專利名稱：一種三維電鑄微結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及金屬基底微電鑄金屬器件類。
技術(shù)背景隨著器件微小型化及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，三維懸臂微結(jié)構(gòu)做為微傳感/驅(qū)動(dòng)器的核心 部件目前已廣泛應(yīng)用于微傳感器和微驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域。其加工制作方法越來(lái)越受到科研人員的關(guān) 注?，F(xiàn)有的三維懸臂微結(jié)構(gòu)的制作是在硅或玻璃基底上主要通過(guò)光刻、微電鑄等方法實(shí)現(xiàn)的，如雜志《廈門大學(xué)學(xué)報(bào)》2005年第5期第658-660頁(yè)和雜志《中國(guó)機(jī)械工程》第16巻增刊2005 年7月第252-254頁(yè)。文獻(xiàn)l的工藝流程為先在硅基板上生長(zhǎng)二氧化硅，光刻犧牲層(材料為 光刻膠BP212)，濺射Cu作為晶種層。涂光刻膠AZP4620再光刻，形成電鑄結(jié)構(gòu)層用的厚型光刻 膠型模。然后進(jìn)行鎳的微電鑄，去膠、去除晶種層、去犧牲層，最后釋放出懸臂梁微結(jié)構(gòu)。用 此方法加工的懸臂梁結(jié)構(gòu)的犧牲層部分和鎳微電鑄部分的厚度只有幾個(gè)微米。而文獻(xiàn)2只是提 供了在玻璃基板上制作刷片式微過(guò)載開(kāi)關(guān)的加工制作方案，并沒(méi)有實(shí)際加工出微開(kāi)關(guān)。目前 在微傳感器和微驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域，在有運(yùn)動(dòng)要求且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高或要求結(jié)構(gòu)導(dǎo)電的場(chǎng)合急需 金屬基底的懸臂微結(jié)構(gòu)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問(wèn)題是在微電鑄金屬模具制作方法的基礎(chǔ)上，充分利用犧牲層技術(shù)，提 出在金屬基板上制作三維懸臂微結(jié)構(gòu)的方法，例如，鎳金屬、5CrNiMo合金鋼等?；谠摲?法制作的微結(jié)構(gòu)具有層與層結(jié)合牢固、微電鑄層內(nèi)應(yīng)力小、微結(jié)構(gòu)側(cè)壁垂直度好、表面光潔 度高，可作為有運(yùn)動(dòng)要求且強(qiáng)度要求高的微傳感器/微驅(qū)動(dòng)器的核心器件。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種三維電鑄微結(jié)構(gòu)的制作方法，包括基底前處理、連接層微 電鑄型模的制作、微電鑄、銅晶種層的制備、鎳結(jié)構(gòu)層的制作、微電鑄后處理、犧牲層去除 工序。其特征是釆用犧牲層技術(shù)，在金屬基底上，通過(guò)2次SU-8光刻膠的紫外光刻、銅晶 種層的制備和2次鎳的微電鑄來(lái)實(shí)現(xiàn)三微懸臂微結(jié)構(gòu)的制作；連接層微電鑄型模的制作工序 中，選擇SU-8光刻膠作為犧牲層材料；在微電鑄工序中，鎳基板電鑄前要進(jìn)行表面活化處理， 活化腐蝕液的配方是10 20%硝酸、80 90%丙乙酸(體積比)；在銅晶種層的制備工序中， 銅的腐蝕液釆用的是2.5%的HN03溶液，同時(shí)為去除銅表面的正性光刻膠，采用紫外曝光的 方法；在犧牲層去除工序中，采用濃硫酸煮沸的方法，其制作方法的具體步驟如下(1) 基底前處理基底前處理分為機(jī)械加工前處理和表面清洗兩個(gè)部分，機(jī)械加工前處理 依次包括銑削、磨削、精磨、線切割和拋光，表面清洗采用有機(jī)溶劑除油法，有機(jī)溶劑釆用丙酮和乙醇；(2) 連接層微電鑄型模的制作連接層微電鑄型模也稱懸臂微結(jié)構(gòu)的犧牲層，犧牲層材料 