金属微器件LIGA成型过程中提高电铸层均匀性的方法转让专利
申请号 : CN201810457726.6
文献号 : CN108624922B
文献日 : 2019-11-29
发明人 : 严战非 , 赵明 , 顾琪 , 杜立群 , 吕辉
申请人 : 中国电子科技集团公司第十四研究所 , 大连理工大学
摘要 :
本发明提出了一种金属微器件LIGA成型过程中提高电铸层均匀性的方法，首先在基板上涂第一负光刻胶，进行前烘，进行曝光，显影，并进行烘烤成坚硬胶膜；在图形化的第一负光刻胶胶膜上溅射导电金属，得到金属种子层；在种子层上涂覆正性光刻胶，经过前烘、曝光、显影后，将辅助结构的图形转移到正性光刻胶胶膜上，即形成掩蔽层；对种子层进行腐蚀，得到辅助结构图形的种子层；在具有微器件图形的金属基板和具有辅助结构图形的种子层上涂覆第二负光刻胶，经过前烘，曝光，后烘，显影，得到具有微器件和辅助结构图形的第二负光刻胶胶膜；微电铸金属；去除光刻胶及辅助结构电铸层，得到微器件；本方法提高复杂结构微器件的铸层均匀性。
权利要求 :
1.一种金属微器件LIGA成型过程中提高电铸层均匀性的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、在基板上涂覆第一负光刻胶，制作牺牲层：在基板上涂第一负光刻胶，进行前烘，在基板上覆盖具有微器件图形的掩膜板进行曝光，显影，将微器件的图形转移到第一负光刻胶胶膜上，并进行烘烤成坚硬胶膜；
步骤S2、制作种子层：在图形化的第一负光刻胶胶膜上溅射导电金属，得到导电金属种子层；
步骤S3、制作掩蔽层：在导电种子层上涂覆正性光刻胶，经过前烘、在基板上覆盖具有辅助结构图形的掩膜板进行曝光、显影后，将辅助结构的图形转移到正性光刻胶胶膜上，即形成掩蔽层；
步骤S4、对种子层进行腐蚀：对图形化的掩蔽层进行腐蚀，去除掩蔽层以外的导电金属种子层，然后去除正性光刻胶，得到辅助结构图形的种子层；
步骤S5、制作具有微器件和辅助结构图形的第二负光刻胶胶膜：在具有微器件图形的金属基板和具有辅助结构图形的种子层上涂覆第二负光刻胶，经过前烘，在基板上覆盖具有微器件结构图形和辅助结构图形的掩膜板进行曝光，后烘，显影，得到具有微器件和辅助结构图形的第二负光刻胶胶膜；
步骤S6、微电铸金属：将制作好的胶膜放入电铸液中进行微器件的电铸；
步骤S7、去除光刻胶及辅助结构电铸层，得到微器件。
2.根据权利要求1所述的金属微器件LIGA成型过程中提高电铸层均匀性的方法，其特征在于，步骤S1中所述第一负光刻胶采用BN303光刻胶。
3.根据权利要求1所述的金属微器件LIGA成型过程中提高电铸层均匀性的方法，其特征在于，步骤S2中所述导电金属采用铜。
4.根据权利要求1所述的金属微器件LIGA成型过程中提高电铸层均匀性的方法，其特征在于，步骤S3中所述正性光刻胶采用AZ703光刻胶。
5.根据权利要求1所述的金属微器件LIGA成型过程中提高电铸层均匀性的方法，其特征在于，步骤S5中所述第二负光刻胶采用SU-8光刻胶。
6.根据权利要求1所述的金属微器件LIGA成型过程中提高电铸层均匀性的方法，其特征在于，步骤S7中得到微器件具体过程为：将电铸好的微器件浸入第二负光刻胶去胶液中，待第二负光刻胶去除干净后，将微器件转移到第一负光刻胶去胶液中，待第一负光刻胶溶解及辅助结构电铸层与微器件分离脱落时，得到所需的微器件。
7.根据权利要求1所述的金属微器件LIGA成型过程中提高电铸层均匀性的方法，其特征在于，步骤S1前还包括：步骤S0、对基板进行预处理：首先使用精密研磨抛光机对金属基板进行研磨、抛光处理，然后进行清洗并烘干。
