專利名稱：基于su-8厚光刻膠的三維圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作方法，更確切地說(shuō)涉及基于SU-8厚光刻膠 的三維圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作方法，所述的方法可應(yīng)用于MEMS (Micro Electromechanical System，即微電子機(jī)械系統(tǒng))領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
SU-8膠是一種負(fù)性、環(huán)氧樹(shù)脂型、紫外敏感的厚光刻膠，適于制作高深寬比的微結(jié) 構(gòu)，由于其優(yōu)良的力學(xué)、光學(xué)性能、抗化學(xué)腐蝕性和熱穩(wěn)定性，近年來(lái)SU-8在MEMS領(lǐng)域得 到廣泛應(yīng)用，包括M0EMS(微光機(jī)電系統(tǒng))、微流體、機(jī)械、傳感器、執(zhí)行器、生物芯片、微齒輪 以及校準(zhǔn)工具等，已成為制作MEMS器件的一種重要結(jié)構(gòu)材料。目前常規(guī)SU-8制作工藝都 是采用傳統(tǒng)的微電子加工工藝制作，往往具有整齊清晰的邊角，其3D表面通常為長(zhǎng)方體形 或多面體形。不過(guò)，隨著MEMS技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)一步拓展，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)SU-8制作工藝提 出了更高的要求，需要制作更復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的微型器件，尤其是具有曲面特征的微結(jié)構(gòu) 或微器件(如微透鏡)。針對(duì)這種需求有人發(fā)展了灰階光掩膜技術(shù)，該技術(shù)利用具有灰度 梯度分布的光掩膜版進(jìn)行曝光，使得光刻膠因感受不同強(qiáng)度紫外光作用而呈現(xiàn)不同程度交 聯(lián)或溶解，從而制作得到具有曲面特征的微結(jié)構(gòu)[N. Dumbravescu，“Smooth 3-D shaping of thick resists by means of gray tone lithography" in :Proceedings of the 1999International Semiconductor Conference, Sinaia, Romania,1999, pp. 217-220.]。 但是，灰階光掩膜技術(shù)需要昂貴、高分辨率的灰階光掩膜，該類掩膜加工復(fù)雜、成本較高， 不適于推廣應(yīng)用。雖然基于正性光刻膠回流技術(shù)制作的曲面微結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)可以滿 足 MEMS 制作需要[A. Schilling, R. Merz, C. Ossmann, H. P. Herzig, "Surface profiles of reflow microlenses under the influence of surface tension and gravity",Optical Engineering, 39 (2000), pp. 2171-2176.]，但是由于通常正性光刻膠粘度相對(duì)較低，其旋涂 厚度往往較小(單次旋涂厚度< 50 μ m)，限制了可制得的微結(jié)構(gòu)高度，且正性光刻膠材料 本身往往易受酸堿或有機(jī)試劑侵蝕，應(yīng)用范圍受到很大局限。因此，需要尋找適于高深寬比 結(jié)構(gòu)制作、且物化性質(zhì)穩(wěn)定的材料制作曲面微結(jié)構(gòu)。SU-8膠由于其優(yōu)良的物理、化學(xué)性質(zhì)， 與傳統(tǒng)微電子工藝兼容和適于制作高深寬比結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使其成為曲面微結(jié)構(gòu)制作的最佳 候選材料。但是，由于交聯(lián)后的SU-8材料玻璃化溫度很高，接近其碳化熱解溫度，使其很難 采用正性光刻膠回流方法，即通過(guò)光亥IJ、顯影、回流的流程，制作SU-8曲面結(jié)構(gòu)。