鄭志龍 / 工研院材化所
高深寬比厚膜絕緣樹脂材料，尤其適合於微細結構製造。其主要特點包括能夠形成非常厚且精確的結構，並具有高機械強度和良好的化學穩定性；另導入脂肪族結構，可以提升紫外線至近紅外波段的光學透明性；此外，由於其能承受高達200˚C的溫度，適合高溫應用，因此高深寬比厚膜絕緣樹脂被廣泛應用於微流體學、生物醫學、光學元件和微型感測器等領域，是製造高精度微型結構的理想選擇。本文將就泛用的高深寬比絕緣樹脂材料的特性及其製程作一概括介紹，並說明工研院材料與化工研究所開發之厚膜光阻材料。
【內文精選】
高深寬比絕緣材料介紹
SU-8透過單次旋塗即可得到均勻的厚膜光阻層，適用於標準的紫外光微影技術。此光阻最初由IBM開發，MicroChem公司取得了IBM的專利授權，推出了商業化產品NANO™ XP SU-8。根據不同膜厚需求，SU-8有不同的代號(如SU-8 5、25、50、100等)，不同代號的光阻具有不同的黏度，其黏度取決於溶劑含量的多寡。SU-8光阻的成分包括：高分子(雙酚A酚醛型環氧樹脂，Biphenol-A Novolac Epoxy Resin)、溶劑(GBL，γ-Butyrolactone)、感光劑(三芳基氟化硼鹽，HSbF6)。SU-8具有兩個重要特性，使其適用於厚膜光阻製程應用：①SU-8具有低分子量但可以成膜的能力，這使得其易於溶劑滲入並分解，以形成高固含量的混合物；②在近紫外光譜中，SU-8具有低的光吸收性，使其具有高的光透過性。
圖三為SU-8光阻的化學反應機制，光阻經由紫外光照射後，首先以感光劑產生光分解反應釋放出質子酸，而SU-8樹脂上的環氧基在酸催化下而開環，形成帶有氫氧基的羰根陽離子中間體，此中間體會與另一個環氧基反應形成新的鍵結，也就起始了環氧基的交聯反應；而新形成的羰根離子又會再向下個帶有環氧基的SU-8樹脂起交聯反應，如此進行鏈鎖反應，因此在很短的時間內，原本是小分子的SU-8樹脂因照光及曝後烤的熱擴散作用，成為高度交聯不易溶解的巨大分子結構。
圖三、SU-8光阻的化學反應機制
為了加快光阻溶劑的揮發速率，以縮短軟烤(Soft Bake)時間，2001年MicroChem公司提出了2000系列SU-8光阻，它同樣由三種主要成分組成：①高分子：雙酚-A酚醛型環氧樹脂；②溶劑：CP(環戊酮，Cyclopentanone)；③感光劑：三芳基氟化硼鹽(HSbF6)。
完成光阻軟烤程序後，讓光阻層在室溫的環境冷卻10分鐘，接著進行曝光程序。在曝光中，最重要的考量就是解析度的好壞，而解析度的好壞則取決於光源繞射現象。目前大部分高深寬比絕緣材製程所使用之曝光機為接觸式曝光機，光罩與光阻是為緊密接觸的，所以光罩與光阻上之圖形轉移後幾乎為1:1之比例，因此解析度非常好，繞射現象較不易產生。但是光罩上易沾附膠，所以每次曝光後都必須再清洗光罩，以確保圖案(Pattern)能完全轉移至SU-8上。另外光罩上圖案的製作，亦是解析度好壞的考量之一，如果光罩上的圖案未做好，顯影後的微結構亦是缺陷。當進行曝光時，以特定光阻膜厚所需的曝光劑量一次完成曝光動作，採用此方式進行曝光程序會造成光阻結構最上層接受較多的曝光劑量，導致光阻產生熱聚集效應，使結構垂直度不佳；可以採用分段曝光的方式進行曝光程序，其條件為每次曝光時間以3秒為限，每段之間的間隔時間為30秒，以減少熱聚集效應。
顯影是決定微結構成敗的最後關鍵，所以對時間的控制非常重要。顯影時間不足，光阻會殘留於微結構邊緣，以致解析度不佳；顯影時間過長，則會把微結構洗掉。顯影後需再用異丙醇進行清洗(Rinse)，而推斷顯影時間是否足夠，可由Rinse時產生的白色液體來斷定，如果有則表示顯影時間不足，需再進行顯影，利用此一特點反覆實驗，可得到較佳之顯影時間。除此之外，光阻與晶圓的附著性不良也容易於顏影時造成光阻的剝落，最後須再以180˚C進行硬烤(Hard Bake)。
工研院開發之厚膜光阻材料
因為一般SU-8厚膜光阻材料，其薄膜顏色偏黃且易脆，尤其是在200 μm以上的透明厚膜應用時更具挑戰。工研院材料與化工研究所導入低極性脂肪族結構，運用Cycloaliphatic Epoxy具有高透明性與快速光硬化反應之特性，搭配不同比例的Multifunctional Epoxy、Cross Linker，來調整整體感光型透明基材的透明性與撓曲性，可以微影方式得到微結構(成孔)，其反應機制如圖六所示 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖六、厚膜光阻材料之反應機制
★本文節錄自《工業材料雜誌》449期，更多資料請見下方附檔。