感光干膜微結構模具制備關鍵技術

劉旭玲, 劉 威, 左文思, 葉國勇, 金少搏, 李松晶

(1.鄭州輕工業大學 機電工程學院, 河南 鄭州 450002; 2.哈爾濱工業大學 機電工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

引言

進入21世紀以來,微流控技術、新材料技術等高新技術蓬勃發展。微流控技術中微流控芯片運用了大量的流體傳動控制技術,例如使用微流控芯片制備的膜閥等。微流控芯片上集成了各式各樣的流道與膜閥結構, 這些流道與膜閥結構承擔了大量的能量傳動與控制,且其尺寸在幾微米到幾百微米之間,因此優秀的流道與膜閥結構對于微流控芯片非常重要。微流控芯片三大技術核心分別是微結構模具的設計和制造、微流控芯片的驅動與其控制、微流控芯片封裝及其整體系統的集成[1]。微流控芯片模具的制備是最重要的基礎環節之一。流道尺寸達到微米級環境下,流道壁面的粗糙度[2]、流體的穩定性[3]、流體的特性[4]、流道內部結構的設計等都是重大影響因子[5]。制備微結構模具的其中一種方法是機械加工,但機械加工的微結構在精度方面無法滿足要求,并且機械加工使用的儀器造價普遍非常高[6]。金屬精密刻蝕解決了精度問題,但是其使用高腐蝕性的化學試劑產生了無法避免的側蝕問題,側蝕問題的產生使其在3 μm以下時誤差較大[7]。為解決側蝕問題,杜立群等[8]采用電化學刻蝕和電鑄的方法解決了側蝕問題,但是這種方式的流程復雜工藝困難,量產不易實現。現在主流使用的是液體光刻膠刻蝕,常用SU-8液體光刻膠制備模具,這種方法精度較高,流程也較為簡單[9]。但是其工作環境要求在超凈環境下,同時勻膠的復雜性、曝光光源問題、成本問題等都是其亟需解決的方面。為此,張敏等[10]提出使用感光干膜刻蝕(Dry Film Photoresist,DFP)方法制備微結構模具。該方法對模具制備環境要求較低,精度高且工藝流程簡單,但是針對DFP方法中的關鍵技術還有空白部分,比如曝光光源UV燈的選擇及光源的光譜特性分析等。因此,本研究針對感光干膜光刻膠刻蝕微結構模具制備方法的關鍵技術進行研究,首先,介紹目前微結構模具制備方法,并對各種制備方法的優缺點進行比較。其次,針對感光干膜主要工藝流程壓膜、曝光和顯影等關鍵技術參數進行試驗研究,給出光源光譜特性、光源功率、曝光距離、曝光時間、微結構厚度、顯影液濃度和顯影時間之間的關系,并給出原因分析。最后,在自然室內光源、自然室外光源條件下,給出曝光時間與干膜變性的極限試驗結果,為干膜存儲、裁剪、晾放時間給出具體建議和技術指導。

1 微結構模具制備方法比較

目前,微結構模具的制備方法主要有以下5種:

1) 機械加工

超精密加工(精雕機)一方面可以加工出微小而精密的微結構,另一方面在此基礎上又能保證結構表面光滑。但其缺點在于加工的尺寸有限,最小的加工尺寸為500 μm,而且設備價格昂貴,加工時間長,不適用于在加工設計階段需要反復修改設計圖案的微流控模具。且使用這種方法加工微結構蛇型部位(轉角處)模具時的曲面不夠流暢。

2) 金屬精密蝕刻

金屬精密刻蝕工藝流程主要包括清潔處理、防蝕處理、刻蝕加工和清除防蝕層,蝕刻加工工藝是整個金屬刻蝕過程的關鍵,襯底金屬的不同決定著金屬刻蝕劑的不同,采用金屬蝕刻技術加工微結構模具可以避免光刻模具容易脫膠的問題[11]。而且由于基底是金屬制備的不易損壞,因此增加了耐用度。能夠支撐多次脫模,反復利用,有效的降低了微流控芯的制備成本。但是也存在著制備的微結構橫截面呈T形和頂部寬度與設計尺寸過大的缺點。

