电铸铜、镍金属微器件的工艺研究

摘要

随着MEMS技术的发展，国防、半导体及生物工程等领域对金属微器件的需求日益强烈，同时，与UV-LIGA技术密切相关的微电铸工艺也得到了密切的关注。本课题主要研究电铸铜、镍金属微器件的制作工艺，具体包括微注塑模具制作技术、六层可动微结构制作工艺及微电铸铜线圈工艺三个方面。研究结果能够为UV-LIGA领域相关技术提供工艺参考。本研究主要内容包括：
　　⑴针对金属微注塑模具UV-LIGA制作过程中，由于SU-8胶内应力过大而引起的胶膜破裂、变形甚至脱落等问题，本文创新性地将超声时效技术应用到微注塑模具的制作工艺中。首先，利用紫外光刻工艺制备了电铸胶膜，在显影前使用自制的超声时效装置对胶膜进行超声处理。然后，采用无背板生长方法在模具钢基底上直接进行镍金属的电铸生长。解决了工艺过程中遇到的SU-8胶浮胶变形、非圆形基片的匀胶、胶膜中的气泡以及微电铸层结合不牢等问题。最后，制作出微通道宽度和高度分别为80μm和35μm的微注塑模具。实验结果表明，超声时效技术的使用避免了由于SU-8胶内应力过大而引起的胶膜破裂、变形甚至从基底脱落等缺陷，增强了UV-LIGA技术制作微注塑模具的能力，可大大提高微注塑模具制作的成功率。
　　⑵针对航空航天、生物医学等领域对多层金属微器件的需求，制作了六层可动微结构。首先，利用刻蚀的方法在金属基板背面制作了对准标记点图形，解决了多层结构对准效率和精度低的问题。然后，利用该标记点进行正面六层图形的光刻对准操作，使用SU-8胶光刻工艺、溅射导电层工艺和微电铸镍工艺进行了各层结构的制作，解决了制作过程中遇到的各层结构间结合力差和多层结构胶膜制作困难的问题。最后，通过退火去除微器件的内应力，煮酸去除光刻胶后得到最小线宽尺寸为15μm的六层可动镍结构。
　　⑶制作了微电铸铜线圈。为了实现微电铸铜线圈的制作，首先实验了一套用于微图形制作的微电铸铜工艺，先后尝试使用了蜜糖和染料添加剂，分析了实验过程中遇到的工艺问题，解决了铸层麻砂、铸层发黑、烧焦及染料点状沉积等缺陷，进而确定了染料添加剂硫酸盐铸铜工艺。然后，在硅片上使用溅射铜和正胶剥离的方法制备了电铸需要的种子层，经SU-8胶紫外光刻工艺制备了微线圈电铸胶膜。最后，使用精密电铸机完成了微线圈胶膜的电铸，实现了高度15μm、最小线宽10μm的铜微线圈的制作。本文的研究工作验证了微电铸铜工艺的可行性，证明该工艺已能满足微图形电铸的要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 电铸镍金属微器件的制作

1．2 微电铸铜制作微器件的发展

1．2．1 微电铸铜的研究现状

1．2．2 铜微器件制作的研究现状

1．3 课题的研究内容

2 微注塑模具的制作工艺

2．1 SU-8胶超声时效技术

2．1．1 SU-8胶超声时效技术机理

2．1．2 超声时效参数的选择

2．2 微注塑模具制作流程

2．2．1 基片前处理

2．2．2 旋涂SU-8光刻胶

2．2．3 前烘

2．2．4 曝光

2．2．5 后烘

2．2．6 超声处理

2．2．7 显影

2．2．8 铸前处理

2．2．9 电铸

2．2．10 铸后处理

2．3 本章小结

3 六层可动微结构制作

3．1 实验材料及设备

3．2 工艺流程

3．2．1 刻蚀背面对准标记点

3．2．2 正面六层结构制作

3．3 制作过程中的工艺问题

3．3．1 各层结构间的结合力问题

3．3．2 多层结构胶膜制作困难

3．4 本章小结

4 微电铸铜线圈的制作

4．1 电铸液类型的选择及分析

4．1．1 铜电铸液介绍

4．1．2 酸性硫酸铜电铸液各组分作用分析

4．1．3 操作条件对电铸的影响

4．2 初步电铸实验

4．2．1 简易实验装置的搭建

4．2．2 实验结果

4．2．3 问题与讨论

4．3 微图形电铸实验

4．3．1 蛇形沟道微图形胶膜的准备

4．3．2 微图形电铸实验设备和条件

4．3．3 实验结果与讨论

4．4 铜线圈的制作

4．4．1 铜线圈胶模的制备

4．4．2 微电铸铜制作铜线圈

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