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软光刻技术

下一节:微流体输运

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软光刻技术课程教案、知识点、字幕

下面我们来介绍在微流体领域里

所广泛应用的一种加工技术

我们把它叫做软光刻

软光刻这个词在英文里面是soft lithography

那么它所表示的是跟我们在半导体制造领域里

所用的硬的石英掩膜版所不同

那么它的掩膜版主要是一些软性材料

它的基本过程包括了母版的制造

弹性体印章的制造

以及以弹性体印章或者以母版为根源

再进行多次复制这样的一个过程

我们来看这幅图

如果利用SU-8作为一种光刻材料

我们能够通过光刻过程来定义

一些SU-8的图形

SU-8的图形实现以后

我们把一种叫做PDMS的材料

浇铸在SU-8的表面

在固化以后可以把PDMS从SU-8

表面上揭下来

这个时候我们就得到了一个与SU-8

图案所互补的一个PDMS的结构

通常情况下

我们把SU-8这个结构成为母版

把PDMS制造出来的结构称为弹性体印章

如果进一步与弹性体印章作为出发点

我们可以通过微接触印刷以及毛细管微模铸等

不同的技术来实现一些与弹性体印章

有关的图案

那么我们就把以这种软性的PDMS作为

图形复制根源的这样的一个过程叫做软光刻

我们先来看一下PDMS

PDMS呢

是一种硅橡胶

它的全称叫做聚二甲基硅氧烷

那么在英文里边我们把它简称为PDMS

在我们常用的PDMS主要是

Dow Corning公司生产的184系列

它是一个双组份的材料

包括基体和固化剂

把基体和固化剂按照一定的比例混合以后加热

就可以得到一个固态的PDMS形态的结构

这两种结构的比例不同

那么它们具有不同的交联特性

那么获得的固态PDMS也有些变化

通常来讲没有固化的PDMS

它是一个透明的状态

粘度很低

流动性非常好

那么固化以后它的表面表现为一定的疏水特性

这幅图给大家看到的就是PDMS这种

硅橡胶的单体

和它聚合时的化学结构

那么PDMS在制造弹性体印章的过程

主要包括下面几个步骤

我们来看一下

首先

把基体和固化剂按照10比1

这是一个非常常用的比例进行混合

然后在真空中去除混合剂中的气泡

去除以后对母版的表面进行一定的预处理

例如硅烷化等

然后将液态的PDMS浇铸在母版表面

进行平整和一定的加温固化

固化可以是从室温到150度范围都可以

温度越高

所需要的固化时间越短

固化以后将PDMS从母版上剥离

那么我们就得到了一个与母版图案互补的

一个PDMS的形状

在固化的过程中

PDMS有一定的收缩率

随着温度的升高

收缩率有所增加

我们来看这个曲线

在140度或者150度左右的时候

PDMS的收缩率大概是3%

而在室温以下的时候的时候

它的收缩率会低于0.5%

那么固化以后的PDMS

表现为一定的疏水特性

但是在我们生化反应或者是一些制造的过程

我们需要一些亲水特性

这个时候我们可以采用等离子体处理的办法

来将表面的疏水特性改变为亲水特性

那么以PDMS的弹性体印章为基础

我们可以通过不同的模式去制造一些

与PDMS结构有一定关联的一些新的图形转移

例如微接触印刷

那么它的过程实际上是将PDMS结构的

下表面固定上一些自组装分子膜的材料

然后与一个平面上的金衬底相互接触

那么

突起的部分与金衬底接触以后

把PDMS表面的自组装分子材料

转移到了金的表面上

这个时候我们就得到了一个

与PDMS突起形状完成一致的结构

以这个结构例如做一个刻蚀

我们就可以把金去掉

也就是把金进行图形化

那么再进一步进行刻蚀

或者进一步沉积

我们就得到了与PDMS突起相同

或者互补的一些结构形式

那么利用这样的一个方式可以转移

非常精细的图形

那么最小的图形分辨率可以做到

十几到几十个纳米

这是一项非常高分辨率的图形转移技术

除此以外我们还可以以PDMS或者

以SU-8母版作为基底进行弹性体的复制

例如以PDMS作为母版时

我们对表面进行一个感性处理以后

可以将液态的PDMS再浇铸在

固态PDMS表面上

然后将二者固化分离以后

就得到了一个互补的图案

这个图案也可以转移非常细小的线条

例如这幅图看到的最小的线条宽度

只有60纳米

那么在软光刻技术里面常用的

还包括压印和热压

所谓的压印是指利用压力将母版上的图形

转移到一个可变形的高分子衬底上

这样的一个过程

例如

我们通过硅加工的办法制造一个硅的模具

然后把另一个聚碳酸酯的衬底与硅相接触

加热到一定温度

使聚碳酸酯发生软化

再施加一定的压力

让聚碳酸酯变形填充硅的结构

最后将二者剥离开以后

我们就得到了一个与硅图案互补的

聚碳酸酯的图案

这个过程既可以通过增大压力来实现

也可以通过来提高温度

使材料进入到一个软化态进行实现

那么以PDMS作为出发点

我们还可以通过毛细管微模铸的办法

来进行图形化

像这幅图我们看到的

把一个PDMS结构倒扣在芯片衬底上

那么在管道的开口边缘滴入一些液态的

高分子材料

由于管道的毛细作用会把液态的材料

吸入到管道内部

那么加热固化把PDMS剥离以后

我们就得到了与PDMS结构互补的

一些结构形式

这样的一个制造方法也可以实现

非常精细的结构

但是它有一个限制条件就是

我们不容易实现一些独立的结构

例如一些独立的铸体等等

主要是由于这些独立的铸体没办法

从侧壁的边缘将可流动的高分子材料吸入

MEMS与微系统课程列表:

第一章 概述

