CN101654217B

CN101654217B - 一种制作微元件的方法

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Publication number: CN101654217B
Application number: CN200810118652XA
Authority: CN
Inventors: 于中尧; 张瑶; 杨栈茨
Original assignee: Tsinghua University; CapitalBio Corp
Current assignee: Tsinghua University; CapitalBio Corp
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2028-08-21
Also published as: CN101654217A

Abstract

本发明公开了一种制作微元件的方法。该方法有两种，其一包括如下步骤：1)在基底表面制作环化橡胶负性光刻胶层；2)在环化橡胶负性光刻胶层上制作环氧基负性光刻胶层；3)进行光刻，得到微元件。另一种包括如下步骤：i)先在基底表面沉积电镀金属层；ii)在金属层表面制作环化橡胶负性光刻胶层；iii)在环化橡胶负性光刻胶层上制作环氧基负性光刻胶层；iv)光刻，得到具有三维微结构的器件；v)在具有三维微结构的器件上镀金属；vi)去除剩余的环氧基负性光刻胶和环化橡胶负性光刻胶，得到微元件。本发明的制作微元件的方法中使用环化橡胶负性光刻胶避免出现环氧基负性光刻胶在基底表面的龟裂和剥离。

Description

一种制作微元件的方法

技术领域

本发明涉及一种制作微元件的方法。

背景技术

环氧基负性光刻胶—SU-8光刻胶，被广泛用于微机电系统领域，用于制作具有高深宽比的三维微结构的生物芯片(BIOMEMS)。当三维结构中微槽的深度和宽度的比值比较大时，加工有一定难度，而且深宽比越大加工难度越大。由于SU-8具有较好的光刻性能，是能够实现几十微米厚度高深宽比微结构的有限几种材料之一。

SU-8光刻胶另一个应用是在基片上形成高深宽比的微加工图形，构成电铸厚金属的掩模，在金属电镀方面，比如凸点加工等方面具有很广泛的应用。在生物芯片领域中，广泛使用玻璃基片制作各种微流体结构。

SU-8胶在硅基片表面有良好的附着力，但在玻璃、金属如Ti、Cu等材料表面附着力较差，SU-8成膜后，膜的内应力随着膜厚度增大而增大，越厚的SU-8胶在基片上形成良好的三维微结构越困难，并且光刻后容易出现胶膜脱落和龟裂问题，难以形成要求的产品结构。

由于SU-8在玻璃表面附着力差，使得SU-8的应用受到非常大的限制。另外，SU-8有难以去除的问题，目前SU-8只能用强氧化性的酸去除，而这些强酸对于电镀的金属同样具有腐蚀性。

为了解决SU-8附着力问题和去除问题，现在采用的方法是在基片表面先制作一层粘附层材料，这层材料既与基片表面有良好的附着力也与SU-8有较好的附着力。美国MICRO CHEM公司生产一种以PGMI(Polydimethylglutarimide)为原料的Omini Coater是一种满足这一要求的粘附层材料。这种方法加工的SU-8易于去除，且与玻璃、Ti等金属有较高的附着力。但是，PGMI不是很普遍的化工产品，只能从MICRO CHEM购得，价格高，不易获得，并且PGMI的使用需要在200℃进行烘烤，对于无法耐受200℃温度的材料，应用受到限制。

环化橡胶负性光刻胶是1958年由美国柯达公司发明。因为该胶具有粘附性好，感光速度快，抗湿法刻蚀能力强等优点，很快成为电子工业中应用的主导胶种。20世纪80年代初它的用量一度占电子工业中可用光刻胶用量的90％。近年随着电子工业微细加工线宽的缩小，该系列负胶在集成电路制作中的应用逐年缩小，但在半导体分立器件的制作中仍有较多的应用。

该系列负胶以带双键基团的环化橡胶为成膜树脂，以含两个叠氮基团的化合物作为交联剂。交联剂在紫外线照射下叠氮基团分解形成氮宾，氮宾在聚合物分子骨架上吸收氢而产生碳自由基，使不同成膜聚合物分子间产生″桥″而交联。

