SU8胶模去除技术word版Word格式文档下载.docx

1、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（P EB）时，曝光区域在强酸的引发催化作用下，分子发生交联（cro sslinked），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-8 LIGA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

2、联的SU-8 o SU-8胶的著名生产商Micro Chem公司提供的去胶剂PG，只是溶胀（swell）和剥离（lif t-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

3、波等离子体下游化学刻蚀（DC E）、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

4、的机械、物理方法去除SU- 8胶模。 由于SU- 8胶的线热胀系数（52 X10-6/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（laser ablation）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248 nm）准分子激光来图形化，并成功地去除了电铸Cu齿轮（60 1

5、-i m厚）上的SU- 8胶模sl。但该SU- 8胶模仅进行了90 0C 200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（ 500 0C600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

6、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. Ho ng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%

7、时，刻蚀速率可达1. 5 1 m/ mi n - 2 1 m/ mi n（工作气压20 Pa，功率200 W ,Plasma Tech. RIE80设备）。在NextralN E100反应离子刻蚀机上，刻蚀电铸Ni结构的SU-8胶模（95 0C P EB ），当气体流量。为50 cm3/ min ,SF。为2. 3 cm3/ min，工作气压为20 Pa,RF功率100 W时，获得的刻蚀速率为1. 2 1-i m/ mi n刻蚀时间30 min）。 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

8、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（downstreamchemical etching ,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200 0C 300，刻蚀速率可达每分钟数微米。报道的DCE SU-8胶实验4

9、,气体。a CF4和Na，流量6 000 cm3/ min，微波功率2. 5 kW ;CF4含量2%，温度225时，SU- 8的刻蚀速率可达7 1-im/ min o DCE 45 min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7 1 m/ mi n 10 1-i m/ mi n，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（fuming nitric acid）化学刻蚀 发烟硝酸能腐蚀掉高度交联的SU- 8，

10、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Micro Chem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（lif t-off ）。 SU- 8胶模在热板上进行85 0C95后烘（ P EB）后，连同硅基片浸

11、入到PG去胶溶剂中，在足够长的时间内（约24 h） ,溶液底部可产生剥离破裂的胶的沉淀物。通过超声或加热（50 0C 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Miller Stephenson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,100 0C-120 0C） ,Dynalo y公司的Dynasolve 185（基于NMP ,约9

12、0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（molten salt bath）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300 0C 400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

13、Co rp .）工作于300 0C 350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250 1m厚Ni零件，用K10盐浴作用45 min后（350劝,Ni的极限抗拉强度和屈服强度下降约30 070 0 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200 1m厚，然后用自制的强碱熔盐浴去胶（约30 min）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

14、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1 1 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

15、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HZ S04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HZ S04和HaOa混合（通常3 :1）时易产生高温（100 0C-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

16、、清洗过程可重复几次进行。 将胶模和Ni结构抛磨为200 1-i m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。3 su-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- 8L I GA技术中，可在电镀种子层和SU-

17、8胶之间旋涂一层较薄的（17 nm-100 nm） 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

18、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50 1-i m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

19、”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Si O:绝缘层并图形化KO H各向异性刻蚀（用于嵌入根部）溅射Ti/ Cu种子层（50 nm/ 500 nm）光刻SU- 8胶电铸Ni（图5）热去胶剂PG（70 0C,12 h）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1 1-i m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

20、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（viapo st）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-L IGA实验工艺为:在玻璃衬底上溅射Cr/ Cu （20 nm/ 80 nm）种子层，电镀2 1-i m的Cu连线和6 1-i m的连线柱，溅射刻蚀Cr/Cu种子层隔离Cu连线，溅射7 1-i m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30 nm

21、/ 200 nm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 . 5 1-i m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30 nm/ 200 nm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

22、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200 1-i m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

23、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200 1-i m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。