SU8胶模去除技术word版Word格式文档下载.docx
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当曝光时，光
子被吸收，光引发剂产生光化学反应，生成强酸。
在
后烘（（PEB）时，曝光区域在强酸的引发催化作用下，
分子发生交联（crosslinked），并以链式增长，经扩展
就形成了交联网络;
若再经硬烘焙，就形成了致密的
完全交联网络，这种交联网络不溶于有机显影液，并
能抵制膨胀。
但同时，这种高度交联网络使得SU-8
胶模很难去除，尤其在不损坏电铸金属结构及其它
微制造元件的前提下，这就大大制约了SU-8LIGA
技术与IC或其它微制造工艺的集成制造能力，同时
对精细零部件的加工也有很大的局限性，即微小狭
缝、孔洞内的光刻胶同样难以完全去除。
SU-8去胶问题是个大难题。
目前的各种化学
去胶溶剂都不能溶解交联的SU-8oSU-8胶的著名
生产商MicroChem公司提供的去胶剂PG，只是溶胀
（swell）和剥离（（lift-off）少部分交联的SU-8胶，不能
去除硬烘全交联的胶模「‘]。
有些用户已开发了各种
各样的去胶方法如机械的、物理的、化学的（干法和
湿法）[’一}l，它们各具优缺点和适用范围，并且多数
去胶方法都会不同程度的损坏电铸金属结构或导致
其从基底上脱落，到目前为止，暂时还没有一种与集
成微制造兼容的且经济有效的去胶方法。
按去胶原理的不同，可将目前出现的SU-8去胶
技术分为三类:
机械物理去胶技术，如高压水喷、低
温冷冻/高温解冻、准分子激光消融等;
干法化学去
胶技术，如高温灰化、RIE刻蚀灰化、微波等离子体
下游化学刻蚀（（DCE）、发烟硝酸等;
湿法化学去胶技
术，如化学溶剂剥离、强碱熔盐浴氧化、强酸氧化等。
按以上分类，本文对各种去胶方法的原理、优缺点及
适用场合进行了综述，并结合本实验室的电铸Ni结
构的去胶试验，对强碱熔盐浴氧化、强酸氧化等比较
经济有效的去胶方法进行了有益发展。
最后介绍了
辅助去胶技术，如辅助剥离牺牲层技术、辅助电铸金
属结构抵抗去胶剥落的桩基形成技术。
提出了一种
与互连电路表面微制造工艺兼容的金属桩基形成技
术，并成功地进行了去胶试验。
2.1机械、物理去胶技术
对于要求从基片上剥离的电铸金属零部件的去
胶而言，可通过高压水喷或喷珠、高温分解、液氮
（一196冯冷冻/解冻等简单、经济的机械、物理方
法去除SU-8胶模。
由于SU-8胶的线热胀系数（（52X10-6/冯比一
般基片、电铸金属的高得多，利用热胀系数的不匹
配，通过低温冷冻/高温解冻可方便地去除大块SU-
8胶模，且对电铸金属的性能影响不大，但对高深宽
比封闭狭槽、空洞中的小面积胶模去除仍较困难。
另外一种物理方法是利用远紫外准分子激光消
融（（laserablation）来去除SU-8胶，其工作机理是在
高能脉冲准分子激光作用下，聚合物的某些结合能
态化学键由于光化学分解和热分解作用而断裂，并
转化为碎片挥发掉。
Ghantasala等人利用KrF（波长
248nm）准分子激光来图形化，并成功地去除了电铸
Cu齿轮（601-im厚）上的SU-8胶模[sl。
但该SU-8
胶模仅进行了900C200℃的前烘，并未进行曝光
热交联处理。
而且准分子激光的设备成本高。
2.2干法化学去胶技术
常用的干法化学去胶方法包括高温灰化、RIE
等离子体反应刻蚀灰化、微波等离子体下游化学刻