发明内容

本发明的目的是提供一种制作微元件的方法。该方法使用常规试剂提高了环氧基负性光刻胶与基底的附着力，避免出现环氧基负性光刻胶在基底表面的龟裂和剥离，并且使环氧基负性光刻胶易于去除，全部加工温度可以在较低的温度下进行。

本发明提供了两种制作微元件的方法，其中一个方法包括如下步骤：

1)在基底表面制作环化橡胶负性光刻胶层；

2)在所述环化橡胶负性光刻胶层上制作环氧基负性光刻胶层；

3)进行光刻，得到微元件。

其中，所述步骤3)的光刻为光刻所述环氧基负性光刻胶层和所述环化橡胶负性光刻胶层。

上述方法中，在所述步骤1)和步骤2)之间还可包括光刻所述环化橡胶负性光刻胶的步骤。在该光刻所述环化橡胶负性光刻胶的过程中，可使用光刻掩膜版也可进行无掩膜曝光。当使用光刻掩膜版光刻环化橡胶负性光刻胶时，需要去除未曝光区域的环化橡胶负性光刻胶，此时，所述步骤3)的光刻为光刻所述环氧基负性光刻胶层，其中需要去除的是未曝光区域的环氧基负性光刻胶。

当对所述环化橡胶负性光刻胶层进行无掩膜光刻时，所述步骤3)的光刻为光刻所述环氧基负性光刻胶层，光刻中需要去除未曝光区域的环氧基负性光刻胶和未被所述环氧基负性光刻胶覆盖的曝光的环化橡胶负性光刻胶。

所述方法中，还可包括将所述微元件在150-200℃加热0.5-2小时的步骤，该步骤可提高环化橡胶负性光刻胶和环氧基负性光刻胶的结合力。

本发明提供的另一种制作微元件的方法，包括如下步骤：

i)先在基底表面沉积电镀金属层；

ii)在所述金属层表面制作环化橡胶负性光刻胶层；

iii)在所述环化橡胶负性光刻胶层上制作环氧基负性光刻胶层；

iv)光刻，得到具有三维微结构的器件；

v)在所述具有三维微结构的器件上镀金属；

vi)去除剩余的环氧基负性光刻胶和环化橡胶负性光刻胶，得到微元件。

其中，所述电镀金属为铜、镍、铁、金、银、铂镍钴合金或钴钨合金。所述步骤iv)的光刻为光刻所述环氧基负性光刻胶层和所述环化橡胶负性光刻胶层。

上述方法中，在所述步骤ii)和步骤iii)之间还包括光刻所述环化橡胶负性光刻胶的步骤。在该光刻所述环化橡胶负性光刻胶的过程中，可使用光刻掩膜版也可进行无掩膜曝光。当使用光刻掩膜版光刻环化橡胶负性光刻胶时，需要去除未曝光区域的环化橡胶负性光刻胶，此时，所述步骤iv)的光刻为光刻所述环氧基负性光刻胶层，其中需要去除的是未曝光区域的环氧基负性光刻胶。

上述方法中所有光刻过程中的环化橡胶负性光刻胶的刻蚀，最好方法是采用等离子干法刻蚀。

当对所述环化橡胶负性光刻胶层进行无掩膜光刻时，所述步骤iv)的光刻为光刻所述环氧基负性光刻胶层，光刻中需要去除未曝光区域的环氧基负性光刻胶和未被所述环氧基负性光刻胶覆盖的曝光的环化橡胶负性光刻胶。

上述两种方法中，所述基底均可由硅、玻璃、金属、塑料和陶瓷中的至少一种材料制成。所述环氧基负性光刻胶均可为SU-8光刻胶。所述环化橡胶负性光刻胶均可由如下成分组成：环化聚异物二烯、光敏剂、增感剂和溶剂。所有的环化橡胶负性光刻胶都可用于本发明，如北京华科微电子材料有限公司生产的KMP—BN系列紫外负型光刻胶、苏州瑞红生产的RFJ-210系列负型光刻胶或RFJ-220系列负型光刻胶等等。