3) 液體光刻膠刻蝕

利用膠膜在曝光前后性質變化,溶解于不同性質的化學溶液,將光刻膠作為襯底硅片的涂層,紫外線燈透過掩膜版對涂層進行曝光,曝光后根據光刻膠不同的性質放置在對應的顯影液中得到模具。掩膜質量決定微結構模具精度,從而影響整個模具的精確度,對流體流動性能的研究造成誤差,且微流道表面容易遺留殘液,腐蝕芯片[12]。液體光刻膠常用的兩種掩膜分別是玻璃掩膜板和膠片掩膜板。玻璃掩膜版工藝復雜、精度較高、價格高;膠片掩膜板工藝簡單、精度較低和價格低。

4) 感光干膜光刻膠刻蝕

感光干膜光刻膠是將配制好的液態光刻膠利用精密的涂布機均勻涂布在載體聚酯薄膜(PET膜)上,經烘干、冷卻后,覆上聚乙烯薄膜(PE膜),再收卷而成的卷狀薄膜型光刻膠。展開的DFP是三明治結構,上下各有一層透明的保護層,分別為質地較軟的PE膜和質地稍硬的PET膜。使用時直接將PET軟膜解開緊緊貼敷在襯底上即可,使用簡單且厚度有多種選擇。需要更厚的模具時只需多次疊加即可。通過紫外線曝光、顯影即可得到模具。顯影液采用的是低濃度的弱堿性溶液。

5) 電化學刻蝕與微電鑄工藝

對襯底進行清洗,提高襯底對于膠膜的高黏度。采用稀硝酸對金屬表面進行清洗,去除氧化層。采用電化學刻蝕的方法在膠膜上刻蝕出流道形狀,但由于各向同性物質存在所以會產生側蝕現象[13]。長時間的電化學刻蝕會影響精度。采用電鑄的方法在刻蝕完成的流道下進行。電鑄完成將膠膜去除即可得到一個微結構模具[14]。這種方式制備的微結構模具在抗剪切方向表現良好,經久耐用。但是在制備流程方面比較繁瑣,運用到的器材和試劑太多,而且試劑具有一定的危險性。

表1 不同微結構模具制備方法優缺點比較

2 DFP與液體光刻膠模具制備工藝比較

液體光刻膠模具制備流程如圖1所示,首先將襯底清潔干凈(在無塵環境),然后將襯底放在勻膠機上,根據轉速與涂層厚度關系旋涂光刻膠,完畢后在90～95 ℃ 條件下烘烤固化之后冷卻,將掩膜板對準放齊進行紫外線曝光。曝光之后去除掩膜版再在相同溫度下進行一次烘烤,冷卻之后選擇適當的顯影液進行顯影,最后在100～120℃下烘干固化。檢查流道質量得到一個完整模具。

圖1 液體光刻膠模具制備工藝

圖2為DFP制備微結構模具的流程,首先清洗襯底,干燥后將感光干膜通過壓膜機貼附在襯底上,冷卻后覆蓋掩膜版進行曝光,曝光結束冷卻放置在顯影液中顯影,顯影結束清洗烘干得到模具。

圖2 DFP模具工藝流程

利用DFP制備模具,比利用傳統液體光刻膠軟刻蝕制備模具有以下優勢:

(1) 不需要超潔室,普通試驗室條件即可完成;

(2) 曝光設備簡單,普通UV燈即可,無需價格貴的曝光設備;

(3) 感光干膜光刻膠比液體SU-8系列膠便宜很多;

(4) 省時,利用液體光刻膠制備一張模具需要花費4 h左右,而利用DFP只需1.5 h即可完成;

(5) 利用DFP制備的模具平整度高,厚度均勻;

(6) 成功率高,除潔凈條件外,試驗室溫度、濕度和操作方式對軟刻蝕工藝都有一定程度的影響,而DFP方式制備模具無需考慮這些因素。

3 DFP制備關鍵技術

利用DFP制備模具的工藝流程主要包括壓膜、曝光和顯影。DFP作為新型微結構制備材料有許多優點:厚度均勻,與襯底黏附性能良好;可以多層疊加,制備較厚的微結構模具;不需要勻膠步驟。本研究將采用DFP方法制備橫截面為矩形的微結構模具,工藝流程簡單,成本低。

