CN105858591A - 一种金属微结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属微结构及其制作方法，其中方法首先在一平整的基片的表面涂覆一层光刻胶，并对光刻胶进行曝光、显影，以在基片的表面形成光刻胶图形，然后令基片发生形变，以使得所述光刻胶图形随所述基片一同发生形变，接着在基片表面上的非光刻胶图形处，进行金属镀膜，最后去除光刻胶和基片，得到金属微结构。本发明实现了具有不同轴线方向通孔的金属微结构，其在光学成像领域有重要应用价值。

Description

一种金属微结构及其制作方法

技术领域

本发明属于微细加工、镀膜技术领域，尤其涉及一种金属微结构及其制作方法。

背景技术

光刻技术是指在光照作用下，借助光致刻蚀剂(又名光刻胶)将掩膜版上的图形转移到基片上的技术。其主要过程为：首先紫外光通过掩膜版照射到附有一层光刻胶薄膜的基片表面，引起曝光区域的光刻胶发生化学反应；再通过显影技术溶解去除曝光区域或未曝光区域的光刻胶(前者称正性光刻胶，后者称负性光刻胶)，使掩膜版上的图形被复制到光刻胶薄膜上；最后利用刻蚀技术或镀膜技术将图形转移到基片上。

传统的光刻工艺所针对的光刻胶厚度多为亚微米、微米、十微米量级，而图形平面内尺寸大多远大于厚度尺寸，因此工艺重在关注原始图形转移的精度，即图形在二维平面内的横截面的线宽尺寸的精度。当需要制备高度或深度大于或远大于图形平面内尺寸时，即微结构局部高宽比或深宽比很大时，往往用到准LIGA技术或LIGA技术。

LIGA工艺包括X光深度光刻、电铸制模和注模复制三个步骤。首先在载有设计图案的掩膜版的遮蔽下对导电衬底上的光刻胶进行X光曝光，显影后得到与掩膜图案相对应的光刻胶的微结构图案；对其进行电铸，并利用溶剂去除光刻胶后得到金属模具；利用此金属模具，进行塑料等材料的灌注成型，脱模后得到塑料制品。LIGA技术制备出的产品一个显著特点是含有大高宽比(或大深宽比或大长径比)的局部特征，比如深度1毫米、直径20微米(即深宽比为50)的圆孔阵列。这是通常MEMS工艺所无法实现的。标准的LIGA技术是使用X光作为曝光光源，但是由于成本较高，也发展出其他的所谓准LIGA技术，如UV-LIGA，即使用普通紫外光源来代替X光实现对厚胶的曝光。准LIGA技术方向也是指向实现具有大高宽比局部特征的微结构。

具有大高宽比局部特征的微结构在许多领域都可以应用，目前在天文领域应用较为迫切。微孔光学(Micro Pore Optics)是一种利用大深宽比方孔的侧壁对X光进行反射而实现对X光聚焦成像的光学器件，用于卫星装载的天文望远镜。所需的聚焦镜片需要所有的通孔轴线方向指向同一个球心。即使利用微加工工艺能够制备出孔尺寸达标的镜片，也因为后期对平片进行球面弯曲处理的工艺过于复杂而不能得到应用。

想要获得上述结构，要求制备出同一基片上含有具有不同轴线方向的通孔的金属微结构。使用微加工的传统工艺不能解决这个问题。当曝光、显影工艺结束后，传统工序将进行刻蚀或镀膜。因为曝光过程中光线垂直照射基片上的光刻胶，所以显影后光刻胶图形的微结构侧壁近似垂直于基片，所以经刻蚀或镀膜后所形成的微结构侧壁也是近似垂直于基片。单次的光刻工艺不能任意改变垂直于基片方向上的构型。即使曝光时将基片连同掩模一起与光源的光线方向成一个角度，也只能获得同一基片上具有相同轴线方向的通孔的光刻胶结构。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种金属微结构及其制作方法，实现了具有不同轴线方向通孔的金属微结构。

(二)技术方案

本发明提供一种金属微结构的制作方法，包括：

S1，在一平整的基片的表面涂覆一层光刻胶，基片在外力作用下可发生形变；

S2，对光刻胶进行曝光、显影，以在基片的表面形成光刻胶图形；

S3，令基片发生形变，以使得所述光刻胶图形随所述基片一同发生形变；

S4，在基片表面上的非光刻胶图形处，进行金属镀膜；

S5，去除光刻胶和所述基片，得到金属微结构。

进一步，步骤S1中，光刻胶的厚度大于0.2mm。

进一步，步骤S3中，通过将基片按压在具有面形的模具上，以使基片发生形变。

进一步，基片为非金属网状结构，其中：步骤S3中，先在基片和模具中间放置一层导电层，再将基片按压在具有面形的模具上，以使导电层与基片一同发生形变；步骤S4中，在导电层上以电镀方式进行金属镀膜。