本发明的制作微元件的方法中使用环化橡胶负性光刻胶，由于环化橡胶负性光刻胶与基片附着力强，与环氧基负性光刻胶有很强的结合力，避免出现环氧基负性光刻胶薄膜在基底表面的龟裂和剥离；环化橡胶负性光刻胶能够有效地提高环氧基负性光刻胶与基片粘附力，使产品保持了环氧基负性光刻胶的优良的成型能力，扩大了产品的使用范围。其次，环化橡胶负性光刻胶具有很强的抗蚀能力，具有良好的化学稳定性，能够和玻璃、硅，以及各种金属的清洁表面牢固结合，而不需要进行表面处理。另外，环化橡胶负性光刻胶是所有光刻胶中最廉价的光刻胶，已经在微电子工业中广泛使用，价格低廉，来源方便。本发明的制作微元件的方法中加工温度可在110℃以下或甚至更低的温度下进行。

附图说明

图1为制作环化橡胶负性光刻胶层。

图2为制作环氧基负性光刻胶层。

图3为光刻环氧基负性光刻胶层。

图4为光刻环化橡胶负性光刻胶层。

图5为光刻图1所示基片的环化橡胶负性光刻胶层。

图6为在图5所示结构的基片表面制作环氧基负性光刻胶层。

图7为基底表面沉积电镀金属层。

图8为电镀金属层表面制作环化橡胶负性光刻胶层。

图9为图8所示结构的基片表面制作环氧基负性光刻胶层。

图10为光刻图9所示基片的环氧基负性光刻胶层。

图11为光刻图10所示基片的环化橡胶负性光刻胶层。

图12为图11所示的三维结构的器件上电镀结构金属。

图13为去除剩余的环氧基负性光刻胶和环化橡胶负性光刻胶。

图14为光刻图8所示基片的环化橡胶负性光刻胶层。

图15为图14所示基片表面制作环氧基负性光刻胶层。

具体实施方式

本发明所述的环化橡胶负性光刻胶层和环氧基负性光刻胶层，可通过多种方法制作。如旋涂法制作环化橡胶负性光刻胶层：可通过调节旋涂仪的速度、时间以及胶的粘度，制备不同厚度的环化橡胶负性光刻胶层，如旋涂的速度在1000-6000rpm，旋涂时间在20-60秒。如滚涂或胶辊法制作环氧基负性光刻胶层：通过滚涂将环氧基负性光刻胶涂敷在基片上或通过贴膜方式将预先制好的环氧基负性光刻胶薄膜以滚压的方式粘贴在基片上。

本发明所述光刻工艺中可使用光刻掩膜版，也可在无光刻掩膜版下进行整体曝光。可根据需要对环化橡胶负性光刻胶层或环氧基负性光刻胶层分别曝光，如对于紫外透明的基片，如需要对环化橡胶负性光刻胶层进行光刻，可从基片背面对环化橡胶负性光刻胶进行曝光，对于不透明的芯片，如需要对环化橡胶负性光刻胶层进行光刻，可从正面进行曝光，将环氧基负性光刻胶层和环化橡胶负性光刻胶层一起曝光。

环化橡胶负性光刻胶和环氧基负性光刻胶可用多种现有方法去除。如对未曝光的环化橡胶负性光刻胶可通过环化橡胶负性光刻胶显影剂去除，对已经曝光的环化橡胶负性光刻胶采用干法刻蚀的方式去除。对未曝光的环氧基负性光刻胶可用丙二醇甲醚醋酸酯去除。对曝光的环氧基负性光刻胶可用负型光刻胶去膜剂或负胶剥离液去除。

下述实施例用来具体阐明本发明的制作微元件的方法。

实施例1、制作微元件

微元件的制备方法如下：

1、制作环化橡胶负性光刻胶层

北京华科微电子材料有限公司生产的KMP—BN303紫外负型光刻胶，用旋涂仪在清洗好的玻璃基片上，以3000rpm、30秒进行旋涂，制备厚度为1微米的环化橡胶负性光刻胶层，形成图1所示的结构。将带有环化橡胶负性光刻胶层的基片在热板上，90℃，放置2分钟。

