CN103496664A - 一种自支撑大高宽比聚合物结构的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自支撑大高宽比聚合物结构的制作方法，该方法首先在衬底上制作一层聚合物薄膜或金属薄膜的牺牲层：然后在牺牲层上涂覆一层光刻胶，制作得到大高宽比微结构，最后去除牺牲层，获得自支撑大高宽比聚合物结构。本发明的有益效果为：通过在衬底与微结构之间添加辅助牺牲层，克服了现有技术中衬底与微结构之间不易剥离的技术问题，大大提高了器件的良率，同时，本发明提供的去除牺牲层的方法简单，成本低，对微纳加工工艺的有效拓展有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS器件中聚合物结构的制作，尤其涉及的是一种自支撑大高宽比聚合物结构的制作方法。
背景技术
SU8负性光刻胶是一种紫外波段感光的厚胶，具有较好的机械性能、光学特性、抗腐蚀和热稳定性，被广泛应用于微流体芯片、生物芯片、微光学器件、聚合物模具及大高宽比微结构等，已经成为微机电系统（MEMS）及相关器件的重要材料之一。随着科技的不断进步，人们对微观世界的认知欲望越来越强，另外，生物及材料的多样性，传统的方法过滤分离方法已经不能满足要求，MEMS加工方法为微生物及材料等提了一种很好的分离器件。
SU8具有较好的生物相容性，SU8材料在紫外光照后，加热烘烤使其分子铰链，材料具有较好的机械性能。SU8负性光刻胶材料本身粘度较大，可获得较厚的薄膜，与正性光刻胶相比，机械强度好，其弹性模量约为4GPa，不易弯曲变形。随着微纳加工技术的快速发展，很多微纳器件的性能受其结构的高宽比影响。大高宽比微纳器件，如光学器件、惯性器件以及高能诊断器件在众多领域有着较为广泛的应用，较好的器件性能使其得到广泛的应用。SU8负性光刻胶可以通过调节黏度和旋涂转速获得厚度范围从几微米到几百微米的薄膜，是微纳加工领域制作大高宽比微纳结构及器件的优先选择，例如微流体芯片，生物细胞培养等。但是，铰链后的SU8负性光刻胶与衬底具有较好的结合力，因此，如何实现从衬底上释放出光刻胶结构，获得完整结构或者器件，一直是现有技术中未能克服的难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种自支撑大高宽比聚合物结构的制作方法，目的是提供一种工艺简单，成本低廉的方法实现从衬底上释放出光刻胶，获得完整聚合物结构。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种自支撑大高宽比聚合物结构的制作方法，包括以下步骤：
（1）在衬底上制作牺牲层：
清洗衬底，烘烤去除水汽，自然冷却到室温后，在衬底上涂覆聚合物薄膜或沉积金属薄膜，作为牺牲层；
（2）制作大高宽比微结构：
在步骤（1）所述的牺牲层上，涂覆光刻胶，烘烤，去除光刻胶内部的溶剂，自然冷却到室温后，对光刻胶进行曝光，显影，最后清洗，得到大高宽比微结构；
（3）去除牺牲层：
将步骤（2）获得的大高宽比微结构置于聚合物薄膜溶解液或金属腐蚀液中，去除牺牲层，获得自支撑大高宽比聚合物结构。
优选地，所述步骤（1）中，清洗衬底的方法为：首先丙酮超声清洗5分钟，然后用酒精超声清洗5分钟，最后去离子水超声清洗5分钟。
优选地，所述步骤（1）中，烘烤的温度为150℃，烘烤的时间为20分钟。
优选地，所述步骤（1）中，涂覆聚合物薄膜之前，先用氧离子刻蚀技术对冷却后的衬底表面进行改性，再涂覆聚合物薄膜，所述氧离子刻蚀技术的氧气流量为30sccm，反应时间为10秒，射频功率为40瓦，由于光刻胶本身粘度较大，流动性差，采用氧离子刻蚀技术对衬底表面进行改性，可以提高衬底和牺牲层的浸润性，防止涂覆过程中界面出现气泡。
优选地，所述步骤（1）中，聚合物薄膜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，涂覆工艺为旋凃工艺，涂覆厚度为200～300纳米，所述旋凃工艺的步骤包括：
1）在衬底上旋凃PMMA，旋涂转速为500～2000转/秒；
2）烘烤，使PMMA固化，所述烘烤温度为180℃，烘烤时间为90秒。
优选地，所述步骤（1）中，沉积金属薄膜的方法为离子束溅射沉积法，所述离子束溅射沉积法的腔体真空度为1.0×10-3～1.3×10-3Pa，离子束束流为70～80mA，沉积时间为10～15分钟，沉积厚度为200～300纳米。
