基于SU-8厚胶光刻技术的爆炸箔加速膛工艺研究

姚艺龙　陶允刚　郑国强　余传杰

摘 要 SU-8光刻胶是厚胶工艺常用的光刻胶，它是一种基于EPON SU-8树脂的环氧型、负性、近紫外线光刻厚胶，由于曝光时SU-8光刻胶层能够得到均匀一致的曝光量，故使用SU-8光刻胶可获得具有垂直侧壁和较大高深宽比的厚膜图形。本文基于爆炸箔加速膛产品要求，研究了决定SU-8厚胶光刻后产品质量的主要工艺参数：胶厚与涂胶转速的关系、前后烘温度与时间、曝光量、显影时间等。获得了适用于片式薄膜爆炸箔加速膛的SU-8厚胶光刻方案。

关键词 SU-8光刻胶 光刻工艺 加速膛 爆炸箔

中图分类号：TN405文献标识码：A

0引言

SU-8光刻胶是一种基于EPON SU-8树脂的负性、环氧型、近紫外光刻胶。它在近紫外光范围内光吸收度低，故整个光刻胶层所获得的曝光量均匀一致，可得到具有垂直侧壁外形和高深宽比的厚膜图形。它还具有良好的力学性能、抗化学腐蚀性和热稳定性，能形成结构复杂的图形。SU-8不导电，在电镀时可以直接作为绝缘体使用，主要用于微机电系统及其它厚膜光刻胶应用领域，如微传感器、微转动系统、线圈的模具，同时SU-8采用特殊的环氧成膜材料，能在强刻蚀液及电铸工艺中使用。

在薄膜光刻工艺技术中，SU-8是一种具有特殊功能的不可替代的一种光刻胶，和光刻常用的正胶、负胶及PI胶相比，SU-8能够实现厚胶图像光刻技术，使用SU-8可获得从几十微米达一千微米的胶，而同样工艺中常用的正胶、PI胶等厚度一般小于5微米。即使膜厚达1000微米，其光刻图形边缘仍近乎垂直，深宽比可达50：1，利用这一特性SU-8可实现产品特殊结构制备，如片式薄膜爆炸箔加速膛。

当前，国内军用火工品与欧美先进国家有较大的差距，仍以第二代为主，多代并存。第二代火工品使用桥丝式换能元，敏感传爆药，受到外部环境的干扰时较易殉爆，武器装备系统的安全性与可靠性难以保障。片式薄膜爆炸箔突破传统起爆器中敏感药剂及松装猛炸药的限制，实现换能元不与炸药接触，而直接起爆钝感炸药，具备高安全性、高可靠性、耐机械冲击、抗外界环境干扰能力强等优点;片式薄膜爆炸箔的研制成功对我国武器系统、运载火箭等安全可靠性具有重要意义。

1片式薄膜爆炸箔加速膛设计

片式薄膜爆炸箔，加速膛微机构相当于枪管，要把桥箔爆炸的能量束缚在膛内，有利于飞片产生定向动能;同时作为飞片层的约束结构在桥箔爆炸后剪切形成飞片。这就要求加速膛四周光滑、陡直、并且具有足够的机械强度，确保复合飞片准确击中传爆药底端。SU8作为一种光敏材料，可采用光刻工艺制备加速膛微结构，利于批次加工，确保芯片的一致性形成需要的微机构;同时，SU8在固化后，有极高的机械强度，足以承受桥箔爆炸后的能量冲击。采用SU8作为加速膛，对比设计采用金属片作加速膛相比，真正结合了微电子工艺制作微机械系统的技术优势，是微电子工艺应用的一大创新。

2 SU-8光刻胶工艺技术研究

SU-8光刻胶是由一种具有多功能团的、高度分支的聚合物环氧树脂和少量光引发剂溶于有机溶剂构成的。SU-8光刻胶在前烘坚膜后曝光，SU-8是负性胶被曝光时胶中的光引发剂吸收光子发生光化学反应，生成一种强酸，这种强酸在后烘及保温过程中会充分反应，催化光刻胶中交联反应的发生。

SU-8光刻胶的交联反应发生在后烘过程中，在曝光区生成的强酸在后烘过程中促使相应区域发生交联反应，而未曝光区因无光催化的存在则不发生反应。曝光后烘之后SU-8光刻胶在显影液中发生反应，未曝光区域的光刻胶结构松散易与显影液发生反应，从而被除掉;而曝光交联区的光刻胶性能稳定不与显影液发生反应，从而形成所需要的光刻图形。

