CN101659391B

CN101659391B - 一种圆滑曲面微结构的制作方法

Info

Publication number: CN101659391B
Application number: CN2009101951094A
Authority: CN
Inventors: 李刚; 陈强; 孙晓娜; 赵建龙
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2029-09-04
Also published as: CN101659391A

Abstract

本发明公开了一种圆滑曲面微结构的制作方法，其特征在于所述的方法以负性化学放大光刻胶(chemically amplified photoresist)为圆滑曲面微结构的制作材料，首先在基片上旋涂第一层负性化学放大光刻胶，并软烘、曝光，然后直接在第一层负性化学放大光刻胶上旋涂第二层负性化学放大光刻胶，并进行后烘；利用后烘过程中第一层光刻胶曝光后产生的光酸各向同性扩散，催化曝光区域及其相邻扩散区域光刻胶分子交联，显影后制得具有圆滑曲面特征的微结构。本发明提出的圆滑曲面微结构的制作方法相对于传统的灰阶掩膜技术和光刻胶回流方法，具有加工简便、成本低廉、结构稳固等特点。

Description

一种圆滑曲面微结构的制作方法

技术领域

本发明涉及一种圆滑曲面微结构的制作方法，所提供的制作方法可应用于MEMS(Micro Electromechanical System，即微电子机械系统)领域。

背景技术

近年来，MEMS技术受到广泛关注和迅猛发展，该技术通过微型化、集成化制作出符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统，这些器件和系统把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展将产生重大影响。目前MEMS器件一般采用传统微电子加工工艺制作，往往具有整齐清晰的边角，其3D表面通常为长方体形或多面体形，随着MEMS技术应用的进一步拓展，制作具有曲面特征的微结构或微器件显得越来越重要。至今用于制作具有曲面特征微结构的技术主要有两种：一种是灰阶光掩膜技术，该技术利用具有灰度梯度分布的光掩膜版进行曝光，使得光刻胶因感受不同强度紫外光作用而呈现不同程度交联或溶解，从而制作得到具有曲面特征的微结构[N.Dumbravescu，“Smooth 3-D shaping of thick resists by means ofgray tone lithography”in：Proceedings of the 1999InternationalSemiconductor Conference，Sinaia，Romania，1999，pp.217-220.]；另一种为光刻胶回流方法，该方法利用有些正性光刻胶在烘烤温度高于玻璃化温度时的流动性增加，使光刻显影形成的具有整齐边角的微结构通过回流方式形成具有圆滑曲面的微结构[A.Schilling，R.Merz，C.Ossmann，H.P.Herzig，“Surfaceprofiles of reflow microlenses under the influence of surface tension and gravity”，Optical Engineering，39(2000)，pp.2171-2176.]。但是，上述两种技术在实际应用中具有较大的局限性，灰阶光掩膜技术需要昂贵、高分辨率的灰阶光掩膜，该类掩膜加工复杂、成本较高；而光刻胶回流技术中采用的通常是正性光刻胶，其旋涂厚度往往较小(单次旋涂厚度＜50μm)，限制了可制得的微结构高度，且正性光刻胶材料本身往往易受酸碱或有机试剂侵蚀，应用范围有限。因此，需要发展工艺简单、成本低廉、且物化性质稳定的曲面微结构制作方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种圆滑曲面微结构的制作方法，拓展MEMS技术的应用。

本发明提供的一种圆滑曲面微结构的制作方法，其特征在于：所述制作方法以负性化学放大光刻胶为圆滑曲面微结构的制作材料，首先在基片上旋涂第一层负性化学放大光刻胶，并软烘、光刻掩膜版(或称掩膜板，Mask)对准曝光，然后直接在第一层负性化学放大光刻胶上旋涂第二层负性化学放大光刻胶，并进行后烘；利用后烘过程中第一层光刻胶曝光后产生的光酸各向同性扩散，催化曝光区域及其相邻扩散区域的光刻胶分子交联，显影后制得具有圆滑曲面特征的微结构。

