LIGA技術(shù)制作高性能微電子機(jī)械模具及其脫模性能的研究.pdf

1、近年來，隨著聚合物基MEMS芯片在生物、化學(xué)和微光學(xué)方面的廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的制作技術(shù)成為當(dāng)前微系統(tǒng)技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。同時(shí)，由于器件性能對(duì)大高寬比微結(jié)構(gòu)的需求，運(yùn)用LIGA技術(shù)制作MEMS模具并利用熱模壓成型技術(shù)進(jìn)行微塑鑄復(fù)制就成為很有前途的一種加工方法。然而，在熱模壓成型技術(shù)中大部分問題不是由模壓成型過程引起，而是發(fā)生在脫模過程當(dāng)中。由于LIGA制作的MEMS模具與熱塑性材料之間脫模力的存在，對(duì)模壓復(fù)制品的質(zhì)量造成了很大的影響，聚合物微

2、結(jié)構(gòu)有可能拉斷、變形甚至毀壞。隨著微結(jié)構(gòu)高寬比的增加，這些現(xiàn)象越來越明顯，當(dāng)高寬比達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，某些微結(jié)構(gòu)的脫模變得不可能進(jìn)行，幾乎很難得到質(zhì)量好的結(jié)構(gòu)。為了對(duì)脫模過程進(jìn)行系統(tǒng)深入的分析，設(shè)計(jì)和制作具有高脫模性能的MEMS模具，并進(jìn)行相應(yīng)的脫模性能研究和評(píng)價(jià)，本論文主要開展了以下幾個(gè)方面的工作： 1．對(duì)熱模壓成型中的脫模力分析及高性能MEMS模具的設(shè)計(jì) 在熱模壓成型技術(shù)中，MEMS模具和聚合物微結(jié)構(gòu)的脫模過程是摩擦剪切

3、的過程。本工作重點(diǎn)分析了即脫模力的組成，包括熱收縮力和表面粘著力，從理論分析、實(shí)驗(yàn)論證以及有限元分析多個(gè)角度分析了脫模力的影響，并提出了相應(yīng)的解決方案。以微摩擦學(xué)及表面粘著力理論分析了熱模壓成型脫模過程主要缺陷的成因，如微結(jié)構(gòu)圖形邊的拉起、拔斷以及大高寬比圖形的無法模壓等問題；同時(shí)利用有限元數(shù)值軟件分析冷卻過程中熱應(yīng)力對(duì)脫模初始階段的影響，如切根現(xiàn)象的成因，并提出使用熱應(yīng)力阻隔器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后通過對(duì)T型微結(jié)構(gòu)脫模過程的個(gè)案分析，排除了

4、熱應(yīng)力的影響后，認(rèn)定由模具與聚合物的表面能決定的表面粘著力是影響脫模的重要因素，據(jù)此我們制定了高性能MEMS模具的制作方案-Ni-PTFE的一種抗粘著、低摩擦系數(shù)的復(fù)合材料L,IGA模具，并設(shè)計(jì)出測(cè)試結(jié)構(gòu)的模具掩模。 2．同步輻射深度X射線光刻工藝的研究 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室二期工程結(jié)束以后，LIGA線站的同步輻射X深度光刻研究得以開展。本研究工作首先對(duì)同步輻射深度光刻掩模制作、樣品制備工藝進(jìn)行了探索，在此

5、基礎(chǔ)上利用NSRL的LIGA站開展了曝光劑量與顯影速率關(guān)系的研究，獲得了穩(wěn)定的深度光刻工藝條件，為制作出LIGA光刻膠微結(jié)構(gòu)提供了前提；同時(shí)，為了獲得高質(zhì)量的光刻膠結(jié)構(gòu)以滿足后續(xù)電鑄工藝的進(jìn)行，特別研究了微結(jié)構(gòu)圖形在不同基底的粘附性能；最后還研究了基于Su8膠的紫外光刻(UV-LIGA)技術(shù)，作為L(zhǎng)IGA工藝的有益補(bǔ)充。 3．精密微電鑄技術(shù)研究 在微電鑄模具制作過程中，工程人員發(fā)現(xiàn)電流密度受到深寬比掩模微結(jié)構(gòu)的影響有一定