2.1基片涂胶前处理

为保证基片无污渍、无光刻胶残留及活化表面确保SU8附着力，基片分别采用丙酮、酒精、去离子水清洗，清洗后采用甩干机干燥;最后采用离子束轰击活化表面。

2.2涂胶工艺

SU-8光刻胶采用旋转涂胶工艺，首先将SU-8光刻胶滴到基板表面;然后真空吸附基片并高速旋转，使光刻胶变薄均匀覆盖基片表面。

2.3前烘温度

前烘温度是影响SU-8光刻胶图形质量的关键因素之一。前烘温度的提升有利于减小光刻胶图形与掩模版图形线宽差，且前烘温度不足会引起交联度不充分，导致曝光区域光刻胶图形发生开裂现象;但不断提高前烘温度会导致光引发剂的感光型逐渐降低，进而影响其光化学反应，使得生成的酸催化剂量减小，交联度降低，故为获得质量较高的光刻胶图形，需针对不同厚度要求，确定合理的前烘温度。

2.4曝光显影

曝光量是光刻工艺的重要参数，这是因为当曝光量较大引起过曝，会导致图像线宽增大，同时引起图形边缘过曝区显影难以去除;而曝光时间短，光引发剂反应产生的酸催化较少，SU-8光刻胶交联不足，受热后部分曝光区域边缘的光刻胶在显影液中被溶解，导致图形线宽及厚度减小，如表1为不同厚度下，SU-8合适的曝光参数。

2.5后烘参数

SU-8曝光后采用热板热板烘烤，温度应控制在80-100度之间，温度的适当升高由利于减少消除光刻胶开裂，80度以上就有比较好的效果。合适的中烘时间也是重要的参数，时间应根据光刻胶的厚度及曝光时间来控制，光刻胶越厚，曝光时间加长时，中烘温度应增长，这样可以使光刻胶交联反应充分进行。

2.6 SU-8光刻胶工艺参数总结

研究涂胶速度、SU-8厚度、烘烤温度、曝光显影等关键参数对SU-8光刻胶工艺影响，对SU-8光刻工艺参数进行总结，以指导未来不同产品要求，SU-8光刻胶光刻工艺参数的选择。

3关键工艺研究

3.1 SU8附着力提升

SU8加速膛作为片式薄膜爆炸箔的核心组件，其附着力的大小关系产品可靠性及性能指标。在产品规范要求中，SU8加速膛附着力是考核产品合格的关键指标之一，影响SU8加速膛附着力的关键是内应力与热应力。

在涂胶前，如果基片表面存在污染，会导致显影液钻蚀底面，显影后SU-8厚胶与基片脫落。在光刻胶烘烤及冷却阶段，一方面由于基片材料和SU-8胶的热膨胀系数不同，产生热应力;另一方面也是最主要的是光刻胶聚合所产生的内应力。曝光阶段只是光引发剂发生了光化学反应，并不引入应力。

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产品中起到加速飞片作用，而其厚度即是飞片加速距离，为保证产品性能可靠性、一致性;同时满足产品与其他器件组装匹配性;必须保证SU-8加速膛厚度一致性。

4总结

本文基于片式薄膜爆炸箔加速膛设计要求，系统的阐述了SU-8光刻胶光刻工艺，分析了光刻工艺中关键参数匀胶转速、前烘中烘的温度及时间、光刻曝光量、显影时间等对SU-8光刻胶图形质量的影响及原因;并给出了各的工艺参数选择方案及量化关系，对SU-8光刻胶的使用具有指导意义。同时解决了加速膛附着力及厚度一致性的工艺难题，提升产品性能和质量。由于SU-8光刻胶可实现400微米厚胶图形的制作，具有较好的分辨率，且胶侧壁垂直度较好等优点，且与现有薄膜光刻工艺就有较好的兼容性，其工艺的成熟研究为新型特殊薄膜产品的开发与生产做好工艺基础。

作者简介：姚艺龙（1990.3.-）安徽阜阳市人，硕士，中国电子科技集团公司第助理工程师，研究方向：先进火工品技术。

参考文献

[1] Kameoka，J.&H.G.Craighead&H.Zhang&J.Henion&Anal.Chem，2001（73）：1935.

[2] Zhang，J.&K.L.Tan&H.Q.Gong.Characterization of the polymerization of SU-8 photoresist and its applications in micro-electro-mechanial systems[J].Polymer Testing，2001，20（06）：693-701.