具体而言，本发明采用负性化学放大光刻胶作为结构制作材料，所述负性化学放大光刻胶可以为SU-8、SAL-601、SAL-603、SAL-606、UVN2、UVN30、NEB-22、NEB-31、COP、EN-009PG，这类材料由聚合物基质单体、溶剂和PAG(PAG系英文Photo Acid Generator的缩写，中文译为光解产酸剂)等混合而成。制作过程中，首先在硅片或玻璃等基片上旋涂第一层负性化学放大光刻胶，并置于热板或烘箱中进行软烘，蒸发去除光刻胶中的溶剂成分，使光刻胶中溶剂含量至少低于10％(摩尔百分比)，以尽量降低该层光刻胶曝光过程后至第二层光刻胶涂覆前，其曝光区域光酸分子的扩散系数；然后通过光刻掩膜版对第一层光刻胶进行曝光，此时第一层光刻胶曝光区域PAG光分解产生可催化光刻胶单体发生交联反应的光酸，由于室温下，光刻胶交联反应速度极慢，可以近似认为此时光刻胶交联反应尚未启动，且软烘后的光刻胶溶剂含量(＜10％)很低，光酸成分的扩散也可忽略。光刻掩膜板的二维尺度应略小于待制作曲面微结构的宽度，以补偿光酸分子的扩散交联效应。曝光后，马上(间隔＜1小时)在第一层光刻胶上旋涂第二层负性化学放大光刻胶，并置于热板上进行后烘(PEB，post-exposure bake)；后烘前，其溶剂含量应大于10％，以保证第一层光刻胶曝光区域光酸分子在该层介质中具有较高扩散系数，且其高度应大于或等于第一层负性化学放大光刻胶光酸分子的径向扩散距离，以保证微结构顶端形成完整的圆弧形状。由于光酸在光刻胶介质中的扩散速率与其中溶剂含量和温度成正比相关，因此第二层光刻胶旋涂到曝光后的第一层光刻胶表面后，第二层光刻胶中的溶剂将渗透到第一层光刻胶中，加快其中光酸成分从曝光区域以各向同性方式向周围扩散，另外后烘过程中的温度增高也增大第一层光刻胶曝光区域光酸分子的扩散速率，同时在后烘温度作用下光酸分子催化所在区域光刻胶单体的交联反应，最后，将经后烘的光刻胶浸入显影液中，溶解未交联的光刻胶部分，从而制得具有圆滑曲面特征的微结构。若光刻掩膜版设计中，使相邻曝光区域之间间距＜光酸分子扩散距离，则所述方法也可制得具有圆滑凹陷曲面特征的三维微结构。

本发明所述的具有圆滑曲面特征的微结构制作方法，可以用于制作微透镜阵列(见实施例2)，以构建微光机电系统(MOEMS，Micro-Opto-Electro-Mechanical System)。也可以用于制作具有具有圆弧形状特征的微流体管道，以构建具有高密封特性的气压微阀；或制作半球形微流体腔体，以实现液滴或细胞的高效捕获和分配。通过调整第一层负性化学放大光刻胶和光刻掩膜版透光结构的大小、形状制作不同曲率的微透镜阵列。

本发明与现有的曲面微结构加工技术相比，工艺简单，无需昂贵的灰阶光刻掩膜版，且形成的曲面微结构具有良好的化学、热学以及机械稳定性，有利于MEMS技术的拓展应用。

附图说明

图1为基片上旋涂并软烘第一层化学放大光刻胶后示意图。

图2为第一层化学放大光刻胶曝光示意图。

图3为第一层化学放大光刻胶曝光后旋涂第二层化学放大光刻胶示意图。

图4为双层光刻胶后烘示意图。

图5为双层光刻胶显影后制得曲面微结构示意图。

图6为基于本发明制作方法制作的微透镜阵列示意图。

图中：1为硅片，2为经软烘后的第一层SU-8光刻胶，3为光掩膜版，4为经曝光作用的SU-8光刻胶，5为未经烘烤和曝光作用的第二层SU-8光刻胶，6为热板，7为后烘过程中光酸扩散并催化发生交联反应后形成的交联区域，8为SU-8显影后留下的具有曲面特征的交联结构。

具体实施方式

实施例1

下面结合附图采用SU-8光刻胶进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。

1.取清洗后硅片，置于150℃下烘烤20分钟，冷却至室温后，旋涂第一层SU-8光刻胶，并置于热板上65℃烘烤1分钟，95℃烘烤15分钟，然后冷却至室温，如图1所示。