因此，針對(duì) 三維曲面結(jié)構(gòu)制作的需求，迫切需要發(fā)展新的、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的SU-8曲面制作方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于SU-8厚光刻膠的三維圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作方 法，以拓展SU-8厚光刻膠在MEMS領(lǐng)域的應(yīng)用以及促進(jìn)新型MEMS器件的開(kāi)發(fā)。本發(fā)明提供的一種基于SU-8厚光刻膠的三維圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特 征在于所述制作方法以負(fù)性厚光刻膠SU-8為圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作材料，首先通過(guò)常規(guī)光刻工藝制作SU-8原模，并在此原模上澆注PDMS制作母模，然后利用壓模技術(shù)通過(guò)PDMS 母模將原模結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移形成未經(jīng)曝光交聯(lián)的SU-8陽(yáng)模，最后將此SU-8陽(yáng)模置于高溫環(huán)境中 經(jīng)回流形成具有圓滑曲面特征的微結(jié)構(gòu)。具體而言，本發(fā)明采用SU-8作為結(jié)構(gòu)制作材料，制作過(guò)程中，首先在硅片或玻 璃等基片上旋涂SU-8光刻膠，通過(guò)軟烘、曝光、后烘、顯影、硬烘制作SU-8原模；然后將 PDMSbolydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)預(yù)聚體與固化劑混合物(混合比例為質(zhì)量 比10 1)，真空脫氣后，澆注在SU-8原模上，制作PDMS母模；之后，在硅片或玻璃等基片 上旋涂SU-8光刻膠，并通過(guò)軟烘盡量除去SU-8光刻膠中溶劑成分，以避免后續(xù)壓模過(guò)程 中，脫模時(shí)出現(xiàn)SU-8膠與PDMS母模的粘連；然后對(duì)PDMS母模進(jìn)行真空脫氣，以避免壓模過(guò) 程中SU-8光刻膠中形成氣泡；脫氣后，將PDMS母模結(jié)構(gòu)面緊貼SU-8膠，施加壓力，置于高 溫環(huán)境下(> 55°C )，使得壓模過(guò)程中SU-8處于粘流態(tài)，具有較好的流動(dòng)性，易于填充進(jìn)入 PDMS母模的凹形結(jié)構(gòu)中，此壓模過(guò)程通過(guò)PDMS母模將原模結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移形成未經(jīng)曝光交聯(lián)的 SU-8陽(yáng)模；待模具冷卻至室溫(< 30°C )后，SU-8從粘流態(tài)轉(zhuǎn)化為玻璃態(tài)(固態(tài))，此時(shí)從 SU-8陽(yáng)模上剝離PDMS母模，然后再將制備的SU-8陽(yáng)模置于高溫環(huán)境下(> 55°C )進(jìn)行回 流。由于未交聯(lián)的SU-8膠玻璃化溫度較低( 550C )，當(dāng)環(huán)境溫度高于其玻璃化溫度時(shí)， SU-8從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化為粘流態(tài)，流動(dòng)性增加，在表面張力的作用下(注微米尺度下重力作用 可忽略)，SU-8陽(yáng)模微結(jié)構(gòu)邊角將變得圓滑，從而形成具有圓滑曲面的三維微結(jié)構(gòu)?；亓骱?的SU-8模具冷卻至室溫(<30°C)后，重新恢復(fù)為固態(tài)(即玻璃態(tài))，再經(jīng)紫外曝光及后 烘和硬烘，完成SU-8的交聯(lián)，保證曲面結(jié)構(gòu)的物理和化學(xué)穩(wěn)定性。所述的軟烘溫度范圍為60°C 120°C，軟烘時(shí)間為1小時(shí) 12小時(shí)，軟烘溫度和 時(shí)間隨SU-8光刻膠的厚度不同而改變，光刻膠厚度越厚軟烘溫度越高，軟烘時(shí)間越長(zhǎng)，反 之亦然；所述的回流溫度為55°C 120°C，回流時(shí)間為30秒 3小時(shí)，回流溫度較低時(shí)則回 流時(shí)間較長(zhǎng)，反之亦然。本發(fā)明所述的具有圓滑曲面特征的微結(jié)構(gòu)制作方法，可以用于制作微透鏡(見(jiàn)實(shí) 施例 2)，以構(gòu)建微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS，Micro-Opto-Electro-Mechanical System)。