基于SU-8厚膠光刻技術(shù)的爆炸箔加速膛工藝研究

姚藝龍　陶允剛　鄭國強　余傳杰

摘 要 SU-8光刻膠是厚膠工藝常用的光刻膠，它是一種基于EPON SU-8樹脂的環(huán)氧型、負(fù)性、近紫外線光刻厚膠，由于曝光時SU-8光刻膠層能夠得到均勻一致的曝光量，故使用SU-8光刻膠可獲得具有垂直側(cè)壁和較大高深寬比的厚膜圖形。本文基于爆炸箔加速膛產(chǎn)品要求，研究了決定SU-8厚膠光刻后產(chǎn)品質(zhì)量的主要工藝參數(shù)：膠厚與涂膠轉(zhuǎn)速的關(guān)系、前后烘溫度與時間、曝光量、顯影時間等。獲得了適用于片式薄膜爆炸箔加速膛的SU-8厚膠光刻方案。

關(guān)鍵詞 SU-8光刻膠 光刻工藝 加速膛 爆炸箔

中圖分類號：TN405文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

SU-8光刻膠是一種基于EPON SU-8樹脂的負(fù)性、環(huán)氧型、近紫外光刻膠。它在近紫外光范圍內(nèi)光吸收度低，故整個光刻膠層所獲得的曝光量均勻一致，可得到具有垂直側(cè)壁外形和高深寬比的厚膜圖形。它還具有良好的力學(xué)性能、抗化學(xué)腐蝕性和熱穩(wěn)定性，能形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的圖形。SU-8不導(dǎo)電，在電鍍時可以直接作為絕緣體使用，主要用于微機電系統(tǒng)及其它厚膜光刻膠應(yīng)用領(lǐng)域，如微傳感器、微轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、線圈的模具，同時SU-8采用特殊的環(huán)氧成膜材料，能在強刻蝕液及電鑄工藝中使用。

在薄膜光刻工藝技術(shù)中，SU-8是一種具有特殊功能的不可替代的一種光刻膠，和光刻常用的正膠、負(fù)膠及PI膠相比，SU-8能夠?qū)崿F(xiàn)厚膠圖像光刻技術(shù)，使用SU-8可獲得從幾十微米達(dá)一千微米的膠，而同樣工藝中常用的正膠、PI膠等厚度一般小于5微米。即使膜厚達(dá)1000微米，其光刻圖形邊緣仍近乎垂直，深寬比可達(dá)50：1，利用這一特性SU-8可實現(xiàn)產(chǎn)品特殊結(jié)構(gòu)制備，如片式薄膜爆炸箔加速膛。

當(dāng)前，國內(nèi)軍用火工品與歐美先進(jìn)國家有較大的差距，仍以第二代為主，多代并存。第二代火工品使用橋絲式換能元，敏感傳爆藥，受到外部環(huán)境的干擾時較易殉爆，武器裝備系統(tǒng)的安全性與可靠性難以保障。片式薄膜爆炸箔突破傳統(tǒng)起爆器中敏感藥劑及松裝猛炸藥的限制，實現(xiàn)換能元不與炸藥接觸，而直接起爆鈍感炸藥，具備高安全性、高可靠性、耐機械沖擊、抗外界環(huán)境干擾能力強等優(yōu)點;片式薄膜爆炸箔的研制成功對我國武器系統(tǒng)、運載火箭等安全可靠性具有重要意義。

1片式薄膜爆炸箔加速膛設(shè)計

片式薄膜爆炸箔，加速膛微機構(gòu)相當(dāng)于槍管，要把橋箔爆炸的能量束縛在膛內(nèi)，有利于飛片產(chǎn)生定向動能;同時作為飛片層的約束結(jié)構(gòu)在橋箔爆炸后剪切形成飛片。這就要求加速膛四周光滑、陡直、并且具有足夠的機械強度，確保復(fù)合飛片準(zhǔn)確擊中傳爆藥底端。SU8作為一種光敏材料，可采用光刻工藝制備加速膛微結(jié)構(gòu)，利于批次加工，確保芯片的一致性形成需要的微機構(gòu);同時，SU8在固化后，有極高的機械強度，足以承受橋箔爆炸后的能量沖擊。采用SU8作為加速膛，對比設(shè)計采用金屬片作加速膛相比，真正結(jié)合了微電子工藝制作微機械系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，是微電子工藝應(yīng)用的一大創(chuàng)新。

2 SU-8光刻膠工藝技術(shù)研究

SU-8光刻膠是由一種具有多功能團(tuán)的、高度分支的聚合物環(huán)氧樹脂和少量光引發(fā)劑溶于有機溶劑構(gòu)成的。SU-8光刻膠在前烘堅膜后曝光，SU-8是負(fù)性膠被曝光時膠中的光引發(fā)劑吸收光子發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，生成一種強酸，這種強酸在后烘及保溫過程中會充分反應(yīng)，催化光刻膠中交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生。

SU-8光刻膠的交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生在后烘過程中，在曝光區(qū)生成的強酸在后烘過程中促使相應(yīng)區(qū)域發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，而未曝光區(qū)因無光催化的存在則不發(fā)生反應(yīng)。曝光后烘之后SU-8光刻膠在顯影液中發(fā)生反應(yīng)，未曝光區(qū)域的光刻膠結(jié)構(gòu)松散易與顯影液發(fā)生反應(yīng)，從而被除掉;而曝光交聯(lián)區(qū)的光刻膠性能穩(wěn)定不與顯影液發(fā)生反應(yīng)，從而形成所需要的光刻圖形。