6、的再分布規(guī)律，往往出現(xiàn)不希望得到的表面輪廓。而采用overplating的模具制作技術(shù)能夠有效的避免電流密度再分布帶來的對(duì)微結(jié)構(gòu)圖形的影響，獲得的微結(jié)構(gòu)圖形部分表面平整性較好。當(dāng)前對(duì)overplating電鑄的研究很少，本工作利用Cell-Design軟件并結(jié)合微電鑄實(shí)驗(yàn)分析了overplating電鑄時(shí)的電流密度分布規(guī)律，提出Ni在overplating電鑄過程中的生長(zhǎng)模型，發(fā)現(xiàn)了電極的“相鄰調(diào)制效應(yīng)”，在理論和實(shí)驗(yàn)論證上給出了在各種

7、線寬\間距比條件下其可能造成的缺陷，并提出了相應(yīng)的解決辦法。這部分工作對(duì)利用overplating微電鑄技術(shù)提供了部分設(shè)計(jì)思路及制作經(jīng)驗(yàn)。 4．Ni-PTFE的復(fù)合微電鑄技術(shù)研究 在微電鑄Ni模具的基礎(chǔ)上，研發(fā)Ni-PTFE的復(fù)合微電鑄工藝是本論文工作的一個(gè)重要內(nèi)容，它擴(kuò)展了傳統(tǒng)LIGA的模具制作技術(shù)，為獲得高性能MEMS模具開辟了一條新的途徑，為國(guó)內(nèi)外MEMS模具制作技術(shù)上的首創(chuàng)。工作對(duì)Ni-PTFE的復(fù)合微電鑄工藝進(jìn)

8、行了深入的探索和研究，克服了復(fù)合電鑄中的種種困難，包括復(fù)合電鑄裝置的搭建，采用FC型陽離子表面活性劑使PTFE粒子在鍍液中保持良好懸浮及共沉積，以及鍍液組成和電鑄操作條件的摸索，克服了鑄層中的針孔問題，最終制作出高性能的復(fù)合材料的LIGA模具。在這些工作的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)最終獲得了掩模設(shè)計(jì)的Ni及Ni-PTFE復(fù)合材料的MEMS模具，并通過形貌學(xué)、成分分析以及側(cè)壁粗糙度、摩擦系數(shù)的測(cè)量，表明制作的模具不但符合設(shè)計(jì)要求，也完全符合熱模壓脫模的

9、工藝條件。 5．HEX02真空熱模壓成型技術(shù)研究 脫模過程中的溫度及脫模速率也是影響摩擦的主要因素。目前，專門針對(duì)脫模過程中工藝參數(shù)的研究報(bào)道很少，往往局限在具體應(yīng)用上的參數(shù)選擇。本研究工作首先彌補(bǔ)了這一缺憾，利用德國(guó)JENOPTIK MikrotechniK GmbH公司生產(chǎn)的Hot embossing system HEX02塑鑄儀開展了真空熱模壓成型技術(shù)研究，分析了聚合物微結(jié)構(gòu)在不同脫模溫度和脫模速率條件下的力學(xué)行

10、為，如低溫下脫模情形和快速脫模情形，在理論和實(shí)驗(yàn)上給予論證，以此實(shí)現(xiàn)了對(duì)脫模工藝條件的優(yōu)化。 6．脫模性能評(píng)價(jià)與對(duì)比分析 確定優(yōu)化的脫模工藝條件后，對(duì)Ni和Ni-PTFE模具的高寬比微結(jié)構(gòu)、連續(xù)模壓壽命進(jìn)行了脫模性能的對(duì)比研究，結(jié)果表明Ni-PTFE模具不僅能夠有效的減小模具與聚合物之間的表面粘著力引起的摩擦力，而且能夠有著良好的抗粘著能力。它能夠模壓高寬比更大的微結(jié)構(gòu)圖形，并且連續(xù)模壓的能力更強(qiáng)，因此是一種很有前途、很