Введение в MICROENGINEERING
МЭМС Микромашины МСТ
Микроактюаторы
( введение )
Электростатические
актюаторы
Магнитные
актюаторы
Пьезоэлектрические
актюаторы
Гидравлические
актюаторы
Тепловые
актюаторы
Микротехнологии
(основы)

  Фоторезистивный материал SU-8

  Материал SU-8, впервые запатентованный корпорацией IBM в 1989 году, является обратным УФ фоторезистом, относящимся к типу эпоксидных смол. Он специально разработан для систем с очень толстыми слоями, имеющих высокое характеристическое отношение (соотношение геометрических размеров. При помощи стандартного литографического оборудования уже были получены пленки толщиной до 2 мм и характеристическим отношением выше 20.

  Поскольку структуры из SU-8, получаемые литографическим способом, являются достаточно стабильными после облучения УФ светом, они широко используются для изготовления механических частей микросистем, таких как шестеренки, катушки, консоли и бороздки, в полимерных микроиндукторах, в гидрофонах, реализованных по МОП технологии, используемых для подводных работ, и в акселерометрах. Поскольку SU-8 является относительно недорогим материалом, не требующим высоких технологических температур, из него также формируют мембраны с регулируемой толщиной, на которые литографическим методом наносят печатные схемы. Используя SU-8 в микростереолитографии, можно реализовывать настоящие 3D полимерные структуры.

  Уникальность SU-8 заключается в его свойствах, которыми не обладает ни один другой используемый в настоящее время фоторезистивный материал. Из него не только изготавливают структуры большой толщины, но, поскольку SU-8 относится к классу эпоксидных смол и обладает превосходными адгезионными качествами, его применяют практически с любыми подложками. Это особенно важно при использовании SU-8 в качестве структурного или диэлектрического материала.

Технология получения SU-8

  Фоторезистивный материал SU-8 получается при растворении эпоксидной смолы EPON SU-8 в органическом растворителе GBL (гамма-бутилорактоне). Количество растворителя определяет вязкость и, следовательно, толщину резистивного слоя. Для запуска процесса полимеризации под действием УФ излучения в эту композицию вводится фотоинициатор (10% от веса EPON SU-8).

  EPON SU-8 - это многофункциональная эпоксидная смола, обладающая высокой разветвленностью полимерной структуры. Она состоит из бисфенол А новолак глицидилового эфира. На рис. 2.14 приведена типичная структура молекулы EPON SU-8. В среднем одна молекула содержит восемь эпоксидных групп, поэтому в названии смолы и стоит цифра 8.


Рис 1. Типичная структура молекулы EPON SU-8.

  Фотоинициатор, в качестве которого обычно применяют триарилсульфоновую соль, поглощает фотон излучения и образует при этом фотокислоту, обозначаемую на схеме 2.1 как Н+А-.

  Фотокислота образуется только в зонах фоторезистивной пленки, непосредственно подвергаемой УФ излучению, и является катализатором отверждения для последующей реакции полимеризации, протекающей после фазы облучения, называемой спеканием (РЕВ). Температура процесса спекания должна быть выше температуры стеклообразования (Тg) твердой пленки, которая обычно равна ≈  55 °С, потому что при температурах ниже Тg движение молекул довольно медленное, и они почти не вступают ни в какие реакции.


Рис 2. Фотохимическая реакция превращения фотоинициатора.

  Во время процесса спекания фотокислота разрывает связи внутри эпоксидных групп, запуская тем самым реакции образования полимерных цепей, механизм которых похож на катионную полимеризацию. Этот процесс приводит к формированию плотной структуры, нерастворимой в органическом растворителе - уксусном эфире метил пропилен гликоля (PGMEA). Материал в областях, которые не подвергались облучению, растворяется в этом растворителе, формируя тем самым обратное отображение маски. Реакции образования полимерных цепей показаны на рис 3.


Рис 3. Процесс образования цепей полимеров, запускаемый фотокислотой.
Свойства материала SU-8

  SU-8 обладает несколькими свойствами, делающими его привлекательным для использования в качестве структурных и диэлектрических материалов. Во-первых, из него на традиционном оборудовании за один технологический проход можно формировать слои толщиной 2...1000 мкм. Во-вторых, он обладает исключительной оптической прозрачностью, что делает возможным проведение четкой регулировки нанесения следующих слоев литографическим методом. В-третьих, конечная полимерная структура с большим количеством поперечных связей обладает высокой химической устойчивостью и хорошими температурными характеристиками, позволяющими выдерживать технологические процессы с температурами, превышающими 250 °С. И, наконец, SU-8 обладает отличными механическими свойствами. В таблице 1 приведены некоторые механические, физические и электрические свойства SU-8.

Таблица 1. Основные свойства SU-8.
Характеристика Значение Примечание
  Модуль упругости Е, ГПа   4, 95 ±0,42   Процесс спекания при 200 °С, тест деформации балки
  Коэффициент Пуассона   0,22   Процесс спекания при 95 °С
  Температура стеклования Тg   ≈ 55   Для пленки, не подвергавшейся облучению (без образования полимерных связей)
  Температура стеклования Тg, °С  > 20   Для полностью заполимеризованной пленки (после процессов облучения и спекания при 200 °С)
  Температура разрушения Тg, °С   ≈ 380   Для полностью заполимеризованной пленки (после процессов облучения и спекания при 200 °С)
  Коэффициент теплового расширения, (Рpm (промиль)°С)-1   52,0 ±5,1   Процесс спекания при 95 °С, термоцикличный тест при нанесении на кремниевую подложку
  Теплопроводность,Вт×м-1К-1   0,2   Приведено значение типичное для всех полимеров
  Усадочная деформации   0,075   Процесс спекания при 95 °С
  Относительная диэлектрическая проницаемость е при 10 МГц   3-4   Процесс спекания при 100 °С
Работа с материалом SU-8

  Материал SU-8 производится MicroChem Corp., Newton, Massachusetts. Существует шесть стандартизированных типов SU-8, которые различаются процентным содержанием твердой смолы SU-8 в растворителе. Толщина получаемой пленки для каждого типа SU-8 напрямую зависит от вязкости и скорости вращения установки. В таблице 2.12 приведена толщина конечного слоя при скорости вращения 900 оборотов в минуту для разных типов материала SU-8.

Таблица 2. Зависимость толщины слоя от вязкости при скорости вращения 900 об/мин
SU-8 Процент твердого компонента, % Кинематическая вязкость, сантистокс Толщина, мкм
5 51,8 265 12
10 59,1 989 30
25 63,3 2646 58
50 69,1 14953 150
100 72,9 52407 320
Раздел материал SU-8 составлен с использованием материалов книги В. Варадан "ВЧ МЭМС и их применение"[13].

[предыдущая страница] [главная страница] [следующая страница]
[вверх]

© Лацапнёв Евгений, Яшин К.Д.  mems@tut.by
Кафедра "Интеллектуальные системы". БНТУ.
Словарь / Ссылки
Rambler's
Top100 Rating All.BY
Сайт управляется системой uCoz