采用SU-8光刻膠，在連接層微電鑄型模的制作工序中，采用國(guó)產(chǎn)光刻膠作為SU-8 光刻膠的黏附層，SU-8光刻膠與黏附層采用光刻技術(shù)中的套刻工藝，顯影后獲得的微結(jié)構(gòu)圖形，直接作為微電鑄的型模；(3) 微電鑄鎳的微電鑄就是在微電鑄型模的自由空間里實(shí)現(xiàn)鎳的電沉積，在微電鑄工序 中，鎳基板電鑄前要進(jìn)行表面活化處理，活化腐蝕液的配方是10 20%硝酸、80 90% 丙乙酸(體積比)，腐蝕時(shí)間是10 20秒，電鑄液采用無(wú)應(yīng)力鑄鎳配方；(4) 制備銅晶種層銅晶種層的制備工序包括銅的濺射和銅的光刻，銅的濺射設(shè)備是射頻 濺射臺(tái)；銅的光刻步驟是用勻膠機(jī)均勻涂國(guó)產(chǎn)正性光刻膠，轉(zhuǎn)速3500轉(zhuǎn)/分，在 6(TC熱板上烘45分鐘，利用曝光機(jī)進(jìn)行第1次紫外曝光，曝光時(shí)間30秒，放入0. 5% 的NaOH顯影液中顯影，在60。C熱板上后烘1小時(shí)；放入2. 5%的朋03溶液中腐蝕銅 約2分鐘；用勻膠機(jī)將銅表面的水甩干，對(duì)整個(gè)基片表面進(jìn)行第2次紫外曝光，曝光 時(shí)間2分鐘，然后將基片放入0.5%的NaOH中去除銅表面的光刻膠，用水沖洗干凈；(5) 鎳結(jié)構(gòu)層的制作鎳結(jié)構(gòu)層的制作包括微電鑄型模的制作和鎳微電鑄，在微電鑄型模 的制作工序中，釆用SU-8光刻膠的紫外光刻技術(shù)；鎳微電鑄就是在微電鑄型模的自 由空間里實(shí)現(xiàn)鎳的電沉積；(6) 微電鑄后處理微電鑄后處理包括真空退火和微器件的精磨、拋光。以去除內(nèi)應(yīng)力為目的的真空退火就是將帶有SU-8光刻膠的微結(jié)構(gòu)放入真空退火爐中，達(dá)到指定真空 度后升溫到350 40(TC，保持100 120分鐘后自然冷卻。退火后的微結(jié)構(gòu)還要經(jīng)過(guò) 精磨和拋光處理；(7) 犧牲層去除犧牲層的去除采用濃硫酸煮沸的方法。把待去膠的微結(jié)構(gòu)放入濃度為 95% 98%的濃硫酸中，將濃硫酸放在電爐上煮沸，時(shí)間為5 10分鐘，待微結(jié)構(gòu)上 的SU-8光刻膠全部溶解后，用去離子水沖洗干凈。本發(fā)明的有益效果是克服了傳統(tǒng)的在硅基板上制備懸臂微結(jié)構(gòu)時(shí)基板易損壞的缺點(diǎn)， 提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。針對(duì)用戶的具體要求，可制備厚度達(dá)數(shù)百微米、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、微電鑄層 內(nèi)應(yīng)力小的懸臂微結(jié)構(gòu)；能夠?yàn)槲鞲衅?微驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域提供層與層間結(jié)合牢固、側(cè)壁垂直度好、表面光潔度高、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的金屬基底微懸臂核心器件。


圖l是懸臂梁的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖2是三維懸臂微結(jié)構(gòu)的制作流程示意圖。圖3是第1次光刻工序，圖4是顯影工序，圖5是第1次微電鑄工序，圖6是制備銅晶 種層工序，圖7是第2次光刻工序，圖8是第2次微電鑄工序，圖9是犧牲層去除工序。其 中1-鎳基板，2-黏附層，3-SU-8光刻膠，4-光刻掩膜板，5-自由空間，6-電鑄鎳金屬， 7-銅晶種層，UV-紫外光。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明具體的實(shí)施方式。例如在精磨、拋光后的高純鎳基板 (53腿X63腿X2咖)上電鑄一 "懸臂梁"形(懸臂部分l的尺寸為15咖X100咖X300um， 懸臂1與基板3的連接層2的尺寸為100umX100umX50mn，見(jiàn)附圖l)的三維微結(jié)構(gòu)，其制作 該結(jié)構(gòu)按流程圖2的具體步驟如下1. 