杜立群，陶友勝，李爰琪，齊磊杰

（1. 大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024；2.大連理工大學(xué)遼寧省微納米及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連116024）

MEMS慣性開關(guān)作為一種由彈簧和質(zhì)量塊構(gòu)成的慣性沖擊檢測(cè)傳感器，具有尺寸小、造價(jià)低、能耗少等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、運(yùn)輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用前景[1-3]。具有高深寬比的MEMS慣性開關(guān)在性能上要比一般的慣性開關(guān)更加優(yōu)越[4]。因此，高深寬比MEMS慣性開關(guān)的制作工藝備受關(guān)注。

近年來，UV-LIGA技術(shù)憑借其成本低、工藝周期短而在MEMS慣性開關(guān)的制作中得到應(yīng)用[5]。由于在近紫外波段具有較高的透明度以及較低的散射性，SU-8膠被認(rèn)為是制作高深寬比微結(jié)構(gòu)的首選光刻膠。以SU-8膠為犧牲層材料的多層UV-LIGA技術(shù)是制作金屬M(fèi)EMS慣性開關(guān)的有效方法[6-8]。

但隨著厚度和深寬比的增大，SU-8膠光刻的難度也越來越大。同時(shí)，基底材料與膠膜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度也會(huì)對(duì)制作產(chǎn)生影響。馬日紅等[9]研究發(fā)現(xiàn)：過曝光引起的嚴(yán)重衍射效應(yīng)使膠膜側(cè)壁出現(xiàn)“殘膠”，并通過優(yōu)化曝光劑量在硅基上得到深寬比微10∶1的SU-8微結(jié)構(gòu)。Zhang等[10]研究發(fā)現(xiàn)曝光劑量對(duì)高深寬比SU-8微溝道的線寬以及側(cè)壁傾角的影響較大，并通過優(yōu)化曝光劑量參數(shù)在硅基上完成了深寬比19∶1的SU-8微溝道柵格的制作。張金婭等[11]研究發(fā)現(xiàn)不恰當(dāng)?shù)墓饪虆?shù)會(huì)導(dǎo)致“T-top” 現(xiàn)象，并通過優(yōu)化熱處理和曝光參數(shù)獲得了最高深寬比達(dá)27∶1的SU-8微結(jié)構(gòu)。以上這些研究在硅基底或玻璃基底上通過優(yōu)化光刻參數(shù)使用普通的UV-LIGA技術(shù)制作出深寬比很高的SU-8微結(jié)構(gòu)。但是，研究對(duì)象往往是“圓柱”、“棱柱”等一些簡單的單體結(jié)構(gòu)或簡單陣列結(jié)構(gòu)。

在制作多層金屬M(fèi)EMS慣性開關(guān)的工藝中，電鑄用SU-8膠模具需要在金屬基底或金屬種子層上制作，深寬比較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較高。SU-8膠與金屬的結(jié)合力低于SU-8膠與硅或玻璃材料的結(jié)合力，因此在金屬基底上難以獲得較大深寬比的SU-8膠微結(jié)構(gòu)[12]。同時(shí)，多層膠膜制作過程中，層與層之間的相互影響增大了光刻參數(shù)的控制難度[13]。此外，由于MEMS慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同尺寸的“陰”、“陽”圖形對(duì)光刻參數(shù)的要求往往相互牽制[14]。

綜上所述，在金屬層上制作高深寬比的多層SU-8膠膜的難度較大。本課題組前期研究了多層膠膜制作時(shí)，通過控制膠膜的均勻性，結(jié)合小曝光劑量完成了復(fù)雜結(jié)構(gòu)膠膜的制作，隨后通過電鑄得到最大深寬比為6∶1的金屬 MEMS慣性開關(guān)[6，13]。

本文研制的MEMS慣性開關(guān)最大深寬比達(dá)20∶1，其中單層最大深寬比超過10∶1。這種超高深寬比的MEMS慣性開關(guān)的制作目前還鮮有報(bào)道。本文基于電化學(xué)沉積技術(shù)利用SU-8膠作為微電鑄模具材料在金屬基底上通過5次SU-8膠光刻工藝和5次微電鑄工藝制作出了高深寬比無源MEMS慣性開關(guān)。針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、深寬比高的SU-8膠膜顯影側(cè)蝕導(dǎo)致制作失敗的問題，研究了不同光刻參數(shù)對(duì)SU-8膠膜制作效果的影響。設(shè)計(jì)了9組不同曝光劑量與后烘時(shí)間的光刻試驗(yàn)，通過對(duì)比分析得出最優(yōu)光刻參數(shù)。并將光刻試驗(yàn)獲得的最優(yōu)光刻參數(shù)應(yīng)用于MEMS慣性開關(guān)的制作工藝中，收到了很好的效果。

