UV-LIGA工艺中SU-8胶内应力和热溶胀性研究

摘要

随着MEMS(微电子机械系统)技术的迅速发展，基于SU-8胶的UV-LIGA技术得到了广泛的应用。SU-8厚光刻胶已经成功地应用于高深宽比微结构的制作。然而SU-8胶在工艺过程中会产生很大的内应力和热溶胀变形，这些问题的存在对SU-8胶微结构的深宽比及电铸结构的尺寸精度造成了严重影响。本文研究工作主要集中在SU-8胶的胶层应力和热溶胀性两方面，研究结果有利于提高SU-8胶工艺的稳定性和电铸结构的尺寸精度。 本文以基片曲率法为基础，建立了SU-8厚光刻胶的内应力计算模型。利用ANSYS仿真软件揭示了基片直径，胶层厚度及温度变化对基片曲率的影响。并实验测量了不同后烘温度条件下的胶层应力。结果表明，基片直径和胶层厚度对胶层应力影响较小，后烘温度的影响最大，且降低后烘温度可以有效减小胶层应力。 以SU-8胶层应力为指标，对SU-8胶的光刻工艺参数进行了优化。通过三因素三水平的正交实验，测量了九组不同工艺条件下SU-8胶层内应力的大小，研究了前烘温度、曝光剂量以及后烘温度对胶层应力大小的影响。以正交实验数据为样本，引入模糊神经网络对影响SU-8胶内应力的工艺参数进行了优化仿真研究，建立了SU-8胶内应力的大小与前烘温度，曝光剂量和后烘温度三者之间的预测模型。同时对网络预测结果进行了实验验证。根据网络优化结果，得到了SU-8胶的最佳光刻工艺参数。 在UV-LIGA工艺制作微模具的基础上，利用ANSYS软件对SU-8胶的热溶胀变形量进行了仿真计算，得出了沟道侧壁的溶胀变形趋势。通过研究微通道线宽随时间的变化规律，结合一级动力学方程式建立了热溶胀变形的速率模型。综合仿真结果和速率模型，可以计算不同电铸时间下微模具的顶部线宽。SU-8胶在电铸过程中作为电铸微结构的胶模，起着保证金属结构尺寸精度的关键作用。然而，SU-8胶在热的电铸液中会产生热溶胀变形，因此使得电铸微结构的尺寸小于光刻后微通道的尺寸。 研究了不同后烘温度对SU-8胶的热溶胀性的影响。溶胀实验结果表明，随着后烘温度的降低，SU-8胶的溶胀速率及溶胀变形量增大。但后烘温度较低时对应的胶层应力较小。因此，应综合考虑胶层的内应力和热溶胀性的影响，在保证微结构稳定性的基础上再采取适当措施提高电铸微结构的尺寸精度。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1UV-LIGA技术

1.2SU-8光刻胶简介

1.3SU-8胶的胶层应力和热溶胀性

1.3.1SU-8胶层的高应力问题

1.3.2微电铸过程中SU-8胶结构的溶胀性问题

1.4课题研究内容

2SU-8胶层应力的计算模型

2.1薄膜应力的产生原因

2.2薄膜应力的测量方法

2.3SU-8胶层应力的测量

2.3.1Stoney公式

2.3.2Stoney修正公式

2.3.3基片曲率的测量

2.4本章小结

3应力的仿真与实验研究

3.1应力的仿真分析

3.1.1模型的建立及加载

3.1.2仿真结果

3.2应力的实验测量

3.2.1实验过程

3.2.2实验结果

3.3结果分析

3.4本章小结

4SU-8胶工艺参数优化

4.1正交实验方法简介

4.1.1正交实验设计的概念及原理

4.1.2交实验的设计步骤

4.2正交方法测量SU-8胶层应力

4.2.1实验过程

4.2.2实验结果及极差分析

4.3MATLAB及BP神经网络

4.4SU-8胶层应力的BP神经网络优化

4.4.1对样本数据的预处理

4.4.2网络参数的设定

4.4.3BP神经网络仿真

4.4.4仿真结果及实验验证

4.5本章小结

5SU-8胶在电铸液中的热溶胀性研究

5.1聚合物溶胀理论

5.2SU-8胶的热溶胀效应

5.3SU-8胶热溶胀效应的仿真计算及实验验证

5.3.1热溶胀性的仿真计算

5.3.2实验过程

5.3.3热溶胀速率模型

5.4后烘温度对SU-8胶溶胀性的影响

5.5本章小结

结论

展望

参考文献

附录SU-8胶应力的MATLAB仿真程序

攻读硕士学位期间发表学术论文情况、发明专利及获奖情况

致谢