CN110510574A - 在制备密集型微阵列结构过程中简便去除su-8光刻胶的方法 - Google Patents

在制备密集型微阵列结构过程中简便去除su-8光刻胶的方法 Download PDF

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Abstract

一种在制备密集型微阵列结构过程中简便去除SU‑8光刻胶的方法，属于微制造技术领域，在金属铜基底上，经过匀胶、曝光及显影等工艺制作BN308光刻胶胶模作为隔离层。再通过设计掩模版图形，经过匀胶、曝光及显影等工艺制作存在间隙的SU‑8光刻胶胶模，随后进行微电铸和平坦化处理，最后利用溶胀原理去除SU‑8光刻胶得到制作的金属微阵列结构。本发明制作的微阵列结构的间距尺寸可大于25μm小于200μm，结构高度小于100μm。通过预置SU‑8光刻胶胶膜间隙，在不损坏电铸结构的前提下有效地去除了光刻胶，简化了制作工艺，降低了制作难度；另外，本发明具有去胶方便彻底、工艺简单、微结构形貌完好等优点。

Description

在制备密集型微阵列结构过程中简便去除SU-8光刻胶的方法
技术领域
本发明属于微制造技术领域，涉及金属基底上微电铸金属阵列器件类，特别涉及到一种在金属铜基底上制备密集型微阵列结构过程中简便去除SU-8光刻胶的方法。
背景技术
随着MEMS技术的迅速发展，金属微器件在国防、航空航天、微电子、生物医学、精密机械等领域的需求快速增长。微电铸工艺是制作金属微器件的有效方法之一。SU-8光刻胶具有良好的力学性能、抗化学腐蚀性和热稳定性，是制作微电铸器件母模的理想材料。然而，微电铸工艺结束后SU-8光刻胶的去除是一个难题。常用的去胶方法是采用SU-8光刻胶生产厂商MicroChem提供的去胶溶剂PG。由于交联后的SU-8光刻胶性质稳定，难以溶解在除强酸以外的其他溶液中。去胶溶剂PG的去胶原理是使交联的SU-8光刻胶发生溶胀，进而达到去胶目的。而对于微小狭缝、孔洞内的SU-8光刻胶，用PG是难以去除的。在制作结构密集的金属微阵列时，使用PG去除SU-8光刻胶更加困难。除使用去胶溶剂PG外，有时会采用一些其他的物理去胶和化学反应去胶方法。杂志《Journal of Micromechanics andMicroengineering》2001年第2期第11卷第133-139页采用了远紫外准分子激光消融的方法去除了电铸铜齿轮(60μm)上的SU-8光刻胶。但是，该方法只适用于去除未曝光后烘的SU-8光刻胶，对于曝光后烘后充分交联的SU-8光刻胶去除效率很低。同时由于准分子激光设备价格昂贵，使得该去胶方法成本较高、应用范围受限。杂志《Sensors and Actuators A:Physical》2002年第1期第102卷第130-138页采用了强酸氧化的方法去除了电铸镍静电微马达上的SU-8光刻胶。虽然浓H2SO4和H2O2混合液能有效地氧化去除SU-8光刻胶，但由于浓H2SO4和H2O2混合(通常3:1)时易产生高温，H2O2迅速被消耗，去胶过程难以控制，非常容易导致电铸镍表面被严重侵蚀。此外，强酸氧化去胶只适用于耐腐蚀的镍等金属，而不耐腐蚀的铜等金属在高温下会与浓硫酸发生反应导致电铸结构损坏，因此这类金属器件去胶不能采用强酸氧化法。目前，现有的SU-8光刻胶去胶方法均存在一定的局限性。因此，探索一种简便、经济、不损坏电铸结构的去胶方法对于利用SU-8光刻胶制作密集型金属微阵列结构具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用微电铸工艺制作密集型金属微阵列结构过程中简便去除SU-8光刻胶的方法。