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年專業(yè)研發(fā)制造經(jīng)驗(yàn)

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Light：Advanced Manufacturing | 晶圓氧等離子體處理激活與光刻膠附著力

來源: | 作者:善準(zhǔn)科技技術(shù)部 | 發(fā)布時(shí)間: 2025-06-13 | 80 次瀏覽 | 分享到:

實(shí)現(xiàn)高靈敏度一直是可穿戴柔性壓力傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的主要研究方向。近日，山西大學(xué)量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室仝召民團(tuán)隊(duì)提出了一種基于激光散斑灰度光刻技術(shù)的隨機(jī)（截）錐體陣列微結(jié)構(gòu)制備方法，并將該微結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高靈敏度柔性電容式壓力傳感器的研制中，實(shí)現(xiàn)對(duì)該類傳感器的簡(jiǎn)單、快速、可控制造。該成果以“Laser speckle grayscale lithography: a new tool for fabricating highly sensitive flexible capacitive pressure sensors”為題發(fā)表在《Light：Advanced Manufacturing》期刊（影響因子：10.9）。山西大學(xué)碩士生周永為論文第一作者，山西大學(xué)仝召民教授為論文通訊作者。

一、微結(jié)構(gòu)光刻膠模具的制備

采用酚醛樹脂的低對(duì)比度正性光刻膠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在激光散斑灰度光刻工藝中，光刻膠暴露于激光散斑光學(xué)場(chǎng)后，經(jīng)顯影即可在膠體上再現(xiàn)激光散斑強(qiáng)度分布。圖1a-f展示了利用激光散斑灰度光刻技術(shù)在光刻膠上制備微結(jié)構(gòu)的過程。首先用丙酮、異丙醇和去離子水對(duì)晶圓進(jìn)行超聲清洗，隨后在150°C熱板上烘烤去除表面水分。然后使用真空等離子處理儀（廣州善準(zhǔn)科技有限公司VP-R3）對(duì)晶圓表面進(jìn)行氧等離子體處理，以活化表面并增強(qiáng)其與光刻膠的附著力（圖1a）。再通過旋涂工藝在晶圓表面沉積光刻膠（圖1b），形成微米厚的光刻膠薄膜。隨后將硅片轉(zhuǎn)移至熱板烘焙5分鐘，使光刻膠溶劑快速揮發(fā)并增強(qiáng)其與基底的結(jié)合強(qiáng)度（圖1c）。冷卻后，將晶圓置于組裝好的光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行曝光（圖1d）。曝光后，將晶圓浸入盛有顯影液的培養(yǎng)皿中處理3分鐘（圖1e）。最后用去離子水沖洗至表面無顯影液殘留，并用氮?dú)獯蹈?，制得具有微結(jié)構(gòu)的光刻膠模具（圖1f）。

圖1a-f:微結(jié)構(gòu)光刻膠模具的制備(圖1a是使用氧等離子體處理晶圓) 圖2:山西大學(xué)使用善準(zhǔn)VP-R3氧等離子處理晶圓激活與光刻膠附著力

二、柔性電容式壓力傳感器的制備

采用兩步圖案轉(zhuǎn)移工藝將光刻膠微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印至PDMS基材。圖3a-h展示了微結(jié)構(gòu)從光刻膠模板的轉(zhuǎn)印過程及電容壓力傳感器主要組件的裝配流程。首先，將PDMS預(yù)聚物與固化劑按10:1質(zhì)量比混合。使用磁力攪拌器攪拌30分鐘，獲得均勻的PDMS混合液并去除混合物中的氣泡，將其旋涂在光刻膠模具-1表面（圖3a）。將涂覆PDMS的光刻膠模具-1移至熱板，加熱5分鐘。當(dāng)PDMS混合物部分固化后，用一片潔凈的大尺寸晶圓進(jìn)行氧等離子處理(善準(zhǔn)科技VP-R3），隨后在其表面旋涂一層薄薄的PDMS混合物。之后，將玻璃片輕柔地壓覆在PDMS層上，置于80°C熱板上固化3小時(shí)（圖3b）。為實(shí)現(xiàn)光刻膠模具-1到RCA微結(jié)構(gòu)的高保真轉(zhuǎn)移，采用化學(xué)方法進(jìn)行微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印工藝。待冷卻后，將其浸入無水乙醇，待光刻膠溶解后即可獲得帶有玻璃骨架的PDMS模具-2（圖3c）。PDMS模具-2先經(jīng)氧等離子體處理（善準(zhǔn)科技VP-R3），隨后置于盛有無水乙醇的密封培養(yǎng)皿中浸泡，再轉(zhuǎn)移至熱板上干燥。接著旋涂PDMS混合液，并在80℃烘箱中固化2小時(shí)。冷卻后即可輕柔剝離獲得厚度約220μm的PDMS RCA薄膜（圖3d）。

圖3a-i:柔性電容式壓力傳感器的制備(圖3b氧等離子處理晶圓、圖3c是等離子處理PDMS) 圖5:山西大學(xué)使用善準(zhǔn)VP-R3氧等離子體處理PDMS

三、結(jié)果與討論

本文介紹了一種激光散斑灰度光刻系統(tǒng)，以及一種利用顆粒狀激光散斑圖案制造隨機(jī)錐形陣列微結(jié)構(gòu)的新方法。其可行性歸因于激光散斑強(qiáng)度的自相關(guān)函數(shù)，該函數(shù)遵循第一類的一階貝塞爾函數(shù)。通過調(diào)節(jié)客觀散斑尺寸和曝光劑量，開發(fā)出具有多種微觀形態(tài)的微結(jié)構(gòu)光刻膠。這些微結(jié)構(gòu)被用于制作聚二甲基硅氧烷（PDMS）微結(jié)構(gòu)電極，并應(yīng)用于柔性電容式壓力傳感器中。這些傳感器表現(xiàn)出超高的靈敏度，在0-100Pa的低壓范圍內(nèi)達(dá)到了19.76kPa?1，其最低檢測(cè)閾值為1.9Pa，并且在10000次測(cè)試循環(huán)中保持了穩(wěn)定性和彈性。這些傳感器能夠出色地捕獲生理信號(hào)并提供觸覺反饋，從而突顯了其實(shí)用價(jià)值。山西大學(xué)激光光譜研究所（2020年購買善準(zhǔn)真空等離子處理儀VP-R3，2023年再購入一臺(tái)VP-R3）使用善準(zhǔn)VP-R3氧等離子體處理晶圓激活與光刻膠附著力和處理PDMS提升其表面活性，用于制備可穿戴柔性器件，該研究成果已發(fā)表在《Light Advanced Manufacturing》期刊（影響因子：10.9）。