基于斜光刻技术的SU—8胶三维微阵列结构制备

李刚 李大维 赵清华 菅傲群 王开鹰 胡杰 桑胜波 程再军 孙伟

摘 要 利用斜光刻技术替代传统的直光刻技术在相同底面积的基础上增大微阵列比表面积制备了高比表面积三维微阵列结构，。首先，利用MATLAB仿真对微阵列排布方式进行分析，确定最佳单个柱体宽度及阵列间距。实验中，采用两次甩胶法将SU-8光刻胶均匀旋涂在2寸硅基底上，甩胶转速设为1500 r/min，旋涂时间设为35 s；分别置于65℃烘台上保持20 min和95℃烘台上保持70 min进行两次前烘处理；随后进行双向斜曝光，微柱宽度为20 μm，阵列间距为30 μm，光刻角度为20°。最后，再通过高低温后烘处理并显影30 min成功制备出了结构稳定的“X”型三维微阵列结构。

关键词 三维微阵列； 斜光刻技术； SU-8光刻胶； 比表面积

1 引 言

SU-8光刻胶是一种环氧型、近紫外线负胶，具有良好的机械、光学、物理和抗腐蚀性质。由于SU-8胶在近紫外光范围内光吸收度低，具有很高的透光性能，整个光刻胶层可获得的曝光量一致，通过对SU-8胶进行光刻可制得具有垂直侧壁和高深宽比的厚膜图形，这种工艺可部分取代LIGA技术，避免LIGA工艺中昂贵的同步辐射光源和特制的掩模板的限制[ 1～5]。因此，SU-8胶被广泛应用于制备具有高深宽比的微结构。Wang提出通过对SU-8胶进行光刻制备三维微电极结构，提高微型超级电容器中电极的比表面积[6]；Duy借助SU-8高深宽比特性制备的三维微柱为平台，设计出了高性能的气体传感器[7]；Al-Shehri等利用SU-8胶高深宽比的特性，研究制备了微流体流动特性的模板[8]。然而，制备SU-8胶高深宽比微结构， 大多研究是通过对温度、时间等工艺参数的优化， 在直光刻技术基础上实现的[9]。随着微结构深宽比的增加，胶层厚度也必然相应增大，会给器件微型化、工艺条件带来巨大的挑战[10，11]。因此，在不增加胶层厚度的基础上，实现在相同底面积上更高的比表面积更具现实意义。

本研究提出利用斜光刻技术对SU-8胶双向斜光刻形成堆叠的“X”型三维微阵列结构，在直光刻基础上进一步增大了材料的比表面积。为了制备比表面积大且结构稳定的“X”型微阵列结构，本研究在斜光刻的基础上，通过理论模型分析研究微阵列最佳排布方式，并通过实验探索最佳工艺参数，解决硅片和胶层热收缩率不同而可能导致的图形坍塌、扭曲变形问题，以及“X”型结构孔洞中可能出现的堵塞、粘连情况。

2 斜光刻理论分析及实验制备

2.1 斜光刻表面积影响因素分析

理论上，利用斜光刻技术替代传统的直光刻技术，可以在相同底面积、相同厚度基础上进一步增大微阵列比表面积。微阵列的表面积是由曝光角度θ和微结构的阵列密度共同决定。在胶层厚度一定的条件下，倾斜角度越大，阵列的表面积越大。当曝光角度固定时，三维微结构比表面积将由微结构的阵列密度即微阵列的排布方式决定。

如图1所示，决定阵列密度的两个参数分别是单个微柱宽度d及阵列间距（即掩膜宽度W）。因此，在曝光角度固定的条件下，研究这两个参数对微阵列表面积的影响对于微阵列设计至关重要。本研究将倾斜角度θ设定为20°，单个阵列的长度a设定为常数50 μm。

将图1虚线框所标注内的部分作为1个阵列单元，其表面积由8个侧面、1个底面和1个顶面组成，考虑到“X”型结构的堆叠效应，去除顶面和底面间的交叉面积，底面和顶面的面积之和是一定值，因此，在分析计算阵列单元表面积的影响因素时，顶面和底面面积无需考虑。“X”型结构中1个阵列单元的表面积可表示为：

根据公式（2），在忽略边缘微阵列不完整的情况下，可通过MATLAB仿真分析得出：在面积固定的硅衬底上，所制备的微阵列结构总表面积S分别与掩膜宽度W、单个微柱宽度d之间的关系，仿真结果如图2所示。

从图2的整体趋势可以看出：选定倾斜角度为20°时，整个三维曲面的最高点既为微阵列总表面积的最大值，此时对应的单个微柱宽度d约为15 μm，掩膜宽度W约为20 μm，微阵列表面积S的最大值约为3.3×107 μm2。微阵列表面积S随单一参量的变化关系也可通过分析图2得出：当掩膜宽度W为定值时，随着单个微柱宽度d的增大，微阵列的总表面积S不断缩小；而当单个微柱宽度d为定值时，微阵列的总表面积S随掩膜宽度W的增加呈现出先增大后减小的趋势。

2.2 实验制备流程

为了制备比表面积大且结构稳定的“X”型三维微阵列结构，在掩膜板设计时，参考上述MATLAB仿真结果，同时考虑到紫外曝光的分辨率，我们将单个微柱宽度d设定为20 μm，阵列间距也设定为30 μm。如图3所示，“X”型三维微阵列结构的初步制备工艺主要有5个步骤：

