微电子机械系统使用聚合物

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1、聚合物已被集成电路行业用了十余年，主要作为光刻工艺中的光敏层，然后在图案转移步骤作为刻蚀掩膜。这种应用在微机械领域得到了延续，聚合物特别是光刻胶在许多微机械技术中一直被作为牺牲层材料。在这种情况下，聚合物层提供了结构元件间的隔离，在后续工艺中去除。采用光刻胶作为牺牲层的主要缺点是它不能容忍沉积工艺带来的高温，这限制了后续工艺的加工温度。    聚合物材料相比传统的MEMS中的硅和其他工程材料具有独特的优点。聚合物增强了断裂强度、具有低杨氏模量、延长断裂时间和相对低成本的优点。另外，聚合物具有惰性和

2、生物相容的特点，这特别适合应用于生物和化学应用。聚合物加工技术具有简单、多变的特点。聚合物可以沉积到不同类型的衬底上，可以呈现不同的分子结构，所以得到的薄膜具有不同的物理和化学性能。它们可以用作透光材料、热和化学隔离体。聚合物越来越多地被用作器件结构中的功能层。这个功能层可以是体加工微机械部件的粘结层；传感器结构中的薄膜和悬臂梁；微流体阀门和泵结构中的薄膜；微流体系统中的沟槽侧壁；薄膜密封层；温度和湿度敏感层；化学和生物敏感层；致动器结构；甚至它们本身也可以作为衬底。聚合物结构有比元素周期表里的元

3、素有更多的变化和类型。例如，聚合物可以被制作成具有不同硬度和强度的绝缘、导体、电活性、惰性材料。当然，使用聚合物也有挑战和缺点。聚合物对湿度和膨胀敏感，它们通常相对传统的微加工材料（如硅和氧化硅）具有低的温度容忍性。成功地应用聚合物基的微技术是要满足较低加工成本的市场需求。一：正性光刻胶    光刻机的曝光波长也在由紫外谱g线(436nm)--i线(365nm)--248nm~193nm--极紫外光(EUV)--X射线，甚至采用非光学光刻(电子束曝光、离子束曝光)，光刻胶产品的综合性能也必须随之提

4、高，才能符合集成工艺制程的要求。以下几点为光刻胶制造中的关键技术:配方技术、超洁净技术、超微量分析技术及应用检测能力。制程特性要求有：涂布均匀性、灵敏度、分辨率及制程宽容度。    划分光刻胶的一个基本的类别是它的极性。光刻胶在曝光之后被浸入显影溶液中，在显影过程中，正性光刻胶曝过光的区域溶解得要快得多，理想情况下未曝光的区域保持不变；负性光刻胶正好相反，在显影剂中未曝光的区域将溶解，而曝光的区域被保留。正性胶的分辨力往往是最好的，因此在IC制造中的应用更为普及，但MEMS系统中由于加工要求相对较

5、低，光刻胶需求量大，负性胶仍有应用市场。光刻胶必须满足几个硬性指标，要求高灵敏度、高对比度、好的蚀刻阻抗性、高分辨力、易于处理、高纯度、长寿命、低溶解度、低成本和比较高的玻璃化转换温度Tg。主要的两个性能是灵敏度和分辨力。大多数光刻胶是无定向的聚合体，目前最常用的两种正性光刻胶为PMMA和DNQ，其中PPMMA为单成分胶，DQN为二成分胶，DQ为感光化合物，N为基体材料。大多数正性胶溶于强碱显影剂采用中型碱溶液典型工业用显影剂为KOH、TMAH、酮或乙酰唑胺。二：负性光刻胶    负性光刻胶用的最

6、多的是SU-8胶。SU-8胶是一种较新的的基于环氧树脂的化学增幅型负性近紫外光刻胶，具有良好的光敏性和高深宽比，适合于MEMS或MOEMS、UV-LIGA和其它超厚膜应用。它的优点有：一次旋涂可形成数百微米厚的胶层；可得到垂直侧壁和高深宽比的厚膜图形；交联以后具有良好的力学性能、抗化学腐蚀性、热稳定性和电绝缘性。但SU-8胶难以去除。    SU-8胶对紫外光具有低光光学吸收特性，即使膜厚达到1000微米，所得图形边缘仍近乎垂直。SU-8胶不导电，在电镀时可以直接作为绝缘体使用。SU-8胶不仅对工

7、艺参数的敏感度很高，而且各参数之间互相影响。    由于SU-8胶黏度很高，尤其是甩厚胶时所用的SU-8-100黏度很高，在甩胶过程中会产生直径约1-10微米的小气泡，假如未经过充分的静置和升温缓慢均匀的前烘过程，这些小气泡就可能残留着SU-8胶中，在曝光过程中，由于小气泡的存在，会造成从小气泡开始的一个宽度逐渐变大的沟道。三：聚酰亚胺    聚酰亚胺（polymide）是一类含有酰亚胺基团的聚合物。聚酰亚胺可以是线性结构，也可以是环状结构，分别形成线性脂肪族聚酰亚胺结构或者芳香族聚酰亚胺结构。聚

8、酰亚胺既可以通过热固性也可以通过热塑性塑料形成。聚酰亚胺具有优异的热和化学稳定性、大的力学强度、大的模量、抗辐射和耐溶剂性、良好的电学和介电特性，能够在接近330℃下使用。它还具有优良的介电性能、力学性能以及良好的韧性和柔软性。特别是芳香族聚酰亚胺硬度高、几乎不可溶解。聚酰亚胺分为可溶性和不可溶性两种。不可溶性聚酰亚胺可作为钝化层及绝缘层，MEMS系统制作中，多数是旋涂在衬底上，作为绝缘层，以减小衬底高频损耗，是MEMS表面微加工技术的主要工艺之一；可溶性聚酰亚胺可以光刻适合MEM