CN101413138A - 一种提高微电铸铸层尺寸精度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种提高微电铸铸层尺寸精度的方法，属于微制造技术领域，特别涉及微电铸金属模具的尺寸精度的控制方法。该方法包括掩膜版设计和模具制作工序，针对SU－8厚胶、图形密集、复杂的微电铸工艺，设计掩膜版时，在相对较窄的单个或多个相互独立的掩膜图形四周增设一条或多条相对较宽、封闭或不封闭且等间距或不等间距的隔离带，隔离带宽度的具体尺寸根据实际情况设计。针对掩膜图形相对较窄并呈中空结构的微电铸，在掩膜图形外围和中间对应增设一条或多条相对较宽、封闭或不封闭且等间距或不等间距的外隔离带和内隔离带。本方法改善了胶模的热溶胀性，阻止了隔离带外围胶模的热溶胀对铸层尺寸的影响，从而提高了微电铸镍铸层的尺寸精度。
Description
技术领域
本发明属于微制造技术领域，特别涉及微电铸金属模具的尺寸精度的控制方法。
背景技术
SU-8胶是一种近紫外光、环氧型负光刻胶，由于其光敏性较好，吸收系数较小，而且能够得到高深宽比和近乎垂直的侧壁结构等优点，在MEMS(微机电系统)领域得到广泛的应用。采用SU-8胶作为胶模的微电铸工艺，其铸层尺寸精度的影响因素包含：微电铸时SU-8胶的热溶胀效应、紫外线曝光时的菲涅耳衍射，以及掩膜版的加工精度，其中，SU-8胶的热溶胀效应是主要因素，而且胶模越厚，热溶胀度越大，该效应也越明显。
提高微电铸铸层尺寸精度的一般方法主要是设计掩膜版时，采用线宽补偿，弥补由于SU-8胶热溶胀效应等因素导致的胶模微沟道线宽缩小，该方法主要适用于SU-8薄胶、掩膜图形规则且简单的微电铸工艺。但是对于SU-8厚胶、图形密集、复杂的微电铸工艺，电铸时，图形四周SU-8胶模的体积比微电铸层(密集图形区域)的大，该处胶模的热溶胀效应显著，热溶胀度也大，导致图形四周微电铸铸层尺寸精度较低。
发明内容
本发明要解决的技术难题是为了克服上述缺点，提供一种提高微电铸铸层尺寸精度的新方法，即设计掩膜版时，在掩膜图形四周增设封闭的隔离带，并保证隔离带与掩膜图形的间距一致，SU-8胶曝光显影后得到的隔离沟道将图形四周原本自成一体的SU-8胶模分隔成相互独立的两部分，该方法减少了厚胶微电铸时图形四周SU-8胶模的体积，改善了该处胶模的热溶胀性，也阻止了隔离沟道外围胶模的热溶胀对铸层尺寸的影响，提高了微电铸铸层的尺寸精度，适于SU-8厚胶，掩膜图形密集、复杂的微电铸工艺。
本发明的技术方案是：一种提高微电铸铸层尺寸精度的方法，包括掩膜版设计和模具制作工序，其特征是，针对SU-8厚胶、图形密集、复杂的微电铸工艺，设计掩膜版时，在相对较窄的单个或多个相互独立的掩膜图形1四周增设一条或多条相对较宽、封闭或不封闭且等间距或不等间距的隔离带2，隔离带宽度d3具体尺寸根据实际情况设计；模具制作工序中，具体工艺步骤如下：
(1)甩胶：在镍基底6上涂敷SU-8胶7。
(2)曝光：采用紫外线9曝光和套刻工艺，实现掩膜版8的图形转移。
(3)显影：采用SU-8胶显影液显影，得到包含图形沟道a的微电铸母模和隔离沟道b。
(4)密封：将显影后的隔离沟道b均匀灌以填充物并封严，形成封闭的填充物隔离带10，这样在微电铸时，该隔离带可以有效阻止口字形胶模5的热溶胀对微电铸铸层尺寸的影响，从而保证了叉指状胶模4不同位置的热溶胀度趋于一致，提高了铸层的尺寸精度。
(5)微电铸：镍的微电铸就是在微电铸母模的图形沟道a中实现镍铸层11的电沉积。
(6)去胶：采用SU-8胶去胶液去除SU-8胶。