该方法从光刻掩膜板的设计角度出发，充分利用SU-8光刻胶在去胶溶剂PG中的溶胀特点。在不损坏电铸结构的前提下不仅保证了金属阵列结构的制作精度，同时解决了利用SU-8光刻胶制作密集型金属微阵列结构时去胶困难的问题，在解决具有高密度、细线宽的金属微结构去胶问题上具有良好的实用性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种在金属铜基底上制备密集型微阵列结构过程中简便去除SU-8光刻胶的方法，首先，根据具体需求设计光刻胶掩膜板用于后续制作。然后，在金属铜基底上，经过匀胶、曝光及显影工艺对BN308光刻胶进行图形化，制作一层BN308光刻胶胶膜作为隔离层。然后，经过匀胶、曝光及显影工艺对SU-8光刻胶进行图形化，图形化时预置SU-8光刻胶溶胀间隙，即制作存在间隙的SU-8光刻胶胶膜。最后，微电铸铜工艺完成后，利用负胶去膜剂去除BN308光刻胶隔离层，再利用去胶溶剂Remover PG使得金属微阵列结构上的SU-8光刻胶发生溶胀脱落，然后对其进行清洗，得到制作完成的金属微阵列结构。具体步骤如下：
1)掩膜板的设计：分别设计BN308光刻胶掩膜板和SU-8光刻胶掩膜板。BN308光刻胶掩膜板设计图形与需要制作的微阵列结构图形保持一致。SU-8光刻胶掩膜板设计图形包括微阵列结构图形和溶胀间隙图形两部分，其中微阵列结构图形与BN308光刻胶掩膜板图形保持一致，此外需要在相邻微阵列图形之间添加条状的溶胀间隙图形，溶胀间隙图形的宽度尺寸设计为微阵列结构图形间距尺寸的
2)基板预处理：首先采用研磨抛光机对金属铜基底进行研磨抛光处理，去除表面缺陷并获得镜面效果，使金属基底表面粗糙度小于0.04μm。然后使用丙酮棉球擦拭，接着依次使用丙酮、乙醇溶液对基板进行超声清洗。超声清洗后使用去离子水冲洗干净并吹干，最后放入烘箱中烘干备用。
3)BN308光刻胶胶膜制作：使用台式匀胶机在基板上涂覆BN308光刻胶，然后通过前烘、曝光、显影工艺制作出带有微阵列结构图形的BN308光刻胶胶膜，并对所得的BN308光刻胶胶膜进行烘烤坚膜。具体为：
采用台式匀胶机在基板上涂覆制作BN308光刻胶胶膜，BN308光刻胶的甩胶参数为低速转500～700rpm，时间6～9s；高速转2000～2300rpm，时间20～30s。然后在热板上进行前烘工艺，前烘温度为70～85℃，时间为20～30min。冷却后进行曝光，曝光在SUSS光刻机上进行，曝光剂量为350～400mJ/cm2，曝光时使用带有微阵列结构图形的BN308光刻胶掩膜板。曝光完成后，进行BN308光刻胶显影工艺，分别使用负胶显影剂、负胶清洗剂、丙酮进行显影。显影完成后进行后烘坚膜工艺，后烘温度55～65℃，时间为1～1.5h，得到带有微阵列结构图形的BN308光刻胶胶膜。
4)SU-8光刻胶胶膜制作：在图形化的BN308光刻胶胶膜上进行SU-8光刻胶胶膜制作工艺。通过甩胶、前烘、曝光、后烘、显影工艺，得到带有微阵列结构和溶胀间隙图形的SU-8光刻胶胶膜。具体为：
SU-8光刻胶的甩胶参数为低速转500～700rpm，时间6～9s；高速转1500～1800rpm，时间20～30s。然后进行前烘工艺，前烘温度和时间分别为：65℃，30min；70℃，10min；75℃，10min；80℃，10min；85℃，1h，然后冷却至室温。冷却后进行曝光，曝光在SUSS光刻机上进行，曝光时间为70～80s，曝光剂量为330～380mJ/cm2，曝光时使用带有微阵列结构和溶胀间隙图形的SU-8光刻胶掩膜板。曝光完成后，进行后烘坚膜工艺，后烘温度为65～75℃，时间为0.5～1h。后烘冷却后，进行SU-8光刻胶显影工艺，利用SU-8光刻胶显影液和乙醇进行显影，得到带有微阵列结构和溶胀间隙图形SU-8光刻胶胶膜。
