CN102560564B - 一种深离子反应刻蚀结合辊压制备全金属微结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深离子反应刻蚀结合辊压制备全金属微结构的加工方法，首先在基片(1)表面依次涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和一层含硅的聚氨酯丙烯酸酯(PUA)，然后利用自制的辊压装置在PUA层上辊压形成一个比较浅的沟槽，脱模后，先用SF6和O2的混合气体作为工作气体进行离子反应刻蚀，直至把沟槽里的PUA刻蚀掉，再单独用O2作为工作气体对PMMA层(3)进行离子刻蚀，直至把沟槽里的PMMA层(3)刻蚀掉，最后是微电铸、去胶、成型。本发明方法易于实现大面积和重复性生产，并能有效缩短加工周期、降低加工成本。

Description

一种深离子反应刻蚀结合辊压制备全金属微结构的方法
一、技术领域
本发明涉及一种全金属微结构的加工方法，确切地说是一种深离子反应刻蚀结合辊压制备全金属微结构的方法。
二、背景技术
全金属微结构由全金属构成的，通常直径为＜0.25mm。随着全金属微结构的需求量的不断增大，其制造也不断趋向大面积重复性的生产，典型的全金属微结构的应用有THz折叠波导慢波结构、金属光栅、微机械电子系统的生产制造。目前国际上受到普遍关注和运用的金属微结构生产制造的技术主要有：电火花技术、光刻、电铸及注塑结合(LIGA)技术、紫外光-LIGA(UV-LIGA)技术和深离子反应刻蚀技术。其中电火花技术主要用于单个或少量金属构件的加工制造，生产周期长不利于大批量的生产制造，LIGA技术的应用过程中需要用到同步辐射产生的X射线，代价昂贵，并且加工周期长不适合大规模的生产加工。UV-LIGA技术和深离子反应刻蚀是当今被认为最有前途的两种加工方法。UV-LIGA技术采用基于SU8光刻胶紫外光刻工艺，大大降低了LIGA技术的加工成本，缩短了加工周期；深离子反应刻蚀技术是通过粒子的物理撞击结合离子的各向异性反应来进行硅结构的微细加工，生成硅结构的模具，从而实现高深宽比的金属微结构的加工制造。但这两种技术存在如下的不足：
第一，在UV-LIGA技术中光刻胶厚度均匀控制、温度选择、边缘的垂直、光刻胶内部应力引起的图形裂纹等问题都有待进一步的解决；
第二，在深离子反应刻蚀技术中胶体的脱模难、刻蚀速度慢都影响到了生产的速度，不利于大规模重复性的生产加工。
三、发明内容
本发明旨在提供一种全金属微结构的加工方法，所要解决的技术问题提供一种加工方法使其易于实现大面积和重复性生产并能有效缩短加工周期、降低加工成本。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明深离子反应刻蚀结合辊压制备全金属微结构的方法，其特征在于按以下步骤操作：
(1)涂胶基片的制备
以硅片为基片1，在基片1的上表面溅射一层厚度为0.5-1μm的金属钛(Ti)作为导电层2，在导电层2上涂布形成厚度为60-80μm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层3，再于PMMA层3上涂布形成厚度为15-25μm的含硅的聚氨酯丙烯酸酯(PUA)层4形成涂胶基片；
其中PMMA的分子量范围为十万至一百万，PMMA层3的涂布液为PMMA的氯苯溶液，溶液质量浓度5％-20％，涂布后置于180℃固化20min。
PUA层4涂布后置于180℃固化10min。
(2)辊压
采用金属材料制作的辊筒式辊压模，用激光烧结方法在辊压模表面加工出与所需成型的微结构相应的微结构凸模得到辊压模具5；将所述辊压模具5置于所述涂胶基片的PUA层4的表面，辊压形成微结构凹槽6后脱模，微结构凹槽6不穿透PUA层4，即在其底部保留一薄层含硅的聚氨酯丙烯酸酯层；
(3)第一次深离子反应刻蚀
