加熱SU-8模具的設(shè)備和協(xié)議

復(fù)制基于PDMS的結(jié)構(gòu)首先需要制造一個(gè)SU-8主模，將作為PDMS鑄造的模板。在SU-8母版的制作過程中，通常是基于標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝，SU-8光刻膠的薄膜必須烘烤幾次，如圖1所示。

圖1:用于制作SU-8主模的光刻標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議:使用的SU-8薄膜必須至少烘烤兩次

事實(shí)上，適當(dāng)加熱的SU-8薄膜是必要的，以確保良好的模具表面性能。這個(gè)簡短的教程旨在提供一些關(guān)于設(shè)備和協(xié)議的見解，以成功地烘烤SU-8模具。

SU-8烘烤:烘箱還是烘膠臺(tái)?

烘箱

對(duì)流烘箱是加熱涂有SU-8的晶片的第一選擇。當(dāng)一個(gè)人需要同時(shí)處理多個(gè)SU-8物品時(shí)，它可能特別有用。盡管有這一吸引人的特點(diǎn)，對(duì)流烘箱也有明顯的缺點(diǎn)。特別是，很難保證大容量烘箱內(nèi)的溫度分布均勻。因此，如果將幾個(gè)SU-8母版晶片放入烤箱中，烘烤時(shí)間實(shí)際上可能會(huì)根據(jù)晶片位置的不同而不同。

圖2：常規(guī)實(shí)驗(yàn)室烤箱內(nèi)非均勻溫度分布的圖示。因此，放置在烤箱內(nèi)的SU-8層可能需要不同的烘烤時(shí)間

烘膠臺(tái)

作為替代方案，烘膠臺(tái)是快速成型的理想選擇。雖然加烘膠臺(tái)的目的是一次加熱一個(gè)晶片，但它們確保了整個(gè)晶片上的溫度更加均勻。事實(shí)上，熱板和烤箱之間的傳熱條件和通風(fēng)是不同的。此外，使用熱板可以顯著縮短烘烤時(shí)間。

圖3：(軟)烘焙時(shí)間隨SU-8層厚度的變化

選擇標(biāo)準(zhǔn)

烘烤SU-8層時(shí)，烤箱和熱板各有優(yōu)勢(shì)和局限性。在圖表[1]中總結(jié)了一份非詳盡的利弊清單：

表1：用烘箱和烘膠臺(tái)烘烤SU-8模具的一些標(biāo)準(zhǔn)的比較

這兩個(gè)選擇都是可行的，選擇的因素可能只取決于潔凈室中設(shè)備的可用性。然而，烘膠臺(tái)通?？梢愿菀椎貙?shí)現(xiàn)對(duì)加熱過程的精確控制。因此，它們似乎更適合于先前沒有(或有限的)經(jīng)驗(yàn)的人，以便獲得良好的和可重復(fù)的結(jié)果。同時(shí)，可以將試驗(yàn)和錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。此外，SU-8光刻膠的制造商經(jīng)常為烘膠臺(tái)提供烘烤建議。因此，在本教程的下一步中，我們將考慮使用烘膠臺(tái)。

SU-8的烘烤：如何進(jìn)行？

SU-8軟烤:

SU-8層在涂到晶圓片表面后必須進(jìn)行第一次加熱。第一個(gè)加熱步驟對(duì)應(yīng)于SU-8的軟烤過程(見圖1)。SU-8可以通過兩個(gè)步驟進(jìn)行軟烤。為了獲得更好的光刻效果，必須避免劇烈的溫度變化。理想情況下，晶圓片應(yīng)該按照?qǐng)D4的溫度分布逐漸加熱:

圖4:SU-8軟烤的典型溫度曲線

在第一步中，SU-8層的溫度可以以2℃/min的速度從室溫逐步提高到65℃。然而，溫度斜坡的坡度可能略有不同，這取決于使用的SU-8型號(hào)。根據(jù)光刻膠的厚度，在65°C下加熱SU-8薄膜5到10分鐘。溫度再次升高到2°C/min，然后停留在95°C。應(yīng)該避免較高的溫度，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)激活SU-8的熱交聯(lián)，即使暴露過程沒有發(fā)生。如果可以，溫度就必須一直保留在95℃。（見表2中烘烤時(shí)間的例子）

表2:各種SU-8型號(hào)和厚度的軟烘焙次數(shù)(數(shù)據(jù)適用于烘膠臺(tái))

然后，必須讓晶圓慢慢冷卻到室溫。理想情況下，溫度可以逐步降低，類似于用于加熱SU-8的剖面。或者，烘膠臺(tái)的電源可以關(guān)閉。

為了在整個(gè)過程中對(duì)溫度進(jìn)行精確控制，可編程熱板可用于微調(diào)溫度斜坡。對(duì)于SU-8的薄層(厚度< 100 μ m)，另一種選擇是將兩個(gè)熱板分別設(shè)置在65°C和95°C。晶圓可以先在65°C下烘烤，然后轉(zhuǎn)移到95°C的熱板上。

SU-8曝光后烘烤(PEB):

SU-8層必須在曝光階段之后再次加熱。第二個(gè)加熱步驟對(duì)應(yīng)于SU-8曝光后烘烤過程(見圖1)。它旨在加速SU-8的聚合。PEB遵循的步驟，實(shí)際上幾乎完全相同的軟烘焙的第一步。溫度是一樣的;只是烘焙時(shí)間不同(見表3)。

表3:不同型號(hào)和厚度的SU-8的曬后烘烤時(shí)間(數(shù)據(jù)適用于烘膠臺(tái))

可以注意到，交聯(lián)過程可能會(huì)在SU-8層產(chǎn)生顯著的殘余應(yīng)力。由于這種殘余應(yīng)力是潛在裂紋的主要來源，最好避免在95°C的PEB后對(duì)SU-8進(jìn)行快速冷卻(不應(yīng)使用冷卻源)。

SU-8硬烤:

在顯影之后，SU-8母版可能會(huì)被加熱第三次(見圖1)，以進(jìn)一步交聯(lián)SU-8模具，并確保SU-8在PDMS軟光刻步驟中不會(huì)被損壞。SU-8硬烤過程中涉及的溫度通常高于軟烤和PEB過程。通常情況下，SU-8膠在20-30分鐘內(nèi)加熱溫度范圍從140°C到200°C。但是，根據(jù)SU-8層的厚度，可能需要更長的烘烤時(shí)間。由于SU-8良好的機(jī)械性能，這一步仍然是可以去做的，但通常是不必要的。