蚀（DCE）、发烟硝酸刻蚀等。
2.2.1高温灰化（asking）
最简单、快速、经济的去胶方法是将SU-8胶模
烧掉。
SU-8是碳氢聚合物，与氧反应产生二氧化碳
和水。
SU-8在空气中的快速灰化须在高温
（>
5000C^}600劝下进行，它包含高温分解和氧化
过程，这会对电铸金属产生明显的氧化损坏，从而使
金属的机械性能大大降低。
为最小化金属表面氧
化，可在惰性气体如氮气中灰化SU-8胶。
由于要求
高温，此种去胶方法与IC或其它微制造工艺并不
兼容。
2.2.2反应离子刻蚀（RIE）灰化
氧等离子体刻蚀可去除绝大多数固化的光刻
胶，在氧等离子体加入含氟气体如CF4,SF}等后，刻
蚀速率得以提高，这是因为氟原子的作用在聚合物
主链上产生反应区域以及少量的氟能增加了等离子
体中氧原子的浓度「“]。
此外，刻蚀速率还与RIE设备
的类型、工作气压、溅射功率、负载大小等因素有关。
G.Hong等人利用。
:
，SF}和Ar等离子体干法
刻蚀图形化硬烘全交联的SU-8胶（无电铸金属）[“]，
并采用田口方法进行实验优化，表明OZ/SF}混合气
体中SF}体积含量为4%一5%时，刻蚀速率可达
1.51}m/min^-21}m/min（工作气压20Pa，功率
200W,PlasmaTech.RIE80设备）。
在Nextral
NE100反应离子刻蚀机上，刻蚀电铸Ni结构的SU-
8胶模（950CPEB），当气体流量。
为50cm3/min,
SF。
为2.3cm3/min，工作气压为20Pa,RF功率
100W时，获得的刻蚀速率为1.21-im/min刻蚀时间
30min）。
RIE虽能刻蚀高深宽比电铸金属内的SU-8胶，
但也存在着缺点，如刻蚀速率低;
RIE的功率不能太
高，蚀刻时间不宜过长，否则SU-8胶会因高温而产
生热胀裂纹、变性，更加难以蚀除;
若RIE腔内气压
低并缺少藕合等离子体将会沉积灰化物「6]。
RIE去
胶方法对薄胶刻蚀效果较好，但对几百微米的厚胶
而言，效率太低。
2.2.3微波等离子体下游化学刻蚀（downstream
chemicaletching,DCE）
下游化学刻蚀（DCE）是另一种常用的有机物去
除技术，用于半导体工艺中交联有机物的高速反应
蚀除。
DCE一般要先产生反应氧根离子流，然后流
向下游进行化学刻蚀，途中将除去对半导体介质层
产生破坏的离子。
在高功率微波等离子体含氟离子流反应刻蚀
中，SU-8的刻蚀温度在2000C300℃，刻蚀速率可
达每分钟数微米「’]。
报道的DCESU-8胶实验[[4],
气体。
a}CF4和Na，流量6000cm3/min，微波功率
2.5kW;
CF4含量2%，温度225℃时，SU-8的刻蚀
速率可达71-im/minoDCE45min后，Ni的极限抗
拉强度和弹性模量下降约20%对电铸Ni结构没产
生明显的机械破裂作用。
高功率微波等离子体DCE在不明显影响电铸
Ni结构的温度下，刻蚀速率可达71}m/min^'
101-im/min，并与半导体及微制造工艺兼容「n。
缺点
是由于等离子体反应气体含氟，对微波设备要求高，
成本亦较高。
2.2.4发烟硝酸（fumingnitricacid）化学刻蚀
发烟硝酸能腐蚀掉高度交联的SU-8，但对其它
材料如Cu,Ni和A1等也同样有腐蚀作用。
在惰性
气氛如氮气中工作，可减轻金属受腐蚀程度。
2.3湿法化学去胶技术
常用的湿法化学去胶方法包括化学溶剂溶胀剥