2、制作SU-8光刻胶层

在步骤1制备的带有环化橡胶负性光刻胶层的基片上，旋涂SU-82050，转速3000rpm，时间30秒，胶厚度50微米，制作SU-8光刻胶层，形成图2所示的结构。将带有SU-82050光刻胶层的基片置于65℃，烘3分钟，然后置于95℃，烘15分钟。

3、光刻SU-8光刻胶层和环化橡胶负性光刻胶层

1)曝光SU-8光刻胶层和环化橡胶负性光刻胶层

将步骤2的基片在奥地利公司生产的EV620光刻机中用一块掩模，光能量密度15.3mw/cm²，曝光25秒。将曝光后的基片置于65℃，烘3分钟，然后置于95℃，烘15分钟。将SU-8层以及下面的KMP—BN303层完全曝光。

2)去除未曝光区域的SU-8光刻胶和环化橡胶负性光刻胶

用丙二醇甲醚醋酸酯PGMEA显影6分钟，去除未曝光的SU-8光刻胶，异丙醇冲洗干净定影，氮气吹干，形成图3所示的结构；定影后的基片置于65℃，烘3分钟，然后置于95℃，烘15分钟。

未曝光区域的环化橡胶负性光刻胶可用如下两种方法去除：

1)用环己烷、二甲苯或甲苯溶液显影1分钟，乙酸丁酯从洗干净，氮气吹干，形成图4所示结构的微元件。

2)用北京中科院微电子学研究所生产的磁增强ME-3A型RIE反应离子刻蚀机刻蚀(氧流量30sccm，功率100瓦，偏压210V，时间1分钟)将未被环氧基负性光刻胶覆盖的未曝光区域的环化橡胶负性光刻胶刻蚀掉，形成图4所示结构的微元件。

4、将加工好的微元件放在热板上，150℃烘1小时。

实施例2、制作微元件

微元件的制备方法如下：

1、制作环化橡胶负性光刻胶层

苏州瑞红电子化学品有限公司生产的RFJ-210系列负型光刻胶，用旋涂仪在清洗好的玻璃基片上，以3000rpm、30秒进行旋涂，制备厚度为1微米的环化橡胶负性光刻胶层，形成图1所示的结构。将涂有环化橡胶负性光刻胶层的基片在热板上，90℃，放置2分钟。

2、光刻环化橡胶负性光刻胶层

奥地利公司生产的EV620光刻机对环化橡胶负性光刻胶层进行无掩模全面曝光，15.3mw/cm²，曝光25秒。

3、制作SU-8光刻胶层

在步骤2的环化橡胶负性光刻胶层上，旋涂SU-82050，转速3000rpm，时间30秒，胶厚度50微米，形成图2所示的结构。将带有SU-82050光刻胶层的基片置于65℃，烘3分钟，然后置于95℃，烘15分钟。

4、光刻SU-8光刻胶层

1)曝光SU-8光刻胶层

将步骤3的基片在奥地利公司生产的EV620光刻机中同一掩模15.3mw/cm²，曝光25秒。将曝光后的基片置于65℃，烘3分钟，然后置于95℃，烘6分钟。

2)去除未曝光区域的SU-8光刻胶和环化橡胶负性光刻胶

用丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)显影4分钟，去除未曝光的SU-8光刻胶，异丙醇冲洗干净定影，氮气吹干，形成图3所示的结构；定影后的基片置于65℃，烘3分钟，然后置于95℃，烘15分钟。

用北京中科院微电子学研究所生产的磁增强ME-3A型RIE反应离子刻蚀机刻蚀(氧流量30sccm，功率100瓦，偏压210V，时间1分钟)将环化橡胶负性光刻胶未曝光区刻蚀掉，形成图4所示结构的微元件。