用SF6与O2按照体积比4∶6的比例构成的混合气体作为刻蚀气体对涂胶基片的PUA层4进行深离子反应刻蚀，直至将微结构凹槽6底部的薄层含硅的聚氨酯丙烯酸酯层刻蚀掉时停止，由于微结构凹槽6底部的含硅的聚氨酯丙烯酸酯较薄，所以停止刻蚀时PUA层4在微结构凹槽6底部以外的其余部分仍有含硅的聚氨酯丙烯酸酯残留；
(4)第二次深离子反应刻蚀
以O2作为刻蚀气体对第一次深离子反应刻蚀后涂胶基片的PMMA层3进行深离子反应刻蚀，以所述O2与残留的含硅的聚氨酯丙烯酸酯形成含有SiO2的遮挡层，并同时对PMMA层3进行反应刻蚀，直至第一次深离子反应刻蚀后的微结构凹槽8底部的PMMA完全刻蚀掉时停止，其余部分的PMMA仍有残留，得到微结构凹模；
(5)微电铸及去胶成型
将所述微结构凹模置于电铸溶液中进行微电铸加工形成全金属微结构7，微电铸加工时控制温度30℃，电流密度0.7-1.2A/dm2，阳极为纯度99.9％的磷铜板，辅助33KHz，15w的超声搅拌；将所述全金属微结构7与所述微结构凹模剥离，并用丙酮去除所述全金属微结构7上残余的PMMA即可；
所述电铸溶液由60-70g焦磷酸铜、280-320g焦磷酸钾和20-25g柠檬酸铵混合并加水至溶液pH值8.2得到。
本发明方法主要可用于THz全金属折叠波导、金属光栅、微型电子元件、微波电路、微型机械构件、金属薄膜、传感器、扫描隧道显微镜、微机械电子系统、宏电子系统等所需全金属金属微型结构的加工制造。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明进行辊压的涂胶为PUA，容易实现脱模，同时在之后用O2作为工作气体的第二次深离子反应刻蚀过程中，PUA中所含的Si与O2反应生成SiO2，恰好在第二次深离子反应刻蚀中充当了遮挡层，阻止了遮挡层下方的所需要的PMMA被刻蚀，此处遮挡层在加工过程中自动生成，不需要再另外制造相应的遮挡层，简化了加工流程，缩短了加工周期，降低了加工成本。
本发明中所述的深离子反应刻蚀结合辊压的加工方法，避免了常规LIGA、UV-LIGA、电火花技术成本高、加工周期长、不适合大面积重复性生产等缺点，本发明所述方法加工周期短，成本低并易于实现大面积、重复性生产。
四、附图说明
图1为基片1。
图2为溅射Ti导电层后的基片。
图3为在导电层上涂布PMMA层后的基片。
图4为在PMMA层上涂布含硅聚氨酯丙烯酸酯层后得到的涂胶基片。
图5为辊压模具5示意图。
图6为辊压模具5在涂胶基片的PUA层4辊压后形成的微结构凹槽6示意图。
图7为第一次深离子反应刻蚀后涂胶基片的结构示意图。
图8为第二次深离子反应刻蚀后涂胶基片的结构示意图。
图9为与微结构凹模膜剥离并去胶后的全金属微结构7。
其中1基片，2导电层，3PMMA层，4PUA层，5辊压模具，6微结构凹槽，7全金属微结构，8第一次深离子反应刻蚀后的微结构凹槽，9第二次深离子反应刻蚀后的微结构凹槽。
五、具体实施方式
本发明深离子反应刻蚀结合辊压制备全金属微结构的方法按以下步骤操作：
(1)涂胶基片的制备
以硅片为基片1，在基片1的上表面溅射一层厚度为1μm的Ti作为导电层2，在导电层2上涂布形成厚度为80μμm的PMMA层3，再于PMMA层3上涂布形成厚度为20μμm的PUA层4(MINS-311RM，Minuta Tech.Co.Ltd，Korea)形成涂胶基片；
其中PMMA的分子量为范围为十万至一百万，PMMA层3的涂布液为PMMA的氯苯溶液，溶液质量浓度15％，涂布后置于180℃固化20min；
PUA层4涂布后置于180℃固化10min。
(2)辊压
采用金属材料制作的辊筒式辊压模，用激光烧结方法在辊压模表面加工出与所需成型的微结构相应的微结构凸模得到辊压模具5；将所述辊压模具5置于所述涂胶基片的PUA层4的表面，辊压形成微结构凹槽6后脱模，微结构凹槽6不穿透PUA层4，即在其底部保留一薄层含硅的聚氨酯丙烯酸酯层；