离、熔融强碱盐浴氧化刻蚀、强酸氧化刻蚀等。
2.3.1化学溶剂剥离去胶
交联SU-8虽不溶于任何溶剂，但通过化学溶剂
可溶胀/破裂SU-8胶，而不是溶解。
目前使用较多的化学溶剂是MicroChem公司生
产的基于NMP（甲基毗咯烷酮）的去胶剂PG，它只
是溶胀部分交联的SU-8聚合物为凝胶状，并使其与
基底间产生分离翘起而被剥离（lift-off）。
SU-8胶模
在热板上进行850C^}95℃后烘（（PEB）后，连同硅基
片浸入到PG去胶溶剂中，在足够长的时间内（约
24h）,溶液底部可产生剥离破裂的胶的沉淀物「’]。
通过超声或加热（500C^'
80劝可加快去胶速度。
PG去胶剂不能去除硬烘坚模的SU-8胶。
电铸金属
时，为方便完全地剥离去胶，胶模高度须远高于电铸
金属高度[9]，但在磨平后，胶模去除将变得十分
困难。
用于SU-8剥离去胶的化学溶剂产品除Mi-
croChem公司的PG外，还有MillerStephenson公司
的MS111（二氯甲烷、苯酚和有机酸的混合体，有
毒）,Cyantek公司的RS-120（基于环定飒,1000C^-
1200C）,Dynaloy公司的Dynasolve185（基于NMP,
约90冯等。
溶剂去胶技术对电铸金属的性能影响很小，适
用于低深宽比、无微小封闭狭槽和孔洞的电铸结构
去胶，主要为小量样品应用。
2.3.2强碱熔盐浴（moltensaltbath）氧化去胶
氧化熔盐主要为硝酸钠和氢氧化盐如氢氧化钾
以及其它添加剂的混合体，一般用于3000C400℃
的工作范围，这是电镀Ni开始发生热损坏的温
度「’]。
一般地，Ni及Ni基合金对硝酸盐浴有特殊的
抗蚀性。
熔盐是较有效的热传递介质，因此在对含
碳聚合物的放热氧化过程中，不会使其中金属元件
的温度超过盐浴温度。
另外盐浴的表面张力能较好
的浸湿多数金属，辅助去除内部的SU-8胶。
Sandia实验室报道的温和K10盐浴（Kolene
Corp.）工作于3000C350℃河完全有效地氧化去
除高交联胶模，而对电铸Ni结构只产生少许表层氧
化「’]。
对用SU-8胶模电铸的2501}m厚Ni零件，用
K10盐浴作用45min后（350劝,Ni的极限抗拉强
度和屈服强度下降约300700
本实验室也自制了一种强碱熔盐浴。
如图1所
示。
在玻璃衬底上采用SU-8厚胶模电铸Ni结构
（溅射Cr/Au为种子层），并抛磨至2001}m厚，然后
用自制的强碱熔盐浴去胶（约30min）后所得的显微
照片。
可见，狭缝内的SU-8胶模已完全去除，Au种
子层并未受损，Ni结构并未从衬底上脱落。
但是，Ni
金属表面有部分烧蚀，在基底及Ni结构上沉积部分
灰化物（浴盐和胶的灰化物），通过化学清洗和刻除
种子层后，可去除沉积物。
熔盐浴后产生的问题:
电铸金属的表面因氧化
烧蚀而变得灰暗。
另外，置于盐浴中时Si衬底易产
生裂纹，玻璃衬底上会产生许多蚀坑（图2a）。
衬底
在多数强蚀性盐浴中表面变得粗糙，可能是盐浴的
腐蚀性和高温综合所致。
在衬底表面覆盖一层致密
的氮化硅薄膜可有效阻挡Na+、水分子等的扩散，防
止衬底表面变粗糙。
如图2b所示，在玻璃衬底背面
磁控反应溅射一层11}m厚的氮化硅保护层，即可有
效阻挡强碱熔盐对衬底的侵蚀。
强碱熔盐浴是一种可靠的去胶方法，适用于高
深宽比电铸金属结构，尤其是零部件的去胶。
由于
多数绝缘介质难耐碱性盐浴的侵蚀，该去胶方法与