5、将步骤4的微元件放在热板上，150℃烘1小时。

实施例3、制作微元件

制作微元件的方法包括如下步骤：

1、制作环化橡胶负性光刻胶层

2、光刻环化橡胶负性光刻胶层

1)曝光环化橡胶负性光刻胶层

奥地利公司生产的EV620光刻机用一掩模光刻环化橡胶负性光刻胶层，15.3mw/cm²，曝光25秒。

2)去除未曝光区域的环化橡胶负性光刻胶

未曝光区域的环化橡胶负性光刻胶用环己烷或二甲苯或甲苯清洗1分钟，乙酸丁脂漂洗定影，形成图5所示的结构。定影后的基片置于90-110℃，烘2分钟。

3、制作SU-8光刻胶层

在具有图5所示的结构的基片的环化橡胶负性光刻胶上，旋涂SU-82050，转速3000rpm，时间30秒，胶厚度50微米，形成图6所示的结构。将涂SU-82050光刻胶层的基片置于65℃，烘3分钟，然后置于95℃，烘15分钟。

4、光刻SU-8光刻胶层

1)曝光SU-8光刻胶层

将步骤3的基片在奥地利公司生产的EV620光刻机上，用与步骤2相同的掩模进行曝光，并套刻步骤2图形。15.3mw/cm²，曝光25秒。将曝光后的基片置于65℃，烘3分钟，然后置于95℃，烘6分钟。

2)去除未曝光的SU-8光刻胶

用丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)显影4分钟，去除未曝光的SU-8光刻胶，异丙醇冲洗干净定影，氮气吹干；形成图4所示结构的微元件。

5、将步骤4的微元件放在热板上，150℃烘1小时。

实施例4、制作微元件

制作微元件的方法包括如下步骤：

1、在基片上蒸发2000

的Ni单层，形成图7所示的结构；

2、制作环化橡胶负性光刻胶层

苏州瑞红电子化学品有限公司生产的RFJ-220系列负型光刻胶，用旋涂仪在清洗好的玻璃基片上，以3000rpm、30秒进行旋涂，制备厚度为1微米的环化橡胶负性光刻胶层，形成图8所示的结构。将涂有环化橡胶负性光刻胶层的基片在热板上，90℃，放置2分钟。

3、制作SU-8光刻胶层

在步骤2)制备的带有环化橡胶负性光刻胶层的基片上，旋涂SU-82050，转速3000rpm，时间30秒，胶厚度50微米，制作SU-8光刻胶层，形成图9所示的结构。将带有SU-82050光刻胶层的基片置于65℃，烘3分钟，然后置于95℃，烘15分钟。

4、光刻SU-8光刻胶层和环化橡胶负性光刻胶层

1)曝光SU-8光刻胶层和环化橡胶负性光刻胶层

将步骤3的基片在奥地利公司生产的EV620光刻机上，用掩膜进行曝光，15.3mw/cm²，曝光25秒。将曝光后的基片置于65℃，烘3分钟，然后置于95℃，烘6分钟。

2)去除未曝光的SU-8光刻胶和未曝光区域的环化橡胶负性光刻胶

用丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)显影4分钟，去除未曝光的SU-8光刻胶，异丙醇冲洗干净定影，氮气吹干，形成图10所示的结构。

用北京中科院微电子学研究所生产的磁增强ME-3A型RIE反应离子刻蚀机刻蚀(氧流量30sccm，功率100瓦，偏压210V，时间1分钟)将环化橡胶负性光刻胶未曝光区刻蚀掉，形成图11所示三维结构的器件。

5、将具有图11所示三维结构的器件放在热板上，150℃烘1小时。

6、在具有图11所示三维结构的器件上电镀一层结构金属层，形成图12所示的结构。

7、去除曝光区域的SU-8光刻胶和环化橡胶负性光刻胶

将具有图12所示的结构的器件浸入负胶剥离液(苏州瑞红电子化学品有限公司)中，90℃，浸泡16小时，去除曝光区域的SU-8光刻胶和环化橡胶负性光刻胶，获得图13所示结构的微元件。

