CN106292182B - 光掩模集成微塑型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种简单低成本、可提高生产效率的光掩模集成微塑型方法，其包括如下步骤：S101、在显微镜载玻片的表面涂覆形成牺牲层，并进行烘焙；S102、向微型模具的型腔内滴入光刻胶，并盖上冷却后的显微镜载玻片；S103、对微型模具先进行曝光前预加热，即在50℃～100℃范围内选择多个温度由低至高地依次烘烤；S104、让微型模具在紫外线光源照射下曝光，使型腔内的纳米复合材料固化；S105：对微型模具进行曝光后烘烤，即在50℃～100℃范围内选择多个温度由低至高地依次烘烤；S106、将微型模具冷却到室温后，从模具中脱模，移走载玻片和三维微结构，并除去未交联的薄膜；S107、冲洗三维微结构，并进行干燥。

Description

光掩模集成微塑型方法
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域，尤其涉及一种光掩模集成微塑型方法。
背景技术
微机电系统技术(MEMS)的应用引起了人们越来越多的关注，在航天科技、电子仪表、仿生科技及医疗器械等领域发挥着重要作用。从微传感器到监测芯片，从航空航天仪表到光学器件，所有的微机电系统都是由三维微结构组成的。微机电系统的特征是超小型化，尺寸往往在微米和亚微米级，在制造工艺、集成化以及工作原理等方面已经不再满足宏观机械电子器件的概念和规律。新的微加工方法在这种背景下取得了重大的进展。
目前的微加工方法，包括以下几种：
1.光刻法：通过曝光的方法将掩膜上的图形转移到涂覆硅片表面的光刻胶上，再通过显影、刻蚀等工艺将图形转移到硅片上(Madou M J 2002Fundamentals ofMicrofabrication:the Science of Miniaturization(Boca Raton,FL:CRC press)；MataA,Fleischman A J and Roy S 2006Fabrication of multi-layer SU-8microstructuresJ.Micromech.Microeng.16 276)。光刻法是较为成熟的微加工方法，具有加工精度高的特点，但是最根本的限制是只能制备高精度的二维微结构，对于三维结构，只能通过简单的材料层堆叠固化完成，生成的三维结构几何形状有限，外轮廓曾台阶状，精度低。
2.灰度掩膜法：灰度掩膜是一种光掩模，它在掩膜平面不同位置提供不同的光透过率，再经过一次光刻过程和刻蚀后得到所需要的微结构(Waits C M,Modafe A andGhodssi R 2003Investigation of gray-scale technology for large area 3Dsilicon MEMS structures J.Micromech.Microeng.13 170；Waits C et al2005Microfabrication of 3D silicon MEMS structures using gray-scalelithography and deep reactive ion etching Sensors Actuators A 119 245–53)。但是，灰度掩膜法生产的微结构精度较差，质量得不到保障。
3.雏形试验模具法:复模制作过程中，通过控制聚二甲基硅氧烷(PDMS)固化条件，形成较高质量的三维微结构(B,Antończak A and Abramski K 2015Rapidfabrication of microdevices by controlling the PDMS curing conditions duringreplication of a laser-prototyped mould J.Micromech.Microeng.25 107001)。但是，雏形试验模具法局限于制备特殊形状、特殊材料的三维微构件。
4.倾斜和旋转紫外光源的光刻法：在微成型中通过倾斜和旋转紫外线光源能生成特定结构的三维微构件(Han M et al 2004 3D microfabrication with inclined/rotated UV lithography Sensors Actuators A 111 14–20)。但是，倾斜和旋转紫外光源的光刻法，通过倾斜或者旋转紫外线光源只能制作平底的轴对称微结构。
