SU—光刻胶加工工艺及应力梯度研究

韦剑+何万益+陆颖颖

摘 要：文章采用犧牲层刻蚀技术加工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，研究了后烘温度对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

中图分类号：TN305 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）33-0063-03

Abstract： This paper uses the sacrifice layer technology for processing SU-8 MEMS microstructure， BP212 positive photoresist as a sacrificial layer and SU-8 photoresist as structure layer. The obtained SU-8 microstructure has a complete surface with no crack and the release of the sacrificial layer is clean. The stress gradient in SU8 film has been calculated by measuring radii of released SU8 cantilevers， the influence of the PEB on the stress gradient of SU-8 film was studied.

Keywords： SU-8； sacrifice layer technology； stress gradient； 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、电绝缘性和抗腐蚀性已成为MEMS制造的首选光刻胶[1]。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，牺牲层释放不干净，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。本文提出了采用BP212正性光刻胶作为牺牲层[4]，SU-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所示。

（1）采用RCA清洗工艺清洗硅基片，清洗后的硅片放在115℃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℃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‰ NaOH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5000rmp的转速在BP212牺牲层上旋涂SU-8胶，然后将基片放在55℃的热板上前烘35分钟。

（6）对前烘后的SU-8胶进行曝光，然后将基片放在60℃的热板上后烘12分钟。

（7）将后烘后的基片先浸泡在55℃的丙酮中超声5分钟，然后迅速取出浸泡在55℃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净，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。

3 SU-8胶薄膜应力梯度

应力和应力梯度是薄膜重要的力学参数。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，研究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[7]：

其中h为薄膜厚度，？滓0为平均应力，？滓1为薄膜上表面应力与平均应力的差值。

设应力梯度 ，代入等式（1），得：

（2）

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由应力梯度所引起的弯矩为：

将应力梯度 代入等式（3）中得：

（4）

同时，由于薄膜的残余应力？滓与应变？着的关系为[8]：

（5）

其中E是杨氏模量，？自是泊松比，R是曲率半径。

那么，弯矩M又可以表示为：

由等式（4），等式（6）得：

可见，释放后的悬臂梁形貌呈球形的一部分，悬臂梁的曲率半径越小，应力梯度越大。当R为正值，悬臂梁向上弯曲，如图4。当R为负值，则悬臂梁向下弯曲。

采用显微干涉技术测量释放后的悬臂梁曲率半径，图5是悬臂梁测试结构当后烘温度60℃时的干涉图。代入公式（7）计算应力梯度。

通过四个不同的后烘温度分别制作了SU-8胶悬臂梁，测量计算出的曲率半径和应力梯度如表1所示。根据等式（7）计算应力梯度，其中杨氏模量E=2.0GPa[9]，泊松比？自=0.22[10]。

从表1得到以下结论：SU-8胶薄膜的应力梯度是负值，SU-8胶薄膜的应力梯度受后烘温度的影响较大。当后烘温度为80℃时，制作出的SU-8胶悬臂梁薄膜曲率半径的绝对值最大，应力梯度最小。

4 结束语

本文提出一种基于牺牲层技术制作SU-8胶微结构的加工工艺，电镜照片显示制作出的悬臂梁微薄膜表面完整，没有裂纹，并且未与衬底粘连。研究了后烘温度对SU-8胶薄膜应力梯度的影响，测量结果显示：在后烘温度为80℃时，SU-8胶薄膜应力梯度最小。

参考文献：

[1]Stephen D. Senturia. [MIT]. Microsystem Design. 2004：124-162.

[2]S. Bystrova， R. Luttge， Study of crack formation in high-aspect ratio SU-8 structures on silicon，Microelectronic Engineering.2007，84：1113-1116.

[3]Bonhee Ha，Jiyoon Nam，Sungjin Jo. Releasable SU-8 structures for various microfabrication processes using a water-soluble sacrificial layer[J]. Microelectronic Engineering，2017.

[4]http：//www.kempur.com/productInfo-207.aspx

[5]S. Smith， Fabrication and Measurement of Test Structures to Monitor Stress in SU-8 Films， IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing，2012，3：346-354.

[6]S. Grabarnik， A. Emadi， H. Wu， et al. Fabrication of an Imaging Diffraction Grating for Use in a MEMS Based Optical Microspectrograendprint