-第1小节 MEMS的定义

--MEMS的定义

-第1小节 MEMS的定义--作业

-第2小节 MEMS的应用领域

--MEMS的应用领域

-第2小节 MEMS的应用领域--作业

-第3小节 MEMS的发展

--MSMS的发展

-第3小节 MEMS的发展--作业

-第4小节 MEMS的发展(续)

--MEMS的发展(续)

-第4小节 MEMS的发展(续)--作业

第二章 微系统基本理论—基础力学与基本物理

-第1小节 应力和应变

--应力与应变

-第1小节 应力和应变--作业

-第2小节 弹性梁

--弹性梁

-第2小节 弹性梁--作业

-第3小节 弹性梁(续)

--弹性梁(续)

-第3小节 弹性梁(续)--作业

-第4小节 薄板与流体的基本概念

--薄板与流体的基本概念

-第4小节 薄板与流体的基本概念--作业

-第5小节 流体的基本概念(续)

--流体的基本概念(续)

-第5小节 流体的基本概念(续)--作业

-第6小节 静电力

--静电力

-第6小节 静电力--作业

-第7小节 尺寸效应

--尺寸效应

-第7小节 尺寸效应--作业

第三章 微系统制造技术I—光刻与体微加工技术

-第1小节 MEMS光刻技术

--MEMS光刻技术

-第1小节 MEMS光刻技术--作业

-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀

--体微加工技术—各向同性湿法刻蚀

-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀--作业

-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀

--体微加工技术—各向异性湿法刻蚀

-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀--作业

-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)

--体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)

-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)--作业

-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀

--体微加工技术—干法刻蚀

-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀--作业

-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀

--体微加工技术—时分复用深刻蚀

-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀--作业

-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)

--体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)

-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)--作业

-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀

-- 体微加工技术—稳态深刻蚀

-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀--作业

-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用

--体微加工技术—稳态深刻蚀--作业

-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用--作业

第三章 微系统制造技术II—表面微加工技术

-第1小节 表面微加工技术概述

-- 表面微加工技术概述

-第1小节 表面微加工技术概述--作业

-第2小节 表面微加工技术的几个问题

--表面微加工技术的几个问题

-第2小节 表面微加工技术的几个问题--作业

-第3小节 表面微加工代工工艺

--表面微加工代工工艺

-第3小节 表面微加工代工工艺--作业

-第4小节 表面微加工的应用

--表面微加工的应用

-第4小节 表面微加工的应用--作业

-第5小节 厚结构层技术

-- 厚结构层技术

-第5小节 厚结构层技术--作业

第三章 微系统制造技术III—键合

-第1小节 键合概述与直接键合

-- 键合概述与直接键合

-第1小节 键合概述与直接键合--作业

-第2小节 阳极键合与聚合物键合

--阳极键合与聚合物键合

-第2小节 阳极键合与聚合物键合--作业

-第3小节 金属键合与键合设备

-- 金属键合与键合设备

-第3小节 金属键合与键合设备--作业

第三章 微系统制造技术IV—集成与封装

-第1小节 工艺集成

-- 工艺集成

-第1小节 工艺集成--作业

-第2小节 系统集成

--系统集成

-第2小节 系统集成--作业

-第3小节 单芯片集成与多芯片集成

--单芯片集成与多芯片集成

-第3小节 单芯片集成与多芯片集成--作业

-第4小节 三维集成

--三维集成

-第4小节 三维集成--作业

-第5小节 MEMS封装

--MEMS封装

-第5小节 MEMS封装--作业

-第6小节 MEMS封装(续)

--MEMS封装(续)

