su-8光刻胶加工工艺及应力梯度研究

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1、SU-8光刻胶加工工艺及应力梯度研究韦剑何万益陆颖颖南京邮电大学通达学院摘要：文章釆用牺牲层刻蚀技术加工SU-8胶MEMS微结构，BP212正性光刻胶作为牺牲层，SU-8胶作为结构层。制造出的SU-8胶微结构完整，表面无裂纹，牺牲层释放干净。通过测量释放后的SU-8胶悬臂梁曲率半径，计算其应力梯度，研究丫后烘温度对SU-8胶薄膜应力梯度的影响。关键词：SU-8胶;牺牲层刻蚀;应力梯度;后烘温度;作者简介：韦剑（1987-）,男，江苏扬州人，助教，主要从事MEMS材料的理论和工艺研宄。Abstract：Thisp

2、aperusesthesacrificelayertechnologyforprocessingSU-8MEMSmicrostructure,BP212positivephotoresistasasacri-ficiallayerandSU-8photoresistasstructurelayer.TheobtainedSU-8microstructurehasacompletesurfacewithnocrackandthereleaseofthesacrificiallayerisclean.Thestre

3、ssgradientinSU8filmhasbeencalculatedbymeasuringradiiofreleasedSU8cantilevers,theinflu-enceofthePEBonthestressgradientofSU~8filmwasstudied.Keyword：SU-8;sacrificelayertechnology;stressgradient;PEB;1概述SU-8胶是一种负性光刻胶，由于其在很厚的胶层情况下也可以得到高深宽比的厚胶图形，并且具有良好的力学性能、电绝缘性和抗腐

4、蚀性己成为MEMS制造的首选光刻胶Ul。SU-8胶微结构的性能受工艺条件的影响很大，不适当的工艺条件会使加工出的SU-8胶薄膜产生大量裂纹，牺牲层释放不干浄，释放后的结构层与衬底相粘连，应力及应力梯度较大等问题［2-3］。如何制作出性能较好的SU-8胶微结构成为SU-8胶广泛应用于MEMS器件的主要问题。木文提出了采用BP212正性光刻胶作为牺牲层HLSU-8胶作为结构层的加工工艺，通过该工艺加工出的SU-8胶悬臂梁中未出现裂纹，结构层与衬底未粘连。2加工工艺基于牺牲层技术的SU-8胶悬臂梁微结构加工过程如图1

5、所示。(1)采用KCA清洗工艺清洗硅基片，清洗后的硅片放在115"C的热板上烘烤5分钟。(2)以2100rmp的转速在硅基片上旋涂BP212正性光刻胶，经过5次旋涂以形成7.5um厚度的BP212牺牲层，然后放在55°C的热板上烘烤3分钟。(3)将前烘后的BP212正性光刻胶进行曝光。(4)将曝光后的基片浸泡在4%。似OH溶液中13~15秒钟完成显影后，迅速从显影液中取出用大量去离子水冲洗干净，然后用热板烘干。(5)用SOOOrmp的转速在BP212牺牲层上旋涂SU-8胶，然后将基片放在55°C的热板上前烘35

6、分钟。(6)对前烘后的SU-8胶进行曝光，然后将基片放在60°C的热板上后烘12分钟。(7)将后烘后的基片先浸泡在55°C的丙酮中超声5分钟，然后迅速取出浸泡在55°C的乙醇中超声3分钟完成显影和释放，再用大量加热后的去离子水冲洗干浄，最后将其放在热板缓慢烘干。按上述步骤，加工出的悬臂梁厚度为15.4um，没有裂纹，且未与衬底粘连如图2所示。1.清洗，烘干I2.涂胶.前烘3.曝光，后烘4.显影，清洗5.涂胶，前烘6.曝光，后烘图1SU-8胶微结构加工工艺过程下载原图3SU-8胶薄膜应力梯度应力和应力梯度是薄膜重

7、要的力学参数。光学测量法和静电吸合法是现在常用的在线测量MEMS薄膜应力梯度的方法［5,6］。本文采用悬臂梁作为测试结构，研宂SU-8胶后烘温度对其应力梯度的影响。如图3所示，薄膜应力在厚度方向上的分布可表示为m:图2SU-8胶悬臂梁微结构SEM照片下载原图zh72nU-UI•—其中h为薄膜厚度，0。为平均应力，~为薄膜上表面应力与平均应力的差值。r=-^设应力梯度h/2,代入等式（1），得：CT=CT0+Tz图4悬臂梁形变截面示意图下载原图应力梯度将使释放后悬臂梁产生形变，如图4。悬臂梁的宽度是b，高度是h由

8、应力梯度所引起的弯矩为：J、h/21bzcrdz=—bh2cr—h/26将应力梯度r=h/2代入等式⑶中得:rbh~L2同时，由于薄膜的残余应力o与应变e的关系为达L其中E是杨氐模量，u是泊松比，R是曲率半径。那么，弯矩M又可以表示为：fh/2bEh3M=Ibzcrdz—J-h/212（1-v）R由等式（4），等式（6）得:(1-tOR可见，释放后的悬臂梁形貌呈球形的一部分，悬臂梁的曲