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1、.wd高通量微流控器件的设计与加工罗春雄掩模的制作掩模的制备是光刻中的关键步骤之一，其作用是在一个平面上有选择性的阻挡紫外光的通过，从而实现光刻胶的局部曝光。掩模的图形及尺度由计算机设计完成，常用的设计软件有L-edit目前最新版本为10.0和AutoCAD等。带有图形构造的掩模常用介质有透明膜和玻璃板，图形构造一般由透明和不透明的区域组成。掩模有时也被称作原图或光刻版。当分辨率要求不高时，掩模可用简单的方法来制备。最常用的方法是使用高分辨率的激光照排机3000dpi以上将图形打印在透明胶片上，这种方法的误差一般为3-7m，视激光照排机的精度而定。当图形的尺度为10m量级时，此法制成的掩模可近
2、似视为准确。使用激光照排机的优点在于设备易得，一般的出版社就有可以满足要求的机器；并且制作过程很简单，只需要一步打印。图1 采用L-edit设计的模幅员。通过电子束曝光的方法可以得到精度更高的掩模版，精度可达100nm甚至10nm级。这种掩模版为金属掩模，所以不管是精度、寿命还是使用时的方便程度，均要优于打印方法制成的模版。但它的缺点也十清楚显：本钱非常高一块模版通常要上千元人民币，并且制作周期时间长。还有其他一些方法可以得到掩模版，如准分子激光刻蚀和光学缩小等方法，这样得到的模版精度较高，但对设备的要求都比较高。光刻胶光刻胶是由溶解在一种或几种有机溶剂中的光敏聚合物或预聚合物的混合物组成的，
3、它是用光刻技术将掩模上的微构造准确转移到基片的关键媒介。根据用途不同，有多种黏度、光学性质及物理化学性质不同的品种供选择。光刻胶有两种 基本的类型：一种是负型光刻胶，它们在曝光时发生交联反响形成较曝光前更难溶的聚合物；另一种是正型光刻胶，它们在曝光时聚合物发生链断裂分解而变得更容易溶解。根据它们的特性，负型光刻胶显影后曝光局部被固定而非曝光局部被洗掉；正型光刻胶那么是曝光的局部在显影后被洗掉，非曝光局部被固定。下面分别介绍这两种光胶：a.负光胶负光胶曝光中发生的光化学反响比正光胶相对简单。例如Minsk于1954卖给Eastman Kodak公司的专利，应用的是聚乙烯醇肉桂酸酯中的肉硅酸局部的
4、双键对紫外线敏感，双键之一被翻开后形成双游离基，这些双游离基不稳定，很快与其他游离基间相互连接，形成新的碳-碳链，并与其他线形分子交联形成更大的聚合物分子。与曝光前相比，聚合物变得更不易溶解且抗化学侵蚀性更强，因而未曝光的局部可被显影液溶解而去掉。此即为KPR柯达光刻胶和其他负胶的 基本原理。我们实验室常用的负光胶是国产的BP系列，特点是光胶薄1-3m，附着力极好，分辨率高，但缺点是难去除。另一种具有代表性的光敏聚合物为SU-8。它是一种环氧型聚合物材料，因为平均一个单体分子中含有8个环氧基，因此名称中有8,其构造如图2所示。SU-8光学透明性、硬质、光敏的独特性质，在微加工材料中独树一帜。主
5、要特点如下：高机械强度；高化学惰性；可进展高深宽比、厚膜和多层构造加工。由于它在近紫外区光透过率高，因而在厚胶上仍有很好的曝光均匀性，即使膜厚达100m，所得到的图形边缘仍近乎垂直，深宽比可达50：1。图2 SU-8单体的典型构造。SU-8是机理和材料完全不同的一类负光刻胶。该胶可溶于GBLgamma-butyrolactone溶液中。溶剂的量决定了黏度，从而也决定了可能的涂覆厚度，不同的型号可适宜做不同的厚度，最常见的是10m到100m。引发剂三苯基硫盐按SU-8量的10%比例参加。SU-8在前烘中有很好的自平整能力。经100oC以上固化后，交联的SU-8有较强的抗腐蚀性，热稳定性大于200
6、oC。高温下可耐pH值13的碱性溶液的侵蚀。SU-8的光反响机理：光刻胶中的光引发剂吸收光子发生光化学反响，生成一种强酸，其作用是在中烘过程中作为酸性催化剂促进发生交联反响。只有曝光区域的光胶才含有这样形成的强酸，未曝光区域那么不含有。交联反响链式增长，每一个环氧基都能与同一分子或不同分子中的其他环氧基反响。交联反响形成了致密的交联网络构造不溶于显影液PGMEA中。b.正光胶正光胶的有关技术主要来自含氮染料、印刷和复印工业。正光胶基于重氮盐和二叠氮化物的两个反响。在碱性条件下，重氮盐或二叠氮化物很快与酚类偶合剂发生几乎定量的反响，形成各种有色且难溶的染料，其颜色和溶解性取决于二叠氮化物和偶合物
7、的构造。上述两种成分在偏酸性缓冲液中那么不发生反响。显影液提供的碱性条件那么可引发耦合反响。二叠氮化物经紫外线曝光发生分解反响，释放出氮气，在显影过程中无法再发生耦合反响，而是形成容易被溶解的产物。很多常用的正光胶含有不同烷基的萘醌二叠氮化物，具有不同的粘性、溶解性和其他特性。该类叠氮化物在紫外线照射下分解并重排生成乙烯酮，在潮湿气氛下进一步转化成羧基酸茚。在碱性溶液中显影时，羧基酸茚被溶解，即曝光的光胶局部被溶解，而未被曝光的叠氮化物之间与共存的酚类化合物在碱性显影液中发生耦合反响，形成胶连的难溶物。通常原理可用图3表示：图3 正光胶的有关化学反响。我们实验室常用的正光胶有AZ公司的一系列产
