种新型微流控芯片金属热压模具的制作工艺研究——罗怡王晓东刘冲等 种新型微流控芯片金属热压模具的制作工艺研究 罗怡王晓东刘冲王立鼎 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,大连,116024 摘要:研究了利用UV一LIGA技术制造PMMA微流控芯片金属热压模具。采用预机械 拋光的Ni板作为电铸基底,光刻SU一82050后形成电铸型模,然后电铸N微通道,去胶后 电铸基底与微通道结合形成芯片热压模具。此方法有效地解决了传统UV-LIGA方法中的 倒拔模斜度的问题。制作的微流控芯片模具微通道的宽度和高度尺寸偏差分别为1.7%和 2.8%,满足微流控芯片的应用要求 关键词:UV一LIGA;光刻;电铸;拔模斜度 中图分类号:TN305.7;TQ153 文章编号:1004-132X(2005)17-1505-03 A New Method to Fabricate Metal Hot Embossing Mould for Microfluidic Chip Luo Yi wang xiao Liu Chong Wang liding Key laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of education Dalian University of Technology, Dalian, 116024 Abstract: Using UV-LIGA technique to fabricate hot embossing mould of PMMA microfluidic e- polished Ni plate was used as electroforming substrate, patterned SU-8 2050 as mold to electroforming Ni, after electroforming, remove the SU-8, pre- polished Ni plate and electroformed Ni microchannel integrated as the metal hot embossing mould for PMMA. This method solves the problem of negative demoulding taper occured in traditional UV-LIGA. width and ht dev hannel are 1.7% and 2. 8% crofluidic chip analysis Key words: UV-LIGA; photolithography electroforming; demoulding taper 0引言 产生的软X一射线光刻结合微电铸相比,U 微流控芯片技术是从20世纪90年代初发展LIGA技术大大降低了加工成本,被誉为“穷人的 起来的。 Harrison等1利用以湿法刻蚀为主的LIGA”6。近年来,随着SU-8光刻胶的研制成 加工技术将传统的毛细管移植到玻璃基底的芯片功以及商品化,极大推动了UV-LGA技术的 上,与常规的毛细管电泳相比,该技术具有散热性发展,使得该技术能够实现大深宽比结构的制作 能好、分离速度快、分离效果好等优点。高聚物微成为MEMS微制作技术发展的一个热点方向 流控芯片制作成本低,易于成形制作,已逐步成为另外,UV-LIGA技术也可以广泛应用于金属微 微流控芯片的主选材料2]。微流控芯片的微通道齿轮微阀和微泵等活动微部件的制作,有广泛的 制作通常需要模具,以便热压成形(PMMA)或浇应用前景 注成形(PDMS),因此高性能的模具在芯片制作 本文研究了一种新型的利用UV-LIGA技 过程中起到至关重要的作用。金属模具使用寿命术制作微流控芯片金属模具的方法。与普通的 长、沟道表面质量好,是此类芯片模具的首选 U-LlGA方法不同,本方法采用了预机械抛光 微流控芯片金属模具的制作方法通常有金属的N板作为电铸基底,光刻SU-82050后形成 腐蚀法、LIGA技术和UV-LIGA技术1电铸型模,然后微电铸N微通道,电铸后利用剥 等,其中UV-LIGA采用近紫外光刻厚胶得到离技术脱SU-8胶模,最后得到金属N的微流 电铸型模,然后微电铸得到金属结构。该方法的控芯片模具 加工厚度可以从数十微米至数百微米,且与C工1UV一LIGA工艺流程 艺的兼容性好。与LIGA工艺中的同步辐射光源 微流控芯片的结构见图1a,光刻掩模(信息 收稿日期:2004-11-02 产业部电子第47研究所制作)见图1b 基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项 利用UV—LIGA工艺制作微流控芯片金属 (2004AA404260);辽宁省博士启动基金资助项目(20041073) 热压模具的工艺流程如图2所示。图2a是传统 万方数据
