SU-8是一種在微納加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的環(huán)氧基負(fù)性光刻膠，因其能夠制備高深寬比微結(jié)構(gòu)而備受關(guān)注，在微機(jī)電系統(tǒng)、光波導(dǎo)和生物醫(yī)學(xué)器件等領(lǐng)域具有重要價(jià)值。準(zhǔn)確掌握其光學(xué)常數(shù)（折射率n和消光系數(shù)k）對(duì)于器件設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有研究多集中于有限波段（300-800 nm），且缺乏系統(tǒng)的測(cè)量與建模，難以滿足寬光譜應(yīng)用的需求。Flexfilm費(fèi)曼儀器全光譜橢偏儀可以非接觸對(duì)薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

本研究采用光譜橢偏技術(shù)，結(jié)合反射與透射測(cè)量模式，在190-1680 nm寬波段范圍內(nèi)對(duì)SU-8的光學(xué)函數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)表征。通過B樣條、四高斯振蕩器和Cody-Lorentz三種模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合與比較，并結(jié)合含時(shí)密度泛函理論計(jì)算從分子層面驗(yàn)證吸收機(jī)制，最終建立了SU-8完整的光學(xué)函數(shù)模型，為其在光電器件和微細(xì)加工領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1

橢偏術(shù)原理

flexfilm

光譜橢偏是一種利用偏振光反射來表征薄膜的光學(xué)技術(shù)。通過適當(dāng)?shù)慕?，橢偏數(shù)據(jù)可以提供薄膜厚度、粗糙度、組分濃度比以及薄膜的光學(xué)函數(shù)（即折射率n和消光系數(shù)k）。橢偏是一種理想的 analytical 技術(shù)，因?yàn)樗ǔ？焖?、非破壞性，可在環(huán)境條件下進(jìn)行，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)樣品的實(shí)時(shí)原位監(jiān)測(cè)。

2

SU-8光刻膠

flexfilm

四聚體SU-8單體/低聚物及其在光酸發(fā)生劑和紫外光存在下發(fā)生的聚合反應(yīng)

標(biāo)準(zhǔn)SU-8薄膜加工工藝流程

SU-8是一種基于環(huán)氧樹脂的高分辨率負(fù)性光刻膠，能夠形成具有垂直側(cè)壁的高深寬比結(jié)構(gòu)，厚度可達(dá)500至750微米。其名稱源于“SU”（代表紫外結(jié)構(gòu)化）和“8”（代表其單體/低聚物中平均擁有的八個(gè)環(huán)氧基團(tuán)）。SU-8通常以單體/低聚物和光酸發(fā)生器（如三芳基锍鹽）溶解于有機(jī)溶劑（如γ-丁內(nèi)酯或環(huán)戊酮）中的溶液形式存在。在紫外光曝光下，光酸發(fā)生器誘導(dǎo)陽離子光聚合，使環(huán)氧基團(tuán)交聯(lián)。隨后的曝光后烘焙加熱過程會(huì)增強(qiáng)交聯(lián)并再生酸催化劑，從而顯著提高光刻膠的靈敏度，并使其具備高機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。

交聯(lián)后的SU-8薄膜對(duì)酸、堿和溶劑具有良好的耐受性，因此在眾多領(lǐng)域中得到應(yīng)用，包括單模和多模聚合物光波導(dǎo)、微透鏡、干涉儀、衍射光柵以及光遺傳學(xué)探針等。由于其良好的透光性、相對(duì)較高的折射率以及聚合后約7.5%的低收縮率，SU-8在光電子學(xué)領(lǐng)域具有重要價(jià)值。此外，與硅基材料相比，SU-8具有更高的柔韌性（比模量約4.02 GPa），因此特別適用于微機(jī)械表面應(yīng)力傳感器、慣性傳感器、諧振器以及懸臂梁式傳感器等。

例如，固化后的SU-8懸臂梁提高了原子力顯微鏡的成像速度。在微技術(shù)領(lǐng)域，SU-8也被用于制造具有超順磁性的微型機(jī)器人。未固化的SU-8則可作為有效的犧牲層用于表面微加工。基于SU-8的微機(jī)電系統(tǒng)因其生物相容性和電學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如藥物輸送容器、神經(jīng)探針、涂層電極以及適用于微流控和納流控的嵌入式微通道。因此，理解和模擬SU-8的光學(xué)函數(shù)對(duì)于其微加工工藝和應(yīng)用都至關(guān)重要。

