基于超声辅助的UV-LIGA光栅制备技术研究

成杰，李寒松，朱荻

(南京航空航天大学 江苏省精密与微细制造技术重点试验室，江苏 南京 210016)

基于超声辅助的UV-LIGA光栅制备技术研究

成杰，李寒松，朱荻

(南京航空航天大学 江苏省精密与微细制造技术重点试验室，江苏 南京 210016)

光栅在通信、光存储及光谱分析领域具有广泛的应用。对超声辅助UV-LIGA技术制备光栅的可行性进行了试验研究。试验中两次利用超声的特殊效应，实现不同的辅助功能。1) 采用超声辅助显影，通过改善光刻胶模沟槽内的物质传输，提高光刻胶模结构的显影效率和显影质量。2) 在后烘之后、显影之前对光刻胶结构进行超声处理，通过在空气中对光刻胶模结构进行超声处理，有效降低SU-8胶模在电铸过程中的溶胀。选取优化的工艺参数，采用侧向冲液电铸方式，获得了镍基光栅。

光栅；超声；辅助

0 引言

光栅是由平行排列的许多栅线条组成的，通常作为核心器件广泛应用在许多光学系统中, 起着色散、分束、偏振和位相匹配等作用[1]。目前光栅的制作方法主要有机械刻划、全息光刻、纳米压印、电子束光刻、X射线光刻、UV-LIGA技术等[2]。机械刻划能够改变刻刀的形状、方向，从而能制作出其他工艺方法难以达到的栅条外形，适用于加工大线宽尺寸光栅；纳米压印可以批量、无损地复制目标图形；全息光刻、电子束光刻、X射线光刻能精确复制图形、具备高分辨率光刻能力，适用于加工亚微米线宽尺寸光栅[3]。利用UV-LIGA技术制备光栅，技术已经较为成熟。该项技术以SU-8胶为光敏材料，采用低廉的远紫外光为光源，主要包括光刻、微细电铸和塑铸3个工艺环节[4-8]。因其具有低成本、高深宽比加工能力等特殊优势，UV-LIGA技术近年逐渐成为微结构加工的首选加工手段[9]，适用于加工各种线宽尺寸的光栅。但是实际应用中，当光栅具有一定厚度时，光刻胶模显影困难，同时由于SU-8胶在电铸时存在明显溶胀，制备所得光栅结构栅条线宽与电铸之前胶模沟槽线宽存在尺寸偏差，对UV-LIGA技术制备光栅结构产生了不利影响。

在实际应用中，需要根据光栅线宽尺寸特征选用合适的光栅制作方法。针对如图1所示光栅结构：光栅栅条长25mm，宽64μm，厚度为60μm，栅条线长远远大于线宽和光栅厚度，应首选UV-LIGA技术。针对UV-LIGA工艺难题，试验采用超声辅助的UV-LIGA技术，探讨超声引入对改善SU-8胶模溶胀性及显影质量的影响。超声辅助的UV-LIGA技术制备光栅，国内尚未见报道，因而对其进行制备研究具有重要的意义。

图1 光栅示意图(单位：mm)

1 试验材料、设备及试验过程

1.1 试验材料及设备

试验中使用的光刻胶是美国Micro Chem公司生产的SU-8 2050光刻胶，实验用基底为不锈钢圆形基片(直径50mm，厚度8mm)。试验所需设备如表1所示。

表1 试验设备

其中，超声试验选用定制的超声振动装置，如图2所示。超声振动装置主要由超声波振动源、换能器、变幅杆、工具头以及工作台组成。

(a)超声试验装置

(b)超声装置内部结构图图2 超声振动装置

1.2 试验过程

试验过程如图3所示，具体方法及参数如下。

图3 超声辅助的UV-LIGA技术制备光栅工艺过程示意图

1) 基底预处理(图3a)：对切割好的不锈钢基片进行表面车削、磨削、抛光处理。抛光好的基片，按标准的光刻工艺清洗程序清洗、烘干。

2) 倒胶、前烘(图3b)：制作60μm厚的光栅结构，需要旋涂65μm厚的光刻胶，具体过程是，从转速100r/min匀加速到1 100r/min，维持10s；然后匀加速到1800r/min，维持30s。前烘采用背板加热分步烘烤工艺：65℃烘烤10min，95℃烘烤150min。