实施例5、制作微元件

制作微元件的方法包括如下步骤：

1、在基片上蒸发2000

的Ni单层，形成图7所示的结构；

2、制作环化橡胶负性光刻胶层

北京化学试剂研究所生产的BN310紫外负型光刻胶，用旋涂仪在清洗好的玻璃基片上，以3000rpm、30秒进行旋涂，制备厚度为1微米的环化橡胶负性光刻胶层，形成图8所示的结构。将涂有环化橡胶负性光刻胶层的基片在热板上，90℃，放置2分钟。

3、光刻环化橡胶负性光刻胶层

1)曝光环化橡胶负性光刻胶层

奥地利公司生产的EV620光刻机上，用一掩模光刻环化橡胶负性光刻胶层，15.3mw/cm²，曝光1秒。

2)去除未曝光区域的环化橡胶负性光刻胶

未曝光区域的环化橡胶负性光刻胶用环己烷或二甲苯或甲苯清洗1分钟，乙酸丁脂漂洗定影，形成图14所示的结构。定影后的基片置于90-110℃，烘2分钟。

4、制作SU-8光刻胶层

在具有图14所示的结构的基片的环化橡胶负性光刻胶上，旋涂SU-82050，转速3000rpm，时间30秒，胶厚度50微米，形成图15所示的结构。将涂SU-82050光刻胶层的基片置于65℃，烘3分钟，然后置于95℃，烘15分钟。

5、光刻SU-8光刻胶层

1)曝光SU-8光刻胶层

将步骤4的基片在奥地利公司生产的EV620光刻机中同一掩膜15.3mw/cm²，曝光15秒。将曝光后的基片置于65℃，烘3分钟，然后置于95℃，烘6分钟。

2)去除未曝光的SU-8光刻胶

用丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)显影4分钟，去除未曝光的SU-8光刻胶，异丙醇冲洗干净定影，氮气吹干；形成图11所示三维结构的器件。

6、将具有图11所示的三维结构的器件放在热板上烘30分钟。

7、在具有图11所示的三维结构的器件上电镀一层结构金属层，形成图12所示的结构。

8、去除曝光区域的SU-8光刻胶和环化橡胶负性光刻胶

将具有图12所示结构的器件浸入负型光刻胶去膜剂(北京华科微电子材料有限公司)，90℃，浸泡16小时，去除曝光区域的SU-8光刻胶和环化橡胶负性光刻胶，获得图13所示结构的微元件。

Claims

1.一种制作微元件的方法，包括如下步骤：

1)在基底表面制作环化橡胶负性光刻胶层；

3)进行光刻，得到微元件；

所述基底由硅、玻璃、金属、塑料和陶器中的至少一种材料制成；

所述环化橡胶负性光刻胶由如下成分组成：环化聚异物二烯、光敏剂、增感剂和溶剂；

所述环氧基负性光刻胶为SU-8光刻胶。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)的光刻为光刻所述环氧基负性光刻胶层和所述环化橡胶负性光刻胶层。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤1)和步骤2)之间还包括光刻所述环化橡胶负性光刻胶层的步骤；所述步骤3)的光刻为光刻所述环氧基负性光刻胶层。

4.根据权利要求1至3中任一所述的方法，其特征在于：所述方法中，还包括将得到的微元件在150-200℃加热0.5-2小时的步骤。

5.一种制作微元件的方法，包括如下步骤：

i)先在基底表面沉积电镀金属层；

ii)在所述金属层表面制作环化橡胶负性光刻胶层；

iv)光刻，得到具有三维微结构的器件；

v)在所述具有三维微结构的器件上镀金属；

vi)去除剩余的环氧基负性光刻胶和环化橡胶负性光刻胶，得到微元件；

所述环氧基负性光刻胶为SU-8光刻胶。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述电镀金属为铜、镍、铁、金、银、铂镍钴合金或钴钨合金。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述步骤iv)的光刻为光刻所述环氧基负性光刻胶层和所述环化橡胶负性光刻胶层。

8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：在所述步骤ii)和步骤iii)之间还包括光刻所述环化橡胶负性光刻胶的步骤；所述步骤iv)的光刻为光刻环氧基负性光刻胶层。