一种三维电铸微结构的制作方法

摘要

一种三维电铸微结构的制作方法属于微制造技术领域，涉及金属基底微电铸金属器件类，该制作方法包括基底前处理、连接层微电铸型模的制作、微电铸、铜晶种层的制备、镍结构层的制作、微电铸后处理、牺牲层去除工序。在金属基底上，通过2次SU－8光刻胶的紫外光刻、铜晶种层的制备和2次镍的微电铸来实现三微悬臂微结构的制作；连接层微电铸型模的制作工序中，选择SU－8光刻胶作为牺牲层材料；在微电铸工序中，镍基板电铸前要进行表面活化处理；在铜晶种层的制备工序中，铜的腐蚀液采用的是2.5％的HNO3溶液，采用紫外曝光的方法去除铜表面的正性光刻胶。该方法制作的悬臂微结构结合牢固、层内应力小的特点、可用做微传感器/微驱动器的核心器件。

说明书

技术领域

本发明属于微制造技术领域，涉及金属基底微电铸金属器件类。

背景技术

随着器件微小型化及微机电系统技术的发展，三维悬臂微结构做为微传感/驱动器的核心部件目前已广泛应用于微传感器和微驱动器领域。其加工制作方法越来越受到科研人员的关注。现有的三维悬臂微结构的制作是在硅或玻璃基底上主要通过光刻、微电铸等方法实现的，如杂志《厦门大学学报》2005年第5期第658-660页和杂志《中国机械工程》第16卷增刊2005年7月第252-254页。文献1的工艺流程为：先在硅基板上生长二氧化硅，光刻牺牲层(材料为光刻胶BP212)，溅射Cu作为晶种层。涂光刻胶AZP4620再光刻，形成电铸结构层用的厚型光刻胶型模。然后进行镍的微电铸，去胶、去除晶种层、去牺牲层，最后释放出悬臂梁微结构。用此方法加工的悬臂梁结构的牺牲层部分和镍微电铸部分的厚度只有几个微米。而文献2只是提供了在玻璃基板上制作刷片式微过载开关的加工制作方案，并没有实际加工出微开关。目前在微传感器和微驱动器领域，在有运动要求且结构强度要求较高或要求结构导电的场合急需金属基底的悬臂微结构。

发明内容

本发明要解决的问题是在微电铸金属模具制作方法的基础上，充分利用牺牲层技术，提出在金属基板上制作三维悬臂微结构的方法，例如，镍金属、5CrNiMo合金钢等。基于该方法制作的微结构具有层与层结合牢固、微电铸层内应力小、微结构侧壁垂直度好、表面光洁度高，可作为有运动要求且强度要求高的微传感器/微驱动器的核心器件。

本发明采用的技术方案是一种三维电铸微结构的制作方法，包括基底前处理、连接层微电铸型模的制作、微电铸、铜晶种层的制备、镍结构层的制作、微电铸后处理、牺牲层去除工序。其特征是：采用牺牲层技术，在金属基底上，通过2次SU-8光刻胶的紫外光刻、铜晶种层的制备和2次镍的微电铸来实现三微悬臂微结构的制作；连接层微电铸型模的制作工序中，选择SU-8光刻胶作为牺牲层材料；在微电铸工序中，镍基板电铸前要进行表面活化处理，活化腐蚀液的配方是10～20％硝酸、80～90％丙乙酸(体积比)；在铜晶种层的制备工序中，铜的腐蚀液采用的是2.5％的HNO3溶液，同时为去除铜表面的正性光刻胶，采用紫外曝光的方法；在牺牲层去除工序中，采用浓硫酸煮沸的方法，其制作方法的具体步骤如下：

(1)基底前处理：基底前处理分为机械加工前处理和表面清洗两个部分，机械加工前处理依次包括：铣削、磨削、精磨、线切割和抛光，表面清洗采用有机溶剂除油法，有机溶剂采用丙酮和乙醇；

(2)连接层微电铸型模的制作：连接层微电铸型模也称悬臂微结构的牺牲层，牺牲层材料采用SU-8光刻胶，在连接层微电铸型模的制作工序中，采用国产光刻胶作为SU-8光刻胶的黏附层，SU-8光刻胶与黏附层采用光刻技术中的套刻工艺，显影后获得的微结构图形，直接作为微电铸的型模；

(3)微电铸：镍的微电铸就是在微电铸型模的自由空间里实现镍的电沉积，在微电铸工序中，镍基板电铸前要进行表面活化处理，活化腐蚀液的配方是10～20％硝酸、80～90％丙乙酸(体积比)，腐蚀时间是10～20秒，电铸液采用无应力铸镍配方；

(4)制备铜晶种层：铜晶种层的制备工序包括铜的溅射和铜的光刻，铜的溅射设备是射频溅射台；铜的光刻步骤是：用匀胶机均匀涂国产正性光刻胶，转速3500转/分，在60℃热板上烘45分钟，利用曝光机进行第1次紫外曝光，曝光时间30秒，放入0.5％的NaOH显影液中显影，在60℃热板上后烘1小时；放入2.5％的HNO₃溶液中腐蚀铜约2分钟；用匀胶机将铜表面的水甩干，对整个基片表面进行第2次紫外曝光，曝光时间2分钟，然后将基片放入0.5％的NaOH中去除铜表面的光刻胶，用水冲洗干净；