一种新型微流控芯片金属热压模具的制作工艺研究——罗 怡 王晓东 刘 冲等 一种新型微流控芯片金属热压模具的制作工艺研究 罗 怡 王晓东 刘 冲 王立鼎 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，大连，116024 摘要：研究了利用UV—LIGA技术制造PMMA微流控芯片金属热压模具。采用预机械 抛光的Ni板作为电铸基底，光刻SU一8 2050后形成电铸型模，然后电铸Ni微通道，去胶后 电铸基底与微通道结合形成芯片热压模具。此方法有效地解决了传统UV—LIGA方法中的 倒拔模斜度的问题。制作的微流控芯片模具微通道的宽度和高度尺寸偏差分别为1．7％和 2．8％，满足微流控芯片的应用要求。 关键词：UV—LIGA；光刻；电铸；拔模斜度 中图分类号：TN305．7；TQl53 文章编号：1004—132X(2005)17—1505—03 A New Method to Fabricate Metal Hot Embossing Mould for Microfluidic Chip Luo Yi Wang Xiaodong Liu Chong Wang Liding Key Laboratory for Precision and Non—traditional Machining Technology of Ministry of Education， Dalian University of Technology，Dalian，116024 Abstract：Using UV—LIGA technique to fabricate hot embossing mould of PMMA microfluidic chip was presented．Pre—polished Ni plate was used as electroforming substrate，patterned SU一8 2050 as mold to electroforming Ni，after electroforming，remove the SU一8，pre—polished Ni plate and electroformed Ni microchannel integrated as the metal hot embossing mould for PMMA．This method solves the problem of negative demoulding taper occured in traditional UV—LIGA．Width and height deviations of microchannel are 1．7％and 2．8％respectively．This can satisfy the needs of mi— crofluidic chip analysis． Key words：UV—LIGA；photolithography；electroforming；demoulding taper 0 引言 微流控芯片技术是从20世纪90年代初发展 起来的。Harrison等[13利用以湿法刻蚀为主的 加工技术将传统的毛细管移植到玻璃基底的芯片 上，与常规的毛细管电泳相比，该技术具有散热性 能好、分离速度快、分离效果好等优点。高聚物微 流控芯片制作成本低，易于成形制作，已逐步成为 微流控芯片的主选材料[2]。微流控芯片的微通道 制作通常需要模具，以便热压成形(PMMA)或浇 注成形(PDMS)，因此高性能的模具在芯片制作 过程中起到至关重要的作用。金属模具使用寿命 长、沟道表面质量好，是此类芯片模具的首选。 微流控芯片金属模具的制作方法通常有金属 腐蚀法[3]、LIGA技术[4]和UV—LIGA技术[5] 等，其中UV～LIGA采用近紫外光刻厚胶得到 电铸型模，然后微电铸得到金属结构。该方法的 加工厚度可以从数十微米至数百微米，且与IC工 艺的兼容性好。与LIGA工艺中的同步辐射光源 收稿日期：2004—11—02 基金项目：国家863高技术研究发展计划资助项目 (2004AA404260)；辽宁省博士启动基金资助项目(20041073) 产生的软X一射线光刻结合微电铸相比，UV— LIGA技术大大降低了加工成本，被誉为“穷人的 LIGA”[6]。近年来，随着SU一8光刻胶的研制成 功以及商品化，极大推动了UV—LIGA技术的 发展，使得该技术能够实现大深宽比结构的制作， 成为MEMS微制作技术发展的一个热点方向。 另外，UV—LIGA技术也可以广泛应用于金属微 齿轮、微阀和微泵等活动微部件的制作，有广泛的 应用前景。 本文研究了一种新型的利用UV—LIGA技 术制作微流控芯片金属模具的方法。与普通的 UV—LIGA方法不同，本方法采用了预机械抛光 的Ni板作为电铸基底，光刻SU一8 2050后形成 电铸型模，然后微电铸Ni微通道，电铸后利用剥 离技术脱SU一8胶模，最后得到金属Ni的微流 控芯片模具。 1 UV—LIGA工艺流程 微流控芯片的结构见图la，光刻掩模(信息 产业部电子第47研究所制作)见图1b。 利用UV—LIGA工艺制作微流控芯片金属 热压模具的工艺流程如图2所示。图2a是传统 ·1 505· 万方数据
