UV-LIGA技术标准工艺
UV-LIGA技术采用基于SU8光刻胶的厚胶紫外光刻工艺，大大降低了LIGA技术的加工成本，缩短了加工周期，并且可以制备台阶微结构，但其技术指标低于同步辐射LIGA技术，适用于加工深度小于500μm，线宽大于5μm，深宽比小于20的微结构。
一、设备情况
1. 溅射机：
-
♦德国Laybold-Heraus公司 Z-550
-
♦可进行直流、交流溅射，靶材有Cu、Cr、Fe-Ni、Ti、Au等
-
♦本底真空：2*10-6 mbar，射频最大功率：2.5 kW，直流最大功率：1 kW，
-
♦沉积速率：20-60nm/分钟
-
♦容量：3英寸硅片13片
2. 厚胶甩胶台
-
♦德国Karl Suss公司RC8
-
♦可进行厚光刻胶的制备，具有程控功能
-
♦可用最大工作尺寸：3"， 最大转速： 5000rpm
-
♦时间范围： 0－999s
-
♦双面光刻机：德国Karl Suss公司 MA6
-
♦可进行正面和反面对准曝光，
-
♦最小线宽：2μm，对准精度：1μm
-
♦精密铣切机：德国Leica公司 SP2600
-
♦可进行光刻胶表面的铣切；
-
♦最小进刀步长：1μm
3. 兆声显影机
-
♦德国Megasonic公司
-
♦可实现高深宽比阴图形微结构的显影
-
♦频率：1M Hz
4. 反应离子刻蚀机
-
♦法国Alcatel 公司Nextral 100
-
♦可实现硅、氧化硅、PMMA、玻璃等材料的刻蚀，用于制备深刻蚀掩膜和电铸前的活化；
-
♦刻蚀速率：50nm/min
-
♦可选用SF6、CHF3、O2等作为刻蚀气体
-
♦微结构模具电铸系统：自制
-
♦可实现铜和镍的电铸；
-
♦镀速： 0.02-0.05mm/hr
-
♦流量： 0.5－2l/ min 搅拌，速率： 20－100次/min
-
♦电铸温度： RT－70℃，温度控制精度：0.10℃
-
♦真空热压机：德国JENOPTIK 公司 HEX01/C
-
♦可进行热塑性塑料微结构的批量加工，其特色是在模压过程中可抽真空；
-
♦最大压力 20kN，最高热压温度 210℃
5. 测量显微镜：
-
♦日本OLYMPUS公司 STM-MJS2
-
♦可进行微结构形貌观察和三维长度测试；
-
♦测量精度： 1μm
6. 表面轮廓仪
-
♦美国Veeco公司 Dektak 6M
-
♦可进行微结构表面轮廓和结构厚度的测试；
-
♦垂直测量距离：1 mm， 精度：0.1 nm/6.5μm, 1 nm/65μm, 16nm/1mm
-
♦扫描长度：50μm－30mm
7. 扫描电镜：
-
♦日本Hitachi公司SP2600
-
♦可进行微结构形貌观察和拍照；
-
♦最大加速电压：25kV，最大放大倍数：20万倍，分辨率5nm
-
♦附带ADDA,数模转换器，模拟信号可转化为数字信号进行处理
二、 工艺流程
1. 紫外厚胶光刻工艺
-
1）对硅片或玻璃片（厚度大于1mm）进行清洗，并在180℃烘4个小时以上以去除表面水分子；
-
2）硅片一面溅射2μm左右厚的金属钛薄膜并进行湿法氧化发黑处理；
-
3）再次对其进行清洗并180℃烘4个小时以上；
-
4）利用厚胶甩胶机在基片表面旋涂所需要厚度的SU-8胶；
-
5）利用程控烘箱或者热板对SU-8胶进行前烘处理。
-
6）用精密铣床切除由于边珠效应（edge bead effect）造成的边缘较厚的部分，获得相对平整的SU-8胶平面和所需的厚度；
-
7）利用光学掩模，在SUSS MA6紫外光刻机上进行接触式曝光；
-
8）对曝光后的SU-8胶进行后烘热处理，得到交联的SU-8胶结构；
-
9）显影，得到光刻胶图形，对高深宽比阴图形要使用兆声显影设备。
表1：不同厚度SU8光刻工艺参数
|
厚度[μm]
|
光刻胶
|
甩胶速率[rpm]
|
前烘时间[min]
|
曝光时间[sec]
|
后烘时间[min]
|
显影时间[min]
|
|
65℃
|
95℃
|
65℃
|
95℃
|
|
50
|
SU-8 50
|
1900
|
30
|
20
|
60
|
30
|
10
|
8
|
|
100
|
SU-8 50
|
1200
|
30
|
30
|
120
|
30
|
15
|
12
|
|
200
|
SU-8 100
|
1100
|
30
|
90
|
150
|
30
|
30
|
20
|
|
500
|
SU-8 100
|
600
|
30
|
300
|
350
|
30
|
50
|
30
|
2. 模具电铸工艺
1) 微电铸镍：
-
♦电解液类型：改良瓦特镍镀液体系
-
♦镀液工作条件：温度：50－60℃，PH值：4.5-5.0,
