感光干膜微结构模具制备关键技术

刘旭玲, 刘 威, 左文思, 叶国勇, 金少搏, 李松晶

(1.郑州轻工业大学 机电工程学院, 河南 郑州 450002; 2.哈尔滨工业大学 机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

引言

进入21世纪以来,微流控技术、新材料技术等高新技术蓬勃发展。微流控技术中微流控芯片运用了大量的流体传动控制技术,例如使用微流控芯片制备的膜阀等。微流控芯片上集成了各式各样的流道与膜阀结构, 这些流道与膜阀结构承担了大量的能量传动与控制,且其尺寸在几微米到几百微米之间,因此优秀的流道与膜阀结构对于微流控芯片非常重要。微流控芯片三大技术核心分别是微结构模具的设计和制造、微流控芯片的驱动与其控制、微流控芯片封装及其整体系统的集成[1]。微流控芯片模具的制备是最重要的基础环节之一。流道尺寸达到微米级环境下,流道壁面的粗糙度[2]、流体的稳定性[3]、流体的特性[4]、流道内部结构的设计等都是重大影响因子[5]。制备微结构模具的其中一种方法是机械加工,但机械加工的微结构在精度方面无法满足要求,并且机械加工使用的仪器造价普遍非常高[6]。金属精密刻蚀解决了精度问题,但是其使用高腐蚀性的化学试剂产生了无法避免的侧蚀问题,侧蚀问题的产生使其在3 μm以下时误差较大[7]。为解决侧蚀问题,杜立群等[8]采用电化学刻蚀和电铸的方法解决了侧蚀问题,但是这种方式的流程复杂工艺困难,量产不易实现。现在主流使用的是液体光刻胶刻蚀,常用SU-8液体光刻胶制备模具,这种方法精度较高,流程也较为简单[9]。但是其工作环境要求在超净环境下,同时匀胶的复杂性、曝光光源问题、成本问题等都是其亟需解决的方面。为此,张敏等[10]提出使用感光干膜刻蚀(Dry Film Photoresist,DFP)方法制备微结构模具。该方法对模具制备环境要求较低,精度高且工艺流程简单,但是针对DFP方法中的关键技术还有空白部分,比如曝光光源UV灯的选择及光源的光谱特性分析等。因此,本研究针对感光干膜光刻胶刻蚀微结构模具制备方法的关键技术进行研究,首先,介绍目前微结构模具制备方法,并对各种制备方法的优缺点进行比较。其次,针对感光干膜主要工艺流程压膜、曝光和显影等关键技术参数进行试验研究,给出光源光谱特性、光源功率、曝光距离、曝光时间、微结构厚度、显影液浓度和显影时间之间的关系,并给出原因分析。最后,在自然室内光源、自然室外光源条件下,给出曝光时间与干膜变性的极限试验结果,为干膜存储、裁剪、晾放时间给出具体建议和技术指导。

1 微结构模具制备方法比较

目前,微结构模具的制备方法主要有以下5种:

1) 机械加工

超精密加工(精雕机)一方面可以加工出微小而精密的微结构,另一方面在此基础上又能保证结构表面光滑。但其缺点在于加工的尺寸有限,最小的加工尺寸为500 μm,而且设备价格昂贵,加工时间长,不适用于在加工设计阶段需要反复修改设计图案的微流控模具。且使用这种方法加工微结构蛇型部位(转角处)模具时的曲面不够流畅。

2) 金属精密蚀刻

金属精密刻蚀工艺流程主要包括清洁处理、防蚀处理、刻蚀加工和清除防蚀层,蚀刻加工工艺是整个金属刻蚀过程的关键,衬底金属的不同决定着金属刻蚀剂的不同,采用金属蚀刻技术加工微结构模具可以避免光刻模具容易脱胶的问题[11]。而且由于基底是金属制备的不易损坏,因此增加了耐用度。能够支撑多次脱模,反复利用,有效的降低了微流控芯的制备成本。但是也存在着制备的微结构横截面呈T形和顶部宽度与设计尺寸过大的缺点。

