CN107177866A - 金属基底上制备微射频t形功分器的方法 - Google Patents

金属基底上制备微射频t形功分器的方法 Download PDF

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Abstract

金属基底上制备微射频T形功分器的方法，属于微制造技术领域。采用UV‑LIGA工艺在铜基底上利用SU‑8负性光刻胶制作出支撑内导体的胶柱，再利用AZ50XT正性光刻胶制作出图形胶膜，通过电铸铜工艺得到金属边框、内导体和顶盖等结构。最后利用丙酮溶解AZ50XT胶膜得到T形功分器。本发明摒弃了传统的硅基底而改用金属基底，避免了在制作过程中硅基底易碎的问题，并且不需要在基底上溅射金属导电层，缩减了工艺步骤。同时，AZ50XT胶膜在去除时无需加热，不会在结构内部产生热应力，从而降低了制作失败的几率。

Description

金属基底上制备微射频T形功分器的方法
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，特别涉及到一种基于UV-LIGA技术在金属基底上制备微射频T形功分器的方法。
背景技术
功分器，即功率分配器，是一种应用广泛的信号传输器件。近年来，随着微波集成电路MMIC技术的发展，基于太赫兹频段的射频电子系统的研究与应用得到了极大关注。而对于射频器件，其尺寸精度必须达到毫米甚至微米量级，这就对加工工艺提出了很高的要求。MEMS工艺因其制作的器件具有体积小、与MMIC工艺兼容等优点成为加工射频器件的最佳工艺选择，这种加工方法也越来越受到科研人员关注。如《微纳电子技术》2013年第6期第397-402页和《红外与激光工程》2017年第1期第263-269页。文献1基于UV-LIGA工艺制作了射频同轴传输线：首先在硅基底上溅射金属种子层，然后光刻SU-8胶作为内导体支撑胶柱，再对负性光刻胶BPN进行光刻并电铸铜，经过多次叠层光刻和多次电铸后去除BPN胶膜得到多层金属结构。此方法在去除BPN胶膜时需加热至50～60℃，这会在结构内部产生热应力，从而对SU-8胶柱和内导体的结合力产生影响。此外，此方法采用硅材料作为基底，一方面需要在硅基底上溅射金属导电层，另一方面在加工过程中易出现基底碎裂的问题，由此导致制作失败。文献2采用MEMS工艺和牺牲层技术相结合的方法制作了太赫兹波导耦合器：选用SU-8负性光刻胶作为结构材料，并在硅基底上对其进行光刻形成直通波导腔；再利用正性光刻胶AZ50XT作为牺牲层材料填充直通波导腔；之后对SU-8胶进行两次光刻形成耦合孔和耦合波导腔；接着利用丙酮溶解掉牺牲层并将器件从硅基底上剥离；对剥离的器件进行溅射使其金属化；最后将上述得到的金属化结构与上、下盖进行封装。此方法综合了紫外光刻工艺、牺牲层技术和封装等工艺步骤，过程较为复杂，且在封装过程中易产生尺寸偏差，影响结构的使用性能。而且此方法中结构的金属化通过溅射工艺完成，与采用电铸工艺得到的金属结构相比其强度有限。此外，此方法同样采用硅材料作为基底，也易出现因基底碎裂而导致制作失败的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种金属基底上制备微射频T形功分器的方法，即是在铜基底上通过光刻SU-8负性光刻胶做出内导体支撑胶柱，通过AZ50XT正性光刻胶叠层光刻、溅射并刻蚀金属导电层、多次电铸铜、电铸后处理实现微射频T形功分器的制作；在导电层制作工序中，选择铜作为导电材料，并且对AZ703正性光刻胶进行光刻得到掩蔽层，通过FeCl3溶液刻蚀掉多余溅射层；在去除胶膜工序中，采用丙酮浸泡和注射器喷射的方法；包括如下步骤：
