基于SU-8厚胶光刻工艺的微电铸铸层尺寸精度控制新方法

以SU-8胶为微电铸母模制作镍模具时,胶模的热溶胀性使胶模变形,导致铸层线宽缩小,这是影响微电铸铸层尺寸精度的主要因素。针对密集蛇形沟道图形的镍模具微电铸工艺,以200.0μm厚SU-8胶为胶模,研究微电铸铸层尺寸精度的控制方法,提出基于SU-8厚胶光刻工艺的微电铸铸层尺寸精度控制新方法,即在图形四周增设一条封闭等间距的隔离带,用隔离带减少影响图形区域的SU-8胶模的体积,阻止电铸时该处胶模的热溶胀对图形区域的影响,进而减小铸层尺寸变化。结果表明,采用增设隔离带方法制作的镍模具,胶模线宽变化量最大值由61μm减小到31.4μm,铸层尺寸相对误差的最大值由31.3%减小到16.7%,这种方法显著提高微电铸铸层的尺寸精度。     

后烘温度对SU-8光刻胶热溶胀性及内应力的影响

对不同后烘温度条件下,SU-8胶在电铸液中的热溶胀性及胶层的内应力大小进行了研究。SU-8胶层内应力会使胶体结构开裂变形,而SU-8胶膜在电铸液中的热溶胀效应则是造成微电铸结构线宽减小的主要因素。SU-8胶内应力和溶胀性问题的存在,严重地影响了所制作图形的深宽比和尺寸精度。在其他工艺参数相同的情况下,测量了不同后烘温度条件下,SU-8胶微通道线宽随溶胀时间的变化。溶胀实验结果表明,后烘温度越低,SU-8胶的溶胀变形越大,且热溶胀现象主要发生在前30分钟,其后溶胀速率逐渐减缓而趋于稳定。在SU-8胶后烘后,利用基片曲率法的原理测量了胶层内应力的大小,实验数据表明,采用较低的后烘温度可以降低SU-8胶层的内应力。因此在工艺过程中,应该综合考虑热溶胀性及胶层内应力的影响,根据实际加工器件的要求适当选取后烘工艺参数。     

UV-LIGA技术在制作细胞培养器微注塑模具型腔中的应用

研究了细胞培养器微注塑模具型腔的制作方法.针对微注塑模具型腔的结构特点,采用UV-LIGA套刻技术,分别通过两次SU-8胶光刻和Ni的微细电铸制作了以合金钢为基底的微结构;然后利用掩膜腐蚀方法在铸层上腐蚀出微排气通道.对SU-8厚胶工艺过程中的溶胀现象、匀胶不平整和去除困难等问题进行分析,提出在掩膜板图形四周增设封闭的宽度为20μm的隔离带来减少图形四周SU-8厚胶体积,改善了该处胶模的热溶胀变形,使铸层的尺寸误差由原来的35μm降低到10μm,300μm高的微柱体侧壁陡直.隔离带的引入有效地提高了铸层图形的尺寸和形状精度.由于采用了刮胶的匀胶工艺和发烟硫酸去除SU-8胶的方法,消除了“边缘水珠效应”,彻底去除了SU-8胶.采用提出的方法可获得铸层质量好,与基底结合强度高的微注塑模具型腔.     

超声处理对UV-LIGA工艺中SU-8胶溶胀的影响

首次将超声处理引入UV-LIGA工艺中,研究了超声处理对SU-8胶模溶胀的影响,并探讨了其影响机理,从而获得了减小胶模溶胀及提高电铸微器件尺寸精度的方法.试验研究了超声处理对显影过程及电铸过程中SU-8胶模溶胀的影响,分析了不同超声时间下SU-8胶表面亲水性的变化趋势,并计算了不同超声时间下胶模的溶胀去除率.讨论了超声处理对不同结构微器件尺寸精度的影响.试验结果表明:SU-8胶模在显影过程中的溶胀不明显,并且超声处理对显影过程中胶模的溶胀影响很小,其主要影响SU-8胶模在电铸过程中的溶胀.随着超声时间的增加,胶模溶胀及其表面亲水性均呈现先减小后增大的趋势.当超声时间为10 min时,胶模溶胀最小,其溶胀去除率a值可高达70％,并且超声处理后电铸微器件的尺寸误差与结构尺寸无关.根据超声波的机械断键作用与聚合物吸水机理,从亲水性和内应力两个方面,探究了SU-8胶模溶胀随超声时间的增加而变化的原因.文中提出的减小SU-8胶溶胀的方法不依赖于工艺参数也不会增加掩模图形设计的复杂性,是一种实用的减小SU-8胶溶胀的新方法.     

微电铸的析氢现象研究

讨论了微电铸工艺中的析氢现象.析氢是微电铸中的附加反应,如处理不当,将会使铸层产生缺陷,如针孔和麻点等,同时引发氢脆,从而降低铸层的机械性能.通过对微电铸原理及析氢机理的分析,提出稳定pH值、增加搅拌和过滤循环、添加润湿剂以及采用脉冲电流等四种有效措施.实验证明,以上措施解决了析氢现象对铸层质量的影响,并获得了满意的铸层.     