3) 曝光和后烘(图3c)：采用BG-401型曝光机，光源强度为15mW/cm2，曝光时间14s。SU-8胶在后烘过程会产生很大的内应力[10]，为减少内应力，采用阶梯式升温、降温的方式。先由室温缓慢升温至65℃，保持5min后升温至95℃，保持30min，自然冷却至室温。

4) 超声处理和显影(图3d)：在显影之前进行超声处理：超声功率50W，空气中超声处理10min，超声频率为20kHz。显影过程使用超声辅助，时间为10min，然后用异丙醇清洗，直至无白色沉淀产生，最后用去离子水将胶模表面残留杂质清洗干净。

5) 微细电铸(图3e)：采用0.6A/dm2的电流密度，阴阳极间距离为6mm，电铸温度43℃，电铸时间5.5h，采用侧向冲液电铸方式。

6) 去胶(图3f)：将电铸后微结构置于加热的去胶液中浸泡数小时，之后辅之以低频超声振动的方式进行去胶。

2 超声辅助对光栅结构的影响分析

试验中两次利用超声的特殊效应，实现不同的辅助功能。1) 采用超声辅助显影，利用超声波对显影液产生的特殊的机械搅拌、微射流和空化等综合作用，试验研究超声对光刻胶模沟槽内物质传输的影响。2) 在后烘之后、显影之前对光刻胶结构进行超声处理[11]，试验分析超声处理对降低胶模溶胀性的有效程度。

SU-8胶光刻胶模的品质除了与前烘条件、曝光剂量和后烘条件等光刻工艺参数有关外，还与胶模显影的方式相关。采用常规人工手动显影方式显影速度慢、短时间内胶模底部不能显影完全、容易出现侧壁锥度及表面缺陷，显影时间过长还容易导致胶模从基底脱落。这是因为显影时微细沟槽结构中物质传质效果受限，光栅微结构沟槽底部的显影液不能得到快速更新，导致胶模微结构上下表面显影程度不一致，比如上表面显影过度而下表面显影不足的现象，有时胶模表面也会因为显影液过度腐蚀，造成表面缺陷。本试验中采用的显影装置振动频率为33kHz，超声功率0-100W连续可调。试验研究超声辅助显影对光刻胶模显影质量的影响。

图4所示为未施加超声和施加不同功率超声显影后的光栅胶模结构形貌图，试验显影时间为10min。

图4 不同功率下的胶模结构形貌图

未施加超声振动显影(图4a)，光刻胶显影较慢，沟槽不能完全显出。超声功率小于15W时(图4b)，光栅胶模沟槽底部无法显影彻底。这是因为超声功率较小时，超声效应不明显，对显影液产生的搅拌和空化作用弱，物质传输受阻。超声功率为25W时(图4c)，沟槽结构虽然能够基本显透，但部分沟槽底部仍残留少量光刻胶。超声功率为35W时(图4d)，光栅胶模显影透彻，沟槽侧壁轮廓清晰，胶模表面无明显缺陷。当超声功率再继续增大时，如45W和55W(图4e、图4f)，光栅侧壁尺寸会变差，且胶模局部被破坏，甚至变形脱落，这是因为超声功率过大，导致光栅侧壁或者边缘腐蚀脱落。

试验证明：采用显影液浸泡，并辅助超声振动的显影措施，利用超声波对显影液产生的特殊的机械搅拌、微射流和空化等综合作用，增强新鲜显影液和反应产物的物质传输效果，大大改善光栅胶模的显影质量，缩短了显影时间。

在前烘之后、显影之前引入超声处理，在空气中对光刻胶模进行超声振动，试验采用超声功率为50W，超声处理时间10min，超声频率为20kHz，研究超声处理对降低胶模溶胀性的有效程度。试验分未施加超声组和施加超声组，分别对两组试样电铸前胶模沟槽线宽和电铸后光栅结构铸层线宽进行测量。测量中，选取不同位置的8处测量点，去除最大值和最小值后，将剩余六个测量点求平均值作为测量值。

