技术领域
[0001] 本
发明属于微加工工艺技术研究领域，涉及一种多层SU-8模具的制作方法，应用在微
机电系统、组织工程、
生物力学等领域。
背景技术
[0002] 聚二甲基
硅氧烷（polydimethylsiloxane,PDMS）是一种高分子有机硅化合物，它具有材料价格低廉、透光性和
生物相容性好、芯片制作工艺简单等优点，已逐渐成为微流控芯片等各种生化微芯片的一种主要加工材料。
[0003] PDMS微芯片上的微结构主要采用浇注成形的方法进行加工，而浇注成形所用到的模具材料主要有硅和SU-8胶。硅模具的加工成本较高，而且难以加工出复杂的三维微结构。SU-8是一种环氧基的负性的厚光刻胶，它具有良好的力学性能，而且通过采用多次甩胶、曝光和一次显影的方法，可以低成本地制作出三维的多层SU-8模具。但是，该方法存在的一个主要问题是：当进行上层SU-8胶曝光时，要避免下层SU-8胶不需要被曝光的区域被曝光。这个问题限制了该方法的应用范围，使得该方法无法制作出含有横截面宽度逐渐减小的型腔结构，例如，倒T形型腔的SU-8模具，或者是含有横截面宽度逐渐增大的凸起结构，例如T形SU-8模具。为了解决这个问题，目前已报道的主要方法有：控制曝光剂量法、分层制作法、内嵌金属掩膜法。控制曝光剂量法需要进行大量的实验，来确定每层SU-8胶的曝光剂量，才能够使得上层的曝光过程不影响下层SU-8胶。分层制作法需要将每层SU-8胶制作在一个临时基底上，然后再将各层严格地对准并键合到一起形成三维的SU-8结构，该方法的主要难点是临时基底的去除以及各层之间的对准和键合。内嵌金属掩膜法是通过在两层SU-8胶之间嵌入一层金属掩膜来保护下层SU-8胶，该方法同样涉及到最后金属掩膜的去除问题。
发明内容
[0004] 本发明的目的是克服现有制作方法的
缺陷，提供一种工艺过程相对简单的用于多层SU-8模具制作的方法。本发明提出的基于光刻胶牺牲层技术的多层SU-8模具制作方法，采用一种正性光刻胶作为牺牲层，在下层SU-8胶上构建一个临时基底，这样一方面可以解决在上层SU-8胶曝光时，下层SU-8胶不需要被曝光的区域被曝光的问题；另一方面这层正性光刻胶可以作为
旋涂上层SU-8胶时的一个临时基底，由于SU-8胶的显影液可以溶解这个正性光刻胶，因此在上层SU-8胶显影过程中，这个正性光刻胶可以很容易地被去除掉，而不需要额外的去除过程。
[0005] 本发明采用的技术方案是一种多层负性光刻胶模具制作方法，其特征是，采用一种正性光刻胶作为牺牲层，在下层SU-8胶上构建一个临时基底，在前两层SU-8胶曝光完成后同时显影；使用正性光刻胶对显影后的图形区域进行填充，在热板上烘干直到填充的光刻胶完全
固化；采用湿法
研磨抛光技术去除多余的光刻胶并对整个胶层的平整度进行修整，具体制作方法如下：
[0006] （1）制作第一层SU-8胶
[0007] 首先利用匀胶机在已经制作好对准标记点的
硅片上旋涂SU-8胶；然后，在热板上进行前烘处理，随热板加热到60℃保持10分钟，升至85℃，保持1小时，随板冷却；用紫外
光刻机对SU-8胶进行曝光，曝光110s，后烘85℃，时间为1分钟，随热板降温，不显影。
[0008] （2）制作第二层SU-8胶
[0009] 第二层SU-8胶的制作工艺包括第二层SU-8胶的旋涂、前烘处理、曝光和后烘处理过程都与第一层相同；
[0010] （3）在SU-8胶的显影剂中，第一层和第二层SU-8胶被同时显影6分钟；显影完成后，在热板上进行