优选地，所述步骤（2）中，光刻胶为SU8光刻胶，涂覆的转数为500～2000转/秒，涂覆的时间为10～60秒，涂覆的厚度为100～150微米。
优选地，所述步骤（2）中，烘烤的方法为：首先在温度为65℃下烘烤5分钟，然后升温至95℃，烘烤20分钟，所述升温的速度为5℃/min。
优选地，所述步骤（2）中，采用紫外光刻技术对光刻胶进行曝光，显影，所述曝光剂量为150～200J/cm2，所述显影的方法为：首先65℃下烘烤3分钟，然后升温至95℃烘烤15分钟，所述升温的速度为5℃/min，再置于丙二醇甲醚醋酸酯PGMEA中显影10～15分钟，最后置于异丙醇IPA中清洗5分钟。
优选地，所述步骤（3）中，聚合物薄膜溶解液为有机溶剂，溶解液的溶解时间为5～10min，溶解后用去离子水清洗，氮气吹干；金属腐蚀液为质量浓度为0.5%的氯化铁溶液，腐蚀液的腐蚀时间为3～5分钟，腐蚀后依次用IPA和去离子水清洗，氮气吹干。
本发明的原理为：首先在经过处理的衬底表面沉积一层金属薄膜或者旋涂一层聚合物薄膜，为自支撑大高宽比结构提供牺牲层；然后在获得的金属薄膜或者聚合物薄膜上涂覆一层光刻胶，获得大高宽比聚合物微结构；最后通过湿法腐蚀（聚合物薄膜溶解液腐蚀）或者有机溶剂溶解的方法去除牺牲层，得到自支撑大高宽比聚合物结构。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供了一种自支撑大高宽比聚合物的制作方法，该方法通过在衬底与微结构之间添加辅助牺牲层，克服了现有技术中衬底与微结构之间不易剥离的技术问题，大大提高了器件的良率，同时，本发明提供的去除牺牲层的方法简单，成本低，对微纳加工工艺的有效拓展有重要的意义。
附图说明
图1为在衬底上制作牺牲层的示意图；
图2为在牺牲层上涂覆光刻胶的示意图；
图3为利用紫外光刻法对光刻胶进行曝光的示意图；
图4为制作获得的大高宽比微结构的示意图；
图5为去除牺牲层后获得的自支撑大高宽比聚合物结构的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
图1～图5为本实施例的制作流程图，包括以下步骤：
1、在衬底上制作牺牲层：
首先，取一片硅片1作为衬底，置于丙酮溶液中超声清洗5分钟，去离子水冲洗残余丙酮，氮气吹干，然后置于酒精溶液中超声清洗5分钟，去离子水冲洗残余酒精，氮气吹干，再置于去离子水中超声清洗5分钟，氮气吹干；
然后，将硅片1置于150℃的热台上烘烤20分钟，去除清洗过程中的水汽；
最后，用离子束溅射沉积法在硅片1表面沉积一层厚度为200纳米的铜金属薄膜，所述离子束溅射的能量为400eV，离子束束流为80mA，腔体真空度为1.0×10-3Pa，沉积时间为15分钟，沉积完成后，得到如图1所示的铜金属牺牲层2。
2、制作大高宽比微结构：
首先，在铜金属牺牲层2上，利用旋凃工艺的方法涂覆一层SU82100光刻胶3，再置于烘箱中烘烤，去除光刻胶3中的溶剂，在温度为65℃下烘烤3分钟，然后升温至95℃，烘烤20分钟，其中升温的速度为5℃/min，自然冷却到室温，得到如图2所示的结构；
然后，如图3所示，用紫外光刻法对SU82100光刻胶3进行曝光，其中4为光刻掩膜，所述曝光采用波长为365纳米的i线通道接触式曝光，曝光剂量为200J/cm2，曝光后，置于烘箱中烘烤，使硅片1与SU82100光刻胶3铰链。在温度为65℃下烘烤5min，然后升温至95℃，烘烤15分钟，其中升温的速度为5℃/min，自然冷却到室温；
最后，将烘烤后的整个结构置于PGMEA溶液中，显影15分钟，再置于IPA中清洗5分钟，氮气吹干，得到如图4所示的结构，即为大高宽比微结构。
3、去除牺牲层：
将上述得到微结构置于质量百分比为0.5%的氯化铁溶液中，腐蚀10分钟，去除牺牲层，使得微结构中的SU82100光刻胶3与衬底1分开，如图5所示，获得自支撑大高宽比聚合物结构，最后，将所述自支撑大高宽比聚合物结构从溶液中取出，去离子水清洗后，用氮气吹干。
实施例2
本实施例中，用离子束溅射沉积法沉积铜金属薄膜的牺牲层2时，离子束溅射沉积的腔体真空度为1.3×10-3Pa，离子束束流为70mA，沉积时间为10分钟，沉积厚度为300纳米；用紫外光刻法对光刻胶3进行曝光的曝光剂量为150J/cm2，显影时间为10分钟；用质量百分比为0.5%的氯化铁溶液去除铜金属薄膜的牺牲层2，腐蚀时间为5分钟，其它步骤同实施例1。