8、品，如AZ50、AZ5214、AZ9260等。它们都有不同的特性，如AZ50的黏度比较大，可以用于制作厚胶模版10-60m厚；AZ5214那么为薄胶1-3m，分辨率较高，作掩模的耐腐蚀性也很好。光刻标定高度曲线图(SU-8 3000系列)光刻标定相关数据SU-8 3005胶型环境温度环境湿度涂胶转数前烘时间后烘时间光刻机光强曝光时间平均高度65956595SU-8 30052339%10500rpm1min4min1min3min20wcm70sec9.6m301000rpmSU-8 30052222%10500rpm1min4min1min2min20.8wcm65sec8m301500rp
9、mSU-8 30052420%10500rpm1min4min1min2min20.8wcm60sec6.95m302000rpmSU-8 30052420%10500rpm1min3min1min2min20.8wcm55sec5.6m302500rpmSU-8 30052230%10500rpm1min3min1min2min20wcm50sec5.05m303000rpmSU-8 30052326%10500rpm1min3min1min2min20wcm45sec4.4m303500rpmSU-8 30052324%10500rpm1min3min1min2min21.7wcm38se
10、c3.65m304000rpm光刻标定相关数据SU-8 3010胶型环境温度环境湿度涂胶转数(两步程序)前烘时间后烘时间光刻机光强曝光时间平均高度65956595SU-8 30102120%10500rpm2min10min1min4min17.3wcm100sec18.4m301000rpmSU-8 30102320%10500rpm2min10min1min4min18wcm95sec14.3m301500rpmSU-8 30102420%10500rpm1min9min1min3min18wcm90sec12.1m302000rpmSU-8 30102420%10500rpm1min4m
11、in1min2min18wcm85sec10.7m302500rpmSU-8 30102252%10500rpm1min4min1min2min17.8wcm80sec9.6m303000rpmSU-8 30102344%10500rpm1min4min1min2min18.3wcm75sec9m303500rpmSU-8 30102346%10500rpm1min3min1min2min18.3wcm70sec8.1m304000rpm光刻标定相关数据SU-8 3025胶型环境温度环境湿度涂胶转数(两步程序)前烘时间后烘时间光刻机光强曝光时间平均高度65956595SU-8 30252330
12、%10500rpm2min20min1min5min19.1wcm170sec76.15m301000rpmSU-8 30252421%10500rpm2min17min1min9min23.2wcm150sec49m301500rpmSU-8 30252260%10500rpm2min15min1min5min16wcm135sec42.5m302000rpmSU-8 30252424%10500rpm2min8min1min5min20.7wcm115sec31m302500rpmSU-8 30252222%10500rpm2min6min1min4min20.7wcm90sec25.8m
13、303000rpmSU-8 302525不详(不到20%)10500rpm2min5min1min3min19wcm80sec22m303500rpmSU-8 302522不详(不到20%)10500rpm1min3min1min2min19wcm65sec19m304000rpm光刻标定相关数据SU-8 3050胶型环境温度环境湿度涂胶转数(两步程序)前烘时间后烘时间光刻机光强曝光时间平均高度65956595SU-8 30502052%10500rpm2min25min1min7min18wcm230sec182.4m301000rpmSU-8 30502342%10500rpm2min20min1min6min19.5wcm190sec82.45m301500rpmSU-8 30502220%10500rpm2min15min1min5min18wcm160sec72.4m302000rpmSU-8 30502322%1050
