專利名稱：一種圓滑曲面微結(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，所提供的制作方法可應(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)：
近年來，MEMS技術(shù)受到廣泛關(guān)注和迅猛發(fā)展，該技術(shù)通過微型化、集 成化制作出符合各領(lǐng)域要求的微傳感器、微執(zhí)行器、微結(jié)構(gòu)等MEMS器件與 系統(tǒng)，這些器件和系統(tǒng)把自動化、智能化和可靠性水平提高到一個新的水平， 對工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物工程、醫(yī)療、空間技術(shù)、國防和科學(xué)發(fā)展將產(chǎn) 生重大影響。目前MEMS器件一般采用傳統(tǒng)微電子加工工藝制作，往往具有 整齊清晰的邊角，其3D表面通常為長方體形或多面體形，隨著MEMS技術(shù) 應(yīng)用的進(jìn)一步拓展，制作具有曲面特征的微結(jié)構(gòu)或微器件顯得越來越重要。 至今用于制作具有曲面特征微結(jié)構(gòu)的技術(shù)主要有兩種 一種是灰階光掩膜技 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
-力
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 1999 International Semiconductor Conference, Sinaia, Romania, 1999, pp. 217-220.];另一種為光刻 膠回流方法，該方法利用有些正性光刻膠在烘烤溫度高于玻璃化溫度時的流 動性增加，使光刻顯影形成的具有整齊邊角的微結(jié)構(gòu)通過回流方式形成具有 圓滑曲面的微結(jié)構(gòu)[A. Schilling, R. Merz， C. Ossma加，H. P. Herzig， "Surface
Optical Engineering, 39 (2000)， pp.2171-2176.]。但是，上述兩種技術(shù)在實(shí)際應(yīng) 用中具有較大的局限性，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；而光刻膠回流技術(shù)中采用的通常是正性光刻 膠，其旋涂厚度往往較小(單次旋涂厚度<50 mm)，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)用范圍有限。因此，需要發(fā)展工藝簡單、成本低廉、且物化性質(zhì)穩(wěn)定的曲面微結(jié)構(gòu)制作方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作方法，拓展MEMS技術(shù) 的應(yīng)用。
本發(fā)明提供的一種圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述制作 方法以負(fù)性化學(xué)放大光刻膠為圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作材料，首先在基片上旋 涂第一層負(fù)性化學(xué)放大光刻膠，并軟烘、光刻掩膜版(或稱掩膜板，Mask) 對準(zhǔn)曝光，然后直接在第一層負(fù)性化學(xué)放大光刻膠上旋涂第二層負(fù)性化學(xué)放 大光刻膠，并進(jìn)行后烘；利用后烘過程中第一層光刻膠曝光后產(chǎn)生的光酸各 向同性擴(kuò)散，催化曝光區(qū)域及其相鄰擴(kuò)散區(qū)域的光刻膠分子交聯(lián)，顯影后制 得具有圓滑曲面特征的微結(jié)構(gòu)。
具體而言，本發(fā)明采用負(fù)性化學(xué)放大光刻膠作為結(jié)構(gòu)制作材料，所述負(fù) 性化學(xué)放大光刻膠可以為SU-8、SAL-601、SAL-603、SAL-606、UVN2、UVN30、 NEB-22、 NEB-31、 COP、 EN-009PG，這類材料由聚合物基質(zhì)單體、溶劑和 PAG (PAG系英文Photo Acid Generator的縮寫，中文譯為光解產(chǎn)酸劑)等混 合而成。制作過程中，首先在硅片或玻璃等基片上旋涂第一層負(fù)性化學(xué)放大 光刻膠，并置于熱板或烘箱中進(jìn)行軟烘，蒸發(fā)去除光刻膠中的溶劑成分，使 光刻膠中溶劑含量至少低于10% (摩爾百分比)，以盡量降低該層光刻膠曝 光過程后至第二層光刻膠涂覆前，其曝光區(qū)域光酸分子的擴(kuò)散系數(shù)；然后通 過光刻掩膜版對第一層光刻膠進(jìn)行曝光，此時第一層光刻膠曝光區(qū)域PAG光 分解產(chǎn)生可催化光刻膠單體發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的光酸，由于室溫下，光刻膠交聯(lián) 反應(yīng)速度極慢，可以近似認(rèn)為此時光刻膠交聯(lián)反應(yīng)尚未啟動，且軟烘后的光 刻膠溶劑含量(<10%)很低，光酸成分的擴(kuò)散也可忽略。光刻掩膜板的二維 尺度應(yīng)略小于待制作曲面微結(jié)構(gòu)的寬度，以補(bǔ)償光酸分子的擴(kuò)散交聯(lián)效應(yīng)。 