也可以 用于制作具有具有圓弧形狀特征的微流體管道，以構(gòu)建具有高密封特性的氣壓微閥；或制 作半球形微流體腔體，以實(shí)現(xiàn)液滴或細(xì)胞的高效捕獲和分配。本發(fā)明與現(xiàn)有的曲面微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)相比，工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需昂貴的灰階光刻掩膜 版，且形成的曲面微結(jié)構(gòu)具有良好的化學(xué)、熱學(xué)以及機(jī)械穩(wěn)定性，有利于MEMS技術(shù)的拓展 應(yīng)用。所述的圓滑曲面微結(jié)構(gòu)為圓滑凸起的曲面結(jié)構(gòu)或?yàn)閳A滑凹陷曲面結(jié)構(gòu)。


圖1為基于傳統(tǒng)微電子工藝制作的SU-8原模示意圖，a)為立體圖；b)為剖面圖。圖2為以SU-8原模為模具通過(guò)澆注制作的PDMS母模的示意圖。圖3為以PDMS母模為模具通過(guò)壓模制作SU-8陽(yáng)模的示意圖。圖4為SU-8陽(yáng)模經(jīng)回流形成曲面結(jié)構(gòu)的示意圖。圖5為基于本發(fā)明制作方法制作的微透鏡陣列示意圖。圖中1為硅片，2為交聯(lián)后的SU-8光刻膠，3為PDMS，4為未經(jīng)曝光作用和交聯(lián)反 應(yīng)的SU-8光刻膠，5為經(jīng)回流、曝光作用和交聯(lián)反應(yīng)的具有曲面特征的SU-8光刻膠。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1下面結(jié)合附圖采用SU-8光刻膠進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。1.利用SU-8光刻膠常規(guī)工藝制得SU-8原模，如圖1所示。2.以10 1(質(zhì)量比)配比混合PDMS預(yù)聚體和固化劑，并真空脫氣(消除攪拌混 合PDMS預(yù)聚體和固化劑形成的氣泡)，澆注于步驟1所制備的SU-8原模上，然后置于85°C 熱板上1小時(shí)進(jìn)行固化。3.將固化后的PDMS從SU-8原模上剝離，制得PDMS母模，如圖2所示。4.取清洗后硅片，置于150°C下烘烤20分鐘，冷卻至室溫后，旋涂SU-8光刻膠，并 置于熱板上90°C烘烤1小時(shí)，然后冷卻至室溫。 5.取上述制備的PDMS母模真空脫氣后，將結(jié)構(gòu)面貼附于烘烤后SU-8膠上，并壓上 重物，置于熱板上90°C烘烤3小時(shí)，冷卻至室溫后，剝離PDMS母模，制得SU-8陽(yáng)模，如圖3 所示。6.將制備的SU-8陽(yáng)模置于熱板上70°C烘烤3分鐘，使SU-8陽(yáng)模微結(jié)構(gòu)回流形成 圓滑曲面結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)紫外曝光、85°C后烘1小時(shí)，制得性能穩(wěn)定的SU-8圓滑曲面微結(jié)構(gòu)， 如圖4所示。實(shí)施例2利用實(shí)施例1提出的制作SU-8圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的工藝方法制作具有不同曲率的 微透鏡陣列(如圖5所示)，微透鏡曲率可以通過(guò)調(diào)節(jié)SU-8原模厚度以及光刻掩膜透光結(jié) 構(gòu)的大小、形狀設(shè)計(jì)來(lái)加以控制，SU-8原模厚度介于ΙΟμπι IOOOym之間，光刻掩膜版透 光結(jié)構(gòu)的形狀可以為正多邊形或圓形，邊長(zhǎng)或直徑為10 μ m 1000 μ m。所制作微透鏡陣列 可應(yīng)用于平板顯示、三維立體成像、光纖耦合器、微聚焦、微投影等領(lǐng)域。
權(quán)利要求
一種三維圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述制作方法以負(fù)性厚光刻膠SU 8為圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作材料，首先通過(guò)常規(guī)光刻工藝制作SU 8原模，并在此原模上澆注PDMS制作母模，然后利用壓模技術(shù)通過(guò)PDMS母模將原模結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移形成未經(jīng)曝光交聯(lián)的SU 8陽(yáng)模，最后將此SU 8陽(yáng)模置于高溫環(huán)境中回流形成具有圓滑曲面特征的微結(jié)構(gòu)。