基底前處理基底材料選擇高純度的鎳金屬，鎳基底前處理分為機(jī)械加工前處理和表面 清洗兩個(gè)部分，機(jī)械加工前處理依次包括銑削、磨削、精磨、線切割和拋光，表面清洗采 用有機(jī)溶劑除油法，有機(jī)溶劑采用丙酮和乙醇。2. 連接層微電鑄型模的制作連接層微電鑄型模也是懸臂微結(jié)構(gòu)的犧牲層，犧牲層材料釆 用SU-8光刻膠，見(jiàn)附圖3。為了提高SU-8光刻膠3與鎳基板1的結(jié)合力，試驗(yàn)中采用國(guó)產(chǎn) 光刻膠作為SU-8光刻膠3的黏附層2。微電鑄型模由SU-8光刻膠3的光刻工藝制作形成。 顯影后獲得的微結(jié)構(gòu)圖形，可以直接作為微電鑄的型模，見(jiàn)附圖4。3. 微電鑄鎳的微電鑄就是在附圖4所示的微電鑄型模的自由空間5里實(shí)現(xiàn)鎳的電沉積， 見(jiàn)附圖5。在微電鑄工序中，鎳基板電鑄前要進(jìn)行表面活化處理，活化腐蝕液的配方是10 20%硝酸、80 90%丙乙酸(體積比)，時(shí)間是10 20秒，電鑄液采用無(wú)應(yīng)力鑄鎳配方。4. 銅晶種層的制備銅晶種層的制備工序包括銅的濺射和銅的光刻。銅的濺射設(shè)備是射頻濺射臺(tái)，工藝條件為射頻功率400 5()0瓦、時(shí)間6 8分鐘。銅的光刻步驟是用勻膠機(jī) 均勻涂國(guó)產(chǎn)正性光刻膠，轉(zhuǎn)速3500轉(zhuǎn)/分，在6(TC熱板上烘45分鐘，利用曝光機(jī)進(jìn)行第1 次紫外曝光，曝光時(shí)間30秒，放入0. 5%的NaOH顯影液中顯影，在6(TC熱板上后烘1小時(shí)； 放入2.5%的HN03溶液中腐蝕銅約2分鐘；用勻膠機(jī)將銅表面的水甩干，對(duì)整個(gè)基片表面進(jìn) 行第2次紫外曝光，曝光時(shí)間2分鐘，然后將基片放入0. 5%的NaOH中去除銅表面的光刻膠， 用水沖洗干凈，見(jiàn)附圖6。5. 鎳結(jié)構(gòu)層的制作鎳結(jié)構(gòu)層的制作包括微電鑄型模的制作和鎳微電鑄。在微電鑄型模的 制作工序中，采用SU-8光刻膠的紫外光刻技術(shù)，見(jiàn)附圖7;鎳微電鑄就是在附圖7所示的微 電鑄型模的自由空間5里實(shí)現(xiàn)鎳的電沉積，見(jiàn)附圖8。6. 微電鑄后處理微電鑄后處理包括真空退火和微器件的精磨、拋光。以去除內(nèi)應(yīng)力為目 的的真空退火就是將帶有SU-8光刻膠的微結(jié)構(gòu)放入真空退火爐中，達(dá)到指定真空度后升溫到 350 40(TC，保持100 120分鐘后自然冷卻。退火后的微結(jié)構(gòu)還要經(jīng)過(guò)精磨和拋光處理。7. SU-8光刻膠犧牲層的去除犧牲層的去除采用濃硫酸煮沸的方法。把待去膠的微結(jié)構(gòu)放 入濃度為95% 98%的濃硫酸中，將濃硫酸放在電爐上煮沸，時(shí)間為5 10分鐘，待微結(jié)構(gòu) 上的SU-8光刻膠全部溶解后，用去離子水沖洗干凈，見(jiàn)附圖9。
權(quán)利要求
1、一種三維電鑄微結(jié)構(gòu)的制作方法，包括基底前處理、連接層微電鑄型模的制作、微電鑄、銅晶種層的制備、鎳結(jié)構(gòu)層的制作、微電鑄后處理、犧牲層去除工序，其特征是采用犧牲層技術(shù)，在金屬基底上，通過(guò)2次SU-8光刻膠的紫外光刻、銅晶種層的制備和2次鎳的微電鑄來(lái)實(shí)現(xiàn)三微懸臂微結(jié)構(gòu)的制作；連接層微電鑄型模的制作工序中，選擇SU-8光刻膠作為犧牲層材料；在微電鑄工序中，鎳基板電鑄前要進(jìn)行表面活化處理，活化腐蝕液的配方是10～20％硝酸、80～90％丙乙酸(體積比)；在銅晶種層的制備工序中，銅的腐蝕液采用的是2.5％的HNO3溶液，同時(shí)為去除銅表面的正性光刻膠，采用紫外曝光的方法；在犧牲層去除工序中，采用濃硫酸煮沸的方法，其制作方法的具體步驟如下(1)基底前處理基底前處理分為機(jī)械加工前處理和表