烘烤，烘烤
温度为85℃，时间为30分钟；
[0011] （4）正性光刻胶填充
[0012] 采用滴注的方式，用正性光刻胶填充到由前两层SU-8胶组成的型腔中，并在热板上对这种正性光刻胶进行烘烤，使其完全固化。烘烤温度为65℃，烘烤时间为5小时，填充的正性光刻胶
覆盖了SU-8结构；
[0013] （5）采用湿法研磨抛光的方式对填充后的胶层表面进行修整，用正性光刻胶进行研磨抛光，在研磨过程中不断在
砂纸上喷洒
冷却水，用以减小研磨过程中的
摩擦力，并将磨下的胶材料及时带走，去除不必要的多余正胶；研磨直至露出底层的SU-8胶为止，得到一个平整的正性光刻胶临时基底，并对整个胶层的平整度进行修整；
[0014] （6）制作第三层SU-8胶。第三层的SU-8胶的旋涂、前烘处理、曝光和后烘处理过程都与第一层相同；
[0015] （7）对第三层光刻曝光后的光刻胶显影，第三层SU-8胶的显影过程以及显影完成后的烘烤过程都与前两层相同，由于，SU-8胶的显影液溶解正性光刻胶，所以溶解了填充的正性光刻胶牺牲层，完成模具的制作。
[0016] 本发明的显著效果是能够通过一种正性光刻胶作为牺牲层，解决当相邻两层SU-8胶的上层曝光时，下层SU-8胶不需要被曝光的区域被曝光的问题，同时这种正性光刻胶会随着上层SU-8胶的显影过程被去除掉，因此不需要额外的牺牲层去除工序，显著降低了多层负性光刻胶模具的制作难度。
附图说明
[0017] 图1为第一层SU-8胶光刻示意图，图2为第二层SU-8胶光刻示意图，图3为前两层SU-8胶的显影示意图，图4为正性光刻胶填充示意图，图5为胶层的机械研磨抛光，图6为第三层SU-8胶的光刻示意图，图7为第三层SU-8胶的显影并同时溶解正性光刻胶。其中：1-硅片，2-第一层未曝光SU-8胶，2′-第一层曝光SU-8胶，3-用于第一层胶层曝光掩膜版，4-紫外光，5-第二层未曝光SU-8胶，5′-第二层曝光SU-8胶，6-用于第二层胶层曝光掩膜版，7-正性光刻胶，8-第三层未曝光SU-8胶，5′-第三层曝光SU-8胶，9-用于第三层胶层曝光掩膜版，a-前两层SU-8显影结构，b-机械研磨后形成的牺牲层结构，c-第三层显影并同时溶解正性光刻胶后形成的倒T字形型腔模具。
[0018] 图8a为制作完成的SU-8模具照片，图8b为SU-8模具上的其中一个结构单元的显微放大照片，图8c为SU-8模具单元的A-A纵切面扫描电镜照片。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施，对于多层SU-8特殊结构制作中出现的上层SU-8胶曝光时，下层SU-8胶不需要被曝光的区域被曝光的现象，发明了一种基于光刻胶牺牲层制作多层SU-8结构的方法。首先在模具的硅基底上制作出对准标记点，而且在用于制作每层SU-8胶结构的掩膜版上也同样制作出对准标记点，用于确保每层SU-8胶之间的结构