说明书 :
金属微器件LIGA成型过程中提高电铸层均匀性的方法
技术领域
[0001] 本发明属于微制造技术领域，特别是一种金属微器件LIGA成型过程中提高电铸层均匀性的方法。
背景技术
[0002] 随着微机电系统(MEMS)技术的发展进步，金属微器件在生物医学、航空航天、电子通讯等领域得到了较好的应用。基于UV-LIGA技术的微电铸工艺是制作金属微器件的有效方法之一。然而，在微电铸过程中，电流的边缘效应造成电场线容易在阴极边角处集中，电铸后的金属微器件存在铸层厚度均匀性差的问题。这种铸层不均匀现象不仅会降低电铸效率，延长制作周期，而且会影响金属微器件的尺寸精度，严重影响着金属微器件的后续使用。
[0003] 为了减小电铸时电流边缘效应带来的影响，提高金属微器件铸层的均匀性，期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture 2000年第40卷第7期第1065–1072页提出了片外辅助阴极的方法。即在距离阴极表面特定距离的位置放置一个框型的辅助阴极，通过外置的辅助阴极减小电流边缘效应达到改善均匀性的目的。但是，该方法采用的片外辅助阴极和需要的沉积的阴极表面不在同一平面内，对电流边缘效应的改善程度有限。随着片外辅助阴极放置位置和沉积阴极距离的增加，当距离大于2.5mm时，片外辅助阴极对铸层均匀性的改善不起任何作用，且该方法只适用于一些简单图形的辅助阴极，复杂图形的辅助阴极制作比较困难。期刊《微细加工技术》2008年第5期第45-49页提出了片内辅助阴极的方法。即先在玻璃基板上溅射一层Cr/Cu种子层，然后旋涂AZP4903正性光刻胶，通过光刻将微结构和辅助图形同时图形化，最后通过电铸制作微结构达到改善微结构铸层均匀性的目的。该方法由于片内辅助阴极和微结构在同一平面，改善铸层均匀性的效果更好。但是由于该方法在微器件电铸完成后片内辅助阴极采取了免去除的方式，因此改变了微器件的原始设计方案，导致微器件的使用性能受到一定的影响，这从设计的角度是不允许的。同时由于片内辅助阴极设置在微器件外围，对结构复杂的微器件内部的均匀性改善效果不明显。因此，探索一种简单、高效，且不改变微器件原始设计方案的、提高铸层均匀性的方法具有重要的意义。
发明内容
[0004] 本发明所解决的技术问题在于提供一种金属微器件LIGA成型过程中提高电铸层均匀性的方法，以解决微器件成型过程中铸层均匀性及片内辅助阴极改变微器件原始结构的问题。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：
[0006] 一种金属微器件LIGA成型过程中提高电铸层均匀性的方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤S1、在基板上第一涂覆负光刻胶，制作牺牲层：在基板上涂第一负光刻胶，进行前烘，在基板上覆盖具有微器件图形的掩膜板进行曝光，显影，将微器件的图形转移到第一负光刻胶胶膜上，并进行烘烤成坚硬胶膜；
[0008] 步骤S2、制作种子层：在图形化的第一负光刻胶胶膜上溅射导电金属，得到导电金属种子层；
[0009] 步骤S3、制作掩蔽层：在导电种子层上涂覆正性光刻胶，经过前烘、在基板上覆盖具有辅助结构图形的掩膜板进行曝光、显影后，将辅助结构的图形转移到正性光刻胶胶膜上，即形成掩蔽层；
[0010] 步骤S4、对种子层进行腐蚀：对图形化的掩蔽层进行腐蚀，去除掩蔽层以外的导电金属种子层，然后去除正性光刻胶，得到辅助结构图形的种子层；