2.将涂胶并软烘后的基片通过光掩膜版进行曝光处理，此时第一层SU-8光刻胶中曝光区域PAG将光分解产生光酸，如图2所示。

3.在曝光后的第一层SU-8光刻胶表面在1小时内直接旋涂第二层SU-8光刻胶，如图3所示。

4.将旋涂第二层光刻胶后的硅基片，置于热板上95℃烘烤15分钟，此时第一层SU-8光刻胶中产生的光酸将因光刻胶中溶剂成分的增加和温度的升高而加速扩散至邻近未曝光SU-8介质中，并催化其所在区域的光刻胶发生交联反应，如图4所示。

5.完成后烘后，将基片浸入显影液中，并置于超声清洗机中进行显影，最后，将显影后的基片置于烘箱中150℃烘烤1小时，制得具有曲面特征的微结构，如图5所示。

实施例2

利用实施例1提出的制作SU-8曲面微结构的工艺方法制作具有不同曲率的微透镜阵列(如图6所示)，微透镜曲率可以通过调节底层(第一层)SU-8光刻胶厚度以及光刻掩膜版透光结构的大小、形状设计来加以控制，底层SU-8光刻胶厚度介于10μm～1000μm之间，光刻掩膜版透光结构的形状可以为正多边形或圆形，正多边形边长或圆形直径为10μm～1000μm。所制作微透镜阵列可应用于平板显示、三维立体成像、光纤耦合器、微聚焦、微投影等领域。

Claims

1.一种圆滑曲面微结构的制作方法，其特征在于所述的制作方法以负性化学放大光刻胶为圆滑曲面微结构的制作材料，制作步骤是：

(a)首先在基片上旋涂第一层负性化学放大光刻胶，并软烘后冷却至室温，再通过光刻掩膜板进行曝光处理；所使用的光刻掩膜板的二维尺度应略小于待制作曲面微结构的宽度；

(b)曝光处理后，直接在第一层负性化学放大光刻胶上旋涂第二层负性化学放大光刻胶，并进行后烘；利用后烘过程中第一层光刻胶曝光后产生的光酸各向同性扩散，催化曝光区域及其相邻扩散区域光刻胶分子交联；旋涂的第二层负性化学放大光刻胶的高度大于或等于第一层负性化学放大光刻胶光酸分子的径向扩散距离；

(c)后烘后，将基片浸入显影液中，并显影，显影后，烘干制得具有圆滑曲面特征的微结构；

其中，①所述的负性化学放大光刻胶的成份包括聚合物基质单体、溶剂和光解产酸剂；

②步骤(a)软烘后第一层负性化学放大光刻胶中溶剂摩尔百分含量应小于10％；

③后烘前第二层负性化学放大光刻胶的溶剂摩尔百分含量应大于10％。

2.按权利要求1所述的制作方法，其特征在于所述的负性化学放大光刻胶为SU-8、SAL-601、SAL-603、SAL-606、UVN2、UVN30、NEB-22、NEB-31、COP或EN-009PG。

3.按权利要求1所述的制作方法，其特征在于：

(1)步骤a所述的基片为硅片或玻璃；

(2)步骤a所述的软烘是在热板或烘箱中进行的；

(3)步骤b和步骤a的旋涂的间隔时间小于1小时。

4.按权利要求1-3中任一项所述的制作方法，其特征在于制作的圆滑曲面微结构为圆滑凸起曲面结构或圆滑凹陷曲面结构。

5.按权利要求1所述的制作方法，其特征在于光刻掩膜板中相邻曝光区域之间间距小于光酸分子扩散距离时，则制得圆滑凹陷曲面结构。

6.按权利要求1所述的制作方法，其特征在于通过调整第一层负性化学放大光刻胶和光刻掩膜板透光结构的大小、形状制作不同曲率的微透镜阵列。

7.按权利要求6所述的制作方法，其特征在于负性化学放大光刻胶厚度介于10-1000μm之间，光刻掩膜板透光结构的形状为正多边形或圆形，正多边形的边长或圆形的直径为10-1000μm。

8.按权利要求1所述的制作方法，其特征在于圆滑曲面微结构制作圆弧形状的微流体管道，构建具有高密封特性的气压微阀或制作半球形微流体腔体，以实现液滴或细胞的捕获和分配。

9.按权利要求6或7所述的制作方法，其特征在于圆滑曲面微结构制作圆弧形状的微流体管道，构建具有高密封特性的气压微阀或制作半球形微流体腔体，以实现液滴或细胞的捕获和分配。