CN110794649B - 一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构及其制作方法。该结构包括:玻璃纤维;以及光刻胶,所述光刻胶包覆所述玻璃纤维。基于本发明的该种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构与现有技术相比具有如下优点:1)提高了光刻胶的拉伸模量与断裂强度,从而扩大光刻胶作为结构材料在MEMS技术中的应用;2)保证了光刻胶对光能量具有较高的利用率,复合结构对光刻胶的光敏特性不造成影响;3)不改变光刻胶的曝光以及显影方式,不影响其光刻成型;4)裸露出来的玻璃纤维可通过氢氟酸湿法去除;5)工艺简单、成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及电子和半导体材料及光刻胶技术领域,尤其涉及一种应用与微机电系统制造的基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构及其制作方法。
背景技术
SU-8光刻胶是一种负性基于环氧树脂的近紫外光致抗蚀剂材料。它一次旋涂可形成数百微米厚的胶层,在近紫外范围内的光吸收较低,因此可得到垂直侧壁和高深宽比的厚膜图形。此外由于SU-8光刻胶可与多种不同的材料制造工艺相兼容,良好的热稳定性和耐腐蚀性,在前烘过程中可自整平、消除边缘的水珠效应、重量轻、易于加工,在微机械领域,如RF-MEMS(射频-微机电系统)、微光学、微流体器件及微芯片等领域,具有广泛的应用。
目前,SU-8光刻胶以其较低的生产成本、相对较好的柔性、良好的绝缘性和生物相容性,正在取代硅材料应用于一些特定的MEMS器件以及微流体等,被认为是微机电系统的下一代结构材料。然而MEMS元件尺寸一般在微米范围内,对材料性能要求较高,尽管SU-8光刻胶是一种很有前途的MEMS 结构材料,但相对于硅等应用于微机电系统的传统结构材料,SU-8光刻胶的低弹性模量和较差的断裂强度大大制约了其在微小器件中的应用,较差的机械性能会带来严重的器件失效问题。因此,改善SU-8光刻胶的力学性能是有效开发基于SU-8的聚合物微机械系统的必要条件。
为了提高SU-8光刻胶的力学等机械性能,有研究人员尝试在光刻胶中加入一定的增强相。例如,Soonwan Chung等人在文献Material Characterization of Carbon-Nanotube-Reinforced Polymer Composite(2006)中报道了将碳纳米管和 SU-8光刻胶通过搅拌机混合得到碳纳米管增强的SU-8复合材料。然而因为多壁碳纳米管在样品表面聚集,以及在轴向的错位,复合后杨氏模量仅略大于原始值。又如,Jitendra K.Katiyar等人在文献Effects of carbon fillers on the tribological and mechanical propertiesof an epoxy-based polymer(SU-8)(2016) 内容中报道了将石墨、石墨烯、多壁碳纳米管和二氧化硅制成粉末颗粒,通过超声将粉末颗粒以及全氟聚醚分散于SU-8光刻胶中制备复合材料,SU-8光刻胶的力学性能(弹性模量和硬度)仅得到小幅度提高。因此,目前现有增强相对SU-8光刻胶力学性能的提升均不理想,且碳、石墨等填料透光性不好,与 SU-8光刻胶复合后影响其光刻成型。
针对SU-8光刻胶作为结构材料存在的力学性能较差,现有的增强相对光刻胶力学性能的提升均不理想,碳、石墨等填料透光性不好,与SU-8光刻胶复合后影响其光刻成型等问题,本发明提出一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构及其制作方法,至少部分的克服了上述问题。
发明内容
针对SU-8光刻胶作为结构材料存在的力学性能较差,现有的增强相对光刻胶力学性能的提升均不理想,碳、石墨等填料透光性不好,与SU-8光刻胶复合后影响其光刻成型等问题,根据本发明的一个实施例,提供一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构,包括:
玻璃纤维;以及
光刻胶,所述光刻胶包覆所述玻璃纤维。
在本发明的一个实施例中,所述玻璃纤维为编制玻璃纤维布或短切玻璃纤维。
在本发明的一个实施例中,所述编织玻璃纤维布为双轴向编织或三轴向编织,编织角为±30°或±45°或±60°,纤维缠绕方式为1/1或2/2或3/3编织结构。
在本发明的一个实施例中,所述短切玻璃纤维为E型玻璃纤维、A型玻璃纤维、C型玻璃纤维、S型玻璃纤维的一种或组合。
在本发明的一个实施例中,所述编织玻璃纤维布的层数为N,其中N≥。
在本发明的一个实施例中,所述光刻胶为负性光刻胶。
在本发明的一个实施例中,所述负性光刻胶为SU-8光刻胶。