[0011] 步骤S5、制作具有微器件和辅助结构图形的第二负光刻胶胶膜：在具有微器件图形的金属基板和具有辅助结构图形的种子层上涂覆第二负光刻胶，经过前烘，在基板上覆盖具有微器件结构图形和辅助结构图形的掩膜板进行曝光，后烘，显影，得到具有微器件和辅助结构图形的第二负光刻胶胶膜；
[0012] 步骤S6、微电铸金属：将制作好的胶膜放入电铸液中进行微器件的电铸；
[0013] 步骤S7、去除光刻胶及辅助结构电铸层，得到微器件。
[0014] 本发明与现有技术相比，其显著优点：
[0015] (1)本发明的金属微器件LIGA成型过程中提高电铸层均匀性的方法，通过添加可去除的辅助结构，解决了现有方法中片内辅助阴极改变微器件原始设计方案的问题，保证了微器件的使用性能。
[0016] (2)本发明突破了片内辅助阴极只能设置在微器件外围的局限性，辅助结构可根据微器件图形进行仿形设计，在提高具有复杂结构微器件的铸层均匀性上具有更高效的实用性。
[0017] (3)本发明辅助结构在胶膜上的种子层上生成，不是直接在金属基底上电沉积成型，剥离处理更加简便快捷。
[0018] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
[0019] 图1为本发明方法的流程示意图。
[0020] 图2为实施例1中微器件的三维结构示意图。
[0021] 图3为BN303胶膜曝光示意图。
[0022] 图4为具有金属微器件图形的掩膜板遮光区域示意图。
[0023] 图5为BN303胶膜显影后示意图。
[0024] 图6为溅射铜种子层后示意图。
[0025] 图7为AZ703胶膜曝光示意图。
[0026] 图8为AZ703曝光使用的掩膜板图形。
[0027] 图9为AZ703胶膜显影后示意图。
[0028] 图10为种子层腐蚀并去除AZ703胶膜后示意图。
[0029] 图11为SU-8胶膜曝光示意图。
[0030] 图12为SU-8胶膜曝光使用的掩膜板图形。
[0031] 图13为SU-8胶膜显影后示意图。
[0032] 图14为电铸后示意图。
[0033] 图15为去除SU-8胶、BN303胶及辅助结构后示意图。
具体实施方式
[0034] 为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
[0035] 结合图1，本发明的一种金属微器件LIGA成型过程中提高电铸层均匀性的方法，包括以下步骤：
[0036] 步骤S0、对基板进行预处理：首先使用精密研磨抛光机对金属基板进行研磨、抛光，使基板表面粗糙度Ra小于0.04μm；然后依次使用丙酮、乙醇对基板进行超声清洗，最后用氮气将基板吹干，并将其放入烘箱中烘干备用。
[0037] 步骤S1、在基板上第一涂覆负光刻胶，制作牺牲层：在基板上涂第一负光刻胶，然后进行前烘，冷却后在基板上覆盖具有微器件图形的掩膜板进行曝光，显影，将微器件的图形转移到第一负光刻胶胶膜上，并进行烘烤成坚硬胶膜。
[0038] 负光刻胶被紫外光直接照射的部分在显影过程中得到保留，掩膜板遮挡部分被溶解。所以牺牲层制作中曝光使用的掩膜板图形为微器件图形，目的是为了将微器件的图形转移到金属基板上。
[0039] 优选的，所述第一负光刻胶采用BN303光刻胶。
[0040] 步骤S2、制作种子层：在图形化的第一负光刻胶胶膜上溅射导电金属，得到导电金属种子层。
[0041] 优选的，所述导电金属采用铜。