高深寬比SU-8膠光刻工藝研究

本文研制的無源MEMS慣性開關(guān)由6部分組成：環(huán)狀懸浮質(zhì)量塊、環(huán)狀柔性電極、固定電極、限位擋環(huán)、質(zhì)量塊支撐彈簧以及柔性電極支撐彈簧，如圖1所示。

根據(jù)開關(guān)不同部分的功能差異以及尺寸差異，開關(guān)的制作采用SU-8膠疊層工藝，分5層完成。其中第4層SU-8光刻膠模的最細(xì)線寬為12μm，最大深寬比為10∶1，如圖1中的局部放大圖。這部分SU-8膠膜制作難度最大。因此在開關(guān)制作前，先進(jìn)行光刻工藝研究。

1 SU-8膠膜“側(cè)蝕”現(xiàn)象

制作過程中，高深寬比、細(xì)線寬SU-8膠膜因“側(cè)蝕”造成了膠膜變形，影響制作精度。嚴(yán)重時(shí)，膠膜底部出現(xiàn)“蝕空”現(xiàn)象，如圖2所示。蝕空的細(xì)線寬膠膜在電鑄后會(huì)造成限位擋圈和柔性電極粘連，如圖3所示。

出現(xiàn)“側(cè)蝕”現(xiàn)象的主要原因?yàn)閷?duì)于SU-8膠而言，紫外光的能量使光引發(fā)劑產(chǎn)生強(qiáng)酸，強(qiáng)酸在后烘階段將促使聚合物發(fā)生交聯(lián)。交聯(lián)反應(yīng)使曝光區(qū)域的有機(jī)分子的分子量劇增，同時(shí)形成穩(wěn)固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。大分子結(jié)構(gòu)在顯影液中的溶解度很低，最終得以保存。而分子量較小的聚合物將在顯影液中發(fā)生溶解。曝光和后烘步驟中SU-8膠中的聚合物交聯(lián)不足會(huì)使曝光區(qū)域中生成的網(wǎng)狀大分子的密度降低。而顯影液會(huì)溶解掉這部分的聚合物，導(dǎo)致“側(cè)蝕”現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 無源MEMS慣性開關(guān)三維模型圖Fig.1 3D model of passive MEMS inertial switch

圖2 SU-8膠嚴(yán)重“側(cè)蝕”現(xiàn)象Fig.2 Serious“l(fā)ateral erosion”of SU-8

圖3 零件間隙“粘連”現(xiàn)象Fig.3 Phenomenon of“adhesion”

雖然SU-8膠對(duì)i線的紫外光的吸收率很低，但是厚度較大的膠膜依然會(huì)吸收一定的紫外光。同時(shí)曝光機(jī)產(chǎn)生的紫外光并不精確地聚集在i線。以上這兩個(gè)因素綜合作用使得SU-8膠底部的曝光劑量一般小于頂部，因此對(duì)深寬比高的SU-8膠膜施加正?；蜉^小的曝光劑量時(shí)，底部膠膜易發(fā)生側(cè)蝕。

雖然增大曝光劑量可以使SU-8膠底部交聯(lián)度達(dá)到要求，但是頂部勢(shì)必出現(xiàn)過度交聯(lián)的情況，從而在細(xì)線寬SU-8膠溝道處會(huì)產(chǎn)生“顯影發(fā)黑”的現(xiàn)象，如圖4所示。

2 SU-8膠光刻試驗(yàn)

由于曝光劑量以及后烘工藝是影響SU-8膠中聚合物交聯(lián)程度的關(guān)鍵因素，為了尋求高深寬比厚膠光刻工藝的最優(yōu)參數(shù)組合，針對(duì)光刻工藝的主要工藝參數(shù)——曝光劑量和后烘時(shí)間開展如下的試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)材料包括9片64cm×64cm的不銹鋼板（022Cr17Ni12Mo2）以及SU-8 2075光刻膠（根據(jù)Micro Chem公司提供的信息結(jié)合所需膠膜厚度以及基底材料，選擇SU-8 2075型光刻膠，后文均簡寫為“SU-8膠”，不作贅述）。樣片的制作流程如下：