根据本发明的另一个实施例中,提供一种制作基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构的方法,包括:
进行基片与玻璃纤维的预处理;
在基片表面进行玻璃纤维与光刻胶的复合;
进行烘胶及光刻工艺;以及
去除显影后窗口裸露出的玻璃纤维。
在本发明的另一个实施例中,所述进行基片与玻璃纤维的预处理包括对基片进行等离子清洗,使用丙酮对编制玻璃纤维进行清洗,烘干后将编织纤维剪成基片形状;
所述在基片表面进行玻璃纤维与光刻胶的复合包括在基片上倒一定量的光刻胶匀平,使其均匀涂覆在基片表面,再将处理过的玻璃纤维布平铺在光刻胶表面,并静置一定时间,使光刻胶充分浸润玻璃纤维布;
所述进行烘胶及光刻工艺包括前烘、曝光、后烘和显影;以及
所述去除显影后窗口裸露出的玻璃纤维是通过稀释的氢氟酸溶液中进行裸露的玻璃纤维刻蚀。
在本发明的另一个实施例中,所述进行基片与玻璃纤维的预处理包括对基片进行等离子清洗,将玻璃纤维用丙酮清洗后,放入偶联剂与乙醇的混合液中浸泡一定时间后取出烘干;称取烘干后取一定量的玻璃纤维加入到一定量的光刻胶中,在设定温度的热水浴下,通过机械搅拌和或超声波搅拌充分混匀。
本发明提供一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构及其制作方法。基于玻璃纤维作为一种性能优异的无机非金属材料,具有耐高温、电绝缘、拉伸强度高、化学稳定性、成本低、加工性佳等电学和力学优点;同时,玻璃纤维具有光线透过性好、吸收性小,相对其他材料能减少对光能量的损耗的光学性能优点;以及,玻璃纤维与树脂粘着性良好,表面处理剂开发完善,且多余的玻璃纤维可利用氢氟酸去除的优点,选择玻璃纤维作为光刻胶的增强相形成增强型光刻胶结构,并提供详细的制作方法。基于本发明的该种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构与现有技术相比具有如下优点:1)提高了光刻胶的拉伸模量与断裂强度,从而扩大光刻胶作为结构材料在MEMS技术中的应用;2)保证了光刻胶对光能量具有较高的利用率,复合结构对光刻胶的光敏特性不造成影响;3)不改变光刻胶的曝光以及显影方式,不影响其光刻成型;4)多余的、裸露出来的玻璃纤维可通过氢氟酸湿法去除;5)工艺简单、成本低廉。
附图说明
为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征,将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解,这些附图只描绘本发明的典型实施例,因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中,为了清楚明了,相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出根据本发明的一个实施例的一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构100的立体示意图。
图2示出根据本发明的一个实施例的一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构100的俯视图。
图3示出根据本发明的一个实施例的一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构100沿图2中AA’方向截断的截面示意图。
图4示出根据本发明的另一实施例的一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构400的截面示意图。
图5示出根据本发明的再一实施例的一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构500的立体示意图。
图6示出根据本发明的又一实施例制作一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构的流程图600。
具体实施方式
在以下的描述中,参考各实施例对本发明进行描述。然而,本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中,未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地,为了解释的目的,阐述了特定数量、材料和配置,以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而,本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外,应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。