曝光后，馬上(間隔<1小時)在第一層光刻膠上旋涂第二層負(fù)性化學(xué)放大光 刻膠，并置于熱板上進(jìn)行后烘(PEB， post- exposure bake);后烘前，其溶 劑含量應(yīng)大于10%，以保證第一層光刻膠曝光區(qū)域光酸分子在該層介質(zhì)中具 有較高擴(kuò)散系數(shù)，且其高度應(yīng)大于或等于第一層負(fù)性化學(xué)放大光刻膠光酸分 子的徑向擴(kuò)散距離，以保證微結(jié)構(gòu)頂端形成完整的圓弧形狀。由于光酸在光刻膠介質(zhì)中的擴(kuò)散速率與其中溶劑含量和溫度成正比相關(guān)，因此第二層光刻 膠旋涂到曝光后的第一層光刻膠表面后，第二層光刻膠中的溶劑將滲透到第 一層光刻膠中，加快其中光酸成分從曝光區(qū)域以各向同性方式向周圍擴(kuò)散， 另外后烘過程中的溫度增高也增大第一層光刻膠曝光區(qū)域光酸分子的擴(kuò)散速 率，同時在后烘溫度作用下光酸分子催化所在區(qū)域光刻膠單體的交聯(lián)反應(yīng)， 最后，將經(jīng)后烘的光刻膠浸入顯影液中，溶解未交聯(lián)的光刻膠部分，從而制 得具有圓滑曲面特征的微結(jié)構(gòu)。若光刻掩膜版設(shè)計中，使相鄰曝光區(qū)域之間 間距<光酸分子擴(kuò)散距離，則所述方法也可制得具有圓滑凹陷曲面特征的三維 微結(jié)構(gòu)。
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
鏡陣列(見實(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。通過調(diào)整第一層負(fù)性化學(xué)放大光刻膠和光刻掩膜 版透光結(jié)構(gòu)的大小、形狀制作不同曲率的微透鏡陣列。
本發(fā)明與現(xiàn)有的曲面微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)相比，工藝簡單，無需昂貴的灰階 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。


圖1為基片上旋涂并軟烘第一層化學(xué)放大光刻膠后示意圖。 圖2為第一層化學(xué)放大光刻膠曝光示意圖。
圖3為第一層化學(xué)放大光刻膠曝光后旋涂第二層化學(xué)放大光刻膠示意圖。 圖4為雙層光刻膠后烘示意圖。 圖5為雙層光刻膠顯影后制得曲面微結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6為基于本發(fā)明制作方法制作的微透鏡陣列示意圖。 圖中l(wèi)為硅片，2為經(jīng)軟烘后的第一層SU-8光刻膠，3為光掩膜版，4 為經(jīng)曝光作用的SU-8光刻膠，5為未經(jīng)烘烤和曝光作用的第二層SU-8光刻膠， 6為熱板，7為后烘過程中光酸擴(kuò)散并催化發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)后形成的交聯(lián)區(qū)域， 8為SU-8顯影后留下的具有曲面特征的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l
下面結(jié)合附圖采用SU-8光刻膠進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的 進(jìn)步。
1. 取清洗后硅片，置于150 。C下烘烤20分鐘，冷卻至室溫后，旋涂 第一層SU-8光刻膠，并置于熱板上65 。C烘烤1分鐘，95 。C烘烤 15分鐘，然后冷卻至室溫，如圖1所示。
2. 將涂膠并軟烘后的基片通過光掩膜版進(jìn)行曝光處理，此時第一層 SU-8光刻膠中曝光區(qū)域PAG將光分解產(chǎn)生光酸，如圖2所示。
3. 在曝光后的第一層SU-8光刻膠表面在1小時內(nèi)直接旋涂第二層 SU-8光刻膠，如圖3所示。
4. 將旋涂第二層光刻膠后的硅基片，置于熱板上95 °C烘烤15分鐘， 此時第一層SU-8光刻膠中產(chǎn)生的光酸將因光刻膠中溶劑成分的增 加和溫度的升高而加速擴(kuò)散至鄰近未曝光SU-8介質(zhì)中，并催化其所 在區(qū)域的光刻膠發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，如圖4所示。
5. 完成后烘后，將基片浸入顯影液中，并置于超聲清洗機(jī)中進(jìn)行顯影， 最后，將顯影后的基片置于烘箱中150。C烘烤l小時，制得具有曲 面特征的微結(jié)構(gòu)，如圖5所示。
實(shí)施例2
利用實(shí)施例1提出的制作SU-8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6所示)，微透鏡曲率可以通過調(diào)節(jié)底層(第一層)SU-8 光刻膠厚度以及光刻掩膜版透光結(jié)構(gòu)的大小、形狀設(shè)計來加以控制，底層SU-8 光刻膠厚度介于10 pm 1000 pm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，正多邊形邊長或圓形直徑為10nm 1000(im。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