[0042] 步骤S3、制作掩蔽层：在导电种子层上涂覆正性光刻胶，经过前烘、冷却后在基板上覆盖具有辅助结构图形的掩膜板进行曝光、显影后，将辅助结构的图形转移到正性光刻胶胶膜上，即形成掩蔽层。辅助结构的图形以微器件的图形为基准，外轮廓向外辐射，内轮廓向内收缩，以形成包含微器件图形的辅助结构。
[0043] 正性光刻胶被紫外光直接照射的部分在显影过程中被溶解，掩膜板遮挡部分被保留。掩蔽层制作中曝光使用的掩膜板图形为设置在微器件外围和内部的辅助结构(含辅助结构导电的电路图形)，目的是为了将辅助结构和导电连接线图形转移在牺牲层上。
[0044] 优选的，所述正性光刻胶采用AZ703光刻胶。
[0045] 步骤S4、对种子层进行腐蚀：对图形化的掩蔽层进行腐蚀，去除掩蔽层以外的导电金属种子层，然后去除正性光刻胶，得到辅助结构图形的种子层。
[0046] 步骤S5、制作具有微器件和辅助结构图形的第二负光刻胶胶膜：在具有微器件图形的金属基板和具有辅助结构图形的种子层上涂覆第二负光刻胶，经过前烘，冷却后在基板上覆盖具有微器件结构图形和辅助结构图形的掩膜板进行曝光，后烘，显影，得到具有微器件和辅助结构图形的第二负光刻胶胶膜。
[0047] 负光刻胶被紫外光直接照射的部分在显影过程中被保留，掩膜板遮挡部分被溶解。曝光使用的掩膜板图形为微器件和辅助结构图形，目的是为了制作电铸微器件和辅助结构需要的胶膜。
[0048] 优选的，所述第二负光刻胶采用SU-8光刻胶。
[0049] 步骤S6、微电铸金属：将制作好的胶膜放入电铸液中进行微器件的电铸。
[0050] 步骤S7、去除光刻胶及辅助结构电铸层，得到微器件：将电铸好的微器件浸入第二负光刻胶去胶液中，待第二负光刻胶去除干净后，将微器件转移到第一负光刻胶去胶液中，待第一负光刻胶溶解及辅助结构电铸层与微器件分离脱落时，得到所需的微器件。
[0051] 实施例1、
[0052] 结合图2，下面以在基板1上制造金属微器件2，为例对本发明的具体实施方式进行详细说明，下面仅以金属微器件2的厚度为100μm为例，各工艺参数可按此进行调整。具体步骤如下：
[0053] 镍基板预处理
[0054] 步骤S0对基板进行预处理：采用精密研磨抛光机对基板1进行研磨、抛光，使镍基板1表面粗糙度Ra小于0.04μm；然后依次使用丙酮、乙醇对基板1进行超声清洗各10min，最后用氮气将基板吹干，并将其放入120℃的烘箱中烘焙2小时备用。
[0055] 本实施例1中基板1采用镍基板。
[0056] 步骤S1、在基板上第一涂覆负光刻胶，制作牺牲层：
[0057] 使用台式匀胶机在基板1上涂覆BN303胶膜8，甩胶参数为：低速转600rpm，时间6s；高速转3000rpm，时间30s，胶膜8厚度2～3μm，然后在热板上进行前烘，温度85℃，时间
30min。冷却后覆盖掩膜板7进行曝光，曝光在SUSS光刻机上进行，如图3所示。掩膜板7如图4所示，曝光时间为20s，曝光剂量为180mJ/cm2。曝光后进行显影，显影时间105s，显影后在热板上进行烘烤坚膜，温度和时间分别是85℃，2h；最终得到图形化后的BN303胶膜8，如图5所示。
30min。冷却后覆盖掩膜板7进行曝光，曝光在SUSS光刻机上进行，如图3所示。掩膜板7如图4所示，曝光时间为20s，曝光剂量为180mJ/cm2。曝光后进行显影，显影时间105s，显影后在热板上进行烘烤坚膜，温度和时间分别是85℃，2h；最终得到图形化后的BN303胶膜8，如图5所示。
[0058] 图4中3是金属微器件图形遮光区域，4是辅助结构和基底的电导通点遮光区域。
