SU—光刻膠加工工藝及應力梯度研究

韋劍+何萬益+陸穎穎

摘 要：文章采用犧牲層刻蝕技術加工SU-8膠MEMS微結構，BP212正性光刻膠作為犧牲層，SU-8膠作為結構層。制造出的SU-8膠微結構完整，表面無裂紋，犧牲層釋放干凈。通過測量釋放后的SU-8膠懸臂梁曲率半徑，計算其應力梯度，研究了后烘溫度對SU-8膠薄膜應力梯度的影響。

關鍵詞：SU-8膠；犧牲層刻蝕；應力梯度；后烘溫度

中圖分類號：TN305 文獻標志碼：A 文章編號：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膠是一種負性光刻膠，由于其在很厚的膠層情況下也可以得到高深寬比的厚膠圖形，并且具有良好的力學性能、電絕緣性和抗腐蝕性已成為MEMS制造的首選光刻膠[1]。SU-8膠微結構的性能受工藝條件的影響很大，不適當的工藝條件會使加工出的SU-8膠薄膜產生大量裂紋，犧牲層釋放不干凈，釋放后的結構層與襯底相粘連，應力及應力梯度較大等問題[2-3]。如何制作出性能較好的SU-8膠微結構成為SU-8膠廣泛應用于MEMS器件的主要問題。本文提出了采用BP212正性光刻膠作為犧牲層[4]，SU-8膠作為結構層的加工工藝，通過該工藝加工出的SU-8膠懸臂梁中未出現裂紋，結構層與襯底未粘連。

2 加工工藝

基于犧牲層技術的SU-8膠懸臂梁微結構加工過程如圖1所示。

（1）采用RCA清洗工藝清洗硅基片，清洗后的硅片放在115℃的熱板上烘烤5分鐘。

（2）以2100rmp的轉速在硅基片上旋涂BP212正性光刻

膠，經過5次旋涂以形成7.5um厚度的BP212犧牲層，然后放在55℃的熱板上烘烤3分鐘。

（3）將前烘后的BP212正性光刻膠進行曝光。

（4）將曝光后的基片浸泡在4‰ NaOH溶液中13～15秒

鐘完成顯影后，迅速從顯影液中取出用大量去離子水沖洗干凈，然后用熱板烘干。

（5）用5000rmp的轉速在BP212犧牲層上旋涂SU-8膠，然后將基片放在55℃的熱板上前烘35分鐘。

（6）對前烘后的SU-8膠進行曝光，然后將基片放在60℃的熱板上后烘12分鐘。

（7）將后烘后的基片先浸泡在55℃的丙酮中超聲5分鐘，然后迅速取出浸泡在55℃的乙醇中超聲3分鐘完成顯影和釋放，再用大量加熱后的去離子水沖洗干凈，最后將其放在熱板緩慢烘干。

按上述步驟，加工出的懸臂梁厚度為15.4um，沒有裂紋，且未與襯底粘連如圖2所示。

3 SU-8膠薄膜應力梯度

應力和應力梯度是薄膜重要的力學參數。光學測量法和靜電吸合法是現在常用的在線測量MEMS薄膜應力梯度的方法[5，6]。本文采用懸臂梁作為測試結構，研究SU-8膠后烘溫度對其應力梯度的影響。

如圖3所示，薄膜應力在厚度方向上的分布可表示為[7]：

其中h為薄膜厚度，？滓0為平均應力，？滓1為薄膜上表面應力與平均應力的差值。

設應力梯度 ，代入等式（1），得：

（2）

應力梯度將使釋放后懸臂梁產生形變，如圖4。懸臂梁的寬度是b，高度是h由應力梯度所引起的彎矩為：

將應力梯度 代入等式（3）中得：

（4）

同時，由于薄膜的殘余應力？滓與應變？著的關系為[8]：

（5）

其中E是楊氏模量，？自是泊松比，R是曲率半徑。

那么，彎矩M又可以表示為：

由等式（4），等式（6）得：

可見，釋放后的懸臂梁形貌呈球形的一部分，懸臂梁的曲率半徑越小，應力梯度越大。當R為正值，懸臂梁向上彎曲，如圖4。當R為負值，則懸臂梁向下彎曲。

采用顯微干涉技術測量釋放后的懸臂梁曲率半徑，圖5是懸臂梁測試結構當后烘溫度60℃時的干涉圖。代入公式（7）計算應力梯度。

通過四個不同的后烘溫度分別制作了SU-8膠懸臂梁，測量計算出的曲率半徑和應力梯度如表1所示。根據等式（7）計算應力梯度，其中楊氏模量E=2.0GPa[9]，泊松比？自=0.22[10]。

從表1得到以下結論：SU-8膠薄膜的應力梯度是負值，SU-8膠薄膜的應力梯度受后烘溫度的影響較大。當后烘溫度為80℃時，制作出的SU-8膠懸臂梁薄膜曲率半徑的絕對值最大，應力梯度最小。

4 結束語

本文提出一種基于犧牲層技術制作SU-8膠微結構的加工工藝，電鏡照片顯示制作出的懸臂梁微薄膜表面完整，沒有裂紋，并且未與襯底粘連。研究了后烘溫度對SU-8膠薄膜應力梯度的影響，測量結果顯示：在后烘溫度為80℃時，SU-8膠薄膜應力梯度最小。

參考文獻：

[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