CN103103583A

CN103103583A - 一种金属基底上制作多层金属可动微结构的方法

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Publication number: CN103103583A
Application number: CN2013100127421A
Authority: CN
Inventors: 杜立群; 李成斌; 王翱岸
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2033-01-14
Also published as: CN103103583B

Abstract

一种金属基底上制作多层金属可动微结构的方法，属于微制造技术领域，涉及金属基底微电铸金属器件类，特别涉及到一种金属基底上制作多层金属可动微结构的方法。其特征是在高纯镍板基底上，通过多次SU-8光刻胶套刻、制备导电层、多次微电铸镍、微电铸后处理来实现多层金属可动微结构的制作；在导电层制作工序中，选择铜作为导电材料；在退火工序中使用真空退火去除残余应力，同时提高了层与层之间的结合力；在去除胶膜工序中，采用浓硫酸煮沸的方法。本发明的效果和益处是制作的多层金属可动微结构具有层与层之间结合牢固、微电铸层内应力小、微结构抗冲击能力强、侧壁垂直度好、表面光洁度高等优点。

Description

一种金属基底上制作多层金属可动微结构的方法

技术领域

本发明属于微制造技术领域，涉及金属基底微电铸金属器件类，特别涉及到一种金属基底上制作多层金属可动微结构的方法。

背景技术

随着器件微小型化及微机电系统技术的发展，多层金属可动微结构作为微传感/执行器的核心部件目前已在通讯、医疗、生物、精密仪器、航空航天、光学对准、集成电路等领域得到应用。其加工制作方法越来越受到科研人员的关注。现有的多层金属微结构的制作主要是通过在绝缘基底硅或者玻璃上溅射种子层、光刻、电铸等方法实现。如《微细加工技术》2005年第1期第75-78页和《仪器仪表学报》2005年第26卷第8期增刊第318-319页。文献1提出了一种准LIGA一体化加工工艺：首先在玻璃基底上溅射钛作为种子层，然后在钛上进行光刻、显影、重复套刻、多次电铸镍，最后去除胶膜得到多层结构。此工艺存在镍与镍、种子层与镍结合力不够的问题，容易导致层与层之间的分离。文献2提出了一种基于三层光刻胶工艺的加工方法，其制作流程为：使用硅作为基底，溅射铬、铜作为导电种子层，然后在种子层上制作了三层光刻胶，通过显影、RIE刻蚀得到光刻胶的型模，最后电铸得到微齿轮结构。此方法通过一次电铸便获得微齿轮结构，不适合制作含有悬空可动部分的微结构。另外，上述两种方法分别采用玻璃和硅作为基底，由于玻璃和硅具有易碎的缺点，工艺过程中容易出现由于基底的碎裂而导致失败的现象。

以金属作为基底制作的多层金属可动微结构不需要溅射牺牲层，工艺相对简单，且制作的微结构抗冲击能力强，成本较低。目前，在通讯、医疗、航空航天、仪器仪表等有冲击性能要求的场合，急需以金属为基底的多层金属可动微结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种在金属基底上制作多层金属可动微结构的方法,解决多层金属微结构层与层之间易分离、基底易碎、制作可动微结构困难的问题。基于该方法制作的多层金属可动微结构层与层之间结合牢固、微电铸层内应力小、微结构抗冲击能力强、侧壁垂直度好、表面光洁度高，可作为微传感/执行器的核心部件。

本发明的技术方案是一种在金属基底上制作多层金属可动微结构的方法，包括基底前处理、制作背面对准标记、制作SU-8光刻胶膜、微电铸镍、抛光处理、导电层制备、真空退火和去除胶膜工序。其特征是：在高纯镍板基底上，通过多次SU-8光刻胶套刻、制备导电层、多次微电铸镍、微电铸后处理来实现多层金属可动微结构的制作；在导电层制作工序中，选择铜作为导电材料；在退火工序中使用真空退火去除残余应力，同时提高了层与层之间的结合力；在去除胶膜工序中，采用浓硫酸煮沸的方法。其制作方法的具体步骤如下：

（1）基底前处理：基底前处理分为机械加工前处理和表面清洗两个部分；基底材料选择镍含量为99.99%高纯镍板；镍板基底机械加工后的表面粗糙度Ra值为0.03～0.04μm；表面清洗采用丙酮擦净后，分别在丙酮和乙醇中超声清洗15分钟；

（2）制作背面对准标记：在基底背面进行SU-8光刻胶光刻得到对准标记的胶膜，使用浓度为500g/L的FeCl₃溶液在25℃下腐蚀15分钟，使用SU-8去胶液去除胶膜得到背面对准标记；

