MEMS厚胶光刻工艺有哪些步骤

在我们享受着越来越小巧、功能越来越强大的电子产品时，你是否想过，是什么让这些精密的“小玩意儿”得以诞生？答案之一，就藏在名为“MEMS”（微机电系统）的微小世界里。MEMS技术，如同一个神奇的微缩工厂，将电路、传感器、执行器等集成在微小芯片上，将传统机电系统缩小到微米甚至纳米尺度。从我们手机里的加速度计，到汽车上的安全气囊传感器，再到精密的医疗检测设备，MEMS无处不在，深刻地改变着我们的生活。

制造这些微小的“机器”需要极其精密的工艺。MEMS制造工艺很大程度上借鉴了半导体和微电子技术，其中，“光刻”便是至关重要的一环。你可以把光刻想象成一种极其精细的“印刷”或“雕刻”技术，它利用光能，在特殊的光敏材料（光刻胶）上“绘制”出微小的图案，最终形成器件的结构。

随着MEMS器件向着更高集成度、更复杂结构发展，许多应用场景（尤其是生物医学领域）需要制造具有“高深宽比”的结构——简单来说，就是结构非常“高”而“窄”。比如，在生物芯片中，我们需要制造微小的“管道”来操控液体，这些管道可能只有几微米宽，但深度却要达到几十甚至上百微米。这就好比要在一块薄薄的基板上，雕刻出深而陡峭的峡谷。

为了实现这种“深沟高垒”般的结构，常规的光刻胶往往力不从心。这时，“厚胶工艺”就闪亮登场了。厚胶，顾名思义，就是能够形成非常厚涂层的光刻胶。其中，SU-8系列负性光刻胶用的最多。

SU-8胶之所以能制造高深宽比结构，得益于它的特性。作为负性胶，它在受到紫外光照射后会发生交联反应，变得坚硬且耐腐蚀。更重要的是，它可以通过旋涂方式达到数百微米的厚度，并且曝光显影后，形成的图案边缘近乎垂直，深宽比可以达到惊人的10:1！这使得它成为制造微流控通道、高密度电极等复杂MEMS结构的理想选择。

厚胶光刻工艺可以分解为一系列严谨而精妙的步骤：

预处理：像盖房子需要平整的土地一样，基板（通常是硅片、石英或玻璃）需要经过清洗、干燥，有时还要进行“热烘”或使用特殊化学物质（如HMDS）处理，目的是让光刻胶能牢牢地“粘”在基板上。

旋涂：将液态的SU-8胶滴在基板上，然后高速旋转。旋转速度由慢到快，先是让胶液均匀铺开，然后高速旋转甩掉多余部分，最终形成目标厚度的均匀胶层。这个过程需要精确控制转速和时间。

前烘：旋转后，胶层中仍含有溶剂。通过加热（前烘），让溶剂挥发掉。这一步非常关键，烘不充分，后续显影时图形边缘就会“塌方”，影响垂直度，甚至可能导致胶层“漂浮”（漂胶）。

曝光：将带有设计图案的掩模版（或使用无掩膜光刻机的数字图案）覆盖在胶层上，用紫外光照射。被光照到的区域发生交联，变得稳定。

后烘：曝光后再次加热（后烘），使图案更清晰，同时还能减少光在胶层内部反射造成的“驻波效应”，进一步提升侧壁质量。

显影：将基板浸入特定的显影液（如SU-8常用PGMEA和IPA交替处理）中，未曝光的SU-8胶被溶解洗掉，而曝光交联的部分则保留下来，形成我们想要的微纳结构。对于深宽比特别大的结构，有时会采用倒置超声辅助显影，帮助去除深处的未曝光胶。

坚膜：最后再进行一次更高温度的烘烤（坚膜）。这一步能进一步增强胶层与基底的结合力，提高胶层的机械强度和耐化学腐蚀能力，消除内部应力，让整个结构更稳固。

传统的光刻需要使用物理掩模版，制作成本高、周期长。而像托托科技这样的企业，推出的无掩模光刻机则提供了更灵活的方案。它利用数字微镜器件（DMD）像投影仪一样，将计算机设计好的图案直接“打印”到光刻胶上。这种方式不仅大大缩短了研发周期，降低了成本，还能轻松实现厚胶工艺中的单层光刻甚至多层精确套刻，为MEMS设计师们打开了更多结构创新的可能性。

MEMS厚胶光刻工艺，就像是一位技艺高超的微雕大师，用光和化学物质为笔，在微观尺度上描绘出精密的结构。它不仅是制造MEMS器件的关键技术，更是推动生物医学、消费电子等领域不断进步的隐形力量。下一次当你拿起小巧的电子产品，或使用便捷的医疗检测工具时，不妨想想这背后，厚胶光刻工艺所创造的微小而伟大的奇迹吧。