中国机械工程第16卷第17期2005年9月上半月 后在丙酮和乙醇中分别超声波清洗15min以进 步净化加工表面,利用去离子水流水冲洗 c地 l0min,在80℃烘箱中干燥2h以上备用。在清洗 好的Ni板上以800r/min的速度旋涂SU-8 2050,得到胶层厚度为90μm的胶膜。在热板上 以65℃、10min和90℃、3omin前烘SU-8胶,使 得SU-8胶与基底材料Ni的结合力较好且SU 14 胶层的内应力较小。曝光的剂量取决于光刻 胶的厚度以及基底材料的光学性质,针对90m (a)芯片结构及测点分布 (b)光刻掩模 厚的胶膜和高反光基底Ni,优化后的曝光剂量为 图I微流控芯片的结构与掩模 450m/cm2(北京微电子中心BGJ-3)。SU-8 的U-LGA工艺,即利用光刻和电铸背板的胶在曝光后需要中烘,中烘的目的是使曝光产生 工艺得到整体金属模具,从图中可以看出,由于近的强酸在热的作用下加速SU-8胶的交链反应 紫外光刻SU-8胶产生的侧壁倾斜,导致了模具产生不溶于显影剂的结构。中烘过程中,不仅有 微结构的倒拔模斜度,这一点在模具使用中是致光刻胶与金属基底的热膨胀系数不同导致的热应 命的,会使得模具在拔模过程中,微通道结构在基力,而且还有交链反应产生的胶的内部应力,因此 底上损坏甚至脱落,同时,被热压的微结构也由于这个过程是SU-8胶光刻过程中的重要环节 此斜度而产生变形,导致热压复制精度下降。本为了减小中烘过程中的应力,在对流烘箱中分两 文研究了一种基于UV-LIGA技术的无背板金步中烘,65℃预烘15mn后以2c/min的速度升 属模具制作工艺,如图2b所示。首先在预先机械至95C再烘3mn,该过程升温缓慢且在胶的玻 加工好的Ni板表面涂覆近紫外光刻负胶SU 璃点温度附近有预烘,大大减小了热应力和交链 胶,光刻后形成电铸型模;在此型模内电铸金属 应力,取得了良好的中烘效果,光刻胶表面没有细 ,为保证电铸微结构的尺寸一致,电铸的微通小裂纹,边缘光滑。中烘后,SU-8胶以2℃/min 道高度是光刻胶型模高度的2/3~3/4;电铸后在的速度冷却至常温松弛2h后显影。在显影剂中 有机溶剂中剥离SU-8胶模,得到金属模具。该显影7min,同时施以搅拌及超声波,得到清晰的 方法得到的模具微结构是正拔模斜度,由于采用图形结构,作为电铸的型模,如图3所示。 机械抛光的Ni板替代溅射种子层的Si片进行电 SU-8胶模有良 铸,使得PMA微流控芯片与模具之间的接触好的抗酸抗热的 面质量由机械加工方法保证,而非电铸得到,因力,因此可以直接应 而简单可行,同时电铸靶材的消耗量和电铸工作用于电铸。电铸液为 量都大大减小。该方法是一种金属模具的高效制商品化的氨基磺酸镍 作方法。 电铸液(瑞期化工) 主盐为氨基磺酸镍 相对于氯化镍为主盐 的电铸液,其最大优图3SU-8胶电铸型模 种子层 点在于所得到的电铸层应力低,电铸速度快。考 虑到应力会大大影响电铸层与基底材料的结合 力,因此采用氨基磺酸镍的电铸液进行电铸。电 铸设备为DZY-3双槽双路精密电铸机。电铸的 获得模具 主要参数如表1所示。 (a)传统工艺 b)本文工艺 电铸Ni后的模具采用剥离工艺脱SU-8 图2利用UV-LGA技术制作模具的流程图 胶,在 Remover PG溶液中。加热至80℃,lh后 2利用UV-LGA工艺制作金属热压模具 剥离SU-8胶,得到最终的成品金属模具,如图4 所示。利用表面轮廓仪(ET4000M型)测量凸起 首先,清洗机械加工后的Ni板,在NaOH溶的微通道的几何参数,测量结果如表2所示,测点 液种浸泡10min以去除机械加工带来的油污,然布置如图1a所示