5)微电铸铜
将制作好的胶膜放入电铸液中进行微阵列结构的电铸。电铸液配方为：CuSO4·5H2O(220g/L)、NaCl(60mg/L)、浓H2SO4(50g/L)。电铸温度为20～30℃，电铸液pH值为0.8～1.0，电流密度为1A/dm2，电铸时间为4h。
6)平坦化处理
通过研磨去除铸层表面的缺陷获得平整表面，并将铸层高度研磨至50μm～55μm，并用去离子水清洗研磨后的铸层。
7)去除BN308光刻胶隔离层
将待去胶的金属微阵列结构放入水浴加热的负胶去膜剂溶液中，水浴85℃加热10min～20min，直至BN308光刻胶隔离层完全溶解，将其拿出并依次用丙酮、乙醇溶液漂洗干净。
8)去除SU-8光刻胶
将留有SU-8光刻胶的金属微阵列结构放入水浴加热的去胶溶剂Remover PG中，水浴85℃加热30min，使SU-8光刻胶发生溶胀脱落，然后将其拿出依次用丙酮、乙醇、去离子水漂洗干净即得到制作完成的金属微阵列结构。
本发明的有益效果：本发明提供一种基于UV-LIGA技术在金属基底上制作微阵列结构的方法，通过预置SU-8光刻胶溶胀间隙和添加BN308光刻胶隔离层的方法解决了制作密集型金属微阵列时去胶困难的问题，保证了微器件的使用性能，同时该方法打破了细微金属阵列结构去胶只能借助机械物理和化学反应等外部手段的局限。根据具体需求，制作的微阵列结构的间距尺寸可大于25μm小于200μm，结构高度小于100μm。本发明具有去胶方便彻底、工艺简单、微结构形貌完好等优点。
附图说明
图1为细微金属阵列示意图；
图2为BN308光刻胶胶膜；
图3为BN308光刻胶曝光；
图4为BN308光刻胶显影效果图；
图5为SU-8光刻胶胶膜；
图6为SU-8光刻胶曝光；
图7为SU-8光刻胶显影效果图；
图8(a)为微电铸示意图；
图8(b)为微电铸效果图；
图9为BN308光刻胶去除效果图；
图10为SU-8光刻胶去除效果图；
图中，1金属铜基底，2BN308光刻胶胶膜，3BN308光刻胶掩膜板，4SU-8光刻胶胶膜,5SU-8光刻胶掩膜板，6金属铜铸层，7电铸阳极，8电铸阴极，9电铸液。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案详细说明本发明具体的实施方式。
一种在金属铜基底上制备密集型微阵列结构过程中简便去除SU-8光刻胶的方法，首先，根据具体需求设计光刻胶掩膜板用于后续制作。然后，在金属铜基底上，经过匀胶、曝光及显影工艺对BN308光刻胶进行图形化，制作一层BN308光刻胶胶膜作为隔离层。然后，经过匀胶、曝光及显影工艺对SU-8光刻胶进行图形化，图形化时预置SU-8光刻胶溶胀间隙，即制作存在间隙的SU-8光刻胶胶膜。最后，微电铸铜工艺完成后，利用负胶去膜剂去除BN308光刻胶隔离层，再利用去胶溶剂Remover PG使得金属微阵列结构上的SU-8光刻胶发生溶胀脱落，然后对其进行清洗，得到制作完成的金属微阵列结构。
例案：在铜基底上制作如图1所示的密集型金属微柱阵列结构，阵列为200×200的方阵，单个微柱尺寸为50×50×50μm，微柱间距50μm，铜基底的尺寸为63×63×5mm，具体步骤如下：
1)掩膜板的设计
分别设计BN308光刻胶掩膜板和SU-8光刻胶掩膜板。BN308光刻胶掩膜板设计图形为200×200的方阵图形，其中单个微柱图形尺寸为50×50μm，微柱间距尺寸为50μm。SU-8光刻胶掩膜板设计图形包括微阵列结构图形和溶胀间隙图形两部分，其中微阵列结构图形与BN308光刻胶掩膜板图形保持一致，此外需要在相邻微阵列图形之间添加条状的溶胀间隙图形，溶胀间隙图形的宽度尺寸设计10μm。
