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微流控芯片的环氧树脂SU-8模具制作技巧

微流控芯片加工过程中,通常都会用到模具,尤其是在PDMS芯片加工的过程中。PDMS芯片加工通常采用软光刻技术来制作。为了执行PDMS软光刻技术的加工过程,通常您需要用到模板,最常规和经常使用的模板一定是环氧树脂SU-8模具。每年都会有许多实验室从事微流控芯片的加工活动,并且有时会使用不好的实验设备或不正确的实验方法。本文简要介绍如何使用环氧树脂SU-8加工一个PDMS芯片模具的基本知识。

PDMS芯片模具

介绍使用旋涂机来分配/匀涂树脂,当然也可以使用其他技术来匀涂树脂。文中将会给出加工SU-8模具的一些小提示和技巧。

SU-8模具加工过程通常可以划分为9个主要步骤,按照模具加工的顺序如下所示:

      1、准备晶片/圆片

      2、 旋涂负性SU-8光刻胶

      3、 软烤(光刻胶的第一次烘烤)

      4、 边缘光刻胶的去除(可选)

      5、 紫外曝光

      6、 曝光后烘烤(光刻胶的第二次烘烤)

      7、 显影

      8、 硬烘烤(光刻胶的第三次烘烤)(可选)

      9、校验检查

注:本文主要以硅晶片为例,当然,也可以使用其他基底如表面修饰的玻璃。

PDMS微流控芯片SU-8硅片模具制作流程图

PDMS微流控芯片SU-8硅片模具制作流程图

1、 准备晶片/圆片

即使晶片是新的,在接收到SU-8光刻胶之前,也需要有充分的准备。如果您在洁净室里面,您可以使用食人鱼溶液piranha solution)(H2SO4+H2O2),来清洗晶片;如果您在洁净室外边,那么您可以使用丙酮溶液来清洗硅片。如果您确定晶圆的表面状态,那么也可以不用清洗晶圆,但是强烈建议您对晶圆进行清洗。在任何情况下,您必须对您的晶圆进行加热以便消除表面上的水分。例如本人建议在120°C的烘箱中加热处理15min。该加热步骤非常重要,因为它将会使SU-8更好的粘贴在基底上。

如果您碰到把光刻胶均匀的铺在表面上有困难或者如果在软烘烤的过程中,光刻胶在光刻胶层中形成空洞,那么这意味着光刻胶没有充分的润湿基底。用等离子体处理(氧气或空气等离子有很好的效果)5min可以增加光刻胶分布的均匀性或降低空洞的形成。

最后,即使在脱水步骤中,光刻胶有时也不会粘贴在基底上,此时,您可以使用通过气体如HMDS或以液体形式沉积的助粘剂,用旋涂的方法把助粘剂先匀涂在基底上,然后再匀涂光刻胶。

SU-8硅片模具软烘烤

2、旋涂负性SU-8光刻胶

为了制造稍后要成为模具的光刻胶层,我们使用旋涂机来旋涂光刻胶。旋涂技术是最为经常使用的一门用来制造所需光刻胶层厚度的技术。

旋涂技术在于把少量的SU-8光刻胶放在旋转的基底上。旋转速度、加速度和SU-8光刻胶的黏度将会限定SU-8光刻胶层/光致抗蚀剂层的厚度。

要成功完成这一步,必须采取一些预防措施:

· 确保旋涂机是完全平坦的

· 尽可能的把晶圆放在旋涂机卡盘上的中心以便获得最佳的光刻胶层分布

· 尽可能的把光刻胶放在晶圆的中心位置

采用2个步骤来旋涂SU-8光刻胶:

第一步是采用在10-30秒内的低旋转速度和低加速度来把光刻胶旋涂在基底上

第二步是采用在30-60秒内的高旋转速度和高加速度来控制光刻胶层的厚度。

使用微量移液器来分配光刻胶以便控制所使用的SU-8光刻胶的量

匀胶机旋涂仪旋涂SU-8负性光刻胶

3、软烤(光刻胶的第一次烘烤)

软烘烤的目的是蒸发溶剂,使SU-8光刻胶更加坚固。蒸发会稍微改变光刻胶层的厚度并使其暴露在UV光下。事实上,大约7%的溶剂量便能够获得良好的曝光。

这将取决于光刻胶层的厚度,但请记住,最大的问题点是SU-8光刻胶内部的机械应力。为了尽可能的减小这种机械应力,您必须稍微的加热和冷却。使用热板来烘烤SU-8光刻胶,它可以让您从晶圆的底部到顶部产生热量,从而有利于溶剂的蒸发。为了做一个连续的加热,我建议您遵循一个特殊的加热模式,第一个加热平台在65°C,然后第二个加热平台在95°C,每个加热平台的时间取决于SU-8光刻胶层的厚度。

