以光刻胶作为有机前驱物的热解成碳工艺与厚胶光刻工艺结合后,形成一种新的用于制备碳微结构的“C-MEMS（Carbon-MEMS）”工艺,它流程简单、成本低、可重复性强且结构设计灵活。该工艺制备出的碳微结构具有较高深宽比、良好的导电、导热和机械性能、优良的生物兼容性及化学惰性。本文研究了C-MEMS工艺原理,优化了原有工艺,制备出了性能良好的柱状碳微电极阵列,并发展该工艺制备得到悬浮碳微结构。本文的主要内容包括:1.综述了C-MEMS工艺的研究现状,阐述了其广泛的应用范围。对其核心工艺:厚胶光刻及光刻胶热解进行了分析研究,确定了技术难点在于高深宽比光刻胶微结构的重复制备,及控制热解参数避免碳微结构畸变或脱层。2.选用SU-8 2100（Micro Chem）型光刻胶作为起始材料进行实验,成功制备出了高100μm的柱状碳微电极阵列,其单个柱状电极深宽比可达2.5:1。SU-8光刻胶膜经过1000℃高温热解后显示出玻璃碳的特性,其方块电阻约为2.5Ω/□,电阻率约为1.56×10-5Ω·m,微区成分分析显示其含碳率高达93.6%。该工艺制备出的碳微电极阵列可应用于微型电池、微型电化学传感器、生物芯片等领域。3.在柱状碳微电极阵列的基础上,通过恰当控制曝光、显影和烘烤等工艺参数,以及向SU-8胶掺入纳米Ni粉进行掺杂改性等方法,制得了悬浮碳带、碳网络、碳纤维等复杂的三维碳微结构。这些悬浮碳微结构为微电子及生物传感领域的电连接问题提供了新思路。4.最后本文分析了C-MEMS工艺研究中遇到的各种难题,如“T”形顶部、碳柱自聚集、图形坍塌,并提出了解决方法。另外,微结构与硅衬底间的脱层问题是C-MEMS碳微结构应用于实际的最大障碍。本文使用衬底表面处理法改善微结构与衬底的粘附性,定性的KOH溶液浸泡实验显示该法可有效增强粘附。同时也尝试性地设计了微机械嵌合实验用以解决脱层问题。
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