(3)第一次深离子反应刻蚀
用SF6与O2按照体积比4∶6的比例构成的混合气体作为刻蚀气体对涂胶基片的PUA层进行深离子反应刻蚀，采用NEXTRAL 100型反应离子刻蚀仪进行刻蚀，刻蚀气体纯度为99.9％，本底真空度为1.33×10-5Pa，刻蚀功率为30w，气压为4Pa，气体流量为30sml，直至将微结构凹槽6底部的薄层含硅的聚氨酯丙烯酸酯层刻蚀掉时停止，由于微结构凹槽6底部的含硅的聚氨酯丙烯酸酯较薄，所以停止刻蚀时PUA层4在微结构凹槽6底部以外的其余部分仍有含硅的聚氨酯丙烯酸酯残留；
(4)第二次深离子反应刻蚀
以O2作为刻蚀气体对第一次深离子反应刻蚀后涂胶基片的PMMA层3进行深离子反应刻蚀，采用NEXTRAL 100型反应离子刻蚀仪进行刻蚀，刻蚀气体纯度为99.9％，本底真空度为1.33×10-5Pa，刻蚀功率为40w，气压为3.3Pa，气体流量为25sml，以所述O2与残留的含硅的聚氨酯丙烯酸酯形成含有SiO2的遮挡层，并同时对PMMA层3进行反应刻蚀，直至第一次深离子反应刻蚀后的微结构凹槽8底部的PMMA完全刻蚀掉时停止，其余部分的PMMA仍有残留，得到微结构凹模；
(5)微电铸及去胶成型
将所述微结构凹模置于电铸溶液中进行微电铸加工形成全金属微结构7，微电铸加工时控制温度30℃，电流密度1A/dm2，阳极为纯度99.9％的磷铜板，辅助33KHz，15w的超声搅拌；将所述全金属微结构7与所述微结构凹模剥离，并用丙酮去除所述全金属微结构7上残余的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA即可；
所述电铸溶液由65g焦磷酸铜、300g焦磷酸钾和23g柠檬酸铵混合并加水至溶液pH值8.2得到。

Claims (1)

1.一种深离子反应刻蚀结合辊压制备全金属微结构的方法，其特征在于按以下步骤操作：
(1)涂胶基片的制备
以硅片为基片(1)，在基片(1)的上表面溅射一层厚度为0.5-1μm的Ti作为导电层(2)，在导电层(2)上涂布形成厚度为60-80μm的PMMA层(3)，再于PMMA层(3)上涂布形成厚度为15-25μm的含硅的聚氨酯丙烯酸酯层(4)形成涂胶基片；
(2)辊压
采用金属材料制作的辊筒式辊压模，用激光烧结方法在辊压模表面加工出与所需成型的微结构相应的微结构凸模得到辊压模具(5)；将所述辊压模具(5)置于所述涂胶基片的含硅的聚氨酯丙烯酸酯层(4)的表面，辊压形成微结构凹槽(6)后脱模，微结构凹槽(6)底部保留一薄层含硅的聚氨酯丙烯酸酯层；
(3)第一次深离子反应刻蚀
用SF6与O2按照体积比4:6的比例构成的混合气体作为刻蚀气体对涂胶基片的含硅的聚氨酯丙烯酸酯层(4)进行深离子反应刻蚀，直至将微结构凹槽(6)底部的薄层含硅的聚氨酯丙烯酸酯层刻蚀掉时停止，其余部分仍有含硅的聚氨酯丙烯酸酯残留；
(4)第二次深离子反应刻蚀
以O2作为刻蚀气体对第一次深离子反应刻蚀后涂胶基片的PMMA层(3)进行深离子反应刻蚀，以所述O2与残留的含硅的聚氨酯丙烯酸酯形成含有SiO2的遮挡层，并同时对PMMA层(3)进行反应刻蚀，直至第一次深离子反应刻蚀后的微结构凹槽(8)底部的PMMA完全刻蚀掉时停止，其余部分的PMMA仍有残留，得到微结构凹模；
(5)微电铸及去胶成型
将所述微结构凹模置于电铸溶液中进行微电铸加工形成全金属微结构(7)，微电铸加工时控制温度30℃，电流密度0.7-1.2A/dm2，阳极为纯度99.9％的磷铜板，辅助33KHz，15w的超声搅拌；将所述全金属微结构(7)与所述微结构凹模剥离，并用丙酮去除所述全金属微结构(7)上残余的PMMA即可；
所述电铸溶液由60-70g焦磷酸铜、280-320g焦磷酸钾和20-25g柠檬酸铵混合并加水至溶液pH值8.2得到。
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