專利名稱：一種金屬基底上制作多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)的方法
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，特別涉及到一種金屬基底上制作多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
隨著器件微小型化及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)作為微傳感/執(zhí)行器的核心部件目前已在通訊、醫(yī)療、生物、精密儀器、航空航天、光學(xué)對(duì)準(zhǔn)、集成電路等領(lǐng)域得到應(yīng)用。其加工制作方法越來(lái)越受到科研人員的關(guān)注。現(xiàn)有的多層金屬微結(jié)構(gòu)的制作主要是通過(guò)在絕緣基底硅或者玻璃上濺射種子層、光刻、電鑄等方法實(shí)現(xiàn)。如《微細(xì)加工技術(shù)》2005年第I期第75-78頁(yè)和《儀器儀表學(xué)報(bào)》2005年第26卷第8期增刊第318-319頁(yè)。文獻(xiàn)I提出了一種準(zhǔn)LIGA —體化加工工藝:首先在玻璃基底上濺射鈦?zhàn)鳛榉N子層，然后在鈦上進(jìn)行光刻、顯影、重復(fù)套刻、多次電鑄鎳，最后去除膠膜得到多層結(jié)構(gòu)。此工藝存在鎳與鎳、種子層與鎳結(jié)合力不夠的問(wèn)題，容易導(dǎo)致層與層之間的分離。文獻(xiàn)2提出了一種基于三層光刻膠工藝的加工方法，其制作流程為:使用硅作為基底，濺射鉻、銅作為導(dǎo)電種子層，然后在種子層上制作了三層光刻膠，通過(guò)顯影、RIE刻蝕得到光刻膠的型模，最后電鑄得到微齒輪結(jié)構(gòu)。此方法通過(guò)一次電鑄便獲得微齒輪結(jié)構(gòu)，不適合制作含有懸空可動(dòng)部分的微結(jié)構(gòu)。另外，上述兩種方法分別采用玻璃和硅作為基底，由于玻璃和硅具有易碎的缺點(diǎn)，工藝過(guò)程中容易出現(xiàn)由于基底的碎裂而導(dǎo)致失敗的現(xiàn)象。以金屬作為基底制作的多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)不需要濺射犧牲層，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，且制作的微結(jié)構(gòu)抗沖擊能力強(qiáng)，成本較低。目前，在通訊、醫(yī)療、航空航天、儀器儀表等有沖擊性能要求的場(chǎng)合，急需以金屬為基底的多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在金屬基底上制作多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)的方法，解決多層金屬微結(jié)構(gòu)層與層之間易分離、基底易碎、制作可動(dòng)微結(jié)構(gòu)困難的問(wèn)題?；谠摲椒ㄖ谱鞯亩鄬咏饘倏蓜?dòng)微結(jié)構(gòu)層與層之間結(jié)合牢固、微電鑄層內(nèi)應(yīng)力小、微結(jié)構(gòu)抗沖擊能力強(qiáng)、側(cè)壁垂直度好、表面光潔度高，可作為微傳感/執(zhí)行器的核心部件。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種在金屬基底上制作多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)的方法，包括基底前處理、制作背面對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記、制作SU-8光刻膠膜、微電鑄鎳、拋光處理、導(dǎo)電層制備、真空退火和去除膠膜工序。其特征是:在高純鎳板基底上，通過(guò)多次SU-8光刻膠套刻、制備導(dǎo)電層、多次微電鑄鎳、微電鑄后處理來(lái)實(shí)現(xiàn)多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)的制作；在導(dǎo)電層制作工序中，選擇銅作為導(dǎo)電材料；在退火工序中使用真空退火去除殘余應(yīng)力，同時(shí)提高了層與層之間的結(jié)合力；在去除膠膜工序中，采用濃硫酸煮沸的方法。其制作方法的具體步驟如下:
(I)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；基底材料選擇鎳含量為99.99%高純鎳板；鎳板基底機(jī)械加工后的表面粗糙度Ra值為0.03
0.04 ii m ;表面清洗采用丙酮擦凈后，分別在丙酮和乙醇中超聲清洗15分鐘；