半导体及微制造工艺并不兼容。
2.3.3强酸氧化去胶
高氧化方法用来清除有机物质。
浓HZS04和
HaOa混合（称为piranha）能同时刻蚀和氧化有机物，
故能较好地去除SU-8胶。
但由于浓HZS04和HaOa
混合（通常3:
1）时易产生高温（1000C^-130劝，耗
费H20:
浓度，去胶过程难以控制，这使得电铸金属
表面易受严重侵蚀而变得坑洼粗糙「s}，因而限制了
其推广应用。
为避免H20:
对电铸金属带来的高温氧化，仅采
用发烟硫酸来刻除电铸金属的SU-8胶模。
在发烟
硫酸的刻蚀作用下，交联SU-8胶模表面被腐蚀成粘
稠状的小碎片，然后再置于HZS04和H}P04的混合
酸中超声清洗。
视胶厚不同，以上刻蚀、清洗过程可
重复几次进行。
将胶模和Ni结构抛磨为2001-im时，采用该法
去除SU-8胶模后所得的电铸Ni结构照片，如图3
所示。
图中溅射的Cr/Au种子层已被反溅射刻除，
所见底层为Cu互连线和薄膜电极，其中填充或覆盖
透明的氧化铝介质。
可见，该去胶工艺与底层的微
细加工工艺兼容。
产生的主要问题是:
Ni表面因受
硫酸刻蚀仍变得有些灰暗、粗糙。
3su-s辅助去胶技术
3.1辅助剥离去胶牺牲层技术
为辅助溶剂去胶剂PG去胶，以及增大SU-8胶
与Au,Cu和玻璃等基底间的结合力，MicroChem公
司生产了一种叫做OmniCoat的胶[7]。
在SU-8
LIGA技术中，可在电镀种子层和SU-8胶之间旋涂
一层较薄的（17nm^-100nm）OmniCoat，该胶在显
影（干法或湿法）时不会影响SU-8胶。
在用热去胶
剂PG去胶时，OmniCoat层作为牺牲层被溶解掉，因
而能辅助将SU-8胶剥离干净。
但对电铸金属结构
及面积大的SU-8胶模而言，去胶效果并不理想，这
是因为OmniCoat层较薄，去胶剂很难渗透到胶模结
构内部。
牺牲层辅助去胶技术主要用于SU-8作为
MEMS结构材料的非电铸金属结构的去胶中。
3.2辅助电铸结构抵抗去胶剥落的桩基形成技术
无论是采用干法刻蚀灰化、溶剂溶胀剥离还是
采用湿法化学氧化去胶，SU-8胶模都会因膨胀变形
而与电铸金属间累积应力。
另一方面，由于电铸金
属结构与硅、玻璃、氧化铝等非金属基底之间的结合
力一般较小，因此，如在去胶时辅以超声振动，极易
使金属结构连同种子层从基底上脱落，如图4所
示[“]。
若采用桩基（foundation）技术巩固电铸金属结
构的根基，可抵抗去胶时产生的剥离力而使电铸结
构得以保留。
有两种桩基形成技术:
一种是Ho等人
提出的电铸金属结构根部嵌入衬底内的“打桩”技
术「8-m.另一种是本文提出的与互联电路工艺兼容
的金属桩基形成技术，即电铸金属结构是从互连线
绝缘介质夯实的金属“地基’夕上电铸起来的。
针对去胶剂PG剥离去胶后，固结在衬底上的金
属结构厚度很难大于501-im的情况，Ho等人提出了
在电铸金属结构根部嵌入衬底内的“打桩”技术，以
强化金属结构与衬底间的结合力，这样在去胶后可
得到较厚的金属结构。
实验工艺为[U:
在（100）Si基
片上热氧化生长SiO:
绝缘层并图形化—KOH各
向异性刻蚀（用于嵌入根部）—溅射Ti/Cu种子层
（50nm/500nm）—光刻SU-8胶—电铸Ni（图
5）—热去胶剂PG（700C,12h）去胶模。
能成功去
除SU-8胶模的工艺要点—电铸金属微结构根部
须有11-im至数微米嵌入基底。
金属结构厚度相比