3

實(shí)驗(yàn)方法

flexfilm

樣品制備

為消除基底背反射對(duì)橢偏信號(hào)的干擾，本研究采用硅片粗糙面及粗糙化玻璃作為沉積基底?；捉?jīng)食人魚溶液清洗、去離子水漂洗后進(jìn)行脫水烘焙（200°C, 10 min）。隨后旋涂增粘劑OmniCoat（3000 rpm, 30 s）并軟烘焙（200°C, 1 min）。SU-8 2025光刻膠以約4 mL的用量旋涂于基底表面，通過階梯轉(zhuǎn)速控制（500 rpm, 6 s → 4000 rpm, 30 s → 6000 rpm, 2 s）獲得約25 μm厚的均勻薄膜。涂膠后依次進(jìn)行軟烘焙（65°C, 1 min → 95°C, 5 min）以去除溶劑。

紫外曝光采用365 nm波長(zhǎng)光源，曝光劑量為8.8 mW/cm2，均勻照射整個(gè)樣品表面（無掩模圖案）。曝光后進(jìn)行后烘（65°C, 1 min → 95°C, 5 min → 65°C, 1 min）以促進(jìn)交聯(lián)反應(yīng)，最后經(jīng)硬烘焙（150°C, 5 min）完成固化。

橢偏測(cè)量與數(shù)據(jù)分析

采用Flexfilm全光譜橢偏儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。反射模式測(cè)量在52°、57°和62°三個(gè)入射角下進(jìn)行，透射模式測(cè)量則將樣品置于光源與檢測(cè)器之間（光路垂直于樣品表面）。所有數(shù)據(jù)均使用CompleteEASE軟件進(jìn)行建模分析。

為監(jiān)測(cè)SU-8在固化過程中的光學(xué)變化，進(jìn)行了4小時(shí)的原位反射測(cè)量（入射角75°，采樣間隔2.6 s）。數(shù)據(jù)按時(shí)間均分為20段，每段數(shù)據(jù)平均后采用四高斯振蕩器模型進(jìn)行擬合。

量子化學(xué)計(jì)算

使用CREST和xTB方法定位的SU-8單體模型三維結(jié)構(gòu)

采用CAM-B3LYP/6-31G**方法進(jìn)行含時(shí)密度泛函理論計(jì)算，模擬SU-8單體的紫外-可見吸收光譜。通過PM6半經(jīng)驗(yàn)方法和CREST/xTB緊束縛方法進(jìn)行構(gòu)象搜索，獲得兩個(gè)穩(wěn)定的單體結(jié)構(gòu)用于激發(fā)態(tài)計(jì)算。

4

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

flexfilm

光學(xué)模型的建立與比較

本研究采用三種不同策略對(duì)SU-8的光學(xué)函數(shù)進(jìn)行建模：

B樣條模型擬合：（A）反射橢偏Ψ和Δ光譜（B）透射光譜（C） SU-8光學(xué)函數(shù)

B樣條模型：采用自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)分布（高能區(qū)節(jié)點(diǎn)間距0.1 eV，低能區(qū)0.3 eV），強(qiáng)制滿足Kramers-Kronig關(guān)系。該模型擬合效果最佳，MSE值僅為1.52。由此獲得的光學(xué)函數(shù)顯示SU-8在λ > 400 nm波段完全透明（k ≈ 0），折射率呈現(xiàn)正常色散；短波區(qū)域出現(xiàn)明顯的吸收峰和折射率異常色散。

高斯振蕩器模型擬合：（A）反射橢偏Ψ和Δ光譜（B）透射光譜（C） SU-8光學(xué)函數(shù)

高斯振蕩器模型：包含四個(gè)高斯振蕩器描述主要吸收特征（位于約6.1、5.3、4.4和3.8 eV處），并引入紫外極點(diǎn)（11.7 eV）和紅外極點(diǎn)（振幅設(shè)為零）以考慮測(cè)量范圍外的吸收貢獻(xiàn)，MSE值為2.146。