在本说明书中,对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
需要说明的是,本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述,然而这只是为了方便区分各步骤,而并不是限定各步骤的先后顺序,在本发明的不同实施例中,可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
本发明提供一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构及其制作方法。基于玻璃纤维作为一种性能优异的无机非金属材料,具有耐高温、电绝缘、拉伸强度高、化学稳定性、成本低、加工性佳等电学和力学优点;同时,玻璃纤维具有光线透过性好、吸收性小,相对其他材料能减少对光能量的损耗的光学性能优点;以及,玻璃纤维与树脂粘着性良好,表面处理剂开发完善,且多余的玻璃纤维可利用氢氟酸去除的优点,选择玻璃纤维作为光刻胶的增强相形成增强型光刻胶结构,并提供详细的制作方法。基于本发明的该种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构与现有技术相比具有如下优点:1)提高了光刻胶的拉伸模量与断裂强度,从而扩大光刻胶作为结构材料在MEMS技术中的应用;2)保证了光刻胶对光能量具有较高的利用率,复合结构对光刻胶的光敏特性不造成影响;3)不改变光刻胶的曝光以及显影方式,不影响其光刻成型;4)多余的、裸露出来的玻璃纤维可通过氢氟酸湿法去除;5)工艺简单、成本低廉。
下面结合图1、图2、图3来详细介绍根据本发明的一个实施例的一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构。图1示出根据本发明的一个实施例的一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构100的立体示意图;图2示出根据本发明的一个实施例的一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构100的俯视图;图3示出根据本发明的一个实施例的一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构100沿图2 中AA’方向截断的截面示意图。如图1、图2、图3所示,该基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构100进一步包括玻璃纤维110、光刻胶120。
玻璃纤维110为玻璃纤维布。在本发明的一个实施例中,玻璃纤维110 编制玻璃纤维布。在本发明的一个具体实施例中,玻璃纤维110为1017型玻璃纤维布,由中国台湾台玻集团生产,单丝直径为4微米,由50单丝每纱的无捻玻璃纤维纱按照95纱每英寸乘以95纱每英寸的经纬密度编制而成,克重为12 ±1克每平方米,典型厚度为14±2微米,编织角为45°,编织缠绕方式为1/1。
光刻胶120为适用于制备15微米以上厚度为负性光刻胶。在本发明的一个实施例中,光刻胶120为SU-8光刻胶。在本发明的一个具体实施例中,光刻胶120是型号为GM1070,由瑞士Gersteltec公司生产的使用GBL作为溶剂,适用于制备15-200微米厚度的结构SU-8光刻胶。
在本发明的一个实施例中,该基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构100的整体结构厚度约为200-300微米。在本发明的一个具体实施例中,该基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构100的整体结构厚度约为270微米。
此外,在实际使用中,该基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构100还包括图形化窗口130,图形化窗口130所在的区域既没有光刻胶120,也没有玻璃纤维110。在本发明的一个实施例中,该基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构100 的图形化窗口130为挖空结构;在本发明的另一实施例中,该基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构100的图形化窗口130填充有其他材料结构。