-
♦镀速：0.15-0.4μm/min
-
♦厚度范围：60－2000μm
2) 微电铸铜
-
♦镀液类型：高分散性酸性镀铜液体系，
-
♦镀液工作条件：室温，强酸环境，在强酸性环境中不稳定的材料不能直接作为基体材料使用。
-
♦镀速：0.2-0.5μm/min
-
♦镀层厚度范围：30－1200μm
-
♦加工时间：按照镀层厚度从1天到10天不等
3) 微电铸镍铁合金：
-
♦电解液类型：硫酸盐型稀溶液
-
♦镀液工作条件：温度：50－60℃，PH值：4.5-5.0,
-
♦镀速：0.05-0.2μm/min
-
♦厚度范围：40－300μm
4) 样品后处理
-
♦将玻璃片或硅片敲碎，剩余的硅片在80℃下用40%的KOH溶液去除，玻璃片用10%HF去除；用自己开发出的SU-8去胶液去除SU8光刻胶，将金属模具的背面和边缘用砂轮磨平，线切割后获得金属微结构模具。
3. 微复制工艺
-
1) 将模具固定在真空热压机上，底部放上待模压的塑料片，如PMMA、PC、PS、PVC等；
-
2) 关闭模腔并抽真空；
-
3) 加接触力200N；
-
4) 上下热板加热至所需温度并等待30秒；
-
5) 在一定的速度下加压力并保持一定的时间；
-
6) 降温至脱模温度；
-
7) 在一定的速度下脱模；
-
8) 模腔充气
-
9) 打开模腔，取出塑料样品。
-
-
模压系统在模压时，是自动执行命令的，对应于上述工艺步骤的一段典型命令流如下：
-
Initialize Force control {true/false=0}
-
Close chamber{}
-
Evacuate chamber{}
-
Touch Force {Force=200}
-
Heating {Top=165.0deg, Bottom=165.0deg}
-
Temperature>={Temperature=155.0deg,Channel=3}
-
Heating{Top=160.0deg, Bottom=160.0deg}
-
Waiting Time{Time=30.00s}
-
Force-Force controlled{Force=1000N,velocity=0.50000mm/min}
-
Waiting Time{Time=60.00s}
-
Cooling{Top=60.00deg,Bottom=60.00deg}
-
Temperature<={Temperature=66.0deg,Channel=3}
-
Force-Force controlled{Force=100N,velocity=0.50000mm/min}
-
Waiting Time{Time=30.00s}
-
Venting Chamber{}
-
Cooling{Top=40.00deg,Bottom=40.00deg}
-
Open chamber{}
-
Unlock door{}
表2: 模压工艺参数
|
材料
|
模压温度
[℃]
|
模压压力
[N]
|
模压时间
[sec]
|
脱模温度
[℃]
|
|
PMMA
|
160
|
5000
|
60
|
60
|
|
PC
|
200
|
6000
|
50
|
120
|
|
PVC
|
140
|
4000
|
60
|
60
|
|
PS
|
130
|
5000
|
60
|
60
|
三、 结果
1. 线宽变化
-
由于我们目前使用的光刻机含有g－line、h－line和i－line，不是理想的单色i－line，所以光刻工艺后造成光刻胶变宽，下表为我们目前得到的线宽变化与光刻胶厚度的关系。
表3: 线宽变化与光刻胶厚度的关系
|
光刻胶厚度 [μm]
|
线宽变化 [μm]
|
|
50
|
1
|
|
100
|
2
|
|
200
|
5
|
|
500
|
10
|
2. 成品率
-
对同样宽度的图形，圆柱的成品率要低于线条。
-
表4：不同厚度SU8胶图形成品率
|
厚度[μm]
|
圆 柱[μm]
|
线 条[μm]
|
|
100
|
线宽
|
5
|
10
|
20
|
5
|
10
|
20
|
|
成品率
|
7.3％
|
70％
|
100％
|
30％
|
100％
|
100％
|
|
200
|
线宽
|
10
|
20
|
30
|
10
|
20
|
30
|
|
成品率
|
1.8％
|
60％
|
95％
|
28％
|
91％
|
98％
|
|
500
|
线宽
|
25
|
30
|
40
|
25
|
30
|
40
|
|
成品率
|
0％
|
78％
|
96％
|
50％
|
89％
|
100％
|