步骤一，基底背面预处理：基底材料为铜板，对基底背面进行研磨和抛光，使其表面粗糙度Ra值小于0.06μm；用丙酮棉球将基底擦拭干净，之后分别在丙酮和乙醇中超声清洗15分钟，再用去离子水冲洗干净并吹干，最后在120℃真空烘箱中烘焙两个小时并随炉冷却至室温；
步骤二，制作背面对准标记：在基底背面旋涂BN303光刻胶，胶厚2～3μm，通过紫外光刻工艺制作出标记点图形胶膜；利用浓度为400g/L的FeCl3溶液在基底背面腐蚀出对准标记，温度20～25℃，时间30s；最后利用负胶去胶剂去除BN303光刻胶得到背面对准标记；
步骤三，基底正面预处理：对基底正面进行研磨和抛光，使其表面粗糙度Ra值小于0.06μm；用丙酮棉球将基底擦拭干净，之后分别在丙酮和乙醇中超声清洗15分钟，再用去离子水冲洗干净并吹干，最后在120℃真空烘箱中烘焙两个小时并随炉冷却至室温；
步骤四，制作SU-8胶柱：使用台式匀胶机在基底正面旋涂负性光刻胶SU-8，通过紫外光刻工艺制作出支撑内导体的SU-8胶柱；
步骤五，制作第一层金属边框：使用台式匀胶机在带有SU-8胶柱的基底上旋涂正性光刻胶AZ50XT，通过紫外光刻工艺制作出所需图形胶膜，再在图形胶膜中电铸铜，得到第一层金属边框结构；电铸铜的电铸液配方为：硫酸铜210～220g/L，氯化钠60～70mg/L，浓硫酸55～60g/L；电铸铜的工艺条件为：pH值0.8～1.0，温度20～30℃，电流密度0.5～1A/dm2；最后采用细粒度砂纸对第一层胶膜和第一层金属边框结构进行研磨使其平整化，并露出SU-8胶柱；
步骤六，制作第一层金属导电层：在步骤五所得到的层面的基础上溅射铜，之后旋涂正性光刻胶AZ703做掩蔽层，胶厚2～3μm；再通过紫外光刻工艺制作出所需图形的胶膜，最后利用浓度为400g/L的FeCl3溶液刻蚀掉多余溅射层，得到第一层金属导电层；
步骤七，制作第二层金属边框和内导体：在步骤六得到的层面的基础上旋涂正性光刻胶AZ50XT，再通过紫外光刻工艺制作出第二层所需图形胶膜，再重复步骤五的电铸铜工艺，得到第二层金属边框结构和内导体，最后采用细粒度砂纸对第二层胶膜、第二层金属边框和内导体进行研磨使其平整化；
步骤八，制作第三层金属边框：在步骤七所得到层面的基础上旋涂正性光刻胶AZ50XT，之后通过紫外光刻工艺制作出所需图形胶膜，再电铸铜得到第三层金属边框，最后采用细粒度砂纸对第三层胶膜和第三层金属边框进行研磨使其平整化；
步骤九，制作第二层金属导电层：在步骤八所得到的层面的基础上溅射铜，之后旋涂正性光刻胶AZ703做掩蔽层，再通过紫外光刻工艺制作出所需图形胶膜，最后利用FeCl3溶液刻蚀掉多余溅射层，得到第二层金属导电层；
步骤十，制作顶盖：在步骤九所得到的层面的基础上旋涂正性光刻胶AZ50XT，之后通过紫外光刻工艺制作出所需图形胶膜，再电铸铜得到具有去胶孔的顶盖，最后采用细粒度砂纸对此层胶膜和结构进行研磨使其平整化；
步骤十一，去除AZ50XT光刻胶：将整体结构置于丙酮溶液中，通过顶盖中的去胶孔去除AZ50XT光刻胶，得到最终的T形功分器。