所述的提高微电铸铸层尺寸精度的方法，针对掩膜图形相对较窄并呈环形结构的微电铸，在掩膜图形外围增设一条或多条相对较宽、封闭或不封闭且等间距或不等间距的外隔离带；掩膜图形中间增设一条或多条相对较宽、封闭或不封闭且等间距或不等间距的环形内隔离带，或者增设圆形内隔离带。针对掩膜图形相对较窄并呈其他形式且中空结构的微电铸，在掩膜图形外围和中间对应增设与图形相适应的一条或多条相对较宽、封闭或不封闭且等间距或不等间距的外隔离带和内隔离带。
本发明的显著效果是：克服一般的通过采用线宽补偿提高微电铸铸层尺寸精度方法的缺点，有效减少了掩膜图形密集、复杂，SU-8厚胶微电铸时图形四周SU-8胶模的体积，改善了该处胶模的热溶胀性，也阻止了隔离沟道外围胶模的热溶胀对铸层尺寸的影响，提高了微电铸铸层的尺寸精度。
附图说明
图1是本发明的增设封闭隔离带的掩膜版示意图，a图中：1-掩膜图形，2-口字形隔离带，3-玻璃，d1-沟道宽度，d2-沟道肋宽，d3-隔离带宽度，d4-隔离带与掩膜图形的间距；b图中：1-掩膜图形，2-口字形隔离带，3-玻璃。
图2是显影后的SU-8胶模示意图，a图中：a-图形沟道，b-隔离沟道，4-叉指状胶模，5-口字形胶模，6-镍基底，7-SU-8胶；b图中：a-图形沟道，b-隔离沟道，6-镍基底，7-SU-8胶。
图3是本发明的基于UV-LIGA(紫外线深层光刻、电铸成型、微复制)技术的镍模具制作流程示意图，图中：a-图形沟道，b-隔离沟道，6-镍基底，7-SU-8胶，8-掩膜版，9-紫外线，10-填充物隔离带，11-镍铸层。
图4是本发明的应用实例，图中：12-环形掩膜图形，13-环形外隔离带，14-环形内隔离带。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。一种提高微电铸铸层尺寸精度的方法，包括掩膜版设计、模具制作步骤。针对SU-8厚胶(250μm厚)光刻、掩膜图形密集、复杂的微流控芯片模具的微电铸工艺，设计掩膜版时，在相对较窄的掩膜图形1四周增设一条相对较宽、封闭等间距的隔离带2，而且隔离带和掩膜图形之间的间距d4与图形沟道的肋宽d2相等，保证微电铸时，图形沟道两侧的SU-8胶模热溶胀度趋于一致。模具制作工序中，SU-8胶曝光显影后得到的隔离沟道b灌以填充物并封严，形成封闭的填充物隔离带10。
附图1为本发明增设封闭隔离带的掩膜版示意图，在玻璃3上溅射铬，利用光刻工艺制作含有掩膜图形1的铬板掩膜版，相对较窄的沟道宽度d1、肋宽d2设计值均为200μm，SU-8胶厚设计值为250μm。若不加隔离带2，显影后得到与掩膜图形1互补且自成一体的SU-8胶模，其中间是叉指状胶模，其余为口字形胶模，由于微电铸时SU-8胶存在热溶胀效应，口字形胶模的体积比叉指状胶模的体积大，热溶胀效应更明显，而且250μm的厚胶，该效应也更显著，导致微电铸铸层沟道拐弯处和出入口直沟道线宽尺寸显著缩小。
设计掩膜版时，在掩膜图形四周增设一条相对较宽、封闭且等间距的隔离带2，隔离带宽度d3为2mm，隔离带与掩膜图形1的间距d4处处相等，均为200μm，和沟道肋宽d2一致。显影后，得到图形沟道a、隔离沟道b，以及与图形沟道掩膜图形和隔离带互补且相互独立的叉指状胶模4和口字形胶模5，如图2所示，并将隔离沟道均匀灌以填充物封严，形成封闭的填充物隔离带10。微电铸时，口字形胶模比叉指状胶模体积大，热溶胀效应也明显，但填充物隔离带的存在，阻止了前者的热溶胀对微电铸铸层尺寸的影响，从而保证了后者不同位置的热溶胀度趋于一致，提高了铸层的尺寸精度。
