IH工艺的发展及应用

关键词：IH工艺；立体光刻；抗蚀剂

中图分类号：TN305.7 文献标识码：A 文章编号：1671-4776（2003）11-0034-06

随着微机电系统在各个领域的广泛使用，需要产生复杂曲面和各种形状微结构的加工方法。目前用于微尺寸加工的主要技术为基于IC工艺的平面硅工艺和立体硅工艺、LIGA工艺和基于深层近紫外光刻技术的准LIGA工艺。这些工艺都有一个共同的缺陷——不能加工出任意曲面的立体构件，这给微机电系统的设计和功能实现带来了很大的障碍。为实现微结构的真三维加工，日本Ikuta教授于1992年开发了一种新的微加工工艺—IH（Integrated Harden Polymer Stereo Lithography——集成固化聚合物立体光刻）微立体光刻技术[1]，并在其后近10年的时间里相继开发出了基于ＩＨ的Mass IH，Super IH，Hybrid IH和Multi-polymer IH等一系列适合MEMS发展需要的新工艺，并使用这些工艺加工出了相应的微三维结构。本文对以上各工艺进行了较为详细地描述。

2 IH工艺[1]

IH立体光刻工艺是从宏观的立体光刻技术发展而来的，光刻的对象是液态紫外抗蚀剂，该抗蚀剂能够在紫外光的照射下产生固化现象。

为了得到紫外光聚合物的三维结构，首先需要加工出二维片状结构，称之为片状单元。这些片状单元可以很容易地通过CAD系统得到。[1]表示了三维结构和片状单元之间的关系，即三维结构是由紫外线固化液体抗蚀剂形成的片状单元堆积而成的。使用IH工艺可以加工聚合物和金属等多种材料[1]。

IH工艺的加工设备主要有紫外光源、XYZ工作台、安装在精密的X-Y台上的抗蚀剂小容器、光闸、透镜和微机等，如[1]所示。光刻时，在计算机控制下，固定在Ｚ台上的透明玻璃板下降到抗蚀剂中，使其保持与容器底平面一个分层厚度的距离，该厚度内充满了抗蚀剂；紫外光通过光闸、透镜以及透明玻璃板聚焦到液态抗蚀剂上，将抗蚀剂固化形成两维图形（即片状单元）；然后Ｚ台、玻璃板和镜头轻轻提升，液态抗蚀剂又充满玻璃板和刚刚固化的抗蚀剂之间，重复该作图过程直到终形成三维聚合物结构。用这种结构做模子进行电铸又可获得三维金属微结构。

IH设备的主要参数为：

光斑尺寸：5μm

位置：0.25μm（X/Y向）

1.0μm（Ｚ向）

硬化尺寸：5μm×5μm×3μm（XYZ）

加工速度:30min

IH工艺主要具有如下优点[1]：

(1)不需掩模，并与CAD／CAM系统相连，具有极大的加工灵活性；(2)成型材料多样性，可以是聚合物也可以是金属；(3)设备简单、成本低、生产周期短；(4)理论上可以制作深宽比为任意值的复杂三维器件。

该工艺的分辨率当时仅为微米级，且由于微尺寸效应还存在以下难点[1]:

在微尺寸情况下，由于液态紫外聚合物粘性相对增大，形成的硬化微结构容易发生变形和破坏；已硬化的聚合物与透明板之间的粘结力使它们不易分离。解决上述问题的途径主要是减少紫外光束的光斑尺寸；优化光束的能量密度、扫描速度及焦深；改进加工设备[2]，减少聚合物的硬化单元尺寸等。

使用该技术，已加工出微型螺旋弹簧、聚合物弯曲管等三维微器件，如[1]所示。

3 Mass IH工艺[2]

Mass IH工艺是为了满足广泛用于微化学分析、生物医学应用和生物工艺学的微集成流体系统ＭＩＦＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｆｌｕｉｄ Ｓｙｓｔｅｍ）的需要，在ＩＨ工艺的基础上，通过使用微光导纤维阵列将单光束扫描换成多光束扫描而开发出的立体光刻工艺，它是Ｉｋｕｔａ教授1996年提出的，这时ＩＨ工艺的分辨率已经达到2μm[2]。Ｍａｓｓ ＩＨ工艺的设备如[2]所示。