本发明的有意效果在于：摒弃了传统的硅基底而改用金属基底，避免了在制作过程中硅基底易碎的问题，并且不需要在基底上溅射金属导电层，缩减了工艺步骤。同时，AZ50XT胶膜在去除时无需加热，不会在结构内部产生热应力，从而降低了制作失败的几率。同时，利用正性光刻胶AZ50XT作为电铸型膜，在去胶时不会产生热应力，降低了对结构内部层间结合力的影响。
附图说明
图1 T形功分器三维立体图
图2背面光刻工序图
图3背面腐蚀工序图
图4背面去胶工序图
图5SU8胶柱光刻工序图
图6第一层AZ50XT胶光刻工序图
图7第一层电铸铜工序图
图8制作第一层金属导电层工序图
图9第二层AZ50XT胶光刻工序图
图10第二层电铸铜工序图
图11第三层AZ50XT胶光刻工序图
图12第三层电铸铜工序图
图13制作第二层金属导电层工序图
图14第四层AZ50XT胶光刻工序图
图15第四层电铸铜工序图
图16去除AZ50XT光刻胶工序图
图17 T形功分器实施实例结构尺寸图
图中：1基底，2对准标记，3内导体，4去胶孔，5第一层金属边框，6第二层金属边框，7第三层金属边框，8顶盖。A1～A4为AZ50XT光刻胶膜，B1～B5为自由空间，M1～M2为导电层，N1为BN303光刻胶膜，S1为SU-8胶柱，Z1～Z2为AZ703光刻胶膜。
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。
在基底上制备微射频T形功分器，附图1所示。基底尺寸为64×64×2mm，制作该结构的具体步骤如下：
步骤一，基底背面预处理：对基底背面进行研磨、抛光，使其表面粗糙度Ra小于0.06μm；用丙酮棉球将基底擦拭干净后分别置于丙酮、乙醇中各超声清洗15min，之后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；将清洗好的基底放入120℃真空烘箱中烘焙两个小时后冷却至室温。
步骤二，制作背面对准标记：在基底1背面旋涂BN303光刻胶，胶厚2～3μm；通过前烘、曝光、显影和坚膜等光刻工艺步骤，制作出图2所示的含BN303光刻胶膜N1的基底1；利用浓度为400g/L的FeCl3溶液在20～25℃下腐蚀30s，得到图3所示的基底1；利用负胶去胶剂去除剩余的BN303光刻胶膜N1得到图4所示的带有背面对准标记2的基底1。
步骤三，基底正面预处理：对基底正面进行研磨、抛光，使其表面粗糙度Ra小于0.06μm；用丙酮棉球将基底擦拭干净后分别置于丙酮、乙醇中各超声清洗15min，之后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；将清洗好的基底放入120℃真空烘箱中烘焙两个小时后冷却至室温。
步骤四，制作SU-8胶柱：使用台式匀胶机在基底1正面旋涂SU-8光刻胶，胶厚50～55μm；旋涂的SU-8光刻胶经过静置、前烘、曝光、后烘和显影等光刻工艺步骤得到支撑内导体3的SU-8胶柱S1，如图5。
步骤五，制作第一层胶膜：使用台式匀胶机在已做出SU-8胶柱S1的基底1上旋涂AZ50XT光刻胶，胶厚60μm左右；旋涂的AZ50XT光刻胶经过静置、前烘、曝光、显影等光刻工艺步骤得到有自由空间B1的AZ50XT光刻胶膜A1，如图6。