2.1基片涂膠前處理

為保證基片無污漬、無光刻膠殘留及活化表面確保SU8附著力，基片分別采用丙酮、酒精、去離子水清洗，清洗后采用甩干機干燥;最后采用離子束轟擊活化表面。

2.2涂膠工藝

SU-8光刻膠采用旋轉(zhuǎn)涂膠工藝，首先將SU-8光刻膠滴到基板表面;然后真空吸附基片并高速旋轉(zhuǎn)，使光刻膠變薄均勻覆蓋基片表面。

2.3前烘溫度

前烘溫度是影響SU-8光刻膠圖形質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。前烘溫度的提升有利于減小光刻膠圖形與掩模版圖形線寬差，且前烘溫度不足會引起交聯(lián)度不充分，導(dǎo)致曝光區(qū)域光刻膠圖形發(fā)生開裂現(xiàn)象;但不斷提高前烘溫度會導(dǎo)致光引發(fā)劑的感光型逐漸降低，進(jìn)而影響其光化學(xué)反應(yīng)，使得生成的酸催化劑量減小，交聯(lián)度降低，故為獲得質(zhì)量較高的光刻膠圖形，需針對不同厚度要求，確定合理的前烘溫度。

2.4曝光顯影

曝光量是光刻工藝的重要參數(shù)，這是因為當(dāng)曝光量較大引起過曝，會導(dǎo)致圖像線寬增大，同時引起圖形邊緣過曝區(qū)顯影難以去除;而曝光時間短，光引發(fā)劑反應(yīng)產(chǎn)生的酸催化較少，SU-8光刻膠交聯(lián)不足，受熱后部分曝光區(qū)域邊緣的光刻膠在顯影液中被溶解，導(dǎo)致圖形線寬及厚度減小，如表1為不同厚度下，SU-8合適的曝光參數(shù)。

2.5后烘參數(shù)

SU-8曝光后采用熱板熱板烘烤，溫度應(yīng)控制在80-100度之間，溫度的適當(dāng)升高由利于減少消除光刻膠開裂，80度以上就有比較好的效果。合適的中烘時間也是重要的參數(shù)，時間應(yīng)根據(jù)光刻膠的厚度及曝光時間來控制，光刻膠越厚，曝光時間加長時，中烘溫度應(yīng)增長，這樣可以使光刻膠交聯(lián)反應(yīng)充分進(jìn)行。

2.6 SU-8光刻膠工藝參數(shù)總結(jié)

研究涂膠速度、SU-8厚度、烘烤溫度、曝光顯影等關(guān)鍵參數(shù)對SU-8光刻膠工藝影響，對SU-8光刻工藝參數(shù)進(jìn)行總結(jié)，以指導(dǎo)未來不同產(chǎn)品要求，SU-8光刻膠光刻工藝參數(shù)的選擇。

3關(guān)鍵工藝研究

3.1 SU8附著力提升

SU8加速膛作為片式薄膜爆炸箔的核心組件，其附著力的大小關(guān)系產(chǎn)品可靠性及性能指標(biāo)。在產(chǎn)品規(guī)范要求中，SU8加速膛附著力是考核產(chǎn)品合格的關(guān)鍵指標(biāo)之一，影響SU8加速膛附著力的關(guān)鍵是內(nèi)應(yīng)力與熱應(yīng)力。

在涂膠前，如果基片表面存在污染，會導(dǎo)致顯影液鉆蝕底面，顯影后SU-8厚膠與基片脫落。在光刻膠烘烤及冷卻階段，一方面由于基片材料和SU-8膠的熱膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生熱應(yīng)力;另一方面也是最主要的是光刻膠聚合所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。曝光階段只是光引發(fā)劑發(fā)生了光化學(xué)反應(yīng)，并不引入應(yīng)力。

3.2 SU-8加速膛厚度控制

由于SU-8加速膛在片式薄膜爆炸箔產(chǎn)品中起到加速飛片作用，而其厚度即是飛片加速距離，為保證產(chǎn)品性能可靠性、一致性;同時滿足產(chǎn)品與其他器件組裝匹配性;必須保證SU-8加速膛厚度一致性。

4總結(jié)

本文基于片式薄膜爆炸箔加速膛設(shè)計要求，系統(tǒng)的闡述了SU-8光刻膠光刻工藝，分析了光刻工藝中關(guān)鍵參數(shù)勻膠轉(zhuǎn)速、前烘中烘的溫度及時間、光刻曝光量、顯影時間等對SU-8光刻膠圖形質(zhì)量的影響及原因;并給出了各的工藝參數(shù)選擇方案及量化關(guān)系，對SU-8光刻膠的使用具有指導(dǎo)意義。同時解決了加速膛附著力及厚度一致性的工藝難題，提升產(chǎn)品性能和質(zhì)量。由于SU-8光刻膠可實現(xiàn)400微米厚膠圖形的制作，具有較好的分辨率，且膠側(cè)壁垂直度較好等優(yōu)點，且與現(xiàn)有薄膜光刻工藝就有較好的兼容性，其工藝的成熟研究為新型特殊薄膜產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)做好工藝基礎(chǔ)。

作者簡介：姚藝龍（1990.3.-）安徽阜陽市人，碩士，中國電子科技集團(tuán)公司第助理工程師，研究方向：先進(jìn)火工品技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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