3.1 壓膜

首先將壓膜機在110 ℃熱封模式下預熱,用去離子水或純凈水將10 cm×10 cm的高精度鏡面不銹鋼板表面清洗干凈,并用高純氮氣吹干或者無塵布擦拭干凈。將感光干膜剪裁成與鏡面不銹鋼板相同的尺寸。用鑷子將其一側的聚乙烯薄膜去掉,去除保護膜一端,沿襯底的邊緣貼附1 cm左右,不要全部貼滿,在預熱后的壓膜機中隨著滾輪的轉動將感光干膜貼附在襯底上面,反復壓制3～5遍。冷卻結束后進行氣泡檢查。

用肉眼進行觀察,如果有明顯的氣泡存在或氣泡存在于流道區域,如圖3a所示,則需要將感光干膜去除重新壓膜,并重復上面的步驟。在肉眼觀察不到氣泡時需要在顯微鏡下觀察是否有細小氣泡的存在,當氣泡存在于流道域時,如圖3c所示這種情況是不能使用的,需要重新貼膜。直到表面光滑無氣泡視為壓膜成功,如圖3b所示。若氣泡不在流道區域則不影響試驗,如圖3d所示。

圖3 氣泡和覆膜成功圖

3.2 曝光

由于本試驗使用的是負性光刻膠其曝光部分不溶解與顯影劑,未被光照的區域會被溶解,顯影時形成的圖形與膜膜版相反[15]。

圖4為在距UV燈15 cm處曝光60, 75, 300 s的時間下對后續模具的影響。如圖4c所示,曝光時間不足會導致模具在清洗時被顯影液破壞,導致整個模具損壞。如圖4a所示,當曝光時間過久會導致感光干膜在微觀表現為干膜收縮邊緣鋸齒狀增加,在宏觀表現為干膜變脆。如圖4b所示,正確的曝光時間顯影制備的流道模具表現最好。

圖4 不同曝光程度對模具的影響

1) 光源光譜特性研究

本試驗采用的是飛利浦紫外線燈UVA和UVC系列和醫獻UVA系列。了解光源的光譜特性的理解對于下一步的試驗有重要意義。圖5是3種型號光源的光譜分析圖。

圖5 光譜分析圖和曝光效果圖

圖6a是飛利浦UVA系列的光譜分析圖,從圖中可以看出,此系列的光譜主要是在340～400 nm之間,整體觀察來看,這個系列UV燈的波段相對較為集中,在其他波段領域顯示的幾乎沒有,體現出比較良好的性能。

圖6 不同功率曝光情況

圖6b是醫獻UVA系列的光譜分析圖,從圖中可以看出,此系列的光譜主要是在300～462 nm區間,同時在550, 565 nm的區段也有少量分布,表現的波段分布比較發散。醫獻品牌UV燈波段的分布與飛利浦的相比集中度不夠,但是范圍要比飛利浦的更大。

圖6c是飛利浦UVC系列的光譜分析圖,從圖中可以看出,此系列的光譜主要是在250 nm,同時在300, 350, 420 nm等波段也有少量分布。通過光譜分析可知,UVC系列的波段分布主要是在250 nm,在其他波段零星分布。

如圖5d分別使用醫獻、飛利浦UVA和UVC 15 W的光源進行照射75 s, 從圖中可看出, 同為UVA的曝光程度幾乎一致,但是使用UVC的光源感光干膜幾乎沒有變化。說明UVC光源不適合作為曝光光源使用。同時通過查閱資料可知,本試驗所使用的干膜長興E9420的曝光波段是在360～420 nm之間,圖5d試驗與理論一致,表明UVC不適合作為曝光光源。另一方面考慮性價比,飛利浦UVA最適合作為曝光任務的光源。

2) 不同功率光源曝光

使用飛利浦UVA 8,15,18 W三種功率的紫外線燈在距離相同的情況下曝光75 s,曝光情況如圖6所示。

在相同的曝光距離、曝光時間和掩膜圖案情況下,最終的曝光效果是幾乎一樣。由此得出,在波長一定的情況下曝光效果并不會隨著功率的上升而縮短時間和改變曝光效果。因此選擇燈源時重點要考慮波長是否符合曝光所需波長,功率不作為選擇燈源的重要依據。