在某些情况下,单层玻璃纤维可能还不足以满足该种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构的机械力学强度,为了进一步增加该种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构的强度,下面结合图4来介绍根据本发明的另一实施例的一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构。图4示出根据本发明的另一实施例的一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构400的截面示意图。如图4所示,该种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构400与前述的基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构100相比,具有多层玻璃纤维410-1、410-2、410-3。然而本领域的技术人员应该理解到,该处所示的多层也可以为2层、4层,或者更多层。
本发明中采用的玻璃纤维除了编织玻璃纤维布之外,还可以采用其他形式的玻璃纤维结构材料,只要其与光刻胶结合形成的结构,在机械力学上能起到增强作用都属于本发明的保护范围。例如,玻璃纤维可以采用短切玻璃纤维布。图5示出根据本发明的再一实施例的一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构 500的立体示意图。如图5所示,该种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构500 进一步包括短切玻璃纤维布510、光刻胶520构成。在本发明的一个具体实施例中,短切玻璃纤维布510为3毫米无碱玻璃纤维短切丝,采用的偶联剂为 KH-560。
下面在结合图6来详细说明制作一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构的流程。图6示出根据本发明的又一实施例制作一种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构的流程图600。
首先,在步骤610,进行基片与玻璃纤维的预处理。在本发明的一个实施例中,将基片放入等离子体清洗机进行清洗,将玻璃纤维用丙酮清洗,烘干后将编织纤维布剪成基片形状,所述的基片可以为3英寸、4英寸、6英寸、8 英寸、12英寸等尺寸规格的硅基片,此外也可以为玻璃基片、陶瓷基片等其他材料的基片。在本发明的又一实施例中,将基片放入等离子体清洗机清洗;将玻璃纤维用丙酮清洗后,放入偶联剂与乙醇的混合液中浸泡1-2小时后取出烘干;称取烘干后一定量的玻璃纤维加入到一定量的光刻胶中,在设定温度的热水浴下,通过机械搅拌与超声充分混匀。在本发明的一个具体实施例中,称取烘干后玻璃纤维0.03g加入到1.5g SU-8光刻胶中,在50℃的热水浴下,通过机械搅拌与超声充分混匀。
接下来,在步骤620,在基片表面进行玻璃纤维与光刻胶的复合。在本发明的一个实施例中,在基片上倒一定量的光刻胶匀平,使其均匀涂覆在基片表面,再将处理过的玻璃纤维布平铺在光刻胶表面,并静置一定时间,使光刻胶充分浸润玻璃纤维布。在本发明的一个具体实施例中,在基片上倒1.24克的SU-8光刻胶匀平,使其均匀涂覆在基片表面,再将处理过的玻璃纤维布平铺在SU-8光刻胶表面,并静置10分钟左右,使SU-8光刻胶充分浸润玻璃纤维布。在本发明的另一具体实施例中,在1.24克SU-8光刻胶表面平铺一层编织玻璃纤维后,再倒0.88克SU-8光刻胶,在其自流平后,再铺一层编织玻璃纤维,静置获得含双层编制玻璃纤维的结构,以此类推,可以获得含更多层编制玻璃纤维的结构,在此不再赘述。在本发明的又一实施例中,将复合后SU-8 光刻胶(内含短切玻璃纤维)倒在基片上匀平,使其均匀涂覆在基片表面。
然后,在步骤630,进行烘胶及光刻工艺。在本发明的一个实施例中,将基片及复合后的光刻胶及玻璃纤维放于热板上进行前烘;自然冷却降至室温后,进行图形化曝光;放于热板上进行后烘;再自然冷却至室温后进行显影,并去除残余显影液。在本发明的一个具体实施例中,前烘工艺的参数设置为以 2℃/min的升温速度升至65℃,保温30min,再以2℃/min的升温速度升至95℃,保温4h;曝光工艺的参数设置为自然冷却降至室温后,利用设计的掩膜图形在 365nm紫外光下充分曝光;后烘工艺的参数设置为间隔10min后,放于热板上以2℃/min的升温速度升至65℃,保温10min,再以2℃/min的升温速度升至 95℃,保温40min,再自然冷却至室温;显影及去除显影液工艺的参数设置为浸泡在PGMEA溶液15min进行显影,用异丙醇浸泡10min去除残余显影液。
最后,在步骤640,去除显影后窗口裸露出的玻璃纤维。在本发明的一个实施例中,将显影后基片放入稀释的氢氟酸溶液中进行玻璃纤维刻蚀,去除多余的玻璃纤维。
通过上述制作方法形成的基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构,采用单层编制玻璃纤维布最终获得的结构厚度在270微米左右;采用双层编制玻璃纤维布最终获得的结构厚度在470微米左右;采用短切玻璃纤维布最终获得的结构厚度在200微米左右。