(2)制作背面對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記:在基底背面進(jìn)行SU-8光刻膠光刻得到對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的膠膜，使用濃度為500g/L的FeCl3溶液在25°C下腐蝕15分鐘，使用SU-8去膠液去除膠膜得到背面對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記；(3)制作光刻SU-8膠膜:使用臺(tái)式勻膠機(jī)在基底上旋涂SU-8光刻膠，勻膠機(jī)設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速得到不同厚度的膠膜，每層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的膠膜厚度在具體的實(shí)施方式中給出；旋涂的SU-8光刻膠經(jīng)過(guò)靜置、前烘、曝光、后烘和顯影后得到所需的微結(jié)構(gòu)圖形；得到的微結(jié)構(gòu)圖形直接作為微電鑄的型模；(4)微電鑄鎳:微電鑄鎳工藝就是將金屬鎳沉積到微電鑄型模的自由空間中；微電鑄鎳的電鑄液配方為:氨基磺酸鎳:365 375g/L、氯化鎳:6 10g/L、硼酸:55 60g/L ;微電鑄鎳工藝條件為:pH值:3.9 4.1、溫度:48°C 52°C、電流密度:0.5 lA/dm2 ；(5)拋光處理:為了得到表面平整的電鑄層結(jié)構(gòu)，使用2000#砂紙?jiān)趻伖?研磨機(jī)上進(jìn)行研磨，使用粒度為2.5 3.0 ii m的拋光膏進(jìn)行拋光,去除量為5 8 ii m ;(6)導(dǎo)電層制備:使用射頻濺射臺(tái)在經(jīng)過(guò)拋光處理的電鑄結(jié)構(gòu)表面濺射銅導(dǎo)電層，得到的銅導(dǎo)電層厚度為200 250nm ；(7)真空退火:將帶有SU-8光刻膠的微結(jié)構(gòu)放入真空退火爐中以去除電鑄微結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力，并提高層與層之間的結(jié)合力，退火絕對(duì)真空度為10_3Pa，溫度為350 400°C，保持150 200分鐘后自然冷卻至25 °C ；(8)去除膠膜:去除膠膜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加熱至300 330°C，持續(xù)5 10分鐘，待微結(jié)構(gòu)上的SU-8光刻膠全部溶解后，用去離子水沖洗得到微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的效果和益處是:克服了現(xiàn)有的在玻璃或硅基底上制備多層金屬微結(jié)構(gòu)層與層之間易分離、基底易碎、制作可動(dòng)微結(jié)構(gòu)困難的局限。采用此方法在金屬基底上制作微結(jié)構(gòu)的工藝簡(jiǎn)單，微結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗沖擊能力強(qiáng)。針對(duì)用戶的具體要求，可制備厚度達(dá)數(shù)百微米、微電鑄層內(nèi)應(yīng)力小的多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)；能夠?yàn)槲⒅圃祛I(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、抗沖擊能力強(qiáng)的金屬微器件。


圖1a是多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)的三維立體圖；圖1b是剖面圖。圖2是背面光刻工序圖。圖3是背面腐蝕工序圖。圖4是背面去膠工序圖。圖5是第一層光刻工序圖。圖6是第一層電鑄鎳工序圖。圖7是濺射銅導(dǎo)電層工序圖。圖8是第二層光刻工序圖。圖9是第二層電鑄鎳工序圖。圖10是濺射銅導(dǎo)電層工序圖。圖11是第三層 光刻工序圖。圖12是第三層電鑄鎳工序圖。
圖13是第四層光刻工序圖。圖14是第四層電鑄鎳工序圖。圖15是第五層光刻工序圖。圖16是第五層電鑄鎳工序圖。圖17是去膠工序圖。圖中:SI S6為SU-8光刻膠膜，Al A5為自由空間，NI N5為鎳金屬，Cl C2為銅，I為基底，2為背面對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，3為制作完成后的多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)，尺寸Dl為120 u m,D2 為 170 u m, D3 為 200 u m, D4 為 30 u m, D5 為 60 u m, D6 為 70 u m, D7 為 100 u m,D8為120um，
權(quán)利要求