SU-8胶模厚度越小（一般<
2/3）用热去胶剂PG越
能成功地剥离交联SU-8。
根部嵌入衬底工艺需要附加的刻蚀衬底工艺，
这增加了制作成本。
基于表面微细加工技术，本文
提出了一种与多层互连电路微细加工工艺兼容的金
属桩基形成技术，即在电镀多层互连线及连线柱（via
post）的同时电镀金属桩基，这样金属桩基就被填充
在互连线间的绝缘介质夯实，在这样的金属“地基”
上电铸金属结构可抵抗较大的去胶应力。
如图6所示，以两层表面微加工工艺为例，带金
属桩基的、基于SU-8胶的UV-LIGA实验工艺为:
在玻璃衬底上溅射Cr/Cu（20nm/80nm）种子层，电
镀21-im的Cu连线和61-im的连线柱，溅射刻蚀Cr/
Cu种子层隔离Cu连线，溅射71-im的氧化铝介质
层，化学机械抛光（（CMP）磨平并露出连线柱表面，完
成第一层表面微加工;
在磨平的第一层上溅射一层
30nm/200nm的Cr/Cu种子层，电镀所需的Cu结
构，溅射刻蚀Cr/Cu种子层图形化薄膜电极，溅射覆
盖0.51-im的氧化铝钝化层，完成第二层的表面微加
工。
其中，金属桩基与第一层的连线、连线柱及第二
层的薄膜电极同时形成，并可作为Ni结构的电通
路。
为进一步集成Ni结构，用磷酸刻蚀氧化铝钝化
层，露出金属桩基的表面;
然后，溅射30nm/200nm
的Cr/Au种子层，光刻SU-8胶模，电铸Ni结构，磨
平;
用发烟硫酸氧化法去除磨平后的胶模，溅射刻蚀
Cr/Au种子层。
至此，完成与表面微细加工工艺兼
容的Ni结构的制造。
为提高Ni结构与桩基间的结
合力，桩基与电铸金属结构的表面结合面积越大越
好，或完全重合。
若由于底层连线空间的限制，桩基
的上表面积可小于电铸结构的下表面积。
另外，若
Cu的表面被氧化，电镀前可进行酸洗活化，以提高
桩基内各层间的结合力。
图3所示即采用上述工艺得到的厚度为2001-im
电铸Ni结构。
由于采用了金属桩基，使得Ni结构
与基底间的结合力大大增强，因而去胶时电铸Ni结
构均得以保留。
4结论
本文将目前出现的SU-8去胶技术分为机械物
理去胶、干法化学去胶和湿法化学去胶三类进行阐
述，对几种常用去胶方法的原理、特点及其主要适用
范围进行了综合分析。
为达到较好的去胶效果，不
同的去胶方法可组合使用，如湿法化学去胶后，残留
的胶模可进行干法化学刻蚀。
利用自制的强碱熔盐
浴进行去胶试验，表明在基片表面上沉积一层氮化
硅保护层，可防止基片因热腐蚀出现裂纹或变粗糙。
采用发烟硫酸氧化刻蚀，然后再在混合酸中超声清
洗的方法去胶，可避免H20:
对电铸金属带来的高温
氧化强烈腐蚀。
最后介绍了SU-8辅助去胶技术。
辅助剥离去胶牺牲层技术，主要用于SU-8作为
MEMS结构材料时的辅助去胶。
对辅助电铸金属结
构抵抗去胶剥落的桩基形成技术，除电铸金属根部
嵌入衬底的“打桩”技术外，本文还提出了一种与多
层互连电路表面微制造工艺兼容的金属桩基形成技
术，即金属结构从绝缘介质夯实的金属“地基’夕上电
铸起来。
同时采用强酸氧化去胶方法，在制作有互
联电路及薄膜电极的基片上成功地集成了2001-im
厚的Ni结构。
本文介绍的SU-8胶模去除技术对基
于SU-8胶的MEMS结构的制造具有重要的参考价
值，相信将进一步推动SU-8胶在MEMS技术中的
应用。
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