3) 液体光刻胶刻蚀

利用胶膜在曝光前后性质变化,溶解于不同性质的化学溶液,将光刻胶作为衬底硅片的涂层,紫外线灯透过掩膜版对涂层进行曝光,曝光后根据光刻胶不同的性质放置在对应的显影液中得到模具。掩膜质量决定微结构模具精度,从而影响整个模具的精确度,对流体流动性能的研究造成误差,且微流道表面容易遗留残液,腐蚀芯片[12]。液体光刻胶常用的两种掩膜分别是玻璃掩膜板和胶片掩膜板。玻璃掩膜版工艺复杂、精度较高、价格高;胶片掩膜板工艺简单、精度较低和价格低。

4) 感光干膜光刻胶刻蚀

感光干膜光刻胶是将配制好的液态光刻胶利用精密的涂布机均匀涂布在载体聚酯薄膜(PET膜)上,经烘干、冷却后,覆上聚乙烯薄膜(PE膜),再收卷而成的卷状薄膜型光刻胶。展开的DFP是三明治结构,上下各有一层透明的保护层,分别为质地较软的PE膜和质地稍硬的PET膜。使用时直接将PET软膜解开紧紧贴敷在衬底上即可,使用简单且厚度有多种选择。需要更厚的模具时只需多次叠加即可。通过紫外线曝光、显影即可得到模具。显影液采用的是低浓度的弱碱性溶液。

5) 电化学刻蚀与微电铸工艺

对衬底进行清洗,提高衬底对于胶膜的高黏度。采用稀硝酸对金属表面进行清洗,去除氧化层。采用电化学刻蚀的方法在胶膜上刻蚀出流道形状,但由于各向同性物质存在所以会产生侧蚀现象[13]。长时间的电化学刻蚀会影响精度。采用电铸的方法在刻蚀完成的流道下进行。电铸完成将胶膜去除即可得到一个微结构模具[14]。这种方式制备的微结构模具在抗剪切方向表现良好,经久耐用。但是在制备流程方面比较繁琐,运用到的器材和试剂太多,而且试剂具有一定的危险性。

表1 不同微结构模具制备方法优缺点比较

2 DFP与液体光刻胶模具制备工艺比较

液体光刻胶模具制备流程如图1所示,首先将衬底清洁干净(在无尘环境),然后将衬底放在匀胶机上,根据转速与涂层厚度关系旋涂光刻胶,完毕后在90～95 ℃ 条件下烘烤固化之后冷却,将掩膜板对准放齐进行紫外线曝光。曝光之后去除掩膜版再在相同温度下进行一次烘烤,冷却之后选择适当的显影液进行显影,最后在100～120℃下烘干固化。检查流道质量得到一个完整模具。

图1 液体光刻胶模具制备工艺

图2为DFP制备微结构模具的流程,首先清洗衬底,干燥后将感光干膜通过压膜机贴附在衬底上,冷却后覆盖掩膜版进行曝光,曝光结束冷却放置在显影液中显影,显影结束清洗烘干得到模具。

图2 DFP模具工艺流程

利用DFP制备模具,比利用传统液体光刻胶软刻蚀制备模具有以下优势:

(1) 不需要超洁室,普通试验室条件即可完成;

(2) 曝光设备简单,普通UV灯即可,无需价格贵的曝光设备;

(3) 感光干膜光刻胶比液体SU-8系列胶便宜很多;

(4) 省时,利用液体光刻胶制备一张模具需要花费4 h左右,而利用DFP只需1.5 h即可完成;

(5) 利用DFP制备的模具平整度高,厚度均匀;

(6) 成功率高,除洁净条件外,试验室温度、湿度和操作方式对软刻蚀工艺都有一定程度的影响,而DFP方式制备模具无需考虑这些因素。

3 DFP制备关键技术

利用DFP制备模具的工艺流程主要包括压膜、曝光和显影。DFP作为新型微结构制备材料有许多优点:厚度均匀,与衬底黏附性能良好;可以多层叠加,制备较厚的微结构模具;不需要匀胶步骤。本研究将采用DFP方法制备横截面为矩形的微结构模具,工艺流程简单,成本低。