Cody-Lorentz模型擬合：（A）反射橢偏Ψ和Δ光譜（B）透射光譜（C） SU-8光學(xué)函數(shù)

Cody-Lorentz模型：結(jié)合Cody-Lorentz帶隙振蕩器和三個(gè)高斯振蕩器，描述從帶邊到高能區(qū)域的完整吸收譜。帶隙參數(shù)擬合為3.378 eV，與文獻(xiàn)報(bào)道的SU-8吸收邊位置（350-360 nm）高度一致，MSE值為2.232。

所有模型均引入基于Bruggeman有效介質(zhì)近似的表面粗糙層（50% SU-8 + 50%空隙），使擬合優(yōu)度提升25%以上，表明表面形貌對(duì)橢偏測(cè)量具有不可忽視的影響。

原位固化過程監(jiān)測(cè)

4小時(shí)內(nèi)采集的原位數(shù)據(jù)均勻分為20個(gè)部分，經(jīng)平均后擬合：（A）全部20個(gè)部分的Ψ和Δ光譜疊加圖；（B）全部20個(gè)部分的光學(xué)常數(shù)疊加圖

對(duì)未顯影SU-8在環(huán)境光下的固化過程進(jìn)行4小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。20個(gè)時(shí)間段平均數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果表明，無論是橢偏參數(shù)（Ψ, Δ）還是提取的光學(xué)函數(shù)（n, k），在整個(gè)過程中均未發(fā)生可檢測(cè)的變化。這一結(jié)果證實(shí)聚合反應(yīng)主要涉及環(huán)氧基團(tuán)的開環(huán)交聯(lián)，而作為主要生色團(tuán)的芳環(huán)結(jié)構(gòu)未受影響，因此光學(xué)性質(zhì)保持穩(wěn)定。

理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

兩種SU-8單體模型的CAM-B3LYP/6-31G** TD-DFT激發(fā)結(jié)果

TD-DFT計(jì)算預(yù)測(cè)SU-8單體的主要電子躍遷為π→π*躍遷（具有電荷轉(zhuǎn)移特性），激發(fā)能位于5.9-6.1 eV區(qū)間，振蕩強(qiáng)度分別為0.48和0.66。這一結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的6.1 eV附近強(qiáng)吸收峰高度吻合。然而，計(jì)算未能復(fù)現(xiàn)4.5 eV處的實(shí)驗(yàn)吸收峰，該特征可能來源于SU-8配方中的光酸發(fā)生劑或其他添加劑成分。

本研究中使用的兩種基于振蕩器的模型參數(shù)：（a）帶有三個(gè)高斯振蕩器的Cody-Lorentz模型和（b）四高斯振蕩器模型

本研究利用三種不同模型對(duì)SU-8光刻膠進(jìn)行了詳細(xì)的光譜橢偏分析，并由此確定了材料的光學(xué)函數(shù)。其中，B樣條模型獲得了最低的MSE值。然而，四高斯模型在時(shí)間研究的原位數(shù)據(jù)分析中表現(xiàn)更佳。該原位分析未顯示光刻膠在顯影過程中的光學(xué)性質(zhì)有任何變化。TD-DFT計(jì)算預(yù)測(cè)的吸收峰（主要來自光刻膠中的芳基）與橢偏實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

Flexfilm費(fèi)曼儀器全光譜橢偏儀

flexfilm

Flexfilm費(fèi)曼儀器全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測(cè)單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測(cè)量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測(cè)量技術(shù)：無測(cè)量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測(cè)量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測(cè)技術(shù)。
• 秒級(jí)的全光譜測(cè)量速度：全光譜測(cè)量典型5-10秒。
• 原子層量級(jí)的檢測(cè)靈敏度：測(cè)量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm費(fèi)曼儀器全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測(cè)量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費(fèi)曼儀器全流程薄膜測(cè)量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

#光刻膠#負(fù)性光刻膠#環(huán)氧基光刻膠#光譜橢偏法表征薄膜#費(fèi)曼儀器

原文參考：《Spectroscopic ellipsometry of SU-8 photoresist from 190 to 1680 nm (0.740–6.50 eV)》

*特別聲明：本公眾號(hào)所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號(hào)相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，如涉及版權(quán)問題，敬請(qǐng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間核實(shí)并處理。