5.卷对卷式微加工:通过转移介质将掩膜板上的图形转移到基板上，转移介质多使用聚合物薄膜(Ahn S H and Guo L J 2009Large-area roll-to-roll and roll to-plate nanoimprint lithography:a step toward high throughput application ofcontinuous nanoimprinting ACS Nano 3 2304–10)。但是，卷对卷式微加工在生产高通量三维微结构方面很有优势，但是在制备高粘性独立微构件方面有很大难度。
6.微型立体光刻成型法和双光子聚合法:采用激光或紫外线作为光源，照射立体光敏材料使其固化，当光电随着设计路径扫描时，便会得到一层平面图形，然后逐层扫描，从而得到三维立体微构件(Choi J-W et al 2009Cure depth control for complex 3Dmicrostructure fabrication in dynamic mask projection microstereolithographyRapid Prototyping J.15 59–70；Wu S,Serbin J and Gu M 2006Two-photonpolymerization for 3D micro-micro-fabrication J.Photochem.Photobiol.A 181 1–11)。但是，微型立体光刻成型法和双光子聚合法虽然能制造质量精度较好的三维微结构，但是加工工艺复杂，实验条件苛刻，造价较高，不利于大规模制备。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和问题，本发明提供一种光掩模集成微塑型方法。
一种光掩模集成微塑型方法，其包括如下步骤：
S101、在显微镜载玻片的表面涂覆形成牺牲层，并进行烘焙；
S102、向微型模具的型腔内滴入光刻胶，并盖上冷却后的显微镜载玻片，所述光刻胶为纳米复合材料；
S103、对微型模具先进行曝光前预加热，所述预加热的操作为在50℃～100℃范围内选择多个温度由低至高地依次烘烤；
S104、让微型模具在紫外线光源照射下曝光，使型腔内的纳米复合材料固化；
S105：对微型模具进行曝光后烘烤，所述烘烤的操作为在50℃～100℃范围内选择多个温度由低至高地依次烘烤；
S106、将微型模具冷却到室温后，从模具中脱模，移走载玻片和三维微结构，并除去未交联的薄膜；
S107、冲洗三维微结构，并进行干燥。
本发明一较佳实施方式中，步骤S101中，在显微镜载玻片的表面旋涂一层牺牲层，开始时旋涂速度为400-600rpm，旋涂时间为3-8s，接着旋涂速度提高到2500-3000rpm，旋涂时间为30s。
本发明一较佳实施方式中，步骤S101中，在200℃烘焙1min。
本发明一较佳实施方式中，步骤S102中，向微型模具的型腔内滴入一至两滴运动粘度为1050mm2s-1的SU-8负型光刻胶。
本发明一较佳实施方式中，步骤S103中，选取65℃、75℃、85℃、95℃依次烘烤10分钟。
本发明一较佳实施方式中，步骤S104中，让微型模具在365纳米波长的紫外线光源照射下曝光2分钟，其紫外线的光照强度为1.5mW/cm2，使型腔内的纳米复合材料固化。
本发明一较佳实施方式中，步骤S105中，选取65℃、75℃、85℃、95℃依次烘烤10分钟。
本发明一较佳实施方式中，步骤S106中，将微型模具冷却到室温后，从模具中脱模，移走载玻片和三维微结构，并在SU-8显影液中浸泡8-15分钟，轻轻搅动试液除去未交联的薄膜。
本发明一较佳实施方式中，步骤S107中，用去离子水冲洗三维微结构，并常温干燥。
本发明一较佳实施方式中，所述微型模具为透明的镀铬玻璃模具，所述微型模具的第一表面设有型腔，所述第一表面中所述型腔之外的部分镀有屏蔽紫外线的铬合金层。
相较于现有技术，本发明提出了一种简单低成本的光掩模集成微塑型方法，该方法不仅可以避免模具腔外多余材料受到紫外线的照射而形成不必要的膜，同时在三维微结构发生聚合作用期间不需要使用光刻机进行掩膜和微型腔的对齐校准，仅使用手持紫外灯即可完成聚合物的固化，每一次的固化可以完成数以万计微构件的制备，极大的降低了加工制作时间和成本，提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明提供的光掩模集成微塑型方法的流程图；