3.1 压膜

首先将压膜机在110 ℃热封模式下预热,用去离子水或纯净水将10 cm×10 cm的高精度镜面不锈钢板表面清洗干净,并用高纯氮气吹干或者无尘布擦拭干净。将感光干膜剪裁成与镜面不锈钢板相同的尺寸。用镊子将其一侧的聚乙烯薄膜去掉,去除保护膜一端,沿衬底的边缘贴附1 cm左右,不要全部贴满,在预热后的压膜机中随着滚轮的转动将感光干膜贴附在衬底上面,反复压制3～5遍。冷却结束后进行气泡检查。

用肉眼进行观察,如果有明显的气泡存在或气泡存在于流道区域,如图3a所示,则需要将感光干膜去除重新压膜,并重复上面的步骤。在肉眼观察不到气泡时需要在显微镜下观察是否有细小气泡的存在,当气泡存在于流道域时,如图3c所示这种情况是不能使用的,需要重新贴膜。直到表面光滑无气泡视为压膜成功,如图3b所示。若气泡不在流道区域则不影响试验,如图3d所示。

图3 气泡和覆膜成功图

3.2 曝光

由于本试验使用的是负性光刻胶其曝光部分不溶解与显影剂,未被光照的区域会被溶解,显影时形成的图形与膜膜版相反[15]。

图4为在距UV灯15 cm处曝光60, 75, 300 s的时间下对后续模具的影响。如图4c所示,曝光时间不足会导致模具在清洗时被显影液破坏,导致整个模具损坏。如图4a所示,当曝光时间过久会导致感光干膜在微观表现为干膜收缩边缘锯齿状增加,在宏观表现为干膜变脆。如图4b所示,正确的曝光时间显影制备的流道模具表现最好。

图4 不同曝光程度对模具的影响

1) 光源光谱特性研究

本试验采用的是飞利浦紫外线灯UVA和UVC系列和医献UVA系列。了解光源的光谱特性的理解对于下一步的试验有重要意义。图5是3种型号光源的光谱分析图。

图5 光谱分析图和曝光效果图

图6a是飞利浦UVA系列的光谱分析图,从图中可以看出,此系列的光谱主要是在340～400 nm之间,整体观察来看,这个系列UV灯的波段相对较为集中,在其他波段领域显示的几乎没有,体现出比较良好的性能。

图6 不同功率曝光情况

图6b是医献UVA系列的光谱分析图,从图中可以看出,此系列的光谱主要是在300～462 nm区间,同时在550, 565 nm的区段也有少量分布,表现的波段分布比较发散。医献品牌UV灯波段的分布与飞利浦的相比集中度不够,但是范围要比飞利浦的更大。

图6c是飞利浦UVC系列的光谱分析图,从图中可以看出,此系列的光谱主要是在250 nm,同时在300, 350, 420 nm等波段也有少量分布。通过光谱分析可知,UVC系列的波段分布主要是在250 nm,在其他波段零星分布。

如图5d分别使用医献、飞利浦UVA和UVC 15 W的光源进行照射75 s, 从图中可看出, 同为UVA的曝光程度几乎一致,但是使用UVC的光源感光干膜几乎没有变化。说明UVC光源不适合作为曝光光源使用。同时通过查阅资料可知,本试验所使用的干膜长兴E9420的曝光波段是在360～420 nm之间,图5d试验与理论一致,表明UVC不适合作为曝光光源。另一方面考虑性价比,飞利浦UVA最适合作为曝光任务的光源。

2) 不同功率光源曝光

使用飞利浦UVA 8,15,18 W三种功率的紫外线灯在距离相同的情况下曝光75 s,曝光情况如图6所示。

在相同的曝光距离、曝光时间和掩膜图案情况下,最终的曝光效果是几乎一样。由此得出,在波长一定的情况下曝光效果并不会随着功率的上升而缩短时间和改变曝光效果。因此选择灯源时重点要考虑波长是否符合曝光所需波长,功率不作为选择灯源的重要依据。

