SU-8光刻胶及SU-8模具详细介绍

SU-8是一种基于环氧树脂的负性光刻胶，由IBM于20世纪80年代开发，广泛应用于微电子、微机电系统（MEMS）、微流体器件和生物医学等领域。其核心优势在于能够形成高纵横比（高度与线宽比）的微结构，同时具备优异的机械强度和化学稳定性。

一、 成分与光化学机理

• 主要成分：

• 环氧树脂基质：双酚A型环氧树脂，提供交联后的机械强度。

• 光酸发生剂（PAG）：吸收紫外光后释放酸，催化环氧基团交联。

• 溶剂（如γ-丁内酯）：调节黏度，便于旋涂成膜。

• 光反应过程：

• 紫外光（波长365-405 nm）照射后，PAG释放酸。

• 后烘（PEB）时酸催化环氧树脂发生阳离子开环聚合，形成三维交联网络，变为不溶性。

二、SU-8模具的制作与应用

1. SU-8模具的定义

SU-8模具是通过光刻工艺在基材（如硅片、玻璃）上形成的高精度微结构，用于复制其他材料（如PDMS、金属、陶瓷）的微纳结构。其核心优势在于高保真度和复杂几何形状的兼容性。

2. SU-8模具制作流程

1. 基材预处理：

• 清洗硅片/玻璃（丙酮、异丙醇超声清洗）。

• 增粘处理（如HMDS涂覆）以增强SU-8粘附性。

2. 旋涂SU-8：

• 根据目标厚度选择SU-8型号（如SU-8 2050用于100 μm厚胶）。

• 低速旋涂（200-500 rpm）均匀铺胶，高速（1000-3000 rpm）控制厚度。

3. 前烘（Soft Bake）：

• 阶梯升温（如65°C 5分钟→95°C 30分钟）去除溶剂，避免热应力裂纹。

4. 曝光：

• 使用掩模版（铬版或胶片掩模）定义图案。

• 紫外曝光剂量根据厚度调整（例如，100 μm厚胶需约300 mJ/cm²）。

5. 后烘（PEB）：

• 95°C加热10-15分钟，促进酸催化交联反应。

6. 显影：

• PGMEA浸泡1-5分钟，超声辅助去除未曝光区域（显影时间过长可能导致结构溶胀）。

7. 坚膜（可选）：

• 150°C退火30分钟，增强机械强度并减少内应力。

3. SU-8模具的典型应用

• PDMS微流控芯片复制：

• SU-8模具用于浇注PDMS预聚体，固化后剥离，形成微通道、腔室等结构。

• 优势：高精度复制（如10 μm宽通道）、可重复使用数十次。

• 金属电铸（LIGA工艺）：

• SU-8模具作为牺牲层，电镀镍、铜等金属后，通过化学腐蚀去除SU-8，得到金属微结构。

• 应用：微型齿轮、射频MEMS器件。

• 陶瓷/聚合物微成型：

• 将陶瓷浆料或熔融聚合物注入SU-8模具，烧结或固化后脱模。

• 应用：生物陶瓷骨支架、光学透镜阵列。

4. SU-8模具的优势

• 高精度：支持纳米级边缘清晰度。

• 复杂三维结构：可制作悬臂、通孔、多层堆叠结构。

• 低成本快速原型：相比硅刻蚀或激光加工，工艺简单、周期短。

5. SU-8模具的局限性及解决方案

• 脱模困难：

• 问题：SU-8与PDMS粘附强，脱模易损坏。

• 解决：模具表面氟化处理，降低粘附力。

• 内应力导致开裂：

• 问题：厚胶（>500 μm）烘烤时热应力累积。

• 解决：优化升降温速率（1-2°C/min），或使用SU-8 3000系列（低应力配方）。

• 显影残留：

• 问题：深宽比大的结构显影不彻底。

• 解决：延长显影时间、交替浸泡与冲洗，或使用超声辅助显影。

三、SU-8模具与其他模具材料的对比

总结

SU-8光刻胶不仅可直接用于微结构制造，其作为模具材料的高精度和工艺兼容性，使其在微流控、MEMS、生物医学等领域成为不可替代的工具。实际应用中需结合工艺优化（如烘烤程序、显影控制）和表面处理技术，以充分发挥其潜力。