（1）基板前處理：使用研磨拋光機(jī)對(duì)樣片進(jìn)行磨削、拋光處理。然后依次將樣片浸入丙酮、乙醇溶液并使用超聲清洗機(jī)進(jìn)行清洗。最后，用去離子水將基底沖洗干凈，并用氮?dú)鈱⑵浯蹈伞?/p>

（2）勻膠：使用旋轉(zhuǎn)勻膠機(jī)旋涂SU-8光刻膠。膠膜厚度約為110μm。

（3）前烘：使用烘箱對(duì)樣片進(jìn)行前烘，前烘參數(shù)為85℃、50min。

圖4 細(xì)線寬溝道“發(fā)黑”現(xiàn)象Fig.4 Phenomenon of "black"

（4）采用不同的曝光劑量和后烘時(shí)間對(duì)前烘之后得到的樣片進(jìn)行光刻處理，具體參數(shù)如表1所示。曝光劑量分為 250mJ/cm2、450mJ/cm2、650mJ/cm2；后烘時(shí)間分別為4min、7min、10min。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

圖5是在相同的顯影條件下，按照表1中的光刻參數(shù)得到的細(xì)線寬SU-8膠膜的“側(cè)蝕”情況圖。

3.1 曝光劑量對(duì)側(cè)蝕現(xiàn)象的影響

通過比較圖5中3組試驗(yàn)樣片：樣片 1、2、3，樣片 4、5、6 和樣片 7、8、9，發(fā)現(xiàn)通過增大曝光劑量可以明顯改善“側(cè)蝕”現(xiàn)象。當(dāng)后烘時(shí)間固定為4min，當(dāng)曝光劑量為250mJ/cm2時(shí)，細(xì)線寬SU-8膠膜側(cè)蝕非常嚴(yán)重，膠膜甚至發(fā)生了明顯的變形，見圖5（a）。圖5（a）中SU-8膠膜輪廓非常模糊，且出現(xiàn)明顯的“重影”，這些現(xiàn)象都表明膠膜發(fā)生了嚴(yán)重的側(cè)蝕。增加曝光劑量至450mJ/cm2時(shí)，膠膜變形基本得到消除，側(cè)蝕量減少，見圖5（b）。這說明通過增加曝光劑量可以提高SU-8膠曝光區(qū)域的交聯(lián)度，聚合物在顯影液中溶解度降低，溶解量減少。但是可以從圖5（b）中發(fā)現(xiàn)膠膜輪廓仍然不清晰，存在較明顯的側(cè)蝕現(xiàn)象。繼續(xù)增加曝光劑量至650mJ/cm2時(shí)，側(cè)蝕量進(jìn)一步降低，見圖5（c）。但是，膠膜另一處細(xì)線寬SU-8膠溝道在顯影后出現(xiàn)“發(fā)黑”現(xiàn)象，見圖6（a）。該處SU-8膠由于過曝光而發(fā)生過度交聯(lián)。過度交聯(lián)的部分在顯影液中很難被去除。因此，在光學(xué)顯微鏡下會(huì)觀察到“發(fā)黑”的現(xiàn)象。

表1 各樣片對(duì)應(yīng)的不同曝光劑量與后烘時(shí)間

圖5 不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的各樣片SU-8膠膜側(cè)蝕Fig.5 Lateral erosion of SU-8 films with different experimental parameters

同樣地，分別固定后烘時(shí)間為7min和10min，發(fā)現(xiàn)隨著曝光劑量的增大，“側(cè)蝕”逐漸得到改善，分別見圖5 （d）、（e）、（f）和圖5 （g）、（h）、（i）。但是，當(dāng)曝光劑量達(dá)到650mJ/cm2時(shí)，細(xì)線寬溝道均出現(xiàn)了“發(fā)黑”現(xiàn)象。很顯然，制作過程中無法從“發(fā)黑”的SU-8溝道中電沉積出符合要求的微結(jié)構(gòu)?！鞍l(fā)黑”現(xiàn)象的本質(zhì)是過度曝光產(chǎn)生的嚴(yán)重衍射效應(yīng)使細(xì)線寬溝道部分光刻膠發(fā)生交聯(lián)。因此，在具有細(xì)線寬溝道的SU-8膠膜制作過程中不宜使用較大的曝光劑量。