中国机械工程第16卷第17期2005年9月上半月 (a)芯片结构及测点分布 (b)光刻掩模 图1微流控芯片的结构与掩模 的UV—LIGA工艺，即利用光刻和电铸背板的 工艺得到整体金属模具，从图中可以看出，由于近 紫外光刻sU一8胶产生的侧壁倾斜，导致了模具 微结构的倒拔模斜度，这一点在模具使用中是致 命的，会使得模具在拔模过程中，微通道结构在基 底上损坏甚至脱落，同时，被热压的微结构也由于 此斜度而产生变形，导致热压复制精度下降。本 文研究了一种基于UV—LIGA技术的无背板金 属模具制作工艺，如图2b所示。首先在预先机械 加工好的Ni板表面涂覆近紫外光刻负胶SU一8 胶，光刻后形成电铸型模；在此型模内电铸金属 Ni，为保证电铸微结构的尺寸一致，电铸的微通 道高度是光刻胶型模高度的2／a～3／4；电铸后在 有机溶剂中剥离SU～8胶模，得到金属模具。该 方法得到的模具微结构是正拔模斜度，由于采用 机械抛光的Ni板替代溅射种子层的si片进行电 铸，使得PMMA微流控芯片与模具之间的接触 面质量由机械加工方法保证，而非电铸得到，因 而简单可行，同时电铸靶材的消耗量和电铸工作 量都大大减小。该方法是一种金属模具的高效制 作方法。 (a)传统工艺 (b)本文工艺 图2 利用UV—LIGA技术制作模具的流程图 2利用UV—LIGA工艺制作金属热压模具 首先，清洗机械加工后的Ni板，在NaOH溶 液种浸泡10min以去除机械加工带来的油污，然 · 】506 · 后在丙酮和乙醇中分别超声波清洗15min以进 一步净化加工表面，利用去离子水流水冲洗 10min，在80℃烘箱中干燥2h以上备用。在清洗 好的Ni板上以800r／min的速度旋涂SU一8 2050，得到胶层厚度为90“m的胶膜。在热板上 以65℃、10min和90℃、30min前烘SU一8胶，使 得SU一8胶与基底材料Ni的结合力较好且SU 一8胶层的内应力较小。曝光的剂量取决于光刻 胶的厚度以及基底材料的光学性质，针对90肚m 厚的胶膜和高反光基底Ni，优化后的曝光剂量为 450mJ／cm2(北京微电子中心BGJ一3)。SU一8 胶在曝光后需要中烘，中烘的目的是使曝光产生 的强酸在热的作用下加速SU～8胶的交链反应， 产生不溶于显影剂的结构。中烘过程中，不仅有 光刻胶与金属基底的热膨胀系数不同导致的热应 力，而且还有交链反应产生的胶的内部应力，因此 这个过程是SU一8胶光刻过程中的重要环节。 为了减小中烘过程中的应力，在对流烘箱中分两 步中烘，65。C预烘15min后以2℃／min的速度升 至95℃再烘30min，该过程升温缓慢且在胶的玻 璃点温度附近有预烘，大大减小了热应力和交链 应力，取得了良好的中烘效果，光刻胶表面没有细 小裂纹，边缘光滑。中烘后，SU一8胶以2℃／min 的速度冷却至常温，松弛2h后显影。在显影剂中 显影7min，同时施以搅拌及超声波，得到清晰的 图形结构，作为电铸的型模，如图3所示。 SU一8胶模有良 好的抗酸抗热的能 力，因此可以直接应 用于电铸。电铸液为 商品化的氨基磺酸镍 电铸液(瑞期化工)， 主盐为氨基磺酸镍， 相对于氯化镍为主盐 的电铸液，其最大优 图3 SU--8胶电铸型模 点在于所得到的电铸层应力低，电铸速度快。考 虑到应力会大大影响电铸层与基底材料的结合 力，因此采用氨基磺酸镍的电铸液进行电铸。电 铸设备为DZY一3双槽双路精密电铸机。电铸的 主要参数如表1所示。 电铸Ni后的模具采用剥离工艺脱SU一8 胶，在Remover PG溶液中。加热至80℃，1h后 剥离sU一8胶，得到最终的成品金属模具，如图4 所示。利用表面轮廓仪(ET4000M型)测量凸起 的微通道的几何参数，测量结果如表2所示，测点 布置如图1a所示。 万方数据
一种新型微流控芯片金属热压模具的制作工艺研究—罗怡王晓东刘冲等 此模具制作的微流控芯片如图5所示 (b)表面轮廓仪测试 图5PMMA微流控芯片 (a)金属模具 的测点4的凸起形貌 图4微流控芯片金属模具 3结论 本研究改进了传统的UV-LIGA方法,制 表1氨基磺酸镍溶液电铸的技术參数 作了PMMA微流控芯片的金属热压模具,解决 工艺参数 了传统方法中倒拔模斜度的冋題。本文方法还具 氨基磺酸镍浓度(g/L) 有制作周期短、成本低等优点,制作的微流控芯片 阳极活化剂浓度(g/L 模具微通道的宽度和高度尺寸偏差分别为1.7% 湿剂浓度(g/L) 和2.8%,满足微流控芯片的应用要求。 pH值缓冲剂浓度(g/L 电铸温度(℃ 55 参考文献: [1 Harrison D J, Fluri K, Seiler K, et al. Micromach- 阴极搅拌速度(mm/s) ining a Miniaturized Capillary Electrophore based Chemical Analysis System on a Chip. So ence,1993,261:895~897 表2电铸模具的测试数据 [2] Becker H, Locascio L. E. Polymer Microfluidic De- 测点序号掩模宽度 模具顶宽度模具高度 ces. Talanta,2002,56(2):267~287 ted Thermal Bonding of Plastic Capillary Electro- phoresis Microchip