《Sensors and Actuators A: Physical》：On-wafer PDMS Micropatterning via Etch-Back Lift-Off and Its Application to MEMS Microactuators
编辑推荐：
PDMS微加工技术及EBLO方法在MEMS中的应用研究。摘要：提出基于蚀刻回退抬离的PDMS微加工方法（EBLO），在4英寸硅片上实现4微米级高分辨率结构，表面粗糙度增加可控，成功集成到压电MEMS微扬声器中，显著提升频率响应平坦度和谐波失真。
Xuchen Wang | Yukio Suzuki | Chung-Min Li | Shuji Tanaka
东北大学机械工程系，日本宫城县仙台市，980-8579
摘要
聚二甲基硅氧烷（PDMS）由于其生物相容性、光学透明性和柔韧性，成为微系统中的多功能材料。然而，现有的PDMS微图案化方法存在可重复性差以及与传统MEMS晶圆制造工艺兼容性有限的挑战。为了解决这些问题，我们提出了一种精确的晶圆级PDMS微图案化技术——蚀刻后退剥离（EBLO）方法。该方法能够实现微米级分辨率、出色的垂直侧壁和最小的表面粗糙度。在4英寸硅晶圆上验证了EBLO方法，制备出了特征尺寸为4μm及以上的PDMS结构，并且当纵横比低于2.8时仍保持了结构完整性。PDMS的整体厚度均匀性为3.0%，经过10分钟的反应离子刻蚀（RIE）后，表面粗糙度Ra仅从0.26nm略微增加到0.82nm。为了展示该方法的实用性，我们使用PDMS图案制造了一个压电MEMS微型扬声器，用于减震和气密性。与没有PDMS的参考结构相比，该设备的频率响应平坦度得到了改善，总谐波失真（THD）显著降低，降至f0/2时的13%。这些结果表明，EBLO方法是一个稳健且可扩展的平台，适用于MEMS设备中的PDMS集成，具有高精度微系统和生物集成应用的潜力。
引言
聚二甲基硅氧烷（PDMS）是微流体系统中广泛使用的材料[1]、[2]。由于其生物相容性、光学透明性、气体渗透性和低自荧光性，PDMS已成为芯片实验室平台及相关生物医学设备的基础聚合物之一[3]、[4]。
最近关于PDMS微流体和基于PDMS的微流体设备的综述系统地总结了其优点和局限性，强调了其在快速原型制作、软光刻和低成本复制方面的核心作用，适用于广泛的化学、生物和传感应用[5]、[6]。同时，诸如可重构光响应水凝胶等新兴模具技术也被提出用于高分辨率聚合物复制和微光学，并已用于复制亚100μm特征尺寸的PDMS微结构[7]。这些发展突显了可靠PDMS微制造方法的重要性，这些方法能够提供光滑的表面和定义明确的微结构。这些能力对于新兴的MEMS应用也至关重要，因为这些应用越来越需要精确的聚合物集成和高保真的微结构[8]、[9]。
尽管取得了这些进展，但大多数PDMS微制造策略都是为快速原型制作而优化的，而不是直接与标准晶圆级MEMS工艺集成。现有的PDMS晶圆微图案化方法在与常见晶圆制造工作流程的兼容性方面仍存在局限性。当前的PDMS处理技术大致可分为两类：切割和层压方法[10]以及刻蚀方法[11]。切割和层压方法精度低且产量低，不适合实现微米级尺寸或大规模生产。
刻蚀方法通常采用基于氟的反应离子刻蚀（RIE）。除了等离子体参数外，PDMS的干刻蚀行为还受到材料本身的强烈影响，因为杨氏模量/交联密度取决于基底与固化剂的比例和固化历史。PDMS的刻蚀速率会随着制备条件的不同而有很大差异，并且与杨氏模量呈相反趋势，表明其与交联密度呈反比关系[12]。这种耦合意味着可重复的晶圆级PDMS蚀刻后退不仅需要优化的刻蚀条件，还需要良好的PDMS配方和固化控制。使用正性光刻胶、负性光刻胶或金属材料作为刻蚀掩模[13]、[14]、[15]可能会引入几个问题：各向同性刻蚀会导致随着刻蚀深度的增加而逐渐丧失侧壁垂直度；通常需要氧气等离子体处理来提高光刻胶的附着力，但这会显著增加表面粗糙度[16]；也许最关键的问题是，PDMS和掩模材料之间的热膨胀系数（CTE）不匹配会导致残余应力，从而导致光刻胶开裂[12]。此外，负性环氧树脂（如SU-8）在RIE后难以剥离，常常导致局部过刻蚀或掩模残留[17]，而硬质金属掩模则会在刻蚀过程中由于金属再沉积而加剧表面粗糙度[18]。这些挑战阻碍了PDMS在商业晶圆制造中的广泛应用，因为在商业制造中，可重复的高精度图案化和无缝工艺集成是必不可少的。