3) 曝光距离

在衬底和紫外灯之间曝光距离在15 cm处最佳曝光时间是75 s。图7是将衬底与UV灯放置在距离5, 10, 15 cm处进行曝光。

图7 不同距离的曝光效果

保证灯源和曝光时间相同情况下观察不同距离下曝光的情况。灯源均使用飞利浦UVA 15 W,曝光时间统一为75 s,在5 cm处曝光后,干膜表现的蓝色最深表示曝光程度较深,在15 cm处干膜曝光后,干膜的绿色还有存在表示干膜未完全曝光。在10 cm处的干膜曝光情况是三者中最好的。在距离改变后使用最佳曝光时间曝光效果最好的是10 cm,说明最佳曝光时间不是固定的,要根据曝光距离的改变而改变。

3.3 显影

曝光结束之后将镜面钢板取出,在紫外线的影响下,感光干膜的表面温度会上升,因此在取出后要将镜面钢板冷却5～10 min。因为负性感光干膜未曝光区域会显示出弱酸性,在曝光区域不会呈现出弱酸性,因此显影液使用无水碳酸钠进行调制显影液[16]。调制浓度为0.6%,0.85%,1.1%的碳酸钠溶液,保证水的质量和温度一致,显影3 min。如图8分别为浓度逐渐增加的显影效果图。可知0.85%的效果最好,衬底的镜面钢板完全显露,0.6%浓度衬底镜面钢板未完全显露且图案不如0.85%的清晰,1.1%的浓度在显影3min的情况下光刻模具图案的边缘变得发皱,流道遭到破坏。

图8 不同浓度显影液显影效果

4 极限条件干膜性状

4.1 室外自然光源曝光

图9a为感光干膜在自然光线下的表现,从图中可以看出,15 min时干膜变化非常明显,在30 min之后干膜转为深蓝色,随时间增长干膜颜色越来越深。

图9 自然光曝光和曝光后对光刻影响

图9b是被自然光源干膜曝光后对于后续模具制备的影响。使用飞利浦UVA 8 W的紫外线灯光对其进行75 s曝光,距离为15 cm。可以看出,经历15 min的室外曝光的感光干膜再次进行光刻时,衬底的图案较清楚但是显影后无法清洗,经历30 min自然光照射的感光干膜几乎无法光刻。在30 min以上自然光曝光之后完全无法光刻。

4.2 室内自然光源曝光

针对室内自然光线对于感光干膜的影响,在室内分为了30, 60, 120, 240 min 4组对象,如图10所示。在室内光源30 min时干膜仍然没有大的变化,在60 min 时干膜已经发生明显变化,120 min与60 min的变化不明显,240 min后干膜已经达到室外光线30 min 的状态,表明干膜已经完全曝光。在使用曝光30 min的基底时,从图11可以看出,对于后续的模具制备工作影响不大,但在使用曝光60 min的基底时就会变得有影响,如图11所示,光刻的图案不再特别清晰,在显影时被室内光线充分曝光的部分无法冲洗干净。

图10 室内自然光线曝光

图11 室内光线曝光30 min和60 min曝光显影效果图

5 结论

本研究针对基于负性感光干膜,采用DFP刻蚀方法制备微结构模具的若干个关键技术环节进行了详细的试验研究与分析。对于压膜工艺过程中产生气泡的情况,给出可能出现的原因及解决措施, 提高对压膜结果的辨别。对正确曝光的判断提供了试验依据。试验证实感光干膜在350 nm波长的UV灯下曝光效果最好,针对不同波长,不同品牌光源进行分析,为之后选择光源提供了试验支撑。针对不同距离、显影浓度、曝光时间、曝光功率的试验,得出合适的曝光距离在10 cm,最好的显影浓度为0.85%,最佳的曝光时间75 s 以及光谱一定功率并不改变曝光效果等结果,为日后的试验提供数据支持。通过对这些关键技术的研究,丰富了DFP制备模具方法的理论知识,同时针对室外和室内的光源曝光影响也对储藏干膜方法做出了试验证明。