1、一種圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述的制作方法以負(fù)性化學(xué)放大光刻膠為圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作材料，制作步驟是(a)首先在基片上旋涂第一層負(fù)性化學(xué)放大光刻膠，并軟烘后冷卻至室溫，再通過光刻掩膜版進(jìn)行曝光處理；(b)曝光處理后，直接在第一層負(fù)性化學(xué)放大光刻膠上旋涂第二層負(fù)性化學(xué)放大光刻膠，并進(jìn)行后烘；利用后烘過程中第一層光刻膠曝光后產(chǎn)生的光酸各向同性擴(kuò)散，催化曝光區(qū)域及其相鄰擴(kuò)散區(qū)域光刻膠分子交聯(lián)；(c)后烘后，將基片浸入顯影液中，并顯影，顯影后，烘干制得具有圓滑曲面特征的微結(jié)構(gòu)；所述的負(fù)性化學(xué)放大光刻膠的成份包括聚合物基質(zhì)單體、溶劑和光解產(chǎn)酸劑。
2、 按權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于所述的負(fù)性化學(xué)放大光刻 膠為SU-8、 SAL-601、 SAL畫603、 SAL-606、 UVN2、 UVN30、 NEB-22、 NEB-31、 COP或EN-009PG。
3、 按權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于(1) 步驟a所述的基片為硅片或玻璃；(2) 步驟a所述的軟烘是在熱板或烘箱中進(jìn)行的；(3) 步驟b和步驟a的旋涂的間隔時間小于1小時。
4、 按權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于(1 )步驟a軟烘后第一次負(fù)性化學(xué)放大光刻膠中溶劑摩爾百分含量應(yīng)小 于10%;(2)步驟a所使用的光刻掩膜板的二維尺度應(yīng)略小于待制作作曲面微結(jié) 構(gòu)的寬度。
5、 按權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于(a) 后烘前第二層負(fù)性光學(xué)放大光刻膠的溶劑摩爾百分含量應(yīng)大于10%;(b) 旋涂的第二層負(fù)性光學(xué)放大光刻膠的高度大于或等于第一層負(fù)性光 學(xué)放大膠光酸分子的徑向擴(kuò)散距離。
6、 按權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的制作方法，其特征在于制作的圓滑曲 面微結(jié)構(gòu)為圓滑凸起曲面結(jié)構(gòu)或圓滑凹陷曲面結(jié)構(gòu)。
7、 按權(quán)利要求1或6所述的制作方法，其特征在于光刻掩膜版中相鄰曝 光區(qū)域之間間距小于光酸分子擴(kuò)散距離時，則制得圓滑凹陷曲面結(jié)構(gòu)。
8、 按權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于通過調(diào)整第一層負(fù)性化學(xué) 放大光刻膠和光刻掩膜版透光結(jié)構(gòu)的大小、形狀制作不同曲率的微透鏡陣列。
9、 按權(quán)利要求8所述的制作方法，其特征在于SU-8負(fù)性化學(xué)放大光刻 膠厚度介于10-1000Km之間，光刻掩膜版透光結(jié)構(gòu)的形狀為正多邊形或圓形， 正多邊形的邊長或圓形的直徑為10-1000pm。
10、 按權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)、8或9所述的制作方法，其特征在于圓滑 曲面微結(jié)構(gòu)制作圓弧形狀的微流體管道，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)胞的捕獲和分配。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述的方法以負(fù)性化學(xué)放大光刻膠(chemically amplified photoresist)為圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作材料，首先在基片上旋涂第一層負(fù)性化學(xué)放大光刻膠，并軟烘、曝光，然后直接在第一層負(fù)性化學(xué)放大光刻膠上旋涂第二層負(fù)性化學(xué)放大光刻膠，并進(jìn)行后烘；利用后烘過程中第一層光刻膠曝光后產(chǎn)生的光酸各向同性擴(kuò)散，催化曝光區(qū)域及其相鄰擴(kuò)散區(qū)域光刻膠分子交聯(lián)，顯影后制得具有圓滑曲面特征的微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出的圓滑曲面微結(jié)構(gòu)的制作方法相對于傳統(tǒng)的灰階掩膜技術(shù)和光刻膠回流方法，具有加工簡便、成本低廉、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固等特點(diǎn)。
文檔編號B81C1/00GK101659391SQ200910195109
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月4日
發(fā)明者孫曉娜, 剛 李, 趙建龍, 強(qiáng) 陳 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所