[0059] 步骤S2、制作种子层：使用溅射仪在图形化的BN303胶膜8上溅射铜，得到厚度为200～220nm的铜种子层9，如图6所示。
[0060] 步骤S3、制作掩蔽层：在铜种子层9上涂覆正性光刻胶AZ703胶膜10，甩胶参数为：低速转600rpm，时间6s；高速转2600rpm，时间30s，胶膜10厚度4～5μm；然后在热板上进行前烘，温度85℃，时间45min。冷却后覆盖掩膜板进行曝光，曝光在SUSS光刻机上进行，如图7所示；掩膜板11如图8所示，曝光时间为50s，曝光剂量为450mJ/cm2。曝光后进行显影，显影时间为1min，最终得到图形化的掩蔽层10，如图9所示。图8中5是辅助结构图形遮光区域，6是辅助结构导电的连接线图形遮光区域。
[0061] 步骤S4、对种子层进行腐蚀：对图形化的掩蔽层10采用湿法腐蚀工艺去除掩蔽层以外的铜种子层，然后使用丙酮去除AZ703得到图形化的辅助结构种子层9，如图10所示。湿法腐蚀溶液为体积浓度50％的Fecl3溶液，腐蚀时间为15～20s。
[0062] 步骤S5、制作具有微器件和辅助结构图形的第二负光刻胶胶膜：在图形化的种子层9上旋涂SU-8 2075光刻胶，甩胶参数为低速转600rpm，时间6s；高速转1000rpm，时间30s，SU-8胶膜13厚度110～120μm，然后自平整30min，接着在烘箱中进行前烘，温度65℃，30min；85℃，时间1h。冷却后覆盖掩膜板进行曝光，曝光在SUSS光刻机上进行，如图11所示，掩膜板
12图形如图12所示，曝光时间为50s，曝光剂量为450mJ/cm2。曝光后在热板上进行后烘，温度85℃，时间130s。冷却后进行显影，显影时间为165s，显影后得到图形化的SU-8胶膜13，如图13所示。图12中，3为金属微器件图形遮光区域，5辅助结构图形遮光区域；
12图形如图12所示，曝光时间为50s，曝光剂量为450mJ/cm2。曝光后在热板上进行后烘，温度85℃，时间130s。冷却后进行显影，显影时间为165s，显影后得到图形化的SU-8胶膜13，如图13所示。图12中，3为金属微器件图形遮光区域，5辅助结构图形遮光区域；
[0063] 步骤S6、微电铸金属：将制作好的胶膜13放入电铸液中进行微电铸镍。电铸液配方为：氨基磺酸镍365～375g/L、氯化镍6～10g/L、硼酸55～60g/L；微电铸镍工艺条件为：PH值3.9～4.1、温度48℃～52℃、电流密度0.5～1A/dm2；电铸时间为11h，电铸后的示意图如图
14所示。
14所示。
[0064] 步骤S7、去除光刻胶及辅助结构电铸层，得到微器件：将电铸好的微器件浸入SU-8胶去胶剂Remove PG，水浴85℃保温4h，待SU-8胶去除干净后，将微器件转移到BN303光刻胶去胶液中，浸泡8-10min，待BN303溶解及辅助结构与微器件14分离脱落时，取出微器件并用去离子水清洗干净，最终得到的金属微器件如图14所示，即图2中的微器件2。
[0065] 以上得到金属微器件2的厚度为100μm，上述厚度变化时，种子层及各步骤中工艺参数可做相应调整，不局限于100μm厚的金属微器件2。
[0066] 采用本发明提出的在微器件外围和内部添加可去除辅助结构的方法，提高了微器件的铸层均匀性，解决了现有方法中片内辅助阴极改变微器件原始设计方案的问题，保证了微器件的使用性能。与不添加辅助阴极下电铸得到的微器件相比，在电流密度1A/dm2，电铸时间11h的相同条件下，采用本发明制作的微器件铸层均匀性提高了45.4％。