3.2 后烘時(shí)間對(duì)側(cè)蝕現(xiàn)象的影響

通過比較圖5中兩組試驗(yàn)樣片1、4、7和樣片 2、5、8，發(fā)現(xiàn)通過延長后烘時(shí)間可以改善“側(cè)蝕”現(xiàn)象。當(dāng)曝光劑量為250mJ/cm2、后烘時(shí)間為4min時(shí)，SU-8膠膜出現(xiàn)了明顯的變形及側(cè)蝕，如圖5（a）所示。延長后烘時(shí)間到7min，發(fā)現(xiàn)側(cè)蝕量明顯降低，且圖形變形量變小，如圖5（d）所示。這說明原先4min的后烘不足以使曝光區(qū)域的有機(jī)物交聯(lián)完全。當(dāng)延長后烘時(shí)間時(shí)，該區(qū)域的有機(jī)物的交聯(lián)度大大提高，“側(cè)蝕”現(xiàn)象得到改善。繼續(xù)延長后烘時(shí)間至10min時(shí)，發(fā)現(xiàn)“側(cè)蝕”現(xiàn)象改善的幅度較小，如圖5（g）所示。這說明7min的后烘熱量幾乎讓曝光產(chǎn)生的光酸完全參與到催化有機(jī)物交聯(lián)的反應(yīng)中去了。繼續(xù)提高后烘時(shí)間，曝光區(qū)域的交聯(lián)度提高幅度有限。

適當(dāng)提高曝光劑量至450mJ/cm2時(shí)，逐漸延長后烘時(shí)間，可以得到圖形質(zhì)量較高的SU-8膠膜，如圖5（e）、（h），即樣片5和樣片8。這兩個(gè)樣片的膠膜“側(cè)蝕”得到明顯改善，且膠膜圖形質(zhì)量也優(yōu)于其他樣片。此時(shí)的膠膜質(zhì)量基本滿足了制作要求。同時(shí)，細(xì)線寬SU-8膠溝道沒有出現(xiàn)“發(fā)黑”現(xiàn)象，線條輪廓非常清晰，如圖 6（b）。

通過比較試驗(yàn)樣片 3、6、9，發(fā)現(xiàn)當(dāng)曝光劑量增至650mJ/cm2時(shí)，無論怎么改變后烘時(shí)間，細(xì)線寬SU-8膠溝道均會(huì)出現(xiàn)“發(fā)黑”現(xiàn)象。

3.3 光刻工藝參數(shù)的優(yōu)化

正常曝光時(shí)，由于厚SU-8膠對(duì)紫外光的吸收，膠膜的中上部曝光劑量大于底部。如果通過增大曝光劑量使底部交聯(lián)度達(dá)到要求，SU-8膠中上部一定處于過曝光的狀態(tài)。過曝光會(huì)使SU-8膠溝道出現(xiàn)“發(fā)黑”現(xiàn)象。

后烘時(shí)，由于SU-8膠底部與熱板距離最近，吸收的熱量也最多。因此在同樣的曝光劑量下，底部的交聯(lián)度也會(huì)大于頂部。

綜合以上兩方面的分析結(jié)果，繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可以采用較低的曝光量、較長的后烘時(shí)間使底部交聯(lián)充足以抵御側(cè)蝕，而頂部交聯(lián)量適當(dāng)，避免出現(xiàn)“發(fā)黑”現(xiàn)象。對(duì)于厚度為110μm的SU-8膠的曝光劑量為40s×10.0mW/cm2，后烘時(shí)間為7min，優(yōu)化參數(shù)后得到了高質(zhì)量的SU-8膠膜，如圖7所示。

圖6 細(xì)線寬SU-8膠溝道顯影Fig.6 Development of fine-line SU-8 channel

MEMS慣性開關(guān)的制作

將優(yōu)化后的紫外光刻參數(shù)應(yīng)用到無源MEMS慣性開關(guān)的制作工藝中，開關(guān)的制作流程如圖8所示。其中，基底與光刻膠的選擇與上節(jié)一致。

1 基底預(yù)處理

首先，使用精密研磨拋光機(jī)對(duì)鋼基底進(jìn)行研磨拋光處理。然后，依次將樣片浸入丙酮、乙醇溶液并使用超聲清洗機(jī)進(jìn)行清洗。最后，用去離子水將基底沖洗干凈，并用氮?dú)鈱⑵浯蹈?。?jīng)過上述處理后，基底表面的油膜和有機(jī)物被去除干凈。