(5)镍结构层的制作：镍结构层的制作包括微电铸型模的制作和镍微电铸，在微电铸型模的制作工序中，采用SU-8光刻胶的紫外光刻技术；镍微电铸就是在微电铸型模的自由空间里实现镍的电沉积；

(6)微电铸后处理：微电铸后处理包括真空退火和微器件的精磨、抛光。以去除内应力为目的的真空退火就是将带有SU-8光刻胶的微结构放入真空退火炉中，达到指定真空度后升温到350～400℃，保持100～120分钟后自然冷却。退火后的微结构还要经过精磨和抛光处理；

(7)牺牲层去除：牺牲层的去除采用浓硫酸煮沸的方法。把待去胶的微结构放入浓度为95％～98％的浓硫酸中，将浓硫酸放在电炉上煮沸，时间为5～10分钟，待微结构上的SU-8光刻胶全部溶解后，用去离子水冲洗干净。

本发明的有益效果是：克服了传统的在硅基板上制备悬臂微结构时基板易损坏的缺点，提高了结构的强度。针对用户的具体要求，可制备厚度达数百微米、结构强度高、微电铸层内应力小的悬臂微结构；能够为微传感器/微驱动器领域提供层与层间结合牢固、侧壁垂直度好、表面光洁度高、结构强度高的金属基底微悬臂核心器件。

附图说明

图1是悬臂梁的结构简图。

图2是三维悬臂微结构的制作流程示意图。

图3是第1次光刻工序，图4是显影工序，图5是第1次微电铸工序，图6是制备铜晶种层工序，图7是第2次光刻工序，图8是第2次微电铸工序，图9是牺牲层去除工序。其中：1-镍基板，2-黏附层，3-SU-8光刻胶，4-光刻掩膜板，5-自由空间，6-电铸镍金属，7-铜晶种层，UV-紫外光。

具体实施方式

以下结合附图，详细说明本发明具体的实施方式。例如：在精磨、抛光后的高纯镍基板(53mm×63mm×2mm)上电铸一“悬臂梁”形(悬臂部分1的尺寸为15mm×100um×300um，悬臂1与基板3的连接层2的尺寸为100um×100um×50um，见附图1)的三维微结构，其制作该结构按流程图2的具体步骤如下：

1、基底前处理基底材料选择高纯度的镍金属，镍基底前处理分为机械加工前处理和表面清洗两个部分，机械加工前处理依次包括：铣削、磨削、精磨、线切割和抛光，表面清洗采用有机溶剂除油法，有机溶剂采用丙酮和乙醇。

2.连接层微电铸型模的制作连接层微电铸型模也是悬臂微结构的牺牲层，牺牲层材料采用SU-8光刻胶，见附图3。为了提高SU-8光刻胶3与镍基板1的结合力，试验中采用国产光刻胶作为SU-8光刻胶3的黏附层2。微电铸型模由SU-8光刻胶3的光刻工艺制作形成。显影后获得的微结构图形，可以直接作为微电铸的型模，见附图4。

3.微电铸镍的微电铸就是在附图4所示的微电铸型模的自由空间5里实现镍的电沉积，见附图5。在微电铸工序中，镍基板电铸前要进行表面活化处理，活化腐蚀液的配方是10～20％硝酸、80～90％丙乙酸(体积比)，时间是10～20秒，电铸液采用无应力铸镍配方。

4.铜晶种层的制备铜晶种层的制备工序包括铜的溅射和铜的光刻。铜的溅射设备是射频溅射台，工艺条件为：射频功率400～500瓦、时间：6～8分钟。铜的光刻步骤是：用匀胶机均匀涂国产正性光刻胶，转速3500转/分，在60℃热板上烘45分钟，利用曝光机进行第1次紫外曝光，曝光时间30秒，放入0.5％的NaOH显影液中显影，在60℃热板上后烘1小时；放入2.5％的HNO₃溶液中腐蚀铜约2分钟；用匀胶机将铜表面的水甩干，对整个基片表面进行第2次紫外曝光，曝光时间2分钟，然后将基片放入0.5％的NaOH中去除铜表面的光刻胶，用水冲洗干净，见附图6。

5.镍结构层的制作镍结构层的制作包括微电铸型模的制作和镍微电铸。在微电铸型模的制作工序中，采用SU-8光刻胶的紫外光刻技术，见附图7；镍微电铸就是在附图7所示的微电铸型模的自由空间5里实现镍的电沉积，见附图8。

6.微电铸后处理微电铸后处理包括真空退火和微器件的精磨、抛光。以去除内应力为目的的真空退火就是将带有SU-8光刻胶的微结构放入真空退火炉中，达到指定真空度后升温到350～400℃，保持100～120分钟后自然冷却。退火后的微结构还要经过精磨和抛光处理。

7.SU-8光刻胶牺牲层的去除牺牲层的去除采用浓硫酸煮沸的方法。把待去胶的微结构放入浓度为95％～98％的浓硫酸中，将浓硫酸放在电炉上煮沸，时间为5～10分钟，待微结构上的SU-8光刻胶全部溶解后，用去离子水冲洗干净，见附图9。