（3）制作光刻SU-8胶膜：使用台式匀胶机在基底上旋涂SU-8光刻胶，匀胶机设置不同的转速得到不同厚度的胶膜，每层结构对应的胶膜厚度在具体的实施方式中给出；旋涂的SU-8光刻胶经过静置、前烘、曝光、后烘和显影后得到所需的微结构图形；得到的微结构图形直接作为微电铸的型模；

（4）微电铸镍：微电铸镍工艺就是将金属镍沉积到微电铸型模的自由空间中；微电铸镍的电铸液配方为：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；

（5）抛光处理：为了得到表面平整的电铸层结构，使用2000^#砂纸在抛光/研磨机上进行研磨，使用粒度为2.5～3.0μm的抛光膏进行抛光，去除量为5～8μm；

（6）导电层制备：使用射频溅射台在经过抛光处理的电铸结构表面溅射铜导电层，得到的铜导电层厚度为200～250nm；

（7）真空退火：将带有SU-8光刻胶的微结构放入真空退火炉中以去除电铸微结构的内应力，并提高层与层之间的结合力，退火绝对真空度为10^-3Pa,温度为350～400℃，保持150～200分钟后自然冷却至25℃；

（8）去除胶膜：去除胶膜采用浓硫酸煮沸的方法。把待去胶的微结构放入浓度为95%～98% 的浓硫酸中，将浓硫酸放在电炉上加热至300～330℃，持续5～10分钟，待微结构上的SU-8光刻胶全部溶解后，用去离子水冲洗得到微结构。

本发明的效果和益处是：克服了现有的在玻璃或硅基底上制备多层金属微结构层与层之间易分离、基底易碎、制作可动微结构困难的局限。采用此方法在金属基底上制作微结构的工艺简单，微结构强度高，抗冲击能力强。针对用户的具体要求，可制备厚度达数百微米、微电铸层内应力小的多层金属可动微结构；能够为微制造领域提供层与层间结合牢固、侧壁垂直度好、表面光洁度高、抗冲击能力强的金属微器件。

附图说明

图1a是多层金属可动微结构的三维立体图；图1b是剖面图。

图2是背面光刻工序图。

图3是背面腐蚀工序图。

图4是背面去胶工序图。

图5是第一层光刻工序图。

图6是第一层电铸镍工序图。

图7是溅射铜导电层工序图。

图8是第二层光刻工序图。

图9是第二层电铸镍工序图。

图10是溅射铜导电层工序图。

图11是第三层光刻工序图。

图12是第三层电铸镍工序图。

图13是第四层光刻工序图。

图14是第四层电铸镍工序图。

图15是第五层光刻工序图。

图16是第五层电铸镍工序图。

图17是去胶工序图。

图中：S1～S6为SU-8光刻胶膜，A1～A5为自由空间，N1～N5为镍金属，C1～C2为铜，1为基底，2为背面对准标记，3为制作完成后的多层金属可动微结构，尺寸D1为120μm，D2为170μm，D3为200μm，D4为30μm，D5为60μm，D6为70μm，D7为100μm，D8为120μm，

铜

基底

SU-8光刻胶

镍。

具体实施方式

以下结合上述技术方案和附图，详细说明本发明的具体实施方式。

例如：在精磨、抛光后镍含量为99.99%的高纯镍板上制作多层金属可动微结构，镍板尺寸为63×63×3㎜，制作该结构的具体步骤如下：

（1）基底前处理：基底前处理分为机械加工前处理和表面清洗两个部分；基底材料选择高纯镍板；镍板基底机械加工后的表面粗糙度Ra值为0.03～0.04μm；表面清洗采用丙酮棉球擦净后，分别在丙酮和乙醇中超声清洗15分钟；

（2）制作背面对准标记：在基底1背面进行SU-8光刻胶光刻得到对准标记的胶膜S1，如图2；使用浓度为500g/L的FeCl₃溶液在25℃下腐蚀15分钟，得到对准标记点图形2，如图3；使用SU-8去胶液去除胶膜S1得到背面对准标记2，如图4；

（3）第一层光刻胶膜制作：使用台式匀胶机在基底1正面旋涂SU-8光刻胶，胶厚30μm；旋涂的SU-8光刻胶经过静置、前烘、曝光、显影之后得到有自由空间A1的第一层胶膜S2，如图5；

（4）第一层微电铸镍：微电铸镍工艺就是将金属镍N1沉积到微电铸型模的自由空间A1中，如图6；微电铸镍的电铸液配方为：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：3.8～4.1、温度：47～52℃、电流密度：0.5～1A/dm²；