3) 曝光距離

在襯底和紫外燈之間曝光距離在15 cm處最佳曝光時間是75 s。圖7是將襯底與UV燈放置在距離5, 10, 15 cm處進行曝光。

圖7 不同距離的曝光效果

保證燈源和曝光時間相同情況下觀察不同距離下曝光的情況。燈源均使用飛利浦UVA 15 W,曝光時間統一為75 s,在5 cm處曝光后,干膜表現的藍色最深表示曝光程度較深,在15 cm處干膜曝光后,干膜的綠色還有存在表示干膜未完全曝光。在10 cm處的干膜曝光情況是三者中最好的。在距離改變后使用最佳曝光時間曝光效果最好的是10 cm,說明最佳曝光時間不是固定的,要根據曝光距離的改變而改變。

3.3 顯影

曝光結束之后將鏡面鋼板取出,在紫外線的影響下,感光干膜的表面溫度會上升,因此在取出后要將鏡面鋼板冷卻5～10 min。因為負性感光干膜未曝光區域會顯示出弱酸性,在曝光區域不會呈現出弱酸性,因此顯影液使用無水碳酸鈉進行調制顯影液[16]。調制濃度為0.6%,0.85%,1.1%的碳酸鈉溶液,保證水的質量和溫度一致,顯影3 min。如圖8分別為濃度逐漸增加的顯影效果圖。可知0.85%的效果最好,襯底的鏡面鋼板完全顯露,0.6%濃度襯底鏡面鋼板未完全顯露且圖案不如0.85%的清晰,1.1%的濃度在顯影3min的情況下光刻模具圖案的邊緣變得發皺,流道遭到破壞。

圖8 不同濃度顯影液顯影效果

4 極限條件干膜性狀

4.1 室外自然光源曝光

圖9a為感光干膜在自然光線下的表現,從圖中可以看出,15 min時干膜變化非常明顯,在30 min之后干膜轉為深藍色,隨時間增長干膜顏色越來越深。

圖9 自然光曝光和曝光后對光刻影響

圖9b是被自然光源干膜曝光后對于后續模具制備的影響。使用飛利浦UVA 8 W的紫外線燈光對其進行75 s曝光,距離為15 cm。可以看出,經歷15 min的室外曝光的感光干膜再次進行光刻時,襯底的圖案較清楚但是顯影后無法清洗,經歷30 min自然光照射的感光干膜幾乎無法光刻。在30 min以上自然光曝光之后完全無法光刻。

4.2 室內自然光源曝光

針對室內自然光線對于感光干膜的影響,在室內分為了30, 60, 120, 240 min 4組對象,如圖10所示。在室內光源30 min時干膜仍然沒有大的變化,在60 min 時干膜已經發生明顯變化,120 min與60 min的變化不明顯,240 min后干膜已經達到室外光線30 min 的狀態,表明干膜已經完全曝光。在使用曝光30 min的基底時,從圖11可以看出,對于后續的模具制備工作影響不大,但在使用曝光60 min的基底時就會變得有影響,如圖11所示,光刻的圖案不再特別清晰,在顯影時被室內光線充分曝光的部分無法沖洗干凈。

圖10 室內自然光線曝光

圖11 室內光線曝光30 min和60 min曝光顯影效果圖

5 結論

本研究針對基于負性感光干膜,采用DFP刻蝕方法制備微結構模具的若干個關鍵技術環節進行了詳細的試驗研究與分析。對于壓膜工藝過程中產生氣泡的情況,給出可能出現的原因及解決措施, 提高對壓膜結果的辨別。對正確曝光的判斷提供了試驗依據。試驗證實感光干膜在350 nm波長的UV燈下曝光效果最好,針對不同波長,不同品牌光源進行分析,為之后選擇光源提供了試驗支撐。針對不同距離、顯影濃度、曝光時間、曝光功率的試驗,得出合適的曝光距離在10 cm,最好的顯影濃度為0.85%,最佳的曝光時間75 s 以及光譜一定功率并不改變曝光效果等結果,為日后的試驗提供數據支持。通過對這些關鍵技術的研究,豐富了DFP制備模具方法的理論知識,同時針對室外和室內的光源曝光影響也對儲藏干膜方法做出了試驗證明。