位置关系。当相邻两层SU-8胶上的图形结构之间不存在曝光区域相互干涉的问题时，采用分别曝光、一次显影的方法进行加工。当遇到相邻两层SU-8胶上的图形结构之间存在曝光区域相互干涉的问题时，首先进行底层SU-8胶的曝光和显影过程，制作出底层的结构；接着，在底层SU-8胶上覆盖一层正性光刻胶，正性光刻胶的厚度要略超过底层SU-8胶的厚度，并对正性光刻胶进行烘干处理；然后，利用机械研磨抛光的方法，去除掉多余的正性光刻胶，直至露出底层SU-8胶为止，便得到了一个平整的正性光刻胶临时基底。最后，在这个正性光刻胶临时基底上旋涂上层的SU-8胶，并进行曝光和显影。如前所述，由于SU-8胶的显影液可以溶解这个正性光刻胶，因此这个正性光刻胶的临时基底可以随着上层SU-8胶的显影过程被同时去除掉，不需要引入其他的牺牲层去除工艺。以一种含有倒T形型腔结构的三层SU-8模具为例，如图1所示。含有倒T形型腔结构的三层SU-8模具的具体制作工艺流程如下：
[0020] （1）制作第一层SU-8胶，如附图1所示。首先在模具的硅基底上制作出对准标记点，而且在用于制作每层SU-8胶结构的掩膜版上也同样制作出对准标记点，用于确保每层SU-8胶之间的结构位置关系。利用匀胶机在已经制作好对准标记点的硅片上旋涂一层SU-8胶；接着，在热板上进行前烘处理。先加热到60℃，保持10分钟，再升至85℃，保持1小时，随板冷却。然后，利用德国 MicroTec公司研制的MA/BA6型紫外光刻机对SU-8胶进行曝光，曝光时间为110秒。最后，在热板上进行后烘处理，后烘温度为85℃，时间为1分钟，随热板降温，不显影。
[0021] （2）制作第二层SU-8胶，如附图2所示。第二层SU-8胶的旋涂、前烘处理、曝光和后烘处理过程都与第一层相同。
[0022] （3）前两层SU-8胶的显影，如附图3所示。在SU-8胶的显影剂中，第一层和第二层SU-8胶被同时显影6分钟。显影完成后，在热板上进行烘烤，烘烤温度为85℃，时间为30分钟。
[0023] （4）正性光刻胶填充，如附图4所示。采用滴注的方式将北京化学
试剂研究所生产的BP212正性光刻胶填充到由前两层SU-8胶组成的型腔中，并在热板上对这种正性光刻胶进行烘烤，使其完全固化。烘烤温度为65℃，烘烤时间为5小时，填充的正性光刻胶覆盖了SU-8结构。
[0024] （5）正性光刻胶的研磨抛光，如附图5所示。利用一台精密研磨抛光机对正性光刻胶进行研磨抛光，在研磨过程中不断在砂纸上喷洒冷却水，用以减小研磨过程中的摩擦力，并将磨下的胶材料及时带走，研磨直至露出底层SU-8胶为止，得到一个平整的正性光刻胶临时基底，并对整个胶层的平整度进行修整。
[0025] （6）制作第三层SU-8胶，如附图6所示。第三层SU-8胶的旋涂、前烘处理、曝光和后烘处理过程都与第一层相同。
[0026] （7）第三层SU-8胶的显影，如附图7所示。第三层SU-8胶的显影过程以及显影完成后的烘烤过程都与前两层相同。由于SU-8胶的显影液可以溶解BP212正性光刻胶，因此由正性光刻胶构建的临时基底随着显影过程被去除掉，得到了含有倒T形型腔结构的三层SU-8模具，完成模具的制作。
[0027] 图8a为制作完成的SU-8模具照片，图8b为SU-8模具上的其中一个结构单元的显微放大照片，图8c为SU-8模具单元的A-A纵切面扫描电镜照片。由制作完成的SU-8模具结构可以看出本发明完全能够实现倒T形型腔模具的制作，并能应用于更多层的复杂三维SU-8结构的制作。
[0028] 本发明采用一种正性光刻胶作为牺牲层材料，在曝光区域存在相互干涉的相邻两层SU-8胶之间构建了一个临时基底，不仅解决了在上层SU-8胶曝光时，下层SU-8胶不需要被曝光的区域被曝光的问题，而且正性光刻胶在上层SU-8胶显影过程中可以被同时去除掉。本发明的制作过程简单，而且与现有的微加工工艺兼容，具有很强的实用性。