步骤六，第一层电铸铜：电铸铜工艺就是将金属铜沉积到电铸型模的自由空间B1中，得到第一层金属边框5，如图7。电铸铜的电铸液配方为：硫酸铜210～220g/L，氯化钠60～70mg/L，浓硫酸55～60g/L；电铸铜的工艺条件为：pH值0.8～1.0，温度20～30℃，电流密度0.5～1A/dm2。
步骤七，平整化处理：用3000#砂纸对第一层电铸结构和胶膜进行研磨，使表面平整并达到指定高度50μm，同时露出SU-8胶柱。
步骤八，制作第一层金属导电层：使用磁控溅射台在经过研磨处理的第一层结构和胶膜表面溅射铜，厚度为300nm，溅射台的功率为300w，时间为3min30s；在溅射铜上旋涂正性的AZ703光刻胶作为掩蔽层，胶厚2～3μm，通过前烘、曝光和显影等光刻工艺步骤得到AZ703光刻胶膜Z1；最后利用浓度为400g/L的FeCl3溶液在20～25℃下腐蚀5s，刻蚀掉多余的溅射铜，得到第一层导电层M1，如图8。
步骤九，第二层胶膜制作：在带有金属导电层的第一层结构和胶膜上制作有自由空间B2和B3的AZ50XT光刻胶膜A2，此层的胶膜厚度为60μm左右，方法同步骤五；AZ703光刻胶膜Z1在光刻工艺中被去除，如图9。
步骤十，第二层电铸铜：在自由空间B2和B3中电铸铜，得到第二层金属边框6和内导体3，方法同步骤六，如图10。
步骤十一，平整化处理：使用3000#砂纸对第二层结构和胶膜进行研磨，使表面平整并达到指定高度50μm。
步骤十二，第三层胶膜制作：在第二层结构和胶膜上制作有自由空间B4的AZ50XT光刻胶膜A3，此层的胶膜厚度为60μm左右，方法同步骤五，如图11。
步骤十三，第三层电铸铜：在自由空间B4中电铸铜，得到第三层金属边框7，方法同步骤六，如图12。
步骤十四，平整化处理：方法同步骤十一。
步骤十五，制作第二层金属导电层：使用磁控溅射台在经过研磨处理的第三层结构和胶膜表面溅射铜，并在溅射铜上旋涂正性的AZ703光刻胶作为掩蔽层，经过前烘、曝光和显影等光刻工艺步骤得到AZ703光刻胶膜Z2；最后利用FeCl3溶液刻蚀掉多余的溅射铜，得到第二层导电层M2，方法同步骤八，如图13。
步骤十六，第四层胶膜制作：在带有金属导电层的第三层结构和胶膜上制作有自由空间B5的AZ50XT光刻胶膜A4，此层的胶膜厚度为60μm左右，方法同步骤五；AZ703光刻胶膜Z2在光刻工艺中被去除，如图14。
步骤十七，第四层电铸铜：在自由空间B5中电铸铜，得到具有去胶孔4的顶盖8，方法同步骤六，如图15。
步骤十八，平整化处理：方法同步骤十一。
步骤十九，去除AZ50XT光刻胶膜：把待去胶的微结构放入丙酮中浸泡，同时使用吸有丙酮的注射器对结构轻喷以去除溶解的胶膜。持续5～8min，待结构周围的AZ50XT光刻胶膜全部溶解后，依次用乙醇和去离子水冲洗得到在基底1上的T形功分器，如图16。
图17中，T形功分器的截面尺寸D1为70μm，D2为90μm，D3为200μm，D4为360μm，D5为80μm，D6为50μm，D7为50μm，D8为50μm，D9为50μm。

Claims (1)

1.金属基底上制备微射频T形功分器的方法，其特征在于在铜基底上通过光刻SU-8负性光刻胶做出内导体(3)的支撑胶柱，通过AZ50XT正性光刻胶叠层光刻、溅射并刻蚀金属导电层、多次电铸铜、电铸后处理实现微射频T形功分器的制作；在导电层制作工序中，选择铜作为导电材料，并且对AZ703正性光刻胶进行光刻得到掩蔽层，通过FeCl3溶液刻蚀掉多余溅射层；在去除胶膜工序中，采用丙酮浸泡和注射器喷射的方法；具体包括如下步骤：