Imprinted with Stainless Steel 2 Template. Journal of Chromatography A, 2004 91.2 84.2 [4] Niggemann M. Fabrication of 78,6 nical Devices. SPIE Proc., 1998, 3511: 204-213 84.3 [5 Fujimura T, Etoh S, Ikeda A, et al. Mass Produc- 82.2 n Fabrication of Miniaturized Plastic Chip devic for Biochemical Applications, Conference on Device 82,8 and Process Technologies for MEMS, Microele 82.2 2 tronics, and Photonics Il, Perth, Australia, 2004 [6]方肇伦,微流控分析芯片,北京:科学出版社,2003 77.3 编辑苏卫国) 72.1 作者简介:罗怡,女,1973年生。大连理工大学机械工程学院 微系统研究中心副研究员、博士。研究方向为微细加工技术和微 91.3±0.2 84.4二1.4 76.0±2.1 机电工程。王晚东,男,1967年生。大连理工大学机械工程学院 剛教授、博土,刘冲,男,1963年生。大连理工大学机械工程 学院教授、博士研究生导师。至立垂,男,1934年生。大连理工 电铸微通道的尺寸宽度和高度偏差分别为大学机被工程学院教授、博士研究生导师,中国科学院院土 1.4/84.4=1.7%和2.1/76.0=2.8%,满足微流 控芯片微通道尺寸偏差在5%之内的要求。利 万方数据
一种新型微流控芯片金属热压模具的制作工艺研究——罗 怡 王晓东 刘 冲等 1二 I 、f’ } it} 。} p—-一0．2ram 此模具制作的微流控芯片如图5所示。 ca，金属模具窨茹翟薯戮 图5 PMMA微流控芯片 图4微流控芯片金属模具 3 结论 表1 氨基磺酸镍溶液电铸的技术参数 名称 工艺参数 氨基磺酸镍浓度(g／L) 600 阳极活化剂浓度(g／L) 5 润湿剂浓度(g／L) 0．05～0．1 pH值缓冲剂浓度(g／L) 45 电铸温度(℃) 55 电铸液循环速度(mL／min) 45 阴极搅拌速度(ram／s) 75 表2 电铸模具的测试数据 掩模宽度 模具顶宽度 模具高度 测点序号 (urn) (um) (um) 1 91．7 82．5 82．6 2 91．2 85．2 76．6 3 91．7 83．7 77．8 4 91．2 84．2 75．1 5 91．7 83．7 78．6 6 91-2 84．3 75．0 7 91．2 82．2 76．5 8 91．2 89．1 77．9 9 91．2 82．8 70．2 10 90．7 82．2 70．2 11 91．2 83．0 77．3 12 91．2 88．5 77．8 13 91．2 83．1 72．1 14 91．2 87．6 76．6 平均 91．3±0．2 84．4±1．4 76．0±2．1 电铸微通道的尺寸宽度和高度偏差分别为 1．4／84．4—1．7％和2．1／76．0—2．8％，满足微流 控芯片微通道尺寸偏差在5％之内的要求。利用 本研究改进了传统的UV—LIGA方法，制 作了PMMA微流控芯片的金属热压模具，解决 了传统方法中倒拔模斜度的问题。本文方法还具 有制作周期短、成本低等优点，制作的微流控芯片 模具微通道的宽度和高度尺寸偏差分别为1．7％ 和2．8％，满足微流控芯片的应用要求。 C2] [3] E43 E5] E6] ining a Miniaturized Capillary E1ectrophoresis— based Chemical Analysis System on a Chip．Sci— ence，1993，261：895～897 Becker H．Locascio I。E．Polymer Microfluidic De— vices．Talanta，2002，56(2)：267～287 Chen Z F，Gao Y H，Lin J M，et a1．Vacuum Assis— ted Thermal Bonding of Plastic Capillary Electro— phoresis Microchip Imprinted with Stainless Steel Template．Journal of Chromatography A，2004， 1038(1—2)：239～248 Niggemann M．Fabrication of Miniaturized Biotech— nical Devices．