基于SU-8厚膠光刻技術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樹脂的環氧型、負性、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壁和較大高深寬比的厚膜圖形。本文基于爆炸箔加速膛產品要求，研究了決定SU-8厚膠光刻后產品質量的主要工藝參數：膠厚與涂膠轉速的關系、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文獻標識碼：A

0引言

SU-8光刻膠是一種基于EPON SU-8樹脂的負性、環氧型、近紫外光刻膠。它在近紫外光范圍內光吸收度低，故整個光刻膠層所獲得的曝光量均勻一致，可得到具有垂直側壁外形和高深寬比的厚膜圖形。它還具有良好的力學性能、抗化學腐蝕性和熱穩定性，能形成結構復雜的圖形。SU-8不導電，在電鍍時可以直接作為絕緣體使用，主要用于微機電系統及其它厚膜光刻膠應用領域，如微傳感器、微轉動系統、線圈的模具，同時SU-8采用特殊的環氧成膜材料，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、負膠及PI膠相比，SU-8能夠實現厚膠圖像光刻技術，使用SU-8可獲得從幾十微米達一千微米的膠，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1000微米，其光刻圖形邊緣仍近乎垂直，深寬比可達50：1，利用這一特性SU-8可實現產品特殊結構制備，如片式薄膜爆炸箔加速膛。

當前，國內軍用火工品與歐美先進國家有較大的差距，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，受到外部環境的干擾時較易殉爆，武器裝備系統的安全性與可靠性難以保障。片式薄膜爆炸箔突破傳統起爆器中敏感藥劑及松裝猛炸藥的限制，實現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、抗外界環境干擾能力強等優點;片式薄膜爆炸箔的研制成功對我國武器系統、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計

片式薄膜爆炸箔，加速膛微機構相當于槍管，要把橋箔爆炸的能量束縛在膛內，有利于飛片產生定向動能;同時作為飛片層的約束結構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，確保復合飛片準確擊中傳爆藥底端。SU8作為一種光敏材料，可采用光刻工藝制備加速膛微結構，利于批次加工，確保芯片的一致性形成需要的微機構;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，對比設計采用金屬片作加速膛相比，真正結合了微電子工藝制作微機械系統的技術優勢，是微電子工藝應用的一大創新。

2 SU-8光刻膠工藝技術研究

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

SU-8光刻膠的交聯反應發生在后烘過程中，在曝光區生成的強酸在后烘過程中促使相應區域發生交聯反應，而未曝光區因無光催化的存在則不發生反應。曝光后烘之后SU-8光刻膠在顯影液中發生反應，未曝光區域的光刻膠結構松散易與顯影液發生反應，從而被除掉;而曝光交聯區的光刻膠性能穩定不與顯影液發生反應，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，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光刻膠圖形質量的關鍵因素之一。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度不充分，導致曝光區域光刻膠圖形發生開裂現象;但不斷提高前烘溫度會導致光引發劑的感光型逐漸降低，進而影響其光化學反應，使得生成的酸催化劑量減小，交聯度降低，故為獲得質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，這是因為當曝光量較大引起過曝，會導致圖像線寬增大，同時引起圖形邊緣過曝區顯影難以去除;而曝光時間短，光引發劑反應產生的酸催化較少，SU-8光刻膠交聯不足，受熱后部分曝光區域邊緣的光刻膠在顯影液中被溶解，導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。

2.5后烘參數

SU-8曝光后采用熱板熱板烘烤，溫度應控制在80-100度之間，溫度的適當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，時間應根據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，中烘溫度應增長，這樣可以使光刻膠交聯反應充分進行。

2.6 SU-8光刻膠工藝參數總結

研究涂膠速度、SU-8厚度、烘烤溫度、曝光顯影等關鍵參數對SU-8光刻膠工藝影響，對SU-8光刻工藝參數進行總結，以指導未來不同產品要求，SU-8光刻膠光刻工藝參數的選擇。

3關鍵工藝研究

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，其附著力的大小關系產品可靠性及性能指標。在產品規范要求中，SU8加速膛附著力是考核產品合格的關鍵指標之一，影響SU8加速膛附著力的關鍵是內應力與熱應力。

在涂膠前，如果基片表面存在污染，會導致顯影液鉆蝕底面，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膠的熱膨脹系數不同，產生熱應力;另一方面也是最主要的是光刻膠聚合所產生的內應力。曝光階段只是光引發劑發生了光化學反應，并不引入應力。

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，為保證產品性能可靠性、一致性;同時滿足產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

本文基于片式薄膜爆炸箔加速膛設計要求，系統的闡述了SU-8光刻膠光刻工藝，分析了光刻工藝中關鍵參數勻膠轉速、前烘中烘的溫度及時間、光刻曝光量、顯影時間等對SU-8光刻膠圖形質量的影響及原因;并給出了各的工藝參數選擇方案及量化關系，對SU-8光刻膠的使用具有指導意義。同時解決了加速膛附著力及厚度一致性的工藝難題，提升產品性能和質量。由于SU-8光刻膠可實現400微米厚膠圖形的制作，具有較好的分辨率，且膠側壁垂直度較好等優點，且與現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品的開發與生產做好工藝基礎。

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

參考文獻

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