金属微器件制作及超声提高铸层结合力的研究

摘要

随着MEMS技术的飞速发展，金属微器件作为微传感/执行器的核心部件在医疗、生物、航空航天等领域的需求日益增多。同时，基于UV-LIGA技术制作金属微结构的方法也逐渐受到人们的关注。微电铸是UV-LIGA技术的核心工艺，在UV-LIGA技术中占举足轻重的作用。然而在微电铸工艺中，铸层间的结合力往往不尽人意，严重影响了金属微器件的制造和使用。本论文主要研究基于UV-LIGA技术的金属微器件的制作工艺以及提高铸层结合力的超声电铸方法，研究结果能够为UV-LIGA相关技术领域的发展提供工艺技术方面的参考。
　　基于UV-LIGA技术制作了跨尺度微引信结构。首先使用SU-8胶在金属基底上制作了深宽比为6∶1的微弹簧胶膜，然后采用微电铸技术获得了镍微弹簧结构，最后去除SU-8胶膜，得到了最小线宽为10μm、深宽比为5∶1的金属微弹簧，并将其与装配件进行装配，完成了跨尺度微引信开关的制作。本文分析了制作SU-8胶膜时出现的胶膜不平整、胶层中有气泡、起胶、表面裂纹等问题产生的原因，针对这些问题开展了实验研究，解决了图形线宽尺寸超差、SU-8胶显影时细沟道发黑等问题。
　　为了满足航空航天、生物医学等领域的需求，基于UV-LIGA技术制作了六层可动金属微开关结构。首先对微结构的基底进行了预处理，使其表面粗糙度Ra小于0.04μm，然后利用UV-LIGA和正面对准技术逐层完成了微结构的制作，最后去除SU-8胶膜牺牲层，获得了完整的六层微结构。讨论了在制作过程中遇到的铸层内应力大、层与层之间结合力差、微电铸铸层厚度不均匀、胶膜显影困难、线宽尺寸超差、多层胶膜制作困难等问题。在此基础上优化了六层可动微结构的制作工艺，解决了微结构分层问题，提高了多层结构制作的成功率。
　　针对在UV-LIGA工艺中微电铸铸层结合力差的问题，开展了超声微电铸实验研究。通过在微电铸过程中施加超声场，获得了铜基底上的镍沉积薄膜。在对划痕形貌及曲线分析的基础上，提出了使用划痕摩擦系数曲线判断临界载荷点的方法。使用该方法对薄膜/基底体系结合能进行了定量计算。结果表明:超声电铸使得铸层与基底的结合能从3.58 J/m2提高到14.66 J/m2。本文从超声空化的角度入手，通过分析超声空化形成的极端物化条件对电沉积液相传质过程的影响，解释了超声场对电沉积过程的作用及超声提高微电铸铸层结合力的机理。超声微电铸提高铸层结合力的方法研究，为解决多层微结构制作中铸层结合力差的问题提供了工艺参考。