步骤一，基底(1)背面预处理：基底材料为铜板，对基底(1)背面进行研磨和抛光，使其表面粗糙度Ra值小于0.06μm；用丙酮棉球将基底擦拭干净，之后分别在丙酮和乙醇中超声清洗15分钟，再用去离子水冲洗干净并吹干，最后在120℃真空烘箱中烘焙两个小时并随炉冷却至室温；
步骤二，制作背面对准标记(2)：在基底(1)背面旋涂BN303光刻胶，胶厚2～3μm，通过紫外光刻工艺制作出对准标记(2)图形胶膜；利用浓度为400g/L的FeCl3溶液在基底背面腐蚀出对准标记(2)，温度20～25℃，时间30s；最后利用负胶去胶剂去除BN303光刻胶得到背面对准标记(2)；
步骤三，基底(1)正面预处理：对基底(1)正面进行研磨和抛光，使其表面粗糙度Ra值小于0.06μm；用丙酮棉球将基底擦拭干净，之后分别在丙酮和乙醇中超声清洗15分钟，再用去离子水冲洗干净并吹干，最后在120℃真空烘箱中烘焙两个小时并随炉冷却至室温；
步骤四，制作SU-8胶柱(S1)：使用台式匀胶机在基底正面旋涂负性光刻胶SU-8，通过紫外光刻工艺制作出支撑内导体的SU-8胶柱(S1)；
步骤五，制作第一层金属边框(5)：使用台式匀胶机在带有SU-8胶柱的基底上旋涂正性光刻胶AZ50XT，通过紫外光刻工艺制作出所需图形胶膜，再在图形胶膜中电铸铜，得到第一层金属边框结构(5)；电铸铜的电铸液配方为：硫酸铜210～220g/L，氯化钠60～70mg/L，浓硫酸55～60g/L；电铸铜的工艺条件为：pH值0.8～1.0，温度20～30℃，电流密度0.5～1A/dm2；最后采用细粒度砂纸对第一层胶膜和第一层金属边框结构进行研磨使其平整化，并露出SU-8胶柱；
步骤六，制作第一层金属导电层：在步骤五所得到的层面的基础上溅射铜，之后旋涂正性光刻胶AZ703做掩蔽层，胶厚2～3μm；再通过紫外光刻工艺制作出所需图形的胶膜，最后利用浓度为400g/L的FeCl3溶液刻蚀掉多余溅射层，得到第一层金属导电层；
步骤七，制作第二层金属边框(6)和内导体(3)：在步骤六得到的层面的基础上旋涂正性光刻胶AZ50XT，再通过紫外光刻工艺制作出第二层所需图形胶膜，再重复步骤五的电铸铜工艺，得到第二层金属边框结构(6)和内导体(3)，最后采用细粒度砂纸对第二层胶膜、第二层金属边框(6)和内导体(3)进行研磨使其平整化；
步骤八，制作第三层金属边框(7)：在步骤七所得到层面的基础上旋涂正性光刻胶AZ50XT，之后通过紫外光刻工艺制作出所需图形胶膜，再电铸铜得到第三层金属边框(7)，最后采用细粒度砂纸对第三层胶膜和第三层金属边框(7)进行研磨使其平整化；
步骤九，制作第二层金属导电层：在步骤八所得到的层面的基础上溅射铜，之后旋涂正性光刻胶AZ703做掩蔽层，再通过紫外光刻工艺制作出所需图形胶膜，最后利用FeCl3溶液刻蚀掉多余溅射层，得到第二层金属导电层；
步骤十，制作顶盖(8)：在步骤九所得到的层面的基础上旋涂正性光刻胶AZ50XT，之后通过紫外光刻工艺制作出所需图形胶膜，再电铸铜得到具有去胶孔(4)的顶盖(8)，最后采用细粒度砂纸对此层胶膜和结构进行研磨使其平整化；
步骤十一，去除AZ50XT光刻胶：将整体结构置于丙酮溶液中，通过顶盖(8)中的去胶孔(4)去除AZ50XT光刻胶，得到最终的T形功分器。
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