UV-LIGA技术制作微型螺旋形加速度开关

微型加速度开关是用于空间飞行体中感受加速度并完成致动的重要惯性器件。本文采用UV-LIGA技术,结合SU-8厚胶工艺、微电铸工艺以及牺牲层技术,制作了微型螺旋形加速度开关。研究了牺牲层工艺、SU-8光刻技术以及螺旋形弹簧形变控制等微细加工的工艺细节;分析了多种牺牲层材料的特性,优选了与工艺相适应的Zn牺牲层体系,解决了微结构易脱落的工艺问题。通过优化微电铸工艺来减小金属膜层的内应力,优化牺牲层释放工艺来避免腐蚀过程对弹簧膜结构的冲击。实验结果表明,通过工艺优化可得到平整的微型螺旋形弹簧—质量块结构,螺旋弹簧厚度为20μm,质量块厚度达200μm,本文的工作可为大批量、低成本地研制微型加速度开关提供工艺基础。     

超声时效技术在微注塑模具制作中的应用

针对金属微注塑模具UV-LIGA制作过程中由于SU-8胶内应力过大而引起的胶膜破裂、变形甚至脱落等问题,提出将超声时效技术应用于微注塑模具的制作工艺.首先,利用紫外光刻工艺制备了电铸胶膜,在显影前使用自制的超声时效装置对胶膜进行超声处理.然后,采用无背板生长方法在38CrNiMnMo模具钢基底上直接进行镍金属的电铸生长,讨论并解决了工艺过程中遇到的SU-8胶浮胶变形、非圆形基片的匀胶、胶膜中的气泡以及微电铸层结合不牢等问题.最后,制作出微通道宽度和高度分别为80 μm和35 μm的微注塑模具.实验结果表明,超声时效技术的使用避免了由于SU-8胶内应力过大引起的破裂、变形甚至从基底脱落等缺陷,增强了UV-LIGA技术制作微注塑模具的能力,提高了制作微注塑模具的成功率.     

SU-8胶紫外光刻的尺寸精度研究

研究了衍射效应对SU-8胶紫外光刻尺寸精度的影响。根据菲涅耳衍射理论建立了紫外曝光改进模型,预测微结构的尺寸,分析了光刻参数变化对尺寸的影响。为了更好地与数值模拟结果进行比较,以硅为基底,进行了SU-8胶紫外光刻的实验研究。实验分四组,实验中掩模的特征宽度分别取50 μm、100 μm、200 μm和400 μm,SU-8胶表面的曝光剂量取400 mJ/cm²。用扫描电镜测量了微结构的顶部线宽、底部线宽和SU-8胶的厚度,用MATLAB软件对紫外曝光过程中SU-8胶层内曝光剂量的分布情况进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果基本吻合。数值模拟结果为进一步的实验研究提供了光刻参数的参考值。     

微电铸中电流-流体耦合的数值分析及实验

研究了LIGA/UV-LIGA的核心技术微电铸的内在规律,对影响铸层生长的阴极电流密度和流体流场进行了数值分析.以微流控芯片微模具上的十字电铸层为研究对象,建立了微电铸的数学模型.给出了描述微电铸体系电流密度和流体流场的偏微分方程,运用有限元法对微电铸体系进行三维数值仿真,得到了电流密度分布和流体流场分布的数值结果.选择十字铸层上的测量点,由该点处电流密度和流体流速仿真数据计算出微电铸4 h的铸层生长高度仿真值,并与相同工艺条件下的微电铸实验铸层生长高度进行对比.结果显示,对应各测量点微电铸生长高度仿真值和实验值的变化趋势接近,绝对偏差小,最大绝对偏差为4.437 μm,最小绝对偏差为0.264 μm.实验表明这种数值仿真方法适用于微电铸工艺设计的辅助分析,可缩短微电铸工艺的开发周期.     

在金属基底上制作高深宽比金属微光栅的方法

根据光学领域对高深宽比金属微器件的需求,利用UV-LIGA工艺在金属基底上制作了具有高深宽比的金属微光栅。采用分层曝光、一次显影的方法制作了微电铸用SU-8胶厚胶胶模,解决了高深宽比厚胶胶模制作困难的问题。由于电铸时间长易导致铸层缺陷,故采取分次电铸等措施得到了电铸光栅结构;同时通过线宽补偿的方法解决了溶胀引起的线宽变小问题。在去胶工序中,采用"超声-浸泡-超声"循环往复的方法。最终,制作了周期为130μm、凸台长宽高为900μm×65μm×243μm的金属微光栅,其深宽比达到5,尺寸相对误差小于1%,表面粗糙度小于6.17nm。本文提出的工艺方法克服了现有方法制作金属微光栅时高度有限、基底易碎等局限性,为在金属基底上制作高深宽比金属微光栅提供了一种可行的工艺参考方案。     