（6）导电层制备：使用射频溅射台在经过抛光处理的电铸结构表面溅射铜导电层C1，如图7，得到的铜导电层厚度为200～250nm，射频溅射台的射频功率为400～500瓦，时间为6～8分钟；

（7）第二层光刻胶膜制作：在导电层上制作有自由空间A2的SU-8胶膜S3，此层的胶膜厚度为30μm，方法同步骤（3），如图8；

（8）第二层电铸镍：在自由空间A2中电铸镍N2，方法同步骤（4），如图9；

（9）抛光处理：方法同步骤（5）；

（10）导电层制备：溅射铜导电层C2，方法同步骤（6），如图10；

（11）第三层光刻胶膜制作：在导电层上制作有自由空间A3的SU-8胶膜S4，胶膜厚度为10μm，方法同步骤（3），如图11；

（12）第三层电铸镍：在自由空间A3中电铸镍N3，方法同步骤（4），如图12；

（13）抛光处理：方法同步骤（5）；

（14）第四层光刻胶膜制作：制作有自由空间A4的SU-8胶膜S5，厚度为30μm，方法同步骤（3），如图13；

（15）第四层电铸镍：在自由空间A4中电铸镍N4，方法同步骤（4），如图14；

（16）抛光处理：方法同步骤（5）；

（17）第五层光刻胶膜制作：制作有自由空间A5的SU-8胶膜S6，厚度为20μm，方法同步骤（3），如图15；

（18）第五层电铸镍；在自由空间A5中电铸镍N5，方法同步骤（4），如图16；

（19）抛光处理：方法同步骤（5）；

（20）真空退火：将带有SU-8光刻胶的微结构放入真空退火炉中以去除电铸微结构的内应力，并提高层与层之间的结合力，退火绝对真空度约为10^-3Pa温度为350～400℃，保持150～200分钟后自然冷却至25℃；

（21）去除胶膜：把待去胶的微结构放入浓度为95%～98% 的浓硫酸中，将浓硫酸放在电炉上加热至300～330℃，持续5～10分钟，待微结构上的SU-8光刻胶全部溶解后，用去离子水冲洗得到在基底1上的多层金属可动微结构3,如图17。

Claims

1.一种金属基底上制作多层金属可动微结构的方法，是在高纯镍板基底上，通过多次SU-8光刻胶套刻、制备导电层、多次微电铸镍、微电铸后处理来实现多层金属可动微结构的制作；在导电层制作工序中，选择铜作为导电材料；在退火工序中使用真空退火去除残余应力，同时提高了层与层之间的结合力；在去除胶膜工序中，采用浓硫酸煮沸的方法；其特征是步骤如下：

1)基底前处理：基底前处理分为机械加工前处理和表面清洗两个部分；基底材料选择镍含量为99.99%高纯镍板；镍板基底机械加工后的表面粗糙度Ra值为0.03～0.04μm；表面清洗采用丙酮擦净后，分别在丙酮和乙醇中超声清洗15分钟；

2)制作背面对准标记：在基底背面进行SU-8光刻胶光刻得到对准标记的胶膜，使用浓度为500g/L的FeCl₃溶液在25℃下腐蚀15分钟，使用SU-8去胶液去除胶膜得到背面对准标记；

3)制作光刻SU-8胶膜：使用台式匀胶机在基底上旋涂SU-8光刻胶，匀胶机设置不同的转速得到不同厚度的胶膜，每层结构对应的胶膜厚度在具体的实施方式中给出；旋涂的SU-8光刻胶经过静置、前烘、曝光、后烘和显影后得到所需的微结构图形；得到的微结构图形直接作为微电铸的型模；

4)微电铸镍：微电铸镍工艺就是将金属镍沉积到微电铸型模的自由空间中；微电铸镍的电铸液配方为：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；

5)抛光处理：使用2000^#砂纸在抛光/研磨机上进行研磨，使用粒度为2.5～3.0μm的抛光膏进行抛光，去除量为5～8μm；

6)导电层制备：使用射频溅射台在经过抛光处理的电铸结构表面溅射铜导电层，得到的铜导电层厚度为200～250nm；

7)真空退火：将带有SU-8光刻胶的微结构放入真空退火炉中以去除电铸微结构的内应力，并提高层与层之间的结合力，退火绝对真空度约为10^-3Pa,温度为350～400℃，保持150～200分钟后自然冷却至25℃；

8)去除胶膜：去除胶膜采用浓硫酸煮沸的方法，把待去胶的微结构放入浓度为95%～98% 的浓硫酸中，将浓硫酸放在电炉上加热至300～330℃，持续5～10分钟，待微结构上的SU-8光刻胶全部溶解后，用去离子水冲洗得到微结构。