CN103818873A - 一种大厚度、高深宽比的全金属沟道型微结构的加工方法 - Google Patents

一种大厚度、高深宽比的全金属沟道型微结构的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大厚度、高深宽比的全金属沟道型微结构的加工方法，具体的工艺步骤为：首先在尺寸已设定的铜基片上旋涂一层SU-8光刻胶，经过前烘、曝光、后烘、显影、竖膜等工艺过程得到微电铸母模，然后再运用微电铸和去胶工艺得到1/2结构，最后利用销接工艺将两片1/2结构组合成一个整体。本发明使用一次涂胶工艺结合销接工艺即可得到大厚度、高深宽比的全金属沟道型微结构，避免了使用多次涂胶工艺获得大厚度胶膜时的由曝光带来侧壁垂直性问题和去胶不完全引起的沟道内光刻胶残留问题，突破了采用常规UV-LIGA技术和深反应离子刻蚀技术制备全金属微结构时在结构厚度和深宽比上所遇到的加工瓶颈。

Description

一种大厚度、高深宽比的全金属沟道型微结构的加工方法
技术领域
本发明属于全金属微结构制造技术领域，特别涉及一种大厚度、高深宽比的全金属沟道型微结构的加工方法。 
背景技术
全金属沟道型微结构在太赫兹真空电子技术领域和微机电系统中有着广泛的应用。随着电子技术和微机电系统的发展，全金属沟道型微结构的尺寸也发生着相应的改变，从传统的微纳加工可达到的尺度即纳米、微米级别上升到了百微米的尺寸级别。100μm-1mm的尺寸级别是传统机械加工领域和目前微加工领域的技术缝隙，目前，基于SU-8厚光刻胶的UV-LIGA技术和深反应离子刻蚀技术在该尺寸量级的微结构加工中进行了较多的尝试，在厚度为200微米左右的微结构制造方面取得了一些较好的结果，但使用这两种方法加工更大厚度如五、六百微米的微结构仍很难实现： 
（1）使用UV-LIGA技术制备大厚度、高深宽比的全金属微结构，在紫外光刻时需多次涂胶。由于SU-8光刻胶的粘度大，多次旋涂后胶膜平整度差，易造成光刻效果不佳，使得胶膜残留严重而无法获得微电铸所需的高质量母模。此外，大厚度、高深宽比的结构使得电铸时电铸液在如此狭窄的沟道中浓度不均匀，容易造成沟道底端的铜沉积比较稀疏，影响结构质量。 
（2）使用深反应离子刻蚀技术制备大厚度、高深宽比的结构，刻蚀时间长，并且刻蚀时离子束不易控制，容易造成微结构的损伤。 
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提出一种适用于大厚度、高深宽比的全金属沟道型微结构的UV-LIGA技术结合销接工艺的加工方法。 
为了实现上述目的，本发明采取如下技术解决方案： 
一种大厚度、高深宽比的全金属沟道型微结构的加工方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤： 
（1）基片的准备、打孔、涂胶以及掩模板的准备 
基片选择两个铜片，用于UV-LIGA工艺后形成两个全金属沟道型1/2结构；分别在铜片的最长边钻孔，该孔是后面的销接工艺所必需的；然后分别在两个铜片上旋涂一层厚度约为300微米的SU-8光刻胶；准备所需沟道图形的掩模板，采用玻璃材料制作； 
（2）紫外光刻——前烘、光刻、后烘及显影 
将铜片连带其上旋涂后平整的光刻胶层放在热板上烘烤，以蒸发掉光刻胶中的有机溶剂成分，使铜片表面的光刻胶固化；待胶层固化后放在光刻机上，其上覆盖掩模板，采用波长为365nm的紫外光源进行曝光；接着再将曝光后的铜片放在热板上烘烤，使曝光后的光刻胶层曝光区域发生充分的交联反应，以便显影后能得到高质量的微结构图形；把曝光后烘后的样品放入SU-8光刻胶专用显影液中进行超声显影； 
（3）微电铸 
把步骤(2)中制作完成的光刻模具放入以氨基磺酸铜为主成分的电铸溶液中进行微电铸加工成型； 
（4）去胶及打磨 
将进行完步骤(3)处理的微结构经过去胶液湿法处理、软化、膨胀、灼烧和等离子体去除等一系列去胶处理，去除全金属微结构上的光刻胶，得到全金属微结构； 
（5）销接过程 
把制作完成的两个1/2结构通过(1)中的孔进行定位，然后插入圆柱销进行联接，最终得到所需要的全金属沟道型微结构。 
所述的一种大厚度、高深宽比的全金属沟道型微结构的加工方法，其特征在于，所述的基片的材料选择为铜，并在其侧面打两个小孔，以用于在销接过程中的精准对位和联接。 
本发明的方法采用紫外光刻技术制备半结构的微电铸母模，再利用微电铸技术加工成型半结构，最后通过销接技术将两片半结构组合成一个整体的沟道型微结构。其主要特征在于：摒弃常规一次性整体加工的方式，将该结构的加工一分为二，首先，如图3所示以铜基片的B面为加工基准面，运用UV-LIGA技术制 备得到两片的半结构，再利用销接技术将两片半结构组合成整体的沟道型微结构。 
相比于常规的加工方法，本发明的有益效果在于： 
本发明将大厚度、深宽比结构拆解成两个相同的1/2结构（半结构），利用UV-LIGA技术分别进行加工，待半结构光刻电铸成型后再通过销接工艺将其组合成一个整体。如图3所示，由于制备半结构时以B面作为加工基准面（沟道型整体结构加工则必须以A面作为加工基准面），光刻和电铸的高度为微结构宽度s，其值远小于微结构的高度h，这大大降低了光刻和电铸的高度，因此该加工方法仅采用一次旋涂工艺即可实现任何厚度的全金属沟道型微结构的制备。 
附图说明
图1为全金属沟道型系统的结构示意图。 
图2为图1的局部放大图。（全金属沟道型微结构的基本尺寸为：沟道宽为w，周期为d，宽度为2s，高度为h。） 
图3为常规一次性整体加工方法与本发明加工方法加工面的选择。（一次性整体加工双光栅需以A面作为加工基准面，因此光刻和电铸的高度为光栅的结构高度h（大于500um），而制备单片光栅的工艺则以B面作为加工基准面，光刻和电铸的高度为光栅的半宽度s(小于400um)，由于微结构的半宽度s远小于高度h，所以本发明所述的加工方法大大降低了利用UV-LIGA技术制备微结构的难度，提高了制备的成功率和加工精度。） 
图4为制备1/2结构（半结构）的工艺流程图。（步骤（1）是铜基片的准备与清洗。准备过程包括将铜基片加工成所需的尺寸，并在不同铜基片的相同位置加工出定位销孔。清洗过程主要是对铜基片进行超声清洗和等离子体清洗，以提高基片表面的洁净度和表面能；步骤（2）是SU-8光刻胶的旋涂与前烘；步骤（3）是曝光与后烘；步骤（4）是显影与竖膜；步骤（5）是微电铸，电铸液以氨基磺酸铜为主要成分；步骤（6）是去胶工艺。） 
图5为加工成型的半结构示意图。 
图6为采用销接工艺将两片一样的半结构组合成一个整体的工艺示意图。 
图7为最终加工成型的全金属沟道型系统示意图。 
具体实施方式
如图1-7，一种大厚度、高深宽比的全金属沟道型微结构的加工方法，具体包括以下步骤： 
（1）基片的准备、打孔、涂胶以及掩模板的准备：根据结构需要，加工得到设定尺寸的铜基片，并在不同铜片的相同位置加工出定位销孔；在制备之前，利用超声清洗和等离子体清洗对铜基片的表面进行处理，使基片表面的清洁度和表面能达到最佳。 
（2）紫外光刻：紫外光刻的工艺过程包括旋涂、前烘、曝光、后烘、显影和竖膜。通过上述工艺过程制备得到单片光栅的微电铸母模。 
（3）微电铸和去胶成型：把之前制备完成的电铸母模放入以氨基磺酸铜为主要成分的电铸溶液中进行加工成型，然后将电铸完成的半结构进行剥离和去胶处理。 
（4）销接工艺：利用铜片上的定位销孔，用销钉将两片单光栅联接成一个整体，最终制备得到我们所需的全金属沟道型系统。 
本发明所述的UV-LIGA技术结合销接工艺的加工全金属沟道型微结构方法，突破了常规UV-LIGA技术和深反应离子刻蚀技术一次性整体加工全金属微结构在结构厚度和深宽比上所遇到的瓶颈，利用该工艺方法可以获得任意结构厚度和更高深宽比的沟道型系统，是一种极具推广潜力的加工方法。 