进一步，基片为非金属薄片，其中：步骤S4中，先在非金属薄片上制作一层导电层，再在导电层上以电镀方式进行金属镀膜。

进一步，基片为金属薄片或金属网状结构，其中：步骤S4中，在金属薄片或金属网状结构上以电镀方式进行金属镀膜。

进一步，步骤S5中，使用有机除胶剂或氧化性强酸去除光刻胶。

进一步，步骤S5中，采用酸腐蚀、碱腐蚀或机械打磨的方法去除基片。

进一步，光刻胶图形为正方形阵列。

本发明还提供一种金属微结构，其具有平行的上、下两个曲面，其中，上、下两个曲面之间形成有至少一个通孔，并且，通孔与上、下两个曲面垂直。

(三)有益效果

本发明对在可弯曲基片上的光刻胶进行曝光、显影，将得到的光刻胶图形连同基片进行弯曲，获得具有形变的光刻胶图形，进而进行金属镀膜工艺，最后进行胶去除工艺，得到具有不同轴线方向通孔的金属微结构。本发明提供的金属结构在光学成像领域有重要应用价值。

附图说明

图1是本发明提供的金属微结构的制作方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的金属微结构的制作方法的工艺流程图。

图3是本发明实施例制得的金属微结构的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

下面首先介绍本发明的实现原理，本发明能够实现一种金属微结构，尤其是针对具有不同轴线方向通孔的金属微结构，其原理如下：当不使用本发明的方法时，对于经过曝光并显影后得到的光刻胶结构，其通孔侧壁近似垂直于基片表面，原因是曝光的光线入射方向通常垂直于基片表面。即使有意使曝光的光线入射方向与基片表面成一定的角度，也只能得到具有相同轴线方向的通孔。利用本发明，通过对在可弯曲基片上的光刻胶薄膜进行传统的曝光、显影，将得到的光刻胶连同基片进行弯曲，获得预期的有形变的光刻胶图形，进而进行镀膜工艺，最后进行胶去除工艺，得到同一基片上含有具有不同轴线方向的通孔局部特征的金属微结构。其关键点在于镀膜前的基片弯曲过程，要根据需要，预先设计模具来帮助完成弯曲过程，从而实现所需的基片的面形。基片无论发生弹性形变或塑性形变都可以，只要镀膜完成后，在保持所镀薄膜和光刻胶结构的当前弯曲形状下进行基片去除即可，否则，发生弹性形变的基片在不受约束力的情况下，可能恢复到平直形状从而破坏已经沉积好的薄膜和光刻胶结构。

图1是本发明提供的金属微结构的制作方法的流程图，如图1所示，方法包括以下步骤：

S1：在可弯曲的基片表面涂覆一层光刻胶；其中，步骤S1中所述可弯曲的基片，基片的弯曲为弹性形变或塑性形变均可；基片未弯曲前可以是薄片实体，也可以是具有多孔网状结构的薄片；基片表面是否导电均可。例如：基片选取为不锈钢过滤网。在涂覆光刻胶时，可以是用传统方法在基片上通过旋涂、滩涂等方法涂覆光刻胶，也可是将基片通过粘连、热压等方法与固态光刻胶相连接。例如：把固体薄片PMMA正性光刻胶与不锈钢过滤网通过加温热压的方法互相连接。

S2：对光刻胶进行曝光、显影，获得光刻胶图形；例如，使用X射线曝光技术，对上述通过热压的方法压在不锈钢过滤网上的固体薄片PMMA光刻胶进行曝光、显影，获得PMMA光刻胶柱阵列，其阵列单元为横截面为正方形的长方体，横截面尺寸为50×50μm²，高度为200μm，任一组相邻单元的间距为30μm，阵列为100×100周期。

S3：将基片连同光刻胶图形一起进行弯曲处理，获得具有一定面形的基片，上面有随之形变的光刻胶图形；根据本发明的一种实施方式，可以将基片压在其他具有一定面形的模具上。例如，将基片放在球面表面，在基片表面的边缘施加压力，使得原本为平面的基片变得弯曲，形成近似球面的面形。光刻胶结构中除胶体本身变形外，孔结构也和胶体一样变形。例如，变形前截面为长方形的通孔，经基片球面变形后，通孔变形为截面为梯形的通孔。