面清洗兩個(gè)部分，機(jī)械加工前處理依次包括銑削、磨削、精磨、線切割和拋光，表面清洗采用有機(jī)溶劑除油法，有機(jī)溶劑采用丙酮和乙醇；(2)連接層微電鑄型模的制作連接層微電鑄型模也稱懸臂微結(jié)構(gòu)的犧牲層，犧牲層材料采用SU-8光刻膠，在連接層微電鑄型模的制作工序中，采用國(guó)產(chǎn)光刻膠作為SU-8光刻膠的黏附層，SU-8光刻膠與黏附層采用光刻技術(shù)中的套刻工藝，顯影后獲得的微結(jié)構(gòu)圖形，直接作為微電鑄的型模；(3)微電鑄鎳的微電鑄就是在微電鑄型模的自由空間里實(shí)現(xiàn)鎳的電沉積，在微電鑄工序中，鎳基板電鑄前要進(jìn)行表面活化處理，活化腐蝕液的配方是10～20％硝酸、80～90％丙乙酸(體積比)，腐蝕時(shí)間是10～20秒，電鑄液采用無(wú)應(yīng)力鑄鎳配方；(4)制備銅晶種層銅晶種層的制備工序包括銅的濺射和銅的光刻，銅的濺射設(shè)備是射頻濺射臺(tái)；銅的光刻步驟是用勻膠機(jī)均勻涂國(guó)產(chǎn)正性光刻膠，轉(zhuǎn)速3500轉(zhuǎn)/分，在60℃熱板上烘45分鐘，利用曝光機(jī)進(jìn)行第1次紫外曝光，曝光時(shí)間30秒，放入0.5％的NaOH顯影液中顯影，在60℃熱板上后烘1小時(shí)；放入2.5％的HNO3溶液中腐蝕銅約2分鐘；用勻膠機(jī)將銅表面的水甩干，對(duì)整個(gè)基片表面進(jìn)行第2次紫外曝光，曝光時(shí)間2分鐘，然后將基片放入0.5％的NaOH中去除銅表面的光刻膠，用水沖洗干凈；(5)鎳結(jié)構(gòu)層的制作鎳結(jié)構(gòu)層的制作包括微電鑄型模的制作和鎳微電鑄，在微電鑄型模的制作工序中，采用SU-8光刻膠的紫外光刻技術(shù)；鎳微電鑄就是在微電鑄型模的自由空間里實(shí)現(xiàn)鎳的電沉積；(6)微電鑄后處理微電鑄后處理包括真空退火和微器件的精磨、拋光，以去除內(nèi)應(yīng)力為目的的真空退火就是將帶有SU-8光刻膠的微結(jié)構(gòu)放入真空退火爐中，達(dá)到指定真空度后升溫到350～400℃，保持100～120分鐘后自然冷卻，退火后的微結(jié)構(gòu)還要經(jīng)過(guò)精磨和拋光處理；(7)犧牲層去除犧牲層的去除采用濃硫酸煮沸的方法，把待去膠的微結(jié)構(gòu)放入濃度為95％～98％的濃硫酸中，將濃硫酸放在電爐上煮沸，時(shí)間為5～10分鐘，待微結(jié)構(gòu)上的SU-8光刻膠全部溶解后，用去離子水沖洗干凈。
全文摘要
一種三維電鑄微結(jié)構(gòu)的制作方法屬于微制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及金屬基底微電鑄金屬器件類，該制作方法包括基底前處理、連接層微電鑄型模的制作、微電鑄、銅晶種層的制備、鎳結(jié)構(gòu)層的制作、微電鑄后處理、犧牲層去除工序。在金屬基底上，通過(guò)2次SU-8光刻膠的紫外光刻、銅晶種層的制備和2次鎳的微電鑄來(lái)實(shí)現(xiàn)三微懸臂微結(jié)構(gòu)的制作；連接層微電鑄型模的制作工序中，選擇SU-8光刻膠作為犧牲層材料；在微電鑄工序中，鎳基板電鑄前要進(jìn)行表面活化處理；在銅晶種層的制備工序中，銅的腐蝕液采用的是2.5％的HNO₃溶液，采用紫外曝光的方法去除銅表面的正性光刻膠。該方法制作的懸臂微結(jié)構(gòu)結(jié)合牢固、層內(nèi)應(yīng)力小的特點(diǎn)、可用做微傳感器/微驅(qū)動(dòng)器的核心器件。
文檔編號(hào)B81C1/00GK101148243SQ20071001285
公開(kāi)日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2007年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
發(fā)明者沖 劉, 劉軍山, 劉文濤, 喻立川, 朱神渺, 杜立群 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)