Mass IH工艺中主要使用了“光导纤维多光束扫描”技术，这些光导纤维是由同一个光源点分出的，它使得该工艺既能保证整个扫描区域的同步又能保证整个区域的统一度。从理论上讲光导纤维的数目可以为无穷大，即可以同时加工无穷多个结构相同的微器件。

Mass IH工艺除具有ＩＨ工艺的优点外还具有如下主要特点[2]：(1)整个扫描区域具有同一度；(2)可以批量加工三维器件；(3)系统光路简单。

但该工艺仍没有克服ＩＨ工艺的缺陷。

[2](a)，(b)给出了批量制作的三维微结构。(a)中带有小窗口的微管道是在40 ｍｉｎ内完成的，每个管道的截面积为250 μm2、高900 μm。(b)为使用Mass IH工艺在直径为4.5 ｍｍ的桌面上同时加工出的5个微管道，这些器件证明了Mass IH工艺的可行性。

4 Super IH工艺[3,4]

由于IH和Mass IH技术是建立在一层层微片状单元堆积的基础上，因而它们都存在如下问题[3,4]：

(1)堆积层的厚度限制了器件的纵向分辨率；(2)受液态紫外聚合物的粘性影响，已形成的硬化微结构容易发生变形和破坏；(3)由于液体抗蚀剂表面张力的影响，三维加工的降低。

为了克服这些缺点，1998年Ｉｋｕｔａ开发出了Super IH工艺[3]。与ＩＨ和Mass IH技术的不同之处在于，Super IH工艺不是通过层层堆积加工三维器件的，它是通过将激光束聚焦在液体抗蚀剂内部，固化焦点处极小区域的液体抗蚀剂。然后将光束焦点在液体内部进行三维扫描而完成三维加工。在这个工艺中，即使激光束聚焦到抗蚀剂内部，也只有焦点处的抗蚀剂被固化。这是因为固化反应并不和曝光量成比例，只有曝光量超过临界值时，固化才能发生。[3,4](a)，(b)展示了传统的立体光刻技术和Super IH技术的不同工艺。

传统的立体光刻工艺（(a)所示）是通过将激光束聚焦到抗蚀剂液面上进行层层固化、层层堆积完成的。而ＳｕｐｅｒＩＨ工艺（(b)所示）是通过将激光束聚焦在抗蚀剂内部，使焦点处极小区域的抗蚀剂固化，然后在液体内部的三维空间内进行焦点扫描，完成三维器件的加工。因此，Super IH具有如下优势[3,4]：

(1)纵向、横向的分辨率是由光束焦点的大小决定的，其分辨率已达亚微米；()2不需支撑部件和牺牲层就可容易地加工出可自由活动的微器件；(3)由于整个光刻过程中在液体内部没有部件移动，因而完全消除了液体的粘性和表面张力所造成的不良影响。

[3,4](a)，(b)以制作轴和齿轮为例说明了上述的优点。(a)是常规的立体光刻方法，需要柱状物支撑齿轮。(b)是Super IH方法，不需要支撑物。

[3,4]为使用Super IH方法加工出的三维可动微器件——微环旋转体。

5 Hybrid-IH工艺[5,6]

Hybrid-IH（即杂合ＩＨ）工艺是Ｉｋｕｔａ教授在1994年基于下列情况而开发出的一种新技术[5,6]。

(1)由于硅材料具有在其上不能加工出三维微流体通道、透明性差、难于在其上加工出混合和复合结构等缺陷，因而它不是制作生物化学等片上微系统的材料；

(2)即使使用深度Ｘ射线光刻，硅工艺也只能加工出具有高深宽比的微结构，而不能加工出真三维结构；(3)ＩＨ工艺可以使用不同的液体抗蚀剂来加工三维微结构，并且大多数紫外抗蚀剂是透明的，因而可以观察到其内部的各种化学成分。

