Light：Advanced Manufacturing | 晶圆氧等离子体处理激活与光刻胶附着力

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来源: | 作者:善准科技技术部 | 发布时间: 2025-06-13 | 20 次浏览 | 分享到:

实现高灵敏度一直是可穿戴柔性压力传感器在实际应用中的主要研究方向。近日，山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室仝召民团队提出了一种基于激光散斑灰度光刻技术的随机（截）锥体阵列微结构制备方法，并将该微结构应用于高灵敏度柔性电容式压力传感器的研制中，实现对该类传感器的简单、快速、可控制造。该成果以“Laser speckle grayscale lithography: a new tool for fabricating highly sensitive flexible capacitive pressure sensors”为题发表在《Light：Advanced Manufacturing》期刊（影响因子：10.9）。山西大学硕士生周永为论文第一作者，山西大学仝召民教授为论文通讯作者。

一、微结构光刻胶模具的制备

采用酚醛树脂的低对比度正性光刻胶进行实验。在激光散斑灰度光刻工艺中，光刻胶暴露于激光散斑光学场后，经显影即可在胶体上再现激光散斑强度分布。图1a-f展示了利用激光散斑灰度光刻技术在光刻胶上制备微结构的过程。首先用丙酮、异丙醇和去离子水对晶圆进行超声清洗，随后在150°C热板上烘烤去除表面水分。然后使用真空等离子处理仪（广州善准科技有限公司VP-R3）对晶圆表面进行氧等离子体处理，以活化表面并增强其与光刻胶的附着力（图1a）。再通过旋涂工艺在晶圆表面沉积光刻胶（图1b），形成微米厚的光刻胶薄膜。随后将硅片转移至热板烘焙5分钟，使光刻胶溶剂快速挥发并增强其与基底的结合强度（图1c）。冷却后，将晶圆置于组装好的光学系统中进行曝光（图1d）。曝光后，将晶圆浸入盛有显影液的培养皿中处理3分钟（图1e）。最后用去离子水冲洗至表面无显影液残留，并用氮气吹干，制得具有微结构的光刻胶模具（图1f）。

图1a-f:微结构光刻胶模具的制备(图1a是使用氧等离子体处理晶圆) 图2:山西大学使用善准VP-R3氧等离子处理晶圆激活与光刻胶附着力

二、柔性电容式压力传感器的制备

采用两步图案转移工艺将光刻胶微结构转印至PDMS基材。图4a-h展示了微结构从光刻胶模板的转印过程及电容压力传感器主要组件的装配流程。首先，将PDMS预聚物与固化剂按10:1质量比混合。使用磁力搅拌器搅拌30分钟，获得均匀的PDMS混合液并去除混合物中的气泡，将其旋涂在光刻胶模具-1表面（图3a）。将涂覆PDMS的光刻胶模具-1移至热板，加热5分钟。当PDMS混合物部分固化后，用一片洁净的大尺寸晶圆进行氧等离子处理(善准科技VP-R3），随后在其表面旋涂一层薄薄的PDMS混合物。之后，将玻璃片轻柔地压覆在PDMS层上，置于80°C热板上固化3小时（图3b）。为实现光刻胶模具-1到RCA微结构的高保真转移，采用化学方法进行微结构转印工艺。待冷却后，将其浸入无水乙醇，待光刻胶溶解后即可获得带有玻璃骨架的PDMS模具-2（图3c）。PDMS模具-2先经氧等离子体处理（善准科技VP-R3），随后置于盛有无水乙醇的密封培养皿中浸泡，再转移至热板上干燥。接着旋涂PDMS混合液，并在80℃烘箱中固化2小时。冷却后即可轻柔剥离获得厚度约220μm的PDMS RCA薄膜（图3d）。

图3a-i:柔性电容式压力传感器的制备(图3b氧等离子处理晶圆、图3c是等离子处理PDMS) 图5:山西大学使用善准VP-R3氧等离子体处理PDMS

三、结果与讨论

本文介绍了一种激光散斑灰度光刻系统，以及一种利用颗粒状激光散斑图案制造随机锥形阵列微结构的新方法。其可行性归因于激光散斑强度的自相关函数，该函数遵循第一类的一阶贝塞尔函数。通过调节客观散斑尺寸和曝光剂量，开发出具有多种微观形态的微结构光刻胶。这些微结构被用于制作聚二甲基硅氧烷（PDMS）微结构电极，并应用于柔性电容式压力传感器中。这些传感器表现出超高的灵敏度，在0-100Pa的低压范围内达到了19.76kPa−1，其最低检测阈值为1.9Pa，并且在10000次测试循环中保持了稳定性和弹性。这些传感器能够出色地捕获生理信号并提供触觉反馈，从而突显了其实用价值。山西大学激光光谱研究所（2020年购买善准真空等离子处理仪VP-R3，2023年再购入一台VP-R3）使用善准VP-R3氧等离子体处理晶圆激活与光刻胶附着力和处理PDMS提升其表面活性，用于制备可穿戴柔性器件，该研究成果已发表在《Light Advanced Manufacturing》期刊（影响因子：10.9）。