图3是本发明的基于UV-LIGA技术的镍模具制作流程示意图，在研磨、抛光后的镍基底板1(63mm×63mm)上电铸微流控芯片镍模具，具体工艺步骤如下：
(1)在镍基底6上SU-8胶7；(2)采用紫外线9曝光和套刻工艺，实现掩膜版8(如图1)的图形转移；(3)采用SU-8胶显影液显影，得到包含图形沟道a的微电铸母模和隔离沟道b；(4)将显影后的隔离沟道b均匀灌以填充物封严，形成一条封闭的填充物隔离带10，微电铸时，该隔离带有效阻止了口字形胶模5的热溶胀对微电铸铸层尺寸的影响，从而保证了叉指状胶模4不同位置的热溶胀度趋于一致，提高了铸层的尺寸精度；(5)微电铸，即在微电铸母模的图形沟道a中实现镍铸层11的电沉积；(6)采用SU-8胶去胶液去除SU-8胶。
图4是本发明的应用实例，针对掩膜图形相对较窄并呈环形结构的微电铸，在掩膜图形外围增设一条或多条相对较宽、封闭或不封闭且等间距或不等间距的外隔离带；掩膜图形中间增设一条或多条、相对较宽、封闭或不封闭且等间距或不等间距的环形内隔离带，或者增设圆形内隔离带。如图4中的环形掩膜图形12，在其外围增设三条相对较宽且封闭等间距的环形外隔离带13，中间增设一条相对较宽且封闭等间距的环形内隔离带14。
采用本发明提出的利用增设隔离带的掩膜版制作基于SU-8厚胶光刻工艺、图形密集、复杂的微电铸镍模具的方法，能够有效减少SU-8厚胶微电铸时图形四周胶模的体积，改善了该处胶模的热溶胀性，也阻止了隔离沟道外围胶模的热溶胀对铸层尺寸的影响，提高了微电铸铸层的尺寸精度。该方法适于厚胶、掩膜图形密集、复杂而且微电铸母模热溶胀效应显著的微电铸工艺，也适于薄胶、掩膜图形简单、规则而且微电铸母模热溶胀效应显著的微电铸工艺。
Claims (2)
1、一种提高微电铸铸层尺寸精度的方法，包括掩膜版设计和模具制作工序，其特征是，针对SU-8厚胶、图形密集、复杂的微电铸工艺，设计掩膜版时，在相对较窄的单个或多个相互独立的掩膜图形(1)四周增设一条或多条相对较宽、封闭或不封闭且等间距或不等间距的隔离带(2)，隔离带宽度d3具体尺寸根据实际情况设计；模具制作工序中，具体工艺步骤如下：
(1)甩胶：在镍基底(6)上涂敷SU-8胶(7)；
(2)曝光：采用紫外线(9)曝光和套刻工艺，实现掩膜版(8)的图形转移；
(3)显影：采用SU-8胶显影液显影，得到包含图形沟道(a)的微电铸母模和隔离沟道(b)；
(4)密封：将显影后的隔离沟道(b)均匀灌以填充物并封严，形成封闭的填充物隔离带(10)，这样在微电铸时，该隔离带可以有效阻止口字形胶模(5)的热溶胀对微电铸铸层尺寸的影响，从而保证了叉指状胶膜(4)不同位置的热溶胀度趋于一致，提高了铸层的尺寸精度；
(5)微电铸：镍的微电铸就是在微电铸母模的图形沟道(a)中实现镍铸层(12)的电沉积；
(6)去胶：采用SU-8胶去胶液去除SU-8胶。
2、根据权利要求1所述的提高微电铸铸层尺寸精度的方法，其特征在于，针对掩膜图形相对较窄并呈环形结构的微电铸，在掩膜图形外围增设一条或多条相对较宽、封闭或不封闭且等间距或不等间距的外隔离带；掩膜图形中间增设一条或多条相对较宽、封闭或不封闭且等间距或不等间距的环形内隔离带，或者增设圆形内隔离带；针对掩膜图形相对较窄并呈其他形式且中空结构的微电铸，在掩膜图形外围和中间对应增设与图形相适应的一条或多条相对较宽、封闭或不封闭且等间距或不等间距的外隔离带和内隔离带。
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