在这个步骤的最后,在继续并完成加工过程之前,晶圆可以在黑暗条件下和平坦的表面上保存数周而不会出现任何严重的后果。

软烘烤的目的是蒸发溶剂

4、 边缘光刻胶的去除(可选)

边缘光刻胶去除步骤在于移除晶圆旋涂后周边的珠状光刻胶。边缘珠状的出现是由光刻胶的表面张力引起的。由于光刻胶层的边缘比较厚,因此,光刻胶层的高度取决于光刻胶的黏度。特别是对于非常粘稠的光刻胶,边缘微珠可以升高若干μm,因此,必须将其去除。事实上,在曝光步骤中,边缘微珠阻止了掩膜版尽可能的接近晶片,并且掩膜版和晶圆之间的间隙将导致设计中的分辨率下降。

通常,在高速旋转时,通过向基底的边缘注入丙酮来去除边缘微珠。这个步骤可由大型设备通过手动或自动来实现。

边缘光刻胶的去除

5、紫外曝光过程

 曝光的目的是通过激活光刻胶中的部分PAC(PhotoActiv Component)来引发交联反应。这种活化会改变树脂的局部性质,烘烤以后,它将溶于或不溶于溶剂。由于SU-8是一种负性光刻胶,这意味着暴露在UV光下的部分会变硬,而另一部分在显影的过程中会被溶解掉。

曝光参数的选择还需谨慎小心:

· SU-8的曝光波长为365nm

· 曝光时间取决于光刻胶层的厚度和灯的功率

· 接触模式是非常重要的,不接触将会导致分辨率下降。在真空接触模式下,您可以把晶圆粘贴在掩膜版上。

曝光的目的是通过激活光刻胶中的部分PAC(PhotoActiv Component)来引发交联反应

  6、 曝光后烘烤(光刻胶的第二次烘烤)

第二次光刻胶烘烤被称为后曝光烘烤Post Exposure Bake)。正如其名字所说,仅仅就是在紫外线照射之后。紫外曝光使SU-8光刻胶中的光敏成分活化,但是需要能量来使其继续反应;这种烘烤便带来了这种能量。

至于软烘烤,最大的问题点是SU-8光刻胶内部的机械应力,因此,加热和冷却必须轻微操作以便尽可能的减小这种应力。加热模式与软烘模式相同,第一个加热平台在65°C,然后第二个加热平台在95°C,每一个加热平台的时间取决于SU-8光刻胶层的厚度。在进行下一个步骤之前,请确保您的晶圆处于室温下。

后曝光烘烤

7、 负性环氧树脂SU-8光刻胶的显影

显影是未发生交联的SU-8光刻胶在溶剂中稀释的一个步骤。在这个步骤中,芯片的通道设计被转移到基底上。使用SU-8显影剂可对SU-8光刻胶进行显影。SU-8显影剂是Microchem公司生产的产品,主要由PGMEA(丙二醇单甲醚乙酸酯)组成,但是也可以使用Ethyl-lactate(乳酸乙酯)或者Di-acetone(二丙酮醇)来显影SU-8胶。

· 把晶圆放在50mL显影液的结晶器内

· SU-8显影时间取决于胶层的厚度,通常在1min至15min以上

· 在显影的过程中,维持良好的搅拌以便尽可能的获得最好的显影。

· 用异丙醇冲洗晶圆。如果有白色痕迹留下,再次显影1-2min。如果仍有部分白色痕迹存在,更换溶液并使用50mL的新显影液再次处理1-2min。

· 干燥的晶圆

负性环氧树脂SU-8光刻胶的显影

8、环氧树脂SU-8胶的硬烘(光刻胶的第三次烘烤)

第三次和最后一次光刻烘烤被称为“硬烘烤”,这是该过程的最后一步,但是是可选的。SU-8光刻胶内部在加工过程结束时仍会保留很多强度,这些强度会在胶层的表面产生裂纹或者导致胶层的剥离。硬烘烤在高温(超过120°C)下加热SU-8光刻胶,可以抑制胶层内的残留强度。正是由于硬烘的这个优势,SU-8光刻胶层内的部分裂缝便会消失而且胶层会变得更硬。再次,硬烘与软烘和PEB相同,光刻胶的加热和冷却需要轻微的进行。

 9、校验检查

      在这一步,SU-8模具已经加工完成,但是我们必须检查它是否符合预期。为此,您必须在显微镜下观察模具。然后,使用光学或机械轮廓仪来测量光刻胶层的深度。

经过以上步骤,您便可以轻松的加工出SU-8模具



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