基于本发明提供的该种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构及其制作方法。利用玻璃纤维作为一种性能优异的无机非金属材料,具有耐高温、电绝缘、拉伸强度高、化学稳定性、成本低、加工性佳等电学和力学优点;同时,玻璃纤维具有光线透过性好、吸收性小,相对其他材料能减少对光能量的损耗的光学性能优点;以及,玻璃纤维与树脂粘着性良好,表面处理剂开发完善,且多余的玻璃纤维可利用氢氟酸去除的优点,选择玻璃纤维作为光刻胶的增强相形成增强型光刻胶结构,并提供详细的制作方法。基于本发明的该种基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构与现有技术相比具有如下优点:1)提高了光刻胶的拉伸模量与断裂强度,从而扩大光刻胶作为结构材料在MEMS技术中的应用;2) 保证了光刻胶对光能量具有较高的利用率,复合结构对光刻胶的光敏特性不造成影响;3)不改变光刻胶的曝光以及显影方式,不影响其光刻成型;4)多余的、裸露出来的玻璃纤维可通过氢氟酸湿法去除;5)工艺简单、成本低廉。
尽管上文描述了本发明的各实施例,但是,应该理解,它们只是作为示例来呈现的,而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是,可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此,此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制,而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。
Claims (8)
1.一种制作基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构的方法,包括:
进行基片与玻璃纤维的预处理;
在基片表面进行玻璃纤维与光刻胶的复合,所述光刻胶为SU-8光刻胶;
进行烘胶及光刻工艺;以及
去除显影后窗口裸露出的玻璃纤维,
其中所述进行基片与玻璃纤维的预处理包括:
对基片进行等离子清洗,使用丙酮对编织玻璃纤维进行清洗,烘干后将编织纤维剪成基片形状,或者
对基片进行等离子清洗,将玻璃纤维用丙酮清洗后,放入偶联剂与乙醇的混合液中浸泡一定时间后取出烘干;烘干后取一定量的玻璃纤维加入到一定量的光刻胶中,在设定温度的热水浴下,通过机械搅拌和或超声波搅拌充分混匀。
2.如权利要求1所述的制作基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构的方法,其特征在于,所述去除显影后窗口裸露出的玻璃纤维是通过稀释的氢氟酸溶液中进行裸露的玻璃纤维刻蚀。
3.如权利要求1所述的制作基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构的方法,其特征在于,所述增强型光刻胶的曝光显影进而图形化的光刻成型特性得以保持。
4.一种通过权利要求1至3中任一项所述的方法制作的基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构,包括:
玻璃纤维;
光刻胶,所述光刻胶包覆所述玻璃纤维,所述光刻胶为SU-8光刻胶;以及
图形化窗口,所述图形化窗口形成在基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构中,所述图形化窗口所在的区域既没有光刻胶也没有玻璃纤维。
5.如权利要求4所述的基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构,其特征在于,所述玻璃纤维为编织玻璃纤维布或短切玻璃纤维。
6.如权利要求5所述的基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构,其特征在于,所述编织玻璃纤维布为双轴向编织或三轴向编织,编织角为±30°或±45°或±60°,纤维缠绕方式为1/1或2/2或3/3编织结构。
7.如权利要求5所述的基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构,其特征在于,所述短切玻璃纤维为E型玻璃纤维、A型玻璃纤维、C型玻璃纤维、S型玻璃纤维的一种或组合。
8.如权利要求5所述的基于玻璃纤维的增强型光刻胶结构,其特征在于,所述编织玻璃纤维布的层数为N,其中N≥1。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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