实施例3
本实施例中，牺牲层2材料选用聚合物PMMA，利用机械旋凃的方法涂覆于衬底硅片1的表面，涂覆的厚度为200纳米，旋凃的转速为2000转/分钟，然后烘烤使聚合物PMMA固化，所述烘烤温度为180℃，烘烤时间为90秒，所述PMMA选用PMMA950K。
去除牺牲层的方法为：将得到的微结构置于丙酮中，使PMMA溶于丙酮中，腐蚀5分钟，然后从丙酮中取出，依次用IPA和去离子水清洗，氮气吹干，得到自支撑大高宽比聚合物结构。
其它步骤同实施例1。
实施例4
本实施例中，牺牲层2材料选用聚合物PMMA，利用机械旋凃方法的涂覆厚度为300纳米，旋凃转速为500转/秒；去除牺牲层时，丙酮腐蚀的时间为3分钟，其它步骤同实施例3。
Claims (10)
1.一种自支撑大高宽比聚合物结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在衬底上制作牺牲层：
清洗衬底，烘烤去除水汽，自然冷却到室温后，在衬底上涂覆聚合物薄膜或沉积金属薄膜，作为牺牲层；
（2）制作大高宽比微结构：
在步骤（1）所述的牺牲层上，涂覆光刻胶，烘烤，去除光刻胶内部的溶剂，自然冷却到室温后，对光刻胶进行曝光，显影，最后清洗，得到大高宽比微结构；
（3）去除牺牲层：
将步骤（2）获得的大高宽比微结构置于聚合物薄膜溶解液或金属腐蚀液中，去除牺牲层，获得自支撑大高宽比聚合物结构。
2.如权利要求1所述的一种自支撑大高宽比聚合物结构的制作方法，其特征在于，所述步骤（1）中，清洗衬底的方法为：首先丙酮超声清洗5分钟，然后用酒精超声清洗5分钟，最后去离子水超声清洗5分钟。
3.如权利要求1所述的一种自支撑大高宽比聚合物结构的制作方法，其特征在于，所述步骤（1）中，烘烤的温度为150℃，烘烤的时间为20分钟。
4.如权利要求1所述的一种自支撑大高宽比聚合物结构的制作方法，其特征在于，所述步骤（1）中，涂覆聚合物薄膜之前，先用氧离子刻蚀技术对冷却后的衬底表面进行改性，再涂覆聚合物薄膜，所述氧离子刻蚀技术的氧气流量为30sccm，反应时间为10秒，射频功率为40瓦。
5.如权利要求1或4所述的一种自支撑大高宽比聚合物结构的制作方法，其特征在于，所述步骤（1）中，聚合物薄膜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，涂覆工艺为旋凃工艺，涂覆厚度为200～300纳米，所述旋凃工艺的步骤包括：
1）在衬底上旋凃PMMA，旋涂转速为500～2000转/秒；
2）烘烤，使PMMA固化，所述烘烤温度为180℃，烘烤时间为90秒。
6.如权利要求1所述的一种自支撑大高宽比聚合物结构的制作方法，其特征在于，所述步骤（1）中，沉积金属薄膜的方法为离子束溅射沉积法，所述离子束溅射沉积法的腔体真空度为1.0×10-3～1.3×10-3Pa，离子束束流为70～80mA，沉积时间为10～15分钟，沉积厚度为200～300纳米。
7.如权利要求1所述的一种自支撑大高宽比聚合物结构的制作方法，其特征在于，所述步骤（2）中，光刻胶为SU8负性光刻胶，涂覆的转数为500～2000转/秒，涂覆的时间为10～60秒，涂覆的厚度为100～150微米。
8.如权利要求1所述的一种自支撑大高宽比聚合物结构的制作方法，其特征在于，所述步骤（2）中，烘烤的方法为：首先在温度为65℃下烘烤5分钟，然后升温至95℃，烘烤20分钟，所述升温的速度为5℃/min。
9.如权利要求1所述的一种自支撑大高宽比聚合物结构的制作方法，其特征在于，所述步骤（2）中，采用紫外光刻技术对光刻胶进行曝光，显影，所述曝光剂量为150～200J/cm2，所述显影的方法为：首先65℃下烘烤3分钟，然后升温至95℃烘烤15分钟，所述升温的速度为5℃/min，再置于丙二醇甲醚醋酸酯PGMEA中显影10～15分钟，最后置于异丙醇IPA中清洗5分钟。
10.如权利要求1所述的一种自支撑大高宽比聚合物结构的制作方法，其特征在于，所述步骤（3）中，聚合物薄膜溶解液为有机溶剂，溶解液的溶解时间为5～10min，溶解后用去离子水清洗，氮气吹干；金属腐蚀液为质量浓度为0.5%的氯化铁溶液，腐蚀液的腐蚀时间为3～5分钟，腐蚀后依次用IPA和去离子水清洗，氮气吹干。
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