-第6小节 MEMS封装(续)--作业

第四章 微型传感器I—传感器的敏感机理

-第1小节 概述

--概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 压阻传感器

--压阻传感器

-第2小节 压阻传感器--作业

-第3小节 电容传感器与压电传感器

--电容传感器与压电传感器

-第3小节 电容传感器与压电传感器--作业

-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器

--谐振传感器与遂穿传感器

-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器--作业

第四章 微型传感器Ⅱ—压力传感器

-第1小节 压力传感器

--压力传感器

-第1小节 压力传感器--作业

-第2小节 压阻式压力传感器

-- 压阻式压力传感器

-第2小节 压阻式压力传感器--作业

-第3小节 压阻式压力传感器(续)

--压阻式压力传感器(续)

-第3小节 压阻式压力传感器(续)--作业

-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器

--电容式压力传感器与谐振式压力传感器

-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器--作业

-第5小节 硅微麦克风

--硅微麦克风

-第5小节 硅微麦克风--作业

第四章 微型传感器Ⅲ—惯性传感器

-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述

--惯性传感器与加速度传感器概述

-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述--作业

-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器

--压阻式与电容式加速度传感器

-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器--作业

-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器

--电容式与热传导式加速度传感器

-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器--作业

-第4小节 微机械陀螺概述

--微机械陀螺概述

-第4小节 微机械陀螺概述--作业

-第5小节 典型微机械陀螺

--典型微机械陀螺

-第5小节 典型微机械陀螺--作业

-第6小节 典型微机械陀螺(续)

--典型微机械陀螺(续)

-第6小节 典型微机械陀螺(续)--作业

-第7小节 模态解耦合

--模态解耦合

-第7小节 模态解耦合--作业

第五章 微型执行器

-第1小节 执行器概述

--执行器概述

-第1小节 执行器概述--作业

-第2小节 静电执行器—平板电容执行器

--静电执行器—平板电容执行器

-第2小节 静电执行器—平板电容执行器--作业

-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)

--静电执行器—平板电容执行器(续)

-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)--作业

-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器

--静电执行器—叉指电容执行器

-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器--作业

-第5小节 热执行器

--热执行器

-第5小节 热执行器--作业

-第6小节 压电执行器和磁执行器

-- 压电执行器和磁执行器

-第6小节 压电执行器和磁执行器--作业

第六章 RF MEMS

-第1小节 RF MEMS概述

-- RF MEMS概述

-第1小节 RF MEMS概述--作业

-第2小节 MEMS开关I

--MEMS开关I

-第2小节 MEMS开关I--作业

-第3小节 MEMS开关II

--MEMS开关II

-第4小节 MEMS开关III

--MEMS开关III

-第4小节 MEMS开关III--作业

-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器

--MEMS谐振器—梳状谐振器

-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器--作业

-第6小节 MEMS谐振器—板式谐振器

--MEMS谐振器—板式谐振器

-第7小节 MEMS谐振器的制造

--MEMS谐振器的制造

-第7小节 MEMS谐振器的制造--作业

第七章 光学MEMS

-第1小节 光学MEMS概述

-- 光学MEMS概述

-第1小节 光学MEMS概述--作业

-第2小节 MEMS光开关I

--MEMS光开关I

-第2小节 MEMS光开关I--作业

-第3小节 MEMS光开关II

-- MEMS光开关II

-第3小节 MEMS光开关II--作业

-第4小节 影像再现I—反射器件

-- 影像再现I—反射器件

-第4小节 影像再现I—反射器件--作业

-第5小节 影像再现II—衍射器件

--影像再现II—衍射器件

-第5小节 影像再现II—衍射器件--作业

-第6小节 影像再现III—干涉器件

--影像再现III—干涉器件

-第6小节 影像再现III—干涉器件--作业

第八章 微流体与芯片实验室

-第1小节 概述

-- 概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 软光刻技术

--软光刻技术

-第2小节 软光刻技术--作业

-第3小节 微流体输运

--微流体输运

-第3小节 微流体输运--作业

-第4小节 微流体输运(续)

--微流体输运(续)

-第4小节 微流体输运(续)--作业

-第5小节 试样处理

--试样处理

-第5小节 试样处理--作业

-第6小节 试样处理(续)

--试样处理(续)

-第7小节 检测技术

--检测技术

-第8小节 微流体应用

--微流体应用

-第8小节 微流体应用--作业

-第9小节 微流体应用(续)

--微流体应用(续)

-第9小节 微流体应用(续)--作业

第九章 BioMEMS

-第1小节 概述

--概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器

--药物释放 神经探针 生物传感器

-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器--作业

-第3小节 可穿戴与可植入微系统

--可穿戴与可植入微系统

-第3小节 可穿戴与可植入微系统--作业

软光刻技术笔记与讨论

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