問(wèn)題。

3.2 陣列孔洞堵塞影響分析

如前所述，按照上述工藝改進(jìn)方案可以有效解決三維微陣列的坍塌和變形問(wèn)題，但是，如果將微陣列放大至更高倍數(shù)，如圖6所示，可以觀察到“X”型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的孔洞較小，孔洞間還存在堵塞、粘連的問(wèn)題。

可能的原因是：曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致曝光過(guò)程中SU-8膠的交聯(lián)度過(guò)大； 同時(shí)，后烘溫度過(guò)高會(huì)引起光刻膠中的光活性物質(zhì)橫向擴(kuò)散，圖案定型速度加快，圖形質(zhì)量下降，導(dǎo)致大多數(shù)孔洞產(chǎn)生堵塞，難以形成較大的通孔。

通過(guò)上述分析可以看出，減少曝光時(shí)間和降低后烘溫度可能是解決微陣列孔洞堵塞和粘連問(wèn)題的有效方法。在先前實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將曝光時(shí)間縮短到80 s，后烘溫度降低到80℃但時(shí)間延長(zhǎng)到2 h，如圖7a所示，“X”型三維微陣列結(jié)構(gòu)整齊、基本保持垂直狀態(tài)，未發(fā)生坍塌和扭曲現(xiàn)象。

同時(shí)，從圖7b中可以觀察到， 工藝優(yōu)化后微陣列中孔洞大小基本保持一致且形狀、形態(tài)良好；孔洞直徑明顯增加，單個(gè)孔洞的平均水平長(zhǎng)度可達(dá)到15.9 μm，平均垂直長(zhǎng)度可達(dá)到68.3 μm，孔洞堵塞和粘連現(xiàn)象得到有效改善。

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)提出利用斜光刻技術(shù)制備“X”形三維微陣列結(jié)構(gòu)，在直光刻基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大了材料的比表面積。首先，通過(guò)MATLAB仿真理論分析得出了微陣列表面積單個(gè)柱體寬度及陣列間距的關(guān)系。在微陣列制備過(guò)程中，分析得出硅片和膠層熱膨脹系數(shù)的不同是導(dǎo)致微陣列坍塌和扭曲的可能原因，還得出了曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和后烘溫度過(guò)高是帶來(lái)微陣列中孔洞堵塞和粘連現(xiàn)象的可能原因，并提出了相應(yīng)的解決方案，成功制備出了比表面積大且結(jié)構(gòu)整齊穩(wěn)定的“X”型三維微陣列，單個(gè)孔洞的平均水平長(zhǎng)度可達(dá)到15.9 μm，平均垂直長(zhǎng)度可達(dá)到68.3 μm。

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