S4：在基片表面上的非光刻胶图形处，进行金属镀膜；如果镀膜工艺为热蒸发、溅射等，薄膜直接沉积在基底上；如果镀膜工艺为电镀，按以下方案进行镀膜：

方案1，当基片导电时，以基片为导电籽层进行电镀，例如，上述的不锈钢过滤网可作为导电基底直接电镀；

方案2，当基片不导电时，又分为两个方案：

方案2-1，用热蒸发、溅射等镀膜工艺在基片上沉积一层导电层，使得基底表面导电，再进行电镀；

方案2-2，可用其他导电层辅助作为导电籽层，此时基片应选具有多孔网状结构的薄片，例如，选用不导电的丝网作为基片，可以在基片和使之形变的模具中间放置一层导电薄膜，作为导电籽层，并和基片一起弯曲，之后进行电镀工艺，基片的网孔不阻碍电镀的顺利进行。

S5：去除光刻胶和基片，获得具有不同轴线方向通孔的金属微结构。使用有机除胶剂或氧化性强酸可实现对光刻胶的去除，对基片的去除可根据基片的材料选取酸腐蚀、碱腐蚀或机械打磨的方法去除。例如，使用溶胶液可实现对PMMA光刻胶的去除。

图2是本发明实施例提供的金属微结构的制作方法的工艺流程图，如图2所示，方法包括：

10：在不锈钢过滤网上放置一片厚度200μm的PMMA片，并在PMMA片上放置铅砖，将整体加热使PMMA软化并使其底层嵌入不锈钢过滤网的网孔中，再降温获得具有不锈钢过滤网为基底的PMMA片。

20：将上述带有不锈钢过滤网基底的PMMA片进行传统的X射线曝光，其掩膜版图形遮光部分为正方形阵列：单元为正方形，边长为50μm，阵列为100×100周期，相邻两个正方形间距为30μm；将上述曝光后的PMMA片放入显影液中显影，获得正方形PMMA柱阵列。

30：将PMMA柱阵列连同基片一起放在具有球面面形的塑料模具表面并在基片边缘施加压力，使得PMMA柱阵列连同基片一起弯曲，基片背面尽量与球面表面贴合，获得弯曲后的PMMA柱阵列。

40：将PMMA柱阵列连同基片、球面模具一起放入电镀液中，连接电极后进行电镀镍，获得电镀后的结构。

50：将电镀后的结构从球面模具上取下并放入去胶液中，将PMMA溶解去除，并通过打磨将不锈钢过滤网去除。获得镍金属微结构，此结构含有长方体通孔阵列，长方体横截面为正方形，横截面的法向即通孔的轴线方向全部指向同一球心，即获得了同一基片上含有具有不同轴线方向的通孔局部特征的金属微结构，如图3所示，本实施例制得的金属微结构含有多个通孔，并且所有通孔的轴指向同一球心。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属微结构的制作方法，其特征在于，包括：

S1，在一平整的基片的表面涂覆一层光刻胶，所述基片在外力作用下可发生形变；

S2，对所述光刻胶进行曝光、显影，以在所述基片的表面形成光刻胶图形；

S3，令所述基片发生形变，以使得所述光刻胶图形随所述基片一同发生形变；

S4，在所述基片表面上的非光刻胶图形处，进行金属镀膜；

S5，去除所述光刻胶和所述基片，得到金属微结构。

2.根据权利要求1所述的金属微结构的制作方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述光刻胶的厚度大于0.2mm。

3.根据权利要求1所述的金属微结构的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过将所述基片按压在具有面形的模具上，以使所述基片发生形变。

4.根据权利要求3所述的金属微结构的制作方法，其特征在于，所述基片为非金属网状结构，其中：

所述步骤S3中，先在所述基片和所述模具中间放置一层导电层，再将所述基片按压在具有面形的模具上，以使所述导电层与所述基片一同发生形变；

所述步骤S4中，在所述导电层上以电镀方式进行金属镀膜。

5.根据权利要求1所述的金属微结构的制作方法，其特征在于，所述基片为非金属薄片，其中：

所述步骤S4中，先在所述非金属薄片上制作一层导电层，再在所述导电层上以电镀方式进行金属镀膜。

6.根据权利要求1所述的金属微结构的制作方法，其特征在于，所述基片为金属薄片或金属网状结构，其中：

所述步骤S4中，在所述金属薄片或金属网状结构上以电镀方式进行金属镀膜。

7.根据权利要求1所述的金属微结构的制作方法，其特征在于，所述步骤S5中，使用有机除胶剂或氧化性强酸去除所述光刻胶。

8.根据权利要求1所述的金属微结构的制作方法，其特征在于，所述步骤S5中，采用酸腐蚀、碱腐蚀或机械打磨的方法去除所述基片。

9.根据权利要求1所述的金属微结构的制作方法，其特征在于，所述光刻胶图形为正方形阵列。

10.一种由权利要求1-9中任意一项所述的方法制得的金属微结构，其特征在于，其具有平行的上、下两个曲面及至少一个通孔，并且，所述通孔与所述上、下两个曲面垂直。