基于UV-LIGA技术制造微结构器件试验研究

　　0　引言

　　微机电系统(micro electro mechanical sys2tems,MEMS)和微结构器件的加工是近年来微制造领域的研究热点。以SU-8胶为光敏材料、常规紫外光为曝光光源的UV-LIGA技术,是一种被学术界和产业界广泛关注的成本低、材料选择范围宽的三维高深宽比微结构成形技术。因为硅是MEMS和微制造领域最广泛使用的材料,使得在硅基片上制备微结构和MEMS器件的　　UV-LIGA技术得到较广泛研究[1O3]。随着功能需求的日益多样化、特殊化和个性化,特殊或优异材料性能的金属结构器件制造技术的研发也受到极大重视。利用UV-LIGA技术在金属基底上制造高深宽比金属结构器件,将其作为电极进行微细电火花加工或微细电解加工,是制造特殊或优异性能金属结构器件的创新性微制造思路。而金属基片上制造SU-8胶模结构少有研究报道,光刻环节各工艺步骤都有待深入研究,金属化过程———微细电铸也存在很多工艺难点。本文对金属基片上制造SU-8胶模结构的各工艺环节,包括前后烘、曝光、显影、去胶等进行试验研究,并组合优化它们的操作条件和工艺参数,在此基础上,采用电沉积复合工艺措施高质量制造出微齿轮和微流道等金属结构器件。

　　1　试验

　　试验中,采用紫铜作为金属基片,厚约400μm。金属基片的前处理[4]、倒胶上胶[5]和漂洗干燥[6]等分别采用现有方法进行。为将胶厚控制在200μm左右,采用如下控制过程:700r/min,　5s;按10πrad/s2角加速度增大转速到2000r/min,并保持15s,按-16·67πrad/s2的角加速度使转速降为零。匀胶后静置30min。前后烘在改装后的恒温对流烘箱(附设可调节水平度的承片板)中进行,前烘温度和时间、曝光剂量、后烘温度和时间等工艺参数如表1所示。其中,前烘温度和时间采用两组参数,一组是硅基片SU-8胶光刻推荐采用的工艺参数,另一组为“温和型”的,　以期减小长时间高温引发大热应力的风险;曝光剂量(根据胶膜厚度由“紫外光强度×时间”确定)分为大、中、小三个等级,其中中等级为SU-8胶生产商推荐的曝光剂量,大和小等级分别比中等级的曝光剂量高或低一定值,如图1所示;后烘工艺条件也分为两组,一组相对“温和”,另一组延长了95℃的交联反应时间,比前者(推荐值)的后烘程度要“过”一些。为实现缓慢平稳降温,尽可能避免温度骤变引入大应力,前烘和后烘降温时都采用随炉冷却方式:关掉恒温箱电源后,继续关闭箱门,让其自然冷却10min,然后开箱自然冷却直至室温。

　　显影装置由超声清洗设备改造而成,振动频率为33kHz,超声功率连续可调(0~100W)。另外,为了探求不同胶模结构特征显影时可实施的适宜超声功率大小,试验时,以铜基片胶模的两种典型结构———微齿轮和微柱体为研究对象,分别代表阴型和阳型结构特征,研究分析它们各自的显影方式方法以及合适的超声功率。