UV-LIA制作超高微细阵列电极技术研究

超高金属微细阵列电极在微细加工领域和生命科学领域有广泛应用。本文采用UV-LIGA技术制作超高金属微细阵列电极,并利用电解置桩的方法辅助去除SU-8胶。通过单次涂胶、提高前烘温度、降低后烘温度的方法制作了厚度达1mm的SU-8胶结构;采取反接电极法在金属基底上电解得到微坑,增强电铸金属电极与金属基底的结合力,保证去胶后电铸金属的完整性。选取优化的工艺参数：单次注射式涂胶;前烘110℃/12h;适量曝光剂量;分步后烘50℃/5min、70℃/10min、90℃/30min;反接电极电解10V/15min等,获得了高900μm、线宽300μm的金属微细阵列电极结构。试验表明,UV-LIGA技术是一种高效、经济的制造超高微细阵列电极的有效手段。     

SU-8胶光刻工艺研究

SU-8胶是一种基于环氧SU-8树脂的环氧型的、近紫外光、负光刻胶.其专门用于在非常厚的底层上需要高深宽比的应用.但是SU-8胶对工艺参数的改变非常敏感.本文对影响光刻后图形质量的主要工艺参数前烘温度和时间、中烘温度和时间、曝光时间及显影时间进行了研究,发现前烘时间和显影时间是影响图形分辨率及高深宽比的最主要的参数.随后给出了200μm厚SU-8光刻胶的建议工艺条件:200μm/s甩胶,1h的95°C前烘,近紫外光(400nm)接触式曝光,95°C的中烘 30min,PGMEA中显影20min.另外对实验中实现的主要问题基片弯曲和光刻胶的难以去除作了一定的探讨,给出了合理化建议:对于基片弯曲可采用以下四种措施来降低,降低中烘的温度同时增加中烘的时间、用厚硅片来代替薄硅片、对于薄硅片在前烘后可用金刚刀切成4～8小片、适当的设计掩模板;对于光刻胶的去除用热丙酮泡、超声清洗、反应离子刻蚀和高温灰化法相结合,能达到较好的效果.     

UV-LIGA制作超高微细阵列电极技术

采用UV-LIGA技术制作了超高金属微细阵列电极,并利用电解置桩的方法辅助去除SU-8胶。通过单次涂胶和提高前烘温度、降低后烘温度的方法制作了厚度达1mm的SU-8胶结构;采取反接电极法在金属基底上电解得到微坑,增强电铸金属电极与金属基底的结合力,保证去胶后电铸金属的完整性。选取优化的工艺参数:单次注射式涂胶,前烘110℃/12h,适量曝光剂量,分步后烘50℃/5min、70℃/10min、90℃/30min,反接电极电解10V/15min等,获得了高900μm、线宽300μm的金属微细阵列电极结构。试验表明,UV-LIGA技术是一种高效、经济的制造超高微细阵列电极的有效手段。     

研究UV-LIGA微电铸电极过程的交流阻抗法

在给定的电铸液组分和工艺路线下,运用交流阻抗法研究了微电铸镍结构的电极过程动力学特性。建立了微电铸体系的等效电路,根据实验获得的交流阻抗图和电阻电抗频率响应,分析了搅拌、整平剂对微电铸体系交流阻抗的影响,计算了电极过程的交换电流密度。结果表明,加入十二烷基硫酸钠整平剂数量存在一个使交流阻抗最小的最佳值,大小为3 g/L,在有搅拌、加入最佳量的整平剂时,体系电极过程的交换电流密度为0.171 A/dm²。在微电铸过程中有搅拌、加入适量整平剂使电铸液交流阻抗下降,阴极电流效率提高,可以改善微电铸镍结构的表面性能、致密度和高度均匀性。     

一种新型微流控芯片金属热压模具的制作工艺研究

研究了利用UV-LIGA技术制造PMMA微流控芯片金属热压模具。采用预机械抛光的Ni板作为电铸基底,光刻SU-8 2050后形成电铸型模,然后电铸Ni微通道,去胶后电铸基底与微通道结合形成芯片热压模具。此方法有效地解决了传统UV-LIGA方法中的倒拔模斜度的问题。制作的微流控芯片模具微通道的宽度和高度尺寸偏差分别为1.7%和2.8%,满足微流控芯片的应用要求。     

圆形出液口悬浮阴极平面电化学加工间隙建模及实验研究

提出利用极间电解液液膜支撑阴极悬浮形成加工间隙,通过调节流量和电流实现极间间隙的调节和控制的新方法。以圆形出液口悬浮阴极平面电化学加工为例,基于流体力学和电极过程动力学理论建立加工间隙的数学模型,得到间隙与流量、压差及电流之间的关系。利用Fluent软件对间隙模型流场特性进行分析,得到间隙中电解液的压力场和速度场的分布情况,进而得到进出口压差和出口流速;实验获得不同流量、电流条件下的加工间隙。理论模型计算结果和实验数据结果相近,变化规律基本一致。