图2为图1所示光掩模集成微塑型方法中步骤S101形成的具有微型腔的镀铬合金层玻璃光掩模的示意图；
图3为图1所示光掩模集成微塑型方法中步骤S104中材料注入模具后紫外线曝光和干燥的示意图；
图4为图1所示光掩模集成微塑型方法中步骤S106中形成的三维微结构的示意图；
图5a和图5b分别为采用图1所示光掩模集成微塑型方法进行实验的微型模具型腔图及生成的三维微结构图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，本发明提供一种光掩模集成微塑型方法，其采用成膜、旋涂、曝光和脱模工艺制得三维微结构。所述光掩模集成微塑型方法包括如下步骤：
步骤S101：在显微镜载玻片的表面涂覆形成牺牲层，并进行烘焙。
本实施例中，在显微镜载玻片的表面旋涂一层牺牲层，开始时旋涂速度为400-600rpm，旋涂时间为3-8s，接着旋涂速度提高到2500-3000rpm，旋涂时间为30s。
具体地，在尺寸为25mm×75mm×1mm的显微镜载玻片的表面旋涂一层Omnicoat牺牲层，开始时旋涂速度为500rpm，旋涂时间为5s，接着旋涂速度提高到3000rpm，旋涂时间为30s，然后根据操作手册在200℃条件下烘焙1min。可以理解的是，旋涂时间也可以根据牺牲层具体的尺寸及旋涂速度进行调整。
步骤S102：向微型模具的型腔内滴入光刻胶，并盖上冷却后的显微镜载玻片，所述光刻胶为纳米复合材料。
优选地，光活性聚合物在纳米复合材料中作为基底材料。可以理解的是，纳米复合材料可以以SU-8光刻胶为基底的任何混合物，比如混以NdFeB磁粉便可以制备磁性微结构等。
请一并参阅图2，所述微型模具10为透明的镀铬玻璃模具，即光掩模，所述微型模具10的第一表面设有型腔12，所述第一表面中所述型腔之外的部分镀有屏蔽紫外线的铬合金层14。由此，在后续操作过程中，紫外线光透过透明的玻璃模具，使型腔12内的纳米复合材料发生交联而固化，型腔12外的材料则由于镀铬合金层14屏蔽了紫外线的照射仍然处于可溶状态，当微型模具10移走后通过一定的处理方法可以很容易清除掉多余的材料。
具体地，向微型模具10的型腔内滴入一到两滴SU-8负型光刻胶，盖上冷却后的显微镜载玻片20。可以理解的是，并不局限于SU-8负型光刻胶，其他光刻胶也行，只要选取的运动粘度合适即可，即光刻胶不能太稠或者太稀。
本实施例中，SU-8负型光刻胶的运动粘度为1050mm2s-1。
可以理解的是，所述型腔12可以根据微构件的结构形状进行设计。
步骤S103：对微型模具先进行曝光前预加热，所述预加热的操作为在50℃～100℃范围内选择多个温度由低至高地依次烘烤。
本实施例中，优选地选取65℃、75℃、85℃、95℃的条件下依次烘烤10分钟。
可以理解的是，此阶段微型模具10与盖上的显微镜载玻片20为整套装置，均需要进行预加热。同时，烘烤温度和烘烤时间也可以根据实际情况进行适当调整。
步骤S104：让微型模具在紫外线光源照射下曝光，使型腔内的纳米复合材料固化。
具体地，让微型模具10在波长为365纳米的紫外线光源的照射下曝光2分钟，使型腔内的纳米复合材料固化，如图3所示。此时，紫外线光透过透明的玻璃模具，使型腔内的纳米复合材料发生交联而固化，形成固化的纳米复合材料16。型腔外的纳米复合材料则由于镀铬合金层屏蔽了紫外线的照射仍然处于可溶状态，即未固化的纳米复合材料18。
本实施例中，紫外线光源的紫外线的光照强度为1.5mW/cm2。
可以理解的是，曝光时间和光照强度决定了最后的曝光能量，本实施例中，总曝光能量为180mJ/cm2。
步骤S105：对微型模具进行曝光后烘烤，所述烘烤的操作为在50℃～100℃范围内选择多个温度由低至高地依次烘烤。
本实施例中，选取65℃、75℃、85℃、95℃的条件下依次烘烤10分钟。
可以理解的是，此阶段微型模具10与盖上的显微镜载玻片20为整套装置，均需要进行曝光后烘烤。同时，烘烤温度和烘烤时间也可以根据实际情况进行适当调整。
步骤S106：将微型模具冷却到室温后，从模具中脱模，移走载玻片和三维微结构，并除去未交联的薄膜。
如图4所示，本实施例中，将微型模具10冷却到室温后，从模具中脱模，移走载玻片和三维微结构，并在SU-8显影液中浸泡8-15分钟，轻轻搅动试液除去未交联的薄膜。所述三维微结构即为图3中在型腔内形成的固化的纳米复合材料16。
可以理解的是，此步骤的目的为除掉多余的材料，即型腔12外的由于镀铬合金层14屏蔽了紫外线的照射而仍然处于可溶状态的纳米复合材料。
