金屬基底上制備高深寬比金屬微光柵的方法
【專利摘要】金屬基底上制備高深寬比金屬微光柵的方法，屬于微制造【技術(shù)領(lǐng)域】。采用UV-LIGA技術(shù)在高純鎳板基底J上，經(jīng)兩次勻膠、分層曝光以及一次顯影等光刻工藝過(guò)程得到SU-8膠膠膜，再經(jīng)微電鑄鎳N、微電鑄后處理來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬微光柵的制作；通過(guò)線寬補(bǔ)償?shù)姆椒ń鉀Q溶脹引起的線寬變小問(wèn)題；在去膠工序中，采用了“超聲-浸泡-超聲-浸泡”循環(huán)往復(fù)的方法去膠；在退火工序中使用真空退火去除殘余應(yīng)力，提高了基底與金屬光柵之間的結(jié)合力。本發(fā)明的效果和益處是：采用此方法在金屬基底J上制備金屬微光柵具有深寬比、尺寸精度和機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)，制備工藝簡(jiǎn)單，成本較低。
【專利說(shuō)明】金屬基底上制備高深寬比金屬微光柵的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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，特別涉及到一種基于UV-LIGA工藝在金屬基底上制備高深寬比金屬微光柵的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為光學(xué)儀器核心單元器件之一的金屬微光柵在光譜測(cè)量、光計(jì)算、光信息處理等諸多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。隨著金屬微光柵需求量不斷增長(zhǎng)，其加工制備方法越來(lái)越受到科研人員的關(guān)注?，F(xiàn)有的金屬微光柵的制備主要是以硅為基底并結(jié)合濺射、制備掩蔽層、刻蝕等工藝實(shí)現(xiàn)。如《功能與材料》2010年論文集296-298頁(yè)和《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》2013年4月第32卷第2期154-159頁(yè)。文獻(xiàn)I是在Si上首先濺射一層鋁薄膜，然后結(jié)合光刻工藝制備掩蔽層，最后通過(guò)濕法刻蝕鋁薄膜制備了周期為8 μ m，高度為0.3 μ m的鋁光柵。但這種方法制備的金屬光柵高度有限。文獻(xiàn)2首先將環(huán)烯烴聚合物(COP)薄膜旋涂在硅片襯底上，然后壓印出光柵結(jié)構(gòu)，之后濺射Au薄膜，形成COP和Au的復(fù)合結(jié)構(gòu)，再采用Ar和CF4混合氣體刻蝕上表面的金，再用氧反應(yīng)離子刻蝕殘留的COP層，最后制備了最大高度為Iym的金光柵。但這種方法制備的光柵側(cè)壁傾斜、高度有限，工藝復(fù)雜，成本較昂貴。另外，二者都采用易碎的硅片為基底，制備過(guò)程中易出現(xiàn)因基底的碎裂而導(dǎo)致失敗的問(wèn)題。
[0003]以金屬作為基底并利用UV-LIGA工藝制備的金屬微光柵具有深寬比、尺寸精度和機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)，制備工藝簡(jiǎn)單，成本較低。制備的高深寬比金屬微光柵具有廣泛的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于UV-LIGA工藝在金屬基底上制備高深寬比金屬微光柵的方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是在高純鎳板基底上，經(jīng)兩次勻膠、分層曝光以及一次顯影等光刻工藝過(guò)程得到SU-8膠膠膜，再微電鑄鎳、微電鑄后處理來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬微光柵的制作；通過(guò)線寬補(bǔ)償?shù)姆椒ń鉀Q溶脹引起的線寬變小問(wèn)題；在去膠工序中，采用了“超聲-浸泡-超聲-浸泡”循環(huán)往復(fù)的方法去膠；在退火工序中使用真空退火去除殘余應(yīng)力。
[0005]具體步驟如下:
[0006](I)基板預(yù)處理:首先，鎳基板經(jīng)過(guò)研磨、拋光使其表面粗糙度小于0.04 μ m,然后用丙酮棉球?qū)⒒灞砻娌潦酶蓛簦又謩e在丙酮和乙醇中施以超聲清洗，再用純水沖洗干凈后吹干，最后在烘箱中烘焙，去除水汽后冷卻至室溫；
[0007](2) SU-8膠膠膜的制備:使用臺(tái)式勻膠機(jī)在基底上分兩次旋涂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；分次旋涂的SU-8光刻膠分別經(jīng)過(guò)靜置、前烘、曝光、后烘后進(jìn)行一次顯影，最終得到所需的SU-8膠膠膜；得到的膠膜直接作為微電鑄的型模；
[0008](3)微電鑄:采用在金屬基底上直接電鑄生長(zhǎng)的無(wú)背板生長(zhǎng)工藝；電鑄過(guò)程中施以陰極移動(dòng)和循環(huán)過(guò)濾；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?IA/dm2 ；
[0009](4)人工研磨拋光:采用人工研磨的方法對(duì)電鑄后的電鑄層表面進(jìn)行研磨拋光，以獲得平整的電鑄層表面；
[0010](5)去除SU-8膠:首先將具有光柵結(jié)構(gòu)的基板浸泡在80?90°C的SU-8去膠液中，浸泡5?IOh后施加超聲I?2h，之后撤除超聲繼續(xù)用去膠液浸泡，如此“浸泡-超聲-浸泡-超聲”循環(huán)往復(fù)去膠，最終得到干凈的光柵結(jié)構(gòu)；
[0011](6)高溫真空退火:退火絕對(duì)真空度約為10_3Pa，溫度為350?400°C，退火時(shí)間I?1.5h，然后隨爐冷卻。
[0012]本發(fā)明的有益效果在于，解決了現(xiàn)有方法中在硅基底上制備金屬微光柵的刻蝕深度有限、基底易碎、刻蝕精度難以控制等問(wèn)題。采用此方法在金屬基底上制備金屬微光柵具有深寬比、尺寸精度和機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)，制備工藝簡(jiǎn)單，成本較低。針對(duì)用戶的具體要求，可制備高度達(dá)數(shù)百微米、微電鑄層內(nèi)應(yīng)力小的高深寬比金屬微光柵；能夠?yàn)槲⒅圃祛I(lǐng)域提供表面粗糙度低的金屬微光柵。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1光柵結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2 第一層 SU-8 膠。
[0015]圖3第一次曝光。
[0016]圖4 第二層 SU-8 膠。
[0017]圖5第二次曝光。
[0018]圖6顯影效果圖。
[0019]圖7微電鑄鎳。
[0020]圖8SU-8膠去除效果圖。
[0021]圖中:S1、S2為SU-8光刻膠膜，A為自由空間，N為鎳金屬，J為基底。
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下結(jié)合上述技術(shù)方案和附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0023]例如:在鎳含量為99.99%的高純鎳板上制備高深寬比金屬微光柵，附圖1所示，其綜合尺寸如下:光柵凸臺(tái)寬度為65 μ m,長(zhǎng)度為900 μ m,高度為243 μ m,光柵周期為130 μ m。鎳板尺寸為60 X 20 X 3mm3，制備該結(jié)構(gòu)的具體步驟如下:
[0024](I)基板預(yù)處理:先在研磨拋光機(jī)上進(jìn)行研磨、拋光，最終鎳基板表面粗糙度達(dá)到
0.04μπι以下；然后用丙酮棉球?qū)⒒灞砻娌潦酶蓛?，接著分別在丙酮和乙醇中施以超聲清洗10分鐘，再用純水沖洗干凈后吹干，最后在120°c的烘箱中烘焙，直至去除水汽后冷卻
至室溫。
[0025]⑵SU-8膠膠膜的制備:使用臺(tái)式勻膠機(jī)在基底J正面旋涂第一層SU-8光刻膠SI(如圖2)，勻膠的轉(zhuǎn)速1000?llOOrpm，膠厚150?170 μ m ;然后在水平桌面上靜置30min ；接著進(jìn)行前烘，溫度85?95°C，時(shí)間I?2h，并隨爐冷卻；接下來(lái)的曝光則是在曝光機(jī)上使用SU-8膠敏感的365nm波長(zhǎng)的紫外光并采用接觸式曝光的方法進(jìn)行曝光，曝光功率密度為10?13mW/cm2，曝光時(shí)間為2?5min，如圖3所示；緊接著進(jìn)行后烘，即在85°C熱板上加熱3?5min ;冷卻后進(jìn)行SU-8膠的第二次旋涂，如圖4所示，轉(zhuǎn)速為1200?1300rpm，SU-8光刻膠S2膠厚110?130 μ m;隨后的第二次靜置、前烘、曝光(如圖5)及后烘步驟同上；最后，用SU-8顯影液顯影10?20min，得到干凈的SU-8膠膠膜，如圖6所示。