所谓“杂和”是指将聚合物部件和其他类部件（如电子器件等）组合而形成符合需要的复合结构。[5]说明了使用杂合ＩＨ工艺加工三维结构的顺序。(b)是在聚合物固化过程中放入超滤薄膜的一个示例。将没有固化的抗蚀剂冲洗掉就可在滤膜周围形成一个小的空腔。

该工艺可以将传统的硅微加工工艺和ＩＨ工艺结合起来，用以加工像微集成流体系统（MIFS）这样的三维微结构，如［６］所示。利用这种独特的工艺可以将很多电子和机械部件有效地组合起来，不用任何装配工艺就可加工出各种各样的微化学设备（如微流体器件等）。

由于在整个过程中不需要焊接工艺，因而较易完成芯片的无泄漏封装。利用该方法可以加工出其他任何微加工工艺所无法生产的杂和结构。

[6]展示了Hybrid IH工艺的基本概念。其中(a)中的微管、注射器、柱状物和元件等都是用ＩＨ工艺加工而成的；(b)中的传感器、执行器和计算电路都是由硅加工工艺完成的。然后合成一个如所示的微结构。[5]为使用该工艺加工的微浓缩器。

虽然该工艺可以加工出包含有执行器、传感器及其他化学部件在内的三维聚合物微结构。但其在小型化方面具有局限性，因为它难于准确地将亚微米尺寸的组件布放到聚合物三维微结构中。

6 Multi-polymer IH工艺[7]

Multi polymer IH工艺是Ｉｋｕｔａ在2001年提出的[7]。其主题思想就是在同一加工过程中使用几种不同的抗蚀剂产生具有多层次的微结构，加工出全聚酯功能器件。

利用该方法，通过组合具有不同光、电、机械特性的光敏聚合物可以加工出传感器、执行器和光学器件等复合微结构。由于这个工艺不需要其他类材料组件的集成，因而适合于微聚合物功能器件的生产，其加工工艺如[7]所示。首先加工出聚合物Ａ的三维微结构，然后在其上用聚合物Ｂ加工出其他层次的微结构。每一层都用刮板进行刮平，通过层层更换聚合物，就形成了一个具有多种光敏聚合物的三维结构。[7]展示了该工艺加工设备。它主要由激光扫描系统、贮液筒和滚子泵组成。贮液筒用于存放液体抗蚀剂，滚子泵用于供应抗蚀剂。加工时，激光束被聚焦到抗蚀剂表面并按照横截面图形进行扫描固化。每一种抗蚀剂都由一个滚子泵单独供应，然后用刮板进行刮平。该系统主要具有如下优势。

(1)抗蚀剂易于快速切换；(2)操作简单；(3)使用贮液筒以节约抗蚀剂。

[7]为使用该工艺加工出的光波导图片。波导的外层是由5层反射率较低（ｎ=1.51）的抗蚀剂加工而成，每层厚100μｍ。波导芯是由反射率较高（n＝1.55）的抗蚀剂加工而成，波导芯的宽度约为150 μｍ。[7]为波导加工过程示意图。

7 结论

IH系列工艺是Ｉｋｕｔａ教授在近10年的时间里开发出的一系列新技术，使用这些工艺可以很容易地加工出复杂的具有透明、可动、杂和等特性的三维结构，与硅立体刻蚀工艺和ＬＩＧＡ技术相比具有很大的优越性。ＬＩＧＡ技术能制作高、高深宽比的立体微细结构，但其主要加工陡直的结构，难于加工各种微曲面和结构较为复杂的器件，不能更好地适应ＭＥＭＳ发展的需要。ＩＨ系列工艺从理论上能加工出任意曲面和任意高深宽比的复杂结构，能够满足ＭＥＭＳ发展的需要。但由于该工艺中使用的光源为紫外光源，光斑尺寸和光刻分辨率受到光学性质的限制；再加上X，Y向的扫描是靠机械移动来完成的，其加工受到限制，分辨率目前仅为亚微米级。如果能将电子束曝光技术引进到ＩＨ工艺中，上述问题就可能得到解决，这将为ＭＥＭＳ的发展提供更多更好的微器件。