可以理解的是，因为使用SU-8为基底的材料，所以此处选用对应的显影液，当然，如果采用其他材料，也应采用对应显影液。
步骤S107：用去离子水冲洗三维微结构，然后常温干燥。
相比于软光刻与一般的微成型技术，本发明提供的光掩模集成微塑型法可使用便携式紫外线光源，提高了时间和成本效益。同时，微型模具的型腔具有高精度、良好的光洁度和热稳定性等优点，使得光掩模集成微塑型法能够精准制造三维微型几何特征。同时，一个镀铬的微型模具可以微铣削出不同形状和大小的型腔，使得大批量生产制造微结构成为可能。另外，几乎所有的光活性聚合物可以在纳米复合材料中作为基底材料，使得这些纳米复合材料能运用到各种各样的微机电系统中。
实验采用的微型模具及生成的三维微结构分别如图5a和图5b所示，通过运用白光扫描干涉法测量微型型腔和生成的三维微结构，结果显示微结构的表面粗糙度低于50nm，微型型腔和三维微结构的厚度误差大约是3.5％。实验发现，在预加热阶段，模具和材料加热至指定的温度时，造成了整个装置热膨胀和溶剂的蒸发损失。因此，减去这一因素的影响，光掩模集成微塑型法实际的加工精度的误差约为1.5％。同时，通过对比发现，粘度指数高的材料生成的三维微结构厚度误差比粘度指数低的材料小。
相较于现有技术，本发明提出了一种简单低成本的光掩模集成微塑型方法，该方法不仅可以避免模具腔外多余材料受到紫外线的照射而形成不必要的膜，同时在三维微结构发生聚合作用期间不需要使用光刻机进行掩膜和微型腔的对齐校准，仅使用手持紫外灯即可完成聚合物的固化，每一次的固化可以完成数以万计微构件的制备，极大的降低了加工制作时间和成本，提高了生产效率。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光掩模集成微塑型方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101、在显微镜载玻片的表面涂覆形成牺牲层，并进行烘焙；
S102、向微型模具的型腔内滴入光刻胶，并盖上冷却后的显微镜载玻片，所述光刻胶为纳米复合材料；
S103、对微型模具先进行曝光前预加热，所述预加热的操作为在50℃～100℃范围内选择多个温度由低至高地依次烘烤；
S104、让微型模具在紫外线光源照射下曝光，使型腔内的纳米复合材料固化；
S105：对微型模具进行曝光后烘烤，所述烘烤的操作为在50℃～100℃范围内选择多个温度由低至高地依次烘烤；
S106、将微型模具冷却到室温后，从模具中脱模，移走显微镜载玻片和三维微结构，并除去未交联的薄膜；
S107、冲洗三维微结构，并进行干燥。
2.如权利要求1所述的光掩模集成微塑型方法，其特征在于，步骤S101中，在显微镜载玻片的表面旋涂一层牺牲层，开始时旋涂速度为400-600rpm，旋涂时间为3-8s，接着旋涂速度提高到2500-3000rpm，旋涂时间为30s。
3.如权利要求1所述的光掩模集成微塑型方法，其特征在于，步骤S101中，在200℃烘焙1min。
4.如权利要求1所述的光掩模集成微塑型方法，其特征在于，步骤S102中，向微型模具的型腔内滴入一至两滴运动粘度为1050mm2s-1的SU-8负型光刻胶。
5.如权利要求1所述的光掩模集成微塑型方法，其特征在于，步骤S103中，选取65℃、75℃、85℃、95℃依次烘烤10分钟。
6.如权利要求1所述的光掩模集成微塑型方法，其特征在于，步骤S104中，让微型模具在365纳米波长的紫外线光源照射下曝光2分钟，其紫外线的光照强度为1.5mW/cm2，使型腔内的纳米复合材料固化。
7.如权利要求1所述的光掩模集成微塑型方法，其特征在于，步骤S105中，选取65℃、75℃、85℃、95℃依次烘烤10分钟。
8.如权利要求1所述的光掩模集成微塑型方法，其特征在于，步骤S106中，将微型模具冷却到室温后，从模具中脱模，移走显微镜载玻片和三维微结构，并在SU-8显影液中浸泡8-15分钟，轻轻搅动试液除去未交联的薄膜。
9.如权利要求1所述的光掩模集成微塑型方法，其特征在于，步骤S107中，用去离子水冲洗三维微结构，并常温干燥。
10.如权利要求1所述的光掩模集成微塑型方法，其特征在于，所述微型模具为透明的镀铬玻璃模具，所述微型模具的第一表面设有型腔，所述第一表面中所述型腔之外的部分镀有屏蔽紫外线的铬合金层。
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