[0026](3)微電鑄鎳:采用在基板上直接電鑄生長(zhǎng)的無(wú)背板生長(zhǎng)工藝。電鑄過(guò)程中施以陰極移動(dòng)和循環(huán)過(guò)濾，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。微電鑄鎳工藝過(guò)程就是將金屬鎳N沉積到微電鑄型模的自由空間A中，如圖7所示。
[0027](4)人工研磨拋光:使用2000#砂紙進(jìn)行人工研磨，使用粒度為2.5?3.0 μ m的拋光膏進(jìn)行拋光，總?cè)コ繛??20 μ m ;
[0028](5)去除SU-8膠:首先將具有光柵結(jié)構(gòu)的基板浸泡在80?90°C的SU-8去膠液中，浸泡5?IOh后施加超聲I?2h，隨后撤除超聲繼續(xù)用去膠液浸泡，如此“浸泡-超聲-浸泡-超聲”循環(huán)往復(fù)去膠，最終得到干凈的光柵結(jié)構(gòu)，如圖8所示。
[0029](6)高溫真空退火:退火絕對(duì)真空度約為10_3Pa，溫度為350?400°C，退火時(shí)間I?1.5h后隨爐冷卻。
[0030]最終制備的鎳金屬微光柵的平均高度為245.6 μ m，其相對(duì)誤差為1% ;光柵平均周期為130.4 μ m，相對(duì)誤差為0.3% ;光柵凸臺(tái)平均線寬65.5 μ m，相對(duì)誤差為0.7% ;光柵上表面粗糙度達(dá)4.6nm。
【權(quán)利要求】
1.在金屬基底上制備高深寬比金屬微光柵的方法，包括在高純鎳板基底上，經(jīng)兩次勻膠、分層曝光以及一次顯影等光刻工藝過(guò)程得到SU-8膠膠膜，再微電鑄鎳、微電鑄后處理來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬微光柵的制作；通過(guò)線寬補(bǔ)償?shù)姆椒ń鉀Q溶脹引起的線寬變小問(wèn)題；在去膠工序中，采用了 “超聲-浸泡-超聲-浸泡”循環(huán)往復(fù)的方法去膠；在退火工序中使用真空退火去除殘余應(yīng)力；具體步驟如下: (1)基板預(yù)處理:首先，鎳基板經(jīng)過(guò)研磨、拋光使其表面粗糙度小于0.04 μ m，然后用丙酮棉球?qū)⒒灞砻娌潦酶蓛?，接著分別在丙酮和乙醇中施以超聲清洗，再用純水沖洗干凈后吹干，最后在供箱中供倍，去除水汽后冷卻至室溫； (2)SU-8膠膠膜的制備:使用臺(tái)式勻膠機(jī)在基底上分兩次旋涂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；分次旋涂的SU-8光刻膠分別經(jīng)過(guò)靜置、前烘、曝光、后烘后進(jìn)行一次顯影，最終得到所需的SU-8膠膠膜；得到的膠膜直接作為微電鑄的型模； (3)微電鑄:采用在金屬基底上直接電鑄生長(zhǎng)的無(wú)背板生長(zhǎng)工藝；電鑄過(guò)程中施以陰極移動(dòng)和循環(huán)過(guò)濾；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?IA/dm2 ； (4)人工研磨拋光:采用人工研磨的方法對(duì)電鑄后的電鑄層表面進(jìn)行研磨拋光，以獲得平整的電鑄層表面； (5)去除SU-8膠:首先將具有光柵結(jié)構(gòu)的基板浸泡在80?90°C的SU-8去膠液中，浸泡5?IOh后施加超聲I?2h，之后撤除超聲繼續(xù)用去膠液浸泡，如此“浸泡-超聲-浸泡-超聲”循環(huán)往復(fù)去膠，最終得到干凈的光柵結(jié)構(gòu)； (6)高溫真空退火:退火絕對(duì)真空度約為10_3Pa，溫度為350?400°C，退火時(shí)間I?1.5h，然后隨爐冷卻。
【文檔編號(hào)】C25D1/00GK103913789SQ201410134217
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月3日
【發(fā)明者】杜立群, 趙明, 鮑其雷, 譚志成, 王翱岸 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)