（1）选取2寸硅片作为基底，硅片依次在二甲苯、丙酮、酒精、H2SO4/H2O2、氨水/H2O2、HCl/H2O2 中清洗， 以去除油污、氧化膜和金属离子等有机或无机污染物。将清洗后的硅片置于烘台上加热至45℃。（2）采用两次甩胶法均匀旋涂较厚的SU-8-2100光刻胶层。第一次甩胶的转速设为1500 r/min，旋涂时间设为35 s； 第一次甩胶完成后， 先对光刻胶进行15 min的烘干固定，接着进行第二次甩胶，转速和时间不变。通过两次涂胶，SU-8胶厚度可达到500 μm。（3）两次甩胶完成后，将涂有SU-8胶的硅片放置在65℃烘台上保持20 min，再调节烘台至95℃保持70 min。（4）将涂好光刻胶的硅片固定在载物台上，对SU-8光刻胶进行双向斜曝光，如图3所示。光刻角度θ为20°，曝光时间为120 s。曝光后将样品置于烘台上进行后烘处理：首先将温度调节至65℃，时间为30 min，随后，调节至 95℃并保持90 min。（5）将样品浸泡在SU-8显影液中，常温超声显影30 min。

3 结果与讨论

3.1 阵列结构坍塌影响分析

通过上述实验方案，如图4所示，成功地制备出微阵列结构，获得了希望得到的多层“X”型结构。然而，从微阵列的SEM图还可以看到部分“X”型结构发生了坍塌。

导致结构坍塌的可能原因是： 在实验的后烘阶段，硅片和SU-8胶的温度从常温迅速升至95℃，由于硅片与SU-8光刻胶的热膨胀系数不同，微阵列及孔洞产生的应力将得不到有效释放，这些未能释放的残余应力会导致整体结构发生扭曲甚至坍塌。因此，在降低升温过程中， 由于材料热膨胀系数不同产生的残余应力将是解决微阵列坍塌的潜在手段。

为了降低材料膨胀系数不同的影响，采取两种方法：首先，曝光前将涂好光刻胶的硅片先置于45℃的烘台上预热，使SU-8胶在一定温度下曝光产生孔洞，其目的是减少硅片和SU-8胶在后烘阶段由于温度变化过大产生较大的残余应力，造成结构坍塌。同时，还可避免残余应力过大使微阵列在加热和自然冷却的过程中从硅片上脱落下来。其次，采用缩短微阵列结构的整体长度的方法，将较长阵列“截断”成几个较短阵列，进一步降低在单位阵列上的残余应力。根据硅片和SU-8胶热膨胀差Δ的表达式：

Symbolm@@ 6， TMAX是加热的最大温度为95℃， T0是室温为25℃。当设计的微阵列长度为40 mm时，温度变化的范围最高可达70℃。由此，可以计算出胶层结构的热膨胀变化是138 μm，相对于微结构阵列来说，热膨胀差较大。因此，整体结构出现扭曲变形的情况，如图4所示。理论上，如果将结构截断成两个相同部分，热膨胀差将缩短至1/2， 也就说每个阵列所受到的由于膨胀差带来的残余应力将减少为原来的1/2。如图5所示，将阵列长度由40 mm 截断成两个20 mm阵列， 微阵列图形较为整齐且坍塌、扭曲现象基本得到了解决。因此，通过对涂好光刻胶的硅片进行预热和缩短阵列长度，可有效地解决由于材料热膨胀系数不同带来的坍塌和变形问题。

3.2 阵列孔洞堵塞影响分析

如前所述，按照上述工艺改进方案可以有效解决三维微阵列的坍塌和变形问题，但是，如果将微阵列放大至更高倍数，如图6所示，可以观察到“X”型结构产生的孔洞较小，孔洞间还存在堵塞、粘连的问题。

可能的原因是：曝光时间过长导致曝光过程中SU-8胶的交联度过大； 同时，后烘温度过高会引起光刻胶中的光活性物质横向扩散，图案定型速度加快，图形质量下降，导致大多数孔洞产生堵塞，难以形成较大的通孔。

通过上述分析可以看出，减少曝光时间和降低后烘温度可能是解决微阵列孔洞堵塞和粘连问题的有效方法。在先前实验的基础上，将曝光时间缩短到80 s，后烘温度降低到80℃但时间延长到2 h，如图7a所示，“X”型三维微阵列结构整齐、基本保持垂直状态，未发生坍塌和扭曲现象。

同时，从图7b中可以观察到， 工艺优化后微阵列中孔洞大小基本保持一致且形状、形态良好；孔洞直径明显增加，单个孔洞的平均水平长度可达到15.9 μm，平均垂直长度可达到68.3 μm，孔洞堵塞和粘连现象得到有效改善。

4 结 论

本实验提出利用斜光刻技术制备“X”形三维微阵列结构，在直光刻基础上进一步增大了材料的比表面积。首先，通过MATLAB仿真理论分析得出了微阵列表面积单个柱体宽度及阵列间距的关系。在微阵列制备过程中，分析得出硅片和胶层热膨胀系数的不同是导致微阵列坍塌和扭曲的可能原因，还得出了曝光时间过长和后烘温度过高是带来微阵列中孔洞堵塞和粘连现象的可能原因，并提出了相应的解决方案，成功制备出了比表面积大且结构整齐稳定的“X”型三维微阵列，单个孔洞的平均水平长度可达到15.9 μm，平均垂直长度可达到68.3 μm。

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