1.一種金屬基底上制作多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)的方法，是在高純鎳板基底上，通過(guò)多次SU-8光刻膠套刻、制備導(dǎo)電層、多次微電鑄鎳、微電鑄后處理來(lái)實(shí)現(xiàn)多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)的制作；在導(dǎo)電層制作工序中，選擇銅作為導(dǎo)電材料；在退火工序中使用真空退火去除殘余應(yīng)力，同時(shí)提高了層與層之間的結(jié)合力；在去除膠膜工序中，采用濃硫酸煮沸的方法；其特征是步驟如下: 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；基底材料選擇鎳含量為99.99%高純鎳板；鎳板基底機(jī)械加工后的表面粗糙度Ra值為0.03 0.04 y m ;表面清洗采用丙酮擦凈后，分別在丙酮和乙醇中超聲清洗15分鐘； 2)制作背面對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記:在基底背面進(jìn)行SU-8光刻膠光刻得到對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的膠膜，使用濃度為500g/L的FeCl3溶液在25°C下腐蝕15分鐘，使用SU-8去膠液去除膠膜得到背面對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記； 3)制作光刻SU-8膠膜:使用臺(tái)式勻膠機(jī)在基底上旋涂SU-8光刻膠，勻膠機(jī)設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速得到不同厚度的膠膜，每層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的膠膜厚度在具體的實(shí)施方式中給出；旋涂的SU-8光刻膠經(jīng)過(guò)靜置、前烘、曝光、后烘和顯影后得到所需的微結(jié)構(gòu)圖形；得到的微結(jié)構(gòu)圖形直接作為微電鑄的型模； 4)微電鑄鎳:微電鑄鎳工藝就是將金屬鎳沉積到微電鑄型模的自由空間中；微電鑄鎳的電鑄液配方為:氨基磺酸鎳:365 375g/L、氯化鎳:6 10g/L、硼酸:55 60g/L ;微電鑄鎳工藝條件為:pH值:3.9 4.1、溫度:48°C 52°C、電流密度:0.5 lA/dm2 ； 5)拋光處理:使用2000#砂紙?jiān)趻伖?研磨機(jī)上進(jìn)行研磨，使用粒度為2.5 3.0 ii m的拋光膏進(jìn)行拋光 ，去除量為5 8 ii m ; 6)導(dǎo)電層制備:使用射頻濺射臺(tái)在經(jīng)過(guò)拋光處理的電鑄結(jié)構(gòu)表面濺射銅導(dǎo)電層，得到的銅導(dǎo)電層厚度為200 250nm ； 7)真空退火:將帶有SU-8光刻膠的微結(jié)構(gòu)放入真空退火爐中以去除電鑄微結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力，并提高層與層之間的結(jié)合力，退火絕對(duì)真空度約為10_3Pa，溫度為350 400°C，保持150 200分鐘后自然冷卻至25 °C ； 8)去除膠膜:去除膠膜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加熱至300 330°C，持續(xù)5 10分鐘，待微結(jié)構(gòu)上的SU-8光刻膠全部溶解后，用去離子水沖洗得到微結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種金屬基底上制作多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)的方法，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，特別涉及到一種金屬基底上制作多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)的方法。其特征是在高純鎳板基底上，通過(guò)多次SU-8光刻膠套刻、制備導(dǎo)電層、多次微電鑄鎳、微電鑄后處理來(lái)實(shí)現(xiàn)多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)的制作；在導(dǎo)電層制作工序中，選擇銅作為導(dǎo)電材料；在退火工序中使用真空退火去除殘余應(yīng)力，同時(shí)提高了層與層之間的結(jié)合力；在去除膠膜工序中，采用濃硫酸煮沸的方法。本發(fā)明的效果和益處是制作的多層金屬可動(dòng)微結(jié)構(gòu)具有層與層之間結(jié)合牢固、微電鑄層內(nèi)應(yīng)力小、微結(jié)構(gòu)抗沖擊能力強(qiáng)、側(cè)壁垂直度好、表面光潔度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C25D1/00GK103103583SQ20131001274
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者杜立群, 李成斌, 王翱岸 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)