图5所示为电铸后所得光栅结构。

图5 去胶后所得光栅结构

微细电铸过程中光栅结构铸层线宽是由电铸前胶模沟槽线宽来保证的，通过比较电铸结构相对胶模结构的线宽变化量，探讨超声处理对胶模溶胀性的影响。

表2是电铸后光栅结构铸层线宽与电铸前胶模沟槽线宽的测量结果统计，其中D代表电铸前SU-8胶模沟槽的线宽，T代表电铸后光栅结构铸层的线宽。

表2 电铸结构相对胶模结构的线宽差值

续表2

763.162.263.662.9863.262.263.362.8平均值63.462.063.663.2差值1.40.4

由表2中数据可知，胶模溶胀性的存在，使得电铸后所得微结构铸层线宽较胶模沟槽线宽发生尺寸偏差。未施加超声组光栅试样，电铸后所得光栅结构相对电铸前胶模结构的线宽差值为1.4μm；施加超声组光栅试样，该值为0.4μm。这主要由两方面的原因：1) 热膨胀效应：微细电铸时电铸液温度43℃，高的电铸液温度导致光刻胶模发生热膨胀变形；2) 溶胀效应：电铸过程中，光刻胶模在电铸液中浸泡会发生溶胀，导致胶模线宽的变化，称为溶胀效应[12]。

对比表2中电铸后所得微结构铸层线宽较胶模沟槽线宽尺寸变化值，未施加超声组为1.4μm，施加超声组为0.4μm，试验证明了超声处理有效降低了胶模溶胀性，减小了胶模溶胀给微结构制备造成的不良影响。

通过上述超声辅助对光栅结构的影响分析，可以证实超声辅助的UV-LIGA技术制备光栅具有显著优势。直接采用上述技术进行光栅制备：首先采用旋涂方式得到65μm厚的SU-8光刻胶，进行曝光后对光刻胶进行10min超声振动处理，再经超声辅助显影10min后得到光刻胶模，通过微细电铸填充镍金属，去胶后得到面积高达30mm×30mm、线长25mm、线宽64μm、结构完整、铸层表面质量好的镍基光栅。如图6所示。

图6 电铸所得光栅结构

3 结语

试验针对超声辅助的UV-LIGA工艺制备宏微尺度共存的光栅结构开展试验研究。在现有UV-LIGA工艺基础上，两次采用超声辅助工艺：1) 在后烘之后、显影之前引入超声振动，降低了光刻胶的溶胀性，减小了电铸后所得光栅结构相对电铸前胶模结构的线宽差值；2) 采用超声辅助显影，提高了光刻胶模显影速度和显影质量。试验采用优化后的超声辅助UV-LIGA技术，最终成功制备出整体尺寸为30mm×30mm，线长25mm，线宽64μm，厚65μm的镍基光栅。超声辅助的UV-LIGA技术是一种高效、经济的制备光栅结构的有效手段。

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Research on Preparation of Gratings Based on Ultrasonic-assisted UV-LIGA

CHENG Jie, LI Han-song ,ZHU Di

(CMEE,Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing, 210016, China)

The grating is widely used in the fields of communication, optical storage and spectroscopy. In this paper, the experiment of grating preparation by ultrasonic-assisted UV-LIGA is conducted. Different auxiliary functions are realized by using special ultrasonic effects twice. Firstly, the ultrasonic-assisted process is used to improve the substances transmission in the photoresist mold groove, the developing efficiency and quality. Secondly, the ultrasonic-assisted developing is introduced between the processes of post-baking and developing, and the structure of photoresist mold is subjected to the ultrasonic treatment in the air, then the swelling of plastic mold of SU-8 is reduced evidently in the electroforming process. The process parameters are optimized and the lateral red liquid electroforming way is adopted. Finally, a thickness of 65μm nickel based grating is successfully prepared.

ultrasound-assisted;UV-LIGA;grating preparation

成杰(1986-)，女，河北定州人，硕士研究生，研究方向为微细、精密特种加工。

TH741.6

A

1671-5276(2014)02-0163-04

2013-01-24