Claims (2)

1.一种大厚度、高深宽比的全金属沟道型微结构的加工方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤： 
（1）基片的准备、打孔、涂胶以及掩模板的准备 
基片选择两个铜片，用于UV-LIGA工艺后形成两个全金属沟道型1/2结构；分别在铜片的最长边钻孔，该孔是后面的销接工艺所必需的；然后分别在两个铜片上旋涂一层厚度约为300微米的SU-8光刻胶；准备所需沟道图形的掩模板，采用玻璃材料制作； 
（2）紫外光刻——前烘、光刻、后烘及显影 
将铜片连带其上旋涂后平整的光刻胶层放在热板上烘烤，以蒸发掉光刻胶中的有机溶剂成分，使铜片表面的光刻胶固化；待胶层固化后放在光刻机上，其上覆盖掩模板，采用波长为365nm的紫外光源进行曝光；接着再将曝光后的铜片放在热板上烘烤，使曝光后的光刻胶层曝光区域发生充分的交联反应，以便显影后能得到高质量的微结构图形；把曝光后烘后的样品放入SU-8光刻胶专用显影液中进行超声显影； 
（3）微电铸 
把步骤(2)中制作完成的光刻模具放入以氨基磺酸铜为主成分的电铸溶液中进行微电铸加工成型； 
（4）去胶及打磨 
将进行完步骤(3)处理的微结构经过去胶液湿法处理、软化、膨胀、灼烧和等离子体去除等一系列去胶处理，去除全金属微结构上的光刻胶，得到全金属微结构； 
（5）销接过程 
把制作完成的两个1/2结构通过(1)中的孔进行定位，然后插入圆柱销进行联接，最终得到所需要的全金属沟道型微结构。 
2.根据权利要求1所述的一种大厚度、高深宽比的全金属沟道型微结构的加工方法，其特征在于，所述的基片的材料选择为铜，并在其侧面打两个小孔，以用于在销接过程中的精准对位和联接。
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