2.按權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于制作步驟包括a)首先在硅片或玻璃基片上旋涂SU-8光刻膠，通過(guò)軟烘、曝光、后烘、顯影、硬烘制作 SU-8原模；b)然后將PDMS預(yù)聚體與固化劑混合物，兩者混合的質(zhì)量比10 1，真空脫氣后，澆注 在SU-8原模上，制成PDMS母模；c)接著在硅片或玻璃基片上旋涂SU-8光刻膠，并通過(guò)軟烘除去SU-8光刻膠中的溶劑 成分，然后對(duì)PDMS母模進(jìn)行真空脫氣；脫氣后，將PDMS母模的結(jié)構(gòu)面緊貼SU-8膠，施加壓 力，置于> 55°C高溫環(huán)境下，使得壓模過(guò)程中SU-8處于粘流態(tài)，填充進(jìn)入PDMS母模的凹形 結(jié)構(gòu)中，在此壓模過(guò)程通過(guò)PDMS母模將原模結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移形成未經(jīng)曝光交聯(lián)的SU-8陽(yáng)模；d)待模具冷卻至低于30°C后，SU-8從粘流態(tài)轉(zhuǎn)化為玻璃態(tài)，此時(shí)從SU-8陽(yáng)模上剝離 PDMS母模，然后再將制備的SU-8陽(yáng)模置于> 55°C高溫環(huán)境下進(jìn)行回流；SU-8從玻璃態(tài)轉(zhuǎn) 化為粘流態(tài)，流動(dòng)性增加，在表面張力的作用下，SU-8陽(yáng)模微結(jié)構(gòu)邊角將變得圓滑，從而形 成具有圓滑曲面的三維微結(jié)構(gòu)。
3.按權(quán)利要求2所述的制作方法，其特征在于所述的軟烘溫度為60°C 120°C，軟烘時(shí) 間為1小時(shí) 12小時(shí)。
4.按權(quán)利要求2所述的制作方法，其特征在于所述的回流溫度在55°C 120°C之間，回 流時(shí)間30秒 3小時(shí)。
5.按權(quán)利要求1或2所述的制作方法，其特征在于所述的圓滑曲面微結(jié)構(gòu)為圓滑凸起 的曲面結(jié)構(gòu)或?yàn)閳A滑凹陷曲面結(jié)構(gòu)。
6.按權(quán)利要求1或2所述的制作方法，其特征在于制作的具有不同曲率的微透鏡陣列， 微透鏡曲率通過(guò)調(diào)節(jié)SU-8原模厚度以及光刻掩膜透光結(jié)構(gòu)大小或形成控制的。
7.按權(quán)利要求6所述的制作方法，其特征在于SU-8原模厚度介于10-1000μ m之間。
8.按權(quán)利要求6所述的制作方法，其特征在于所述的光刻掩膜版透光結(jié)構(gòu)為正多邊形 或圓形；正多邊形的邊長(zhǎng)或圓形的直徑為10-1000 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于SU-8厚光刻膠的三維圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述的方法以聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)壓模技術(shù)結(jié)合未交聯(lián)SU-8光刻膠的回流特性制作具有圓滑曲面特征的微結(jié)構(gòu)。首先通過(guò)光刻工藝制作SU-8原模，并以此原模澆注PDMS形成母模，然后利用壓模技術(shù)將此PDMS母模轉(zhuǎn)制成SU-8陽(yáng)模，剝離PDMS模具后，將此未經(jīng)曝光交聯(lián)反應(yīng)的SU-8陽(yáng)模置于高溫(55℃～120℃)環(huán)境下回流，形成具有圓滑曲面特征的三維微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出的圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作方法相對(duì)于傳統(tǒng)的灰階掩膜技術(shù)、發(fā)散光曝光技術(shù)和正性光刻膠回流方法，具有加工簡(jiǎn)便、成本低廉、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、結(jié)構(gòu)曲率范圍更大等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B81C1/00GK101950126SQ20101027595
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月8日
發(fā)明者李剛, 沈念, 趙建龍, 陳強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所