玻璃微流檢測芯片厚膠光刻溫度條件的平衡優化

李其昌，李兵偉，陳 宏，李 江

(駐某軍代室，山東 煙臺 264630)

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玻璃微流檢測芯片厚膠光刻溫度條件的平衡優化

李其昌，李兵偉，陳 宏，李 江

(駐某軍代室，山東 煙臺 264630)

采用正性光刻膠AZ 4620進行玻璃微流檢測芯片的厚膠光刻制備，試驗了各工藝階段不同的溫度參數條件對光刻膠浮雕面形、光刻膠與玻璃基質的粘附性、光刻膠在刻蝕液中的耐受時間、刻蝕速率和最大刻蝕深度等因素的影響。結果表明，軟烘溫度直接影響曝光顯影工藝質量；后烘溫度對顯影效果有一定影響；堅膜溫度對光刻膠浮雕面形、耐受時間有較大影響；而刻蝕環境溫度直接影響著刻蝕速率、刻蝕深度和刻蝕面形效果。經平衡優化后，得出了理想的溫度參數選取方案。

微流檢測芯片；紫外厚膠光刻；溫度平衡優化

近年來，運用厚膠光刻工藝刻蝕微流檢測芯片受到了廣泛重視[1-3]。微流檢測芯片刻蝕深度對其分析檢測性能有很大影響，尤其是基于吸收光度檢測的微系統，若微流檢測芯片深度太淺，將導致檢測區吸收光程短，相對靈敏度低[4]。而濕法刻蝕相較于干法刻蝕更易獲得較大的刻蝕深度，通過濕法刻蝕工藝在玻璃材質上刻蝕微流檢測芯片結構，在對微流檢測芯片尺寸形貌要求不十分苛刻的場合具有很好的應用前景。

溫度控制是厚膠光刻過程的重要環節，主要包括前烘/軟烘(soft baking)、后烘(post exposure baking)和硬烘/堅膜(hard baking)過程的溫度控制，以及刻蝕環境溫度的控制。本文通過反復試驗，平衡優化了各階段烘焙溫度、刻蝕環境溫度，以提高光刻面形質量，增加光刻膠掩膜層在刻蝕液中的耐受時間，從而加深玻璃微流檢測芯片的刻蝕深度。

1 鈉鈣玻璃刻蝕工藝概述

1.1 主要材質及設備

制作微流檢測芯片的基質材料選用商品化顯微載玻片(帆船牌7101，鈉鈣玻璃)，其外形尺寸為76.2 mm×25.4 mm×(1～1.2) mm。刻蝕掩膜層采用AZ 4620(Clariant公司生產，正性光刻膠，屬鄰重氮醌類化合物，由光敏混合物PAC、樹脂和有機溶劑組成)[5]，顯影液為1∶3的AZ 400K顯影液。微流檢測芯片加工過程中所用化學試劑均為分析純，采用較為溫和的稀釋后的BOE腐蝕液(BOE原液配比為m(HF)∶m(NH4F)∶m(H2O)=3∶6∶9)，以保證掩膜層在腐蝕液中的耐受時間及圖形平整度。

1.2 工藝流程

本文采用一種厚膠濕法刻蝕工藝完成鈉鈣玻璃微流檢測芯片的簡易、快速、廉價制備，主要分為如下4個步驟(見圖1)：步驟1主要完成玻璃基質的清洗干燥和勻膠；步驟2主要是對光刻膠進行曝光顯影；步驟3對顯影后的微流檢測芯片圖形進行刻蝕；步驟4將刻蝕好的微流檢測芯片基片去膠清洗，檢測合格后備用。

圖1 厚膠濕法刻蝕工藝流程圖

2 溫度條件的平衡優化

2.1 軟烘過程的溫度優化

AZ 4620光刻膠在進行曝光前應經過前烘/軟烘工藝處理。軟烘參數的選取對光刻膠的溶劑揮發量和粘附特性、曝光特性、顯影特性以及線寬的精確控制都有較大的影響[6]。若軟烘溫度過高，很容易使得膠體發生化學反應，造成集膚效應；反之，對于膠與載玻片表面的粘附性幫助有限，在刻蝕過程中達不到理想的耐受時間，同時顯影速度過快，難以控制。本文對于厚膠的軟烘采用低溫、長時間、分段式試驗原則，在試驗的基礎上進行工藝參數的優化配置，經溫度為30～50 ℃，時間為10～20 min的一級軟烘后進行二級軟烘。試驗過程中幾組具有代表性的二級軟烘試驗參數如圖2所示。

圖2 不同軟烘參數對比試驗結果

結合試驗結果分析可知，在110 ℃溫度下，軟烘耐受時間先增后減，這是由于溫度過高易造成膠面肌膚效應，阻止膠層內部的溶劑揮發，降低與玻璃的粘附性[7]，而溫度為80 ℃的軟烘耐受時間與60 ℃相比，前者較為理想；軟烘時間應控制在40～60 min，超過60 min之后，軟烘時間對耐受時間的影響有限。經上述工藝軟烘后的光刻膠感光度變化不大，圖形表面畸變小，顯影速度更易控制。

2.2 后烘溫度對曝光顯影工藝的影響

為了最大限度地提高光刻膠掩膜層的質量，對約9 μm的光刻膠層進行輕微的后烘處理。后烘溫度過高時間過久，會使得經曝光的膠體變性起泡(見圖3)。試驗證明，后烘時間應≤30 s，溫度應為60～70 ℃。