2)基板预处理
首先，采用精密研磨抛光机对金属铜基底1进行研磨、抛光，使基板表面粗糙度Ra小于0.04μm；然后擦除基板表面污物，依次使用丙酮、乙醇对基板进行超声清洗各15min，最后用氮气将基板吹干，并将其放入120℃的烘箱中烘焙2小时。
3)BN308光刻胶胶膜制作
BN308光刻胶胶膜2制作工艺在台式匀胶机上进行。BN308光刻胶胶膜2的甩胶参数为：低速转600rpm，时间9s；高速转2200rpm，时间30s。然后在热板上进行前烘工艺，前烘温度为85℃，时间为30min。冷却后使用BN308光刻胶掩膜板3进行曝光，曝光在SUSS光刻机上进行，如图3所示，曝光剂量为375mJ/cm2。曝光完成后，进行BN308光刻胶显影工艺，分别使用负胶显影剂、负胶清洗剂、丙酮进行显影。显影完成后进行后烘坚膜工艺，后烘温度65℃，时间为1h30min，得到的胶膜如图4所示。
4)SU-8光刻胶胶膜制作
SU-8光刻胶胶膜4制作工艺在台式匀胶机上进行。SU-8光刻胶胶膜4的甩胶参数为低速转600rpm，时间9s；高速转1800rpm，时间30s。然后进行前烘工艺，前烘温度和时间分别为：65℃，30min；70℃，10min；75℃，10min；80℃，10min；85℃，1h，然后冷却至室温。冷却后使用SU-8光刻胶掩膜板5进行曝光，曝光在SUSS光刻机上进行，光刻掩膜如图6所示，曝光时间为80s，曝光剂量为330mJ/cm2。曝光完成后，进行后烘坚膜工艺，后烘温度为65℃，时间为30min。后烘冷却后，进行SU-8光刻胶显影工艺，利用SU-8光刻胶显影液和乙醇进行显影，得到的胶膜如图7所示。
5)微电铸铜
将紫铜板作为电铸阳极7，制作好的胶膜作为电铸阴极8放入电铸液9中进行金属微柱阵列结构的电铸。电铸液9配方为：CuSO4·5H2O(220g/L)、NaCl(60mg/L)、浓H2SO4(50g/L)。电铸温度为20～30℃，电铸液pH值为0.8～1.0，电流密度为1A/dm2，电铸时间为4h。电铸后效果如图8(b)所示。
6)平坦化处理
通过研磨去除金属铜铸层6表面的缺陷获得平整表面，并将铸层高度研磨至50μm～55μm，随后用去离子水清洗。
7)去除BN308光刻胶隔离层
将待去胶的金属微柱阵列结构放入负胶去膜剂溶液中，水浴85℃加热10min，直至BN308光刻胶隔离层完全溶解，将其拿出并依次用丙酮、乙醇溶液漂洗干净。
8)去除SU-8光刻胶
将留有SU-8光刻胶的金属微柱阵列结构放入去胶溶剂Remover PG中，水浴85℃加热30min使SU-8光刻胶发生溶胀脱落，然后将其拿出依次用丙酮、乙醇、去离子水漂洗干净即得到去胶完成的金属微柱阵列结构，如图10所示。
最终制作的金属铜微柱阵列结构平均高度为54.3μm，平均间隔宽度为51.9μm。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种在制备密集型微阵列结构过程中简便去除SU-8光刻胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)设计掩膜板
分别设计BN308光刻胶掩膜板和SU-8光刻胶掩膜板；BN308光刻胶掩膜板设计图形与需要制作的微阵列结构图形保持一致；SU-8光刻胶掩膜板设计图形包括微阵列结构图形和溶胀间隙图形两部分；
2)基板预处理
采用研磨抛光机对金属铜基底进行研磨抛光处理，去除表面缺陷并获得镜面效果，对基板进行超声清洗，超声清洗后使用去离子水冲洗干净并吹干，备用；