2 開關(guān)第1層制作

（1）SU-8膠光刻過程：使用旋轉(zhuǎn)勻膠機(jī)將SU-8光刻膠旋涂在基底上，膠膜厚度約為35μm。然后，將帶有SU-8膠膜的基底放置于烘箱中烘焙適當(dāng)時(shí)間，溫度為85℃。將完全冷卻的SU-8膠膜置于紫外光刻機(jī)上進(jìn)行曝光，曝光劑量為：310mJ/cm2。隨后，將SU-8膠膜連同基底放置于85℃的熱板上烘焙4min。最后，將冷卻至室溫的SU-8膠膜連同基底浸入SU-8膠顯影液中并施加均勻的低頻機(jī)械攪拌3min左右，即可得到所需的微電鑄用光刻膠模具。

圖7 優(yōu)化參數(shù)后得到的SU-8膠膜Fig.7 SU-8 muld obtained by optimized parameters

圖8 MEMS慣性開關(guān)的制作工藝流程Fig.8 MEMS inertial switch manufacturing process

（2）電鑄鎳：鎳電鑄液主要成分包 括 Ni（NH2SO3）2·4H2O（550g/L）、NiCl2（10g/L）、H3BO3（35g/L）。電鑄溫度為50℃，電鑄液pH值為3.8～4.2，電流密度為 1A/dm2，電鑄時(shí)間為4h。

3 開關(guān)第2層制作

多層光刻膠制作過程中，需要先對(duì)上1層的膠膜和金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行平坦化處理。然后，重復(fù)SU-8 2015膠光刻工藝獲得第2層結(jié)構(gòu)的SU-8膠膜，厚度約為50μm。電鑄時(shí)間約為5.5h。

4 開關(guān)第3層制作

首先，使用國產(chǎn)濺射儀在第2層表面濺射1層銅種子層。然后在銅種子層上制作約40μm厚的SU-8膠膜。電鑄時(shí)間約為4.5h。

5 開關(guān)第4層制作

再次濺射銅層作為導(dǎo)電種子層。然后在銅種子層上制作厚度約為110μm的SU-8膠膜。第4層此時(shí)使用優(yōu)化的光刻參數(shù)進(jìn)行紫外光刻工藝。曝光劑量為400mJ/cm2，后烘時(shí)間為7min。電鑄時(shí)間約為12h。

6 開關(guān)第5層制作

重復(fù)SU-8 膠光刻工藝來獲得第5層結(jié)構(gòu)的SU-8膠膜，厚度約為40μm。電鑄時(shí)間為4.5h。

7 SU-8膠的去除

將制作完成的微結(jié)構(gòu)連同基底浸入硫酸中煮沸，可將SU-8膠等有機(jī)物去除干凈，最終得到滿足尺寸精度要求的MEMS慣性開關(guān)微結(jié)構(gòu)，其SEM照片如圖9所示。

圖9 制作完成的MEMS慣性開關(guān)SEM圖Fig.9 SEM image of the MEMS inertial switch

結(jié)論

（1）本文基于電化學(xué)沉積技術(shù)使用SU-8膠為微電鑄模具材料在金屬基底上完成了一種高深寬比無源MEMS慣性開關(guān)的制作。

（2）針對(duì)制作過程中高深寬比、細(xì)線寬SU-8膠膜“側(cè)蝕”等問題進(jìn)行了研究。研究表明：隨著曝光劑量的增大，SU-8膠“側(cè)蝕”現(xiàn)象得到明顯改善，但曝光劑量增大到一定程度之后，細(xì)線寬SU-8膠溝道會(huì)出現(xiàn)“發(fā)黑”現(xiàn)象；隨著后烘時(shí)間的延長，SU-8膠膜“側(cè)蝕”現(xiàn)象也會(huì)得到改善。當(dāng)后烘時(shí)間超過7min后，改善程度不明顯。

（4）結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化光刻工藝參數(shù)，即采用較低曝光劑量與較長后烘時(shí)間的參數(shù)組合，完成了高質(zhì)量的微電鑄用光刻膠模具的制作。

（5）本文的研究成果可以為結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高深寬比的金屬微器件的制作提供參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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