圖3 后烘溫度過高膠體被曝光部分起泡

2.3 堅膜過程的溫度優化

在堅膜過程中，光刻膠可能因受熱不均而發生聚合物的塑性流動，易引起光刻膠表面形變[8]。本文考察了不同堅膜溫度和時間對光刻膠表面面形的影響(見圖4)。

圖4 堅膜溫度對光刻膠浮雕面形的影響

圖4試驗結果表明，堅膜烘焙溫度越高，其光刻膠浮雕面形的形變就越大；反之，則對光刻膠浮雕面形的影響較小。為提高光刻膠抗刻蝕能力且保證面形質量，堅膜階段采取適中溫度、較長時間的方式。對于厚度約9～10 μm的光刻膠掩膜層來說，堅膜溫度與軟烘溫度基本一致，80～90 ℃較為合適，時間可以稍長，70～90 min較為合適。

2.4 刻蝕液溫度優化

加熱溫度及攪拌速率的控制對于最終刻蝕效果有較大影響。AZ 4620光刻膠作為抗腐蝕液的保護作用只能在常溫25 ℃左右，超過55 ℃以后，對圖形的保護不是很有效[9-11]。本文分析了刻蝕液溫度對刻蝕效果的影響，試驗結果如圖5所示。由圖5可知，隨著水浴加熱刻蝕環境的溫度升高，光刻膠的耐受時間逐步減小；溫度較低時耐受時間長，但刻蝕速率慢，刻蝕所能達到的最大深度有限；溫度過高后光刻膠很快就產生剝落現象；較為理想的刻蝕溫度應保持在約為20～30 ℃。

圖5 刻蝕液溫度對耐受時間及刻蝕深度的影響

3 厚膠光刻工藝參數優化

綜合本文試驗結果，并結合其他工藝流程的研究結果，分析優化后的玻璃微流檢測芯片光刻工藝步驟及參數見表1。

表1 厚膠濕法刻蝕工藝參數優化

傳統的硅片薄膠光刻工藝受光刻膠耐受時間的限制，單次刻蝕深度較淺；而本文所述光刻工藝條件要求不高，工藝步驟簡單、易于控制，工藝周期較短，光刻膠耐受時間較長，單次勻膠后刻蝕深度較深，且刻蝕后的微流檢測芯片圖形邊緣陡直性較好，底部平整度較好。

由于制作過程中存在細微差別，例如載玻片表面平整度的差別，清洗后的潔凈程度不同，勻膠厚度、勻膠時氣泡數量的差別，熱烘溫度、曝光時間的細微差別等因素，載玻片表面光刻膠耐受時間可能有所不同。根據實際工藝參數比較得到的上述試驗過程能使得光刻膠達到較為理想的耐受時間，在BOE(15∶1)中最長耐受約為90～110 min，刻蝕深度約為75～80 μm，微流檢測芯片側壁陡直度<100°，底部平整度<±1.5 μm，制作周期約為4 h。

4 結語

為增加玻璃微流檢測芯片刻蝕工藝的刻蝕深度，本文試驗考察了烘焙溫度對厚膠光刻工藝的影響，通過反復試驗，考察了軟烘、后烘與堅膜溫度參數對光刻面形、光刻膠耐受時間以及刻蝕深度的影響。結果表明，80 ℃附近的軟烘溫度對提高光刻膠與玻璃基質的粘附性有較大幫助，直接提高了曝光顯影工藝效果；適當的后烘溫度(60～70 ℃)對于曝光后的圖形顯影質量有所幫助；80～90 ℃的堅膜過程可以大幅度提高光刻膠掩膜層在刻蝕液中的耐受時間，有利于獲得較大刻蝕深度；通過恒溫加熱和攪拌速率的控制，以獲得合適的刻蝕環境溫度，也可以有效地提高刻蝕速率，增加刻蝕深度。

通過對工藝流程溫度條件的有效控制，可以在廉價的載玻片上快速制作特征尺寸較好的微流檢測芯片基底管道圖形，加工工藝簡單易控，成本低廉，便于快速、大批量生產。

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責任編輯 鄭練

Optimizing of the Temperature of Glass Microfluidic Chip Thick Photoresist Lithography Process

LI Qichang, LI Bingwei, CHEN Hong, LI Jiang

(Military Representative Institution, Yantai 264630, China)

Use positive photoresist AZ 4620 for thick resist photolithography of glass microfluidic detection chip preparation. Test different temperature parameters influence in various stages of the soft bake, post exposure baking, hard baking, and etching conditions on the surface of the photoresist, adhesion of the photoresist and the glass matrix, and the endurance time of the photoresist etching solution, the etching rate and the maximum etching depth and other factors. The results show that the soft-bake temperature directly affects the lithography process quality, post exposure baking temperature affects pacification a little, hard baking temperature affects photoresist relief face and withstand time, the etching ambient temperature directly affects the etch rate, etch depth and etch surface effect.

microfluidic detection chip, UV thick photoresist lithography, temperature effect optimizing

TN 305.7

A

李其昌(1988-)，男，工程師，碩士，主要從事微流檢測芯片、非制冷紅外探測器工藝優化等方面的研究。

2016-05-23