3)制作BN308光刻胶胶膜
使用台式匀胶机在基板上涂覆BN308光刻胶，然后通过前烘、曝光、显影工艺制作出带有微阵列结构图形的BN308光刻胶胶膜，显影完成后进行后烘坚膜工艺，对所得的BN308光刻胶胶膜进行烘烤坚膜；
4)制作SU-8光刻胶胶膜
在图形化的BN308光刻胶胶膜上进行SU-8光刻胶胶膜制作工艺；通过甩胶、前烘、曝光、后烘、显影工艺，得到带有微阵列结构和溶胀间隙图形的SU-8光刻胶胶膜；
5)微电铸铜
将制作好的胶膜放入电铸液中进行微阵列结构的电铸，电铸温度为20～30℃，电铸液pH值为0.8～1.0，电流密度为1A/dm2，电铸时间为4h；所述电铸液中包括CuSO4·5H2O、NaCl、浓H2SO4，各物质浓度为：CuSO4·5H2O浓度为220g/L，NaCl浓度为60mg/L，浓H2SO4浓度为50g/L；
6)平坦化处理
去除铸层表面的缺陷获得平整表面，并将铸层高度研磨至50μm～55μm，用去离子水清洗研磨后的铸层；
7)去除BN308光刻胶隔离层
将待去胶的金属微阵列结构放入水浴加热的负胶去膜剂溶液中，水浴85℃加热10min～20min，直至BN308光刻胶隔离层完全溶解，将其拿出并依次用丙酮、乙醇溶液漂洗干净；
8)去除SU-8光刻胶
将留有SU-8光刻胶的金属微阵列结构放入水浴加热的去胶溶剂中，水浴85℃加热30min，使SU-8光刻胶发生溶胀脱落，最后将其拿出依次用丙酮、乙醇、去离子水漂洗干净，得到制作完成的金属微阵列结构。
2.根据权利要求1所述的一种在制备密集型微阵列结构过程中简便去除SU-8光刻胶的方法，其特征在于，所述的步骤1)中，研磨抛光处理后，金属基底表面粗糙度小于0.04μm。
3.根据权利要求1所述的一种在制备密集型微阵列结构过程中简便去除SU-8光刻胶的方法，其特征在于，所述的步骤2)中，制作BN308光刻胶胶膜，具体为：BN308光刻胶的甩胶参数为低速转500～700rpm，时间6～9s；高速转2000～2300rpm，时间20～30s；然后在热板上进行前烘工艺，前烘温度为70～85℃，时间为20～30min；冷却后进行曝光，曝光在SUSS光刻机上进行，曝光剂量为350～400mJ/cm2，曝光时使用带有微阵列结构图形的BN308光刻胶掩膜板；曝光完成后，进行BN308光刻胶显影工艺，分别使用负胶显影剂、负胶清洗剂、丙酮进行显影；显影完成后进行后烘坚膜工艺，后烘温度55～65℃，时间为1～1.5h，得到带有微阵列结构图形的BN308光刻胶胶膜。
4.根据权利要求1所述的一种在制备密集型微阵列结构过程中简便去除SU-8光刻胶的方法，其特征在于，所述的步骤3)中，制作SU-8光刻胶胶膜，具体为：SU-8光刻胶的甩胶参数为低速转500～700rpm，时间6～9s；高速转1500～1800rpm，时间20～30s；然后进行前烘工艺，前烘温度和时间分别为：65℃，30min；70℃，10min；75℃，10min；80℃，10min；85℃，1h，然后冷却至室温；冷却后进行曝光，曝光在SUSS光刻机上进行，曝光时间为70～80s，曝光剂量为330～380mJ/cm2，曝光时使用带有微阵列结构和溶胀间隙图形的SU-8光刻胶掩膜板；曝光完成后，进行后烘坚膜工艺，后烘温度为65～75℃，时间为0.5～1h；后烘冷却后，进行SU-8光刻胶显影工艺，利用SU-8光刻胶显影液和乙醇进行显影，得到带有微阵列结构和溶胀间隙图形SU-8光刻胶胶膜。
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