为了解决现有PDMS图案化技术的局限性，我们引入了蚀刻后退剥离（EBLO）方法的概念，并在我们的早期工作中验证了其可行性[19]。在这篇手稿中，我们通过对4英寸硅晶圆上的EBLO过程进行全面的晶圆级评估，对该方法进行了大幅扩展。新的贡献包括：1）在不同固化条件下PDMS厚度均匀性的详细分析；2）RIE过程中表面粗糙度演变的定量AFM表征；3）对正性和负性结构的图案化可靠性和纵横比限制的系统性研究；4）通过将其集成到压电MEMS微型扬声器中来展示EBLO图案化PDMS的实际应用性，评估了其频率响应平坦度和总谐波失真（THD）；5）讨论表明EBLO可以作为MEMS制造中晶圆级PDMS微图案化的精确、可靠和可扩展的平台。
蚀刻后退剥离（EBLO）方法
EBLO方法首先在硅晶圆基底上制造一个光刻胶模具。然后将PDMS旋涂到模具上并在受控条件下固化以确保均匀性。接着使用RIE进行反向刻蚀PDMS，之后去除光刻胶，留下精确的PDMS微结构。RIE过程中使用氩气（Ar）与SF?混合作为刻蚀气体。这种无掩模工艺直接从光刻胶模具继承图案，实现了高分辨率。
实验过程
本研究使用了Dow Corning公司的Sylgard 184 PDMS，通过按5:1的重量比混合基底剂和固化剂来制备。除非另有说明，PDMS在室温（23 ± 2°C）下固化48小时，以确保足够的交联同时避免对光刻胶模具的热影响。混合物在真空下脱气超过10分钟以消除气泡。然后使用标准旋涂工艺将PDMS涂覆在4英寸硅晶圆上。
图1展示了...
PDMS微图案化过程
为了评估工艺性能，使用扫描电子显微镜（SEM）分析了制造的每个关键步骤，提供了关于所得结构形态和图案保真度的详细见解。该过程首先使用传统的MEMS光刻技术在硅基底上形成光刻胶模具。图3a显示了用于创建PDMS正型微图案的光刻胶模具的横截面SEM图像，其线宽为...
结论
本研究介绍了一种新的晶圆级PDMS微图案化技术——EBLO方法，该方法解决了现有方法在精度和与MEMS制造工艺兼容性方面的局限性。EBLO方法实现了微米级分辨率、出色的侧壁垂直度和最小的表面粗糙度。在4英寸硅晶圆上验证了该方法的可行性，制备出了特征尺寸为4μm及以上的PDMS结构，并且当纵横比...
作者贡献声明
Xuchen Wang：撰写——原始草案、方法学、研究、资金获取、数据分析。Yukio Suzuki：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、概念化。Chung-Min Li：验证、资源获取、资金获取。Shuji Tanaka：撰写——审稿与编辑、验证、项目管理、概念化。
利益冲突声明
本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）KAKENHI挑战性研究（探索性）资助（项目编号JP24K21572）以及日本先进材料研究基础设施（ARIM）和纳米技术（项目编号JPMXP1224TU0029）的部分支持。
部分研究是由东北大学和AAC Technologies PTE.LTD共同进行的。
部分研究是由东北大学和STANLEY ELECTRIC CO., LTD共同进行的。
致谢
本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）KAKENHI挑战性研究（探索性）资助（项目编号JP24K21572）以及日本先进材料研究基础设施（ARIM）和纳米技术（项目编号JPMXP1224TU0029）的部分支持。作者感谢Stanley Electric Company Ltd.提供压电薄膜。
Xuchen Wang于2018年获得金泽大学机械工程学士学位，2024年获得东北大学机械工程硕士学位，目前正在攻读博士学位。他的研究兴趣包括设计与制造与聚合物材料集成的MEMS压电执行器。
