采用SU-8光刻胶的光刻工艺步骤详解

光刻（Photolithography）是所有半导体工艺中最重要的步骤之一，它是掩膜照相和化学腐蚀相结合的一种综合技术。由于Si（硅）基MEMS技术仍是MEMS技术的主流，光刻工艺在MEMS领域同样不可或缺。光刻工艺虽然复杂，但基本原理却很简单，其基本过程包括3大步骤：涂胶、曝光、显影。但在实际工艺中，为了加强图案转移的精确性与可靠性，整个光刻过程还包括脱水烘烤、涂底、前烘和坚膜等步骤。

SU-8光刻胶是一种环氧基型（Epoxy Type）、化学增幅式（Chemical Amplification）的负型光刻胶，其主要成分包括高分子、溶剂和感光剂。它具有优越的光敏感度，适用于近紫外光波段范围（350～400 nm），在此范围内光吸收度低，故整个光刻胶层所获得的曝光量均匀一致，可得到高深宽比（可达50∶1）的厚膜图形。SU-8光刻胶的光刻机理[515]是：光刻胶中的光催化剂因吸收光子发生了光化学反应，生成一种强酸，其作用是在中烘过程中作为酸催化剂促进交联反应的发生。只有曝光区域的光刻胶中才含有强酸，而未曝光的区域则没有这种强酸的存在。在随后的中烘过程中，曝光区域在强酸的催化作用下，分子发生交联。交联反应以链式增长，每一个环氧基都能与同一分子或不同分子中的其他环氧反应。每个环氧基平均“预连接”另外7个环氧基，再经扩展交联就形成了致密的交联网络。这种网络不溶于显影液中，而未经曝光的区域，光刻胶未发生交联，则溶于显影液中，因此显影后形成了掩膜版的反图形。

采用SU-8光刻胶的光刻工艺详细步骤如下。

（1）涂胶。SU-8光刻胶的厚度决定于光刻胶的涂胶量与涂胶机的转速。先以低转速将光刻胶慢慢旋开至硅片边缘，再以高转速（1 800 r/min）将光刻胶旋开至所需的厚度。然后将硅片静置于平台一段时间，以便光刻胶自由流动铺平、减少气泡，并降低因甩胶产生的内应力。

（2）前烘。涂胶的硅片必须经过前烘（Soft Bake）的步骤将光刻胶中的溶剂蒸发，使光刻胶凝固。前烘又分为两个阶段，第一阶段的前烘温度约在60～65℃左右，加热时间为5 min。这是为了让光刻胶超过本身的玻璃转换温度（Glass Transition Temperature），降低光刻胶的黏度，以使光刻胶可以在较为液态的状态下自由流动，使得光刻胶缺陷不平的地方可以均匀平坦。第二阶段，采用85℃的前烘，85℃的前烘是为了将光刻胶中的溶剂蒸发，加热时间为45 min。

前烘时必须使用经过水平校正的热垫板（Hot Plate），其目的是使热从硅片底部往上传到光刻胶表面。如果使用烘箱等工具，热是从光刻胶表面往内传，这将造成光刻胶表面先固化，使得光刻胶内部的溶剂无法完全蒸发。(www.xing528.com)

另外，光刻胶前烘的时间对于曝光结果和SU-8光刻胶的附着性有相当大的影响。前烘时间不足，会造成曝光时的图案转移效果欠佳，以及光刻胶与掩模版粘连。前烘时间过久，则会照成光刻胶与种子层之间的结合力欠佳。

（3）曝光。SU-8光刻胶主要是利用曝光时产生的强酸与光刻胶中的环氧化物产生反应来产生图形。曝光所用的能量主要取决于SU-8光刻胶的厚度与基底材料的反射率，例如较厚的光刻胶和较低反射率的基底材料将会需要较多的曝光能量。这里选用的曝光时间为5 min。

（4）中烘。中烘的目的是控制曝光期间会产生强酸与环氧化反应的交联过程。在交联过程中，光刻胶内会产生内应力使得光刻胶破坏，甚至使硅片变形，因此中烘必须分为两个阶段，并且在冷却时应避免急速冷却。首先在65℃条件下保温1 min，然后逐渐加热到85℃，并保温10 min。中烘时间不足会使得光刻胶交联不完整，所得的图形不完整；中烘时间过长会使得光刻胶的图形结构附着性差，甚至导致结构变形。

（5）显影。显影是去除曝光过程中没有发生交联部分的光刻胶，以便得到由光刻胶构成的同掩模版一致的图形。使用SU-8光刻胶专用的显影液以浸泡摇晃的方式显影，5 min就可得到所需电铸模，如图9.12所示。

试验中发现在电热式V型致动器部位，由于线条比较细，可能会残留一部分光刻胶没有去掉，再将其放入DQ-500等离子去胶机中通氩气轰击10 min将残胶去掉。