SPIE Proc．，1998，3511：204～213 Fujimura T，Etoh S，Ikeda A，et a1．Mass Produc— tion Fabrication oI Miniaturized Plastic Chip Devices for Biochemical Applications．Conference on Device and Process Technologies for MEMS，Microelec tronics，and Photonics 11I，Perth，Australia，2004 方肇伦．微流控分析芯片．北京：科学出版社，2003 (编辑苏卫国) 作者简介：罗 怡，女，1973年生。大连理工大学机械工程学院 微系统研究中心副研究员、博士。研究方向为微细加工技术和微 机电工程。王晓东，男，1967年生。大连理工大学机械工程学院 副教授、博士。刘 冲，男，1963年生。大连理工大学机械工程 学院教授、博士研究生导师。王立鼎，男，1934年生。大连理工 大学机械工程学院教授、博士研究生导师，中国科学院院士。 · 1507 · {昌薯oH 参I=| 考， 嫦胁 ∞ D F K 盯 K 酞 M 盯 m∽ 万方数据
种新型微流控芯片金属热压模具的制作工艺研究 旧 万万数据 TA文献链接 罗怡,王晓东,刘冲,王立鼎, Luo Yi, Wang Xiaodong, Liu chong, Wang Liding 作者单位 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,大连,116024 刊 中国机械工程sTcp‰ 英文刊名: CHINA MECHANICAL ENGINEERING 年,卷(期): 2005,16(17) 引用次数: 1. Harrison DJ Fluri K Seiler K Micromachining g a Miniaturized Capillary Electrophoresisbased Chemical Analysis System on a Chip 1993 2. Becker H Locascio L E Polymer Microfluidic Devices 2002(2) 3. Chen Z F Gao Y H Lin J M Vacuum Assisted Thermal Bonding of Plastic Capillary Electrophoresis Microchip Imprinted with Stainless Steel Template 2004(1-2) 4. Niggemann M Fabrication of Miniaturized Biotechnical Devices 1998 5. Fujimura T Etoh S. Ikeda A Mass Production Fabrication of Miniaturized Plastic Chip Devices for ical Applications 2004 6.方肇伦微流控分析芯片 1.期刊论文余国彬姚汉民胡松.王兆志.林大健. YU Guo-bin. YAO Han-min. Hu Song. WANG Zhao-zhi. LIN Da-jian UV-LIGA光刻设备研究一电子工业专用设备2000,29(4) 近几年来微型机电系统0FMS)的研究得到了高速的发展,而的工艺基础是微细加工技术针对电铸①LIGA)技术所存在的缺点提出了紫外光电铸 (UⅣ-LIGA技术,并研制了用于UV-LIGM技术的光刻设备其中介绍了整机的设计要点、所解决的关键单元技术和实验结果 学位论文李雄ⅣV-LIGA技术光刻工艺的研究2004 MS(微机电系统)是21世纪科技与产业的热点之一而微细加工技术又是MM发展的重要基础LIGA(射线深层光刻、电铸成型和微复制)和Ⅳ LIGA技术是S微细加工中两种十分重要的技术在微机械领域常需要用到具有一定厚度和高深宽比的微结构,LIGA与UN-LIGA技术是制作这种微结构的重 要手段UV-LIGA技术的工艺过程与LIGA技术基本相同,只是不需要用同步辐射X线源,而用常规的紫外光作为曝光光源因此Ⅳ-LIGA技术要比LIGA技术在工 系列光刻胶是UV-LGA工艺常用的光刻胶,它是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶,适于制作超厚、高深宽 比的微结构SU-8胶在近紫外光范围内光吸收度低,故整个光刻胶层所获得的曝光量均匀一致,可得到具有垂直侧壁和高深宽比的厚膜图形.由于它具 有较多优点因此逐渐应用于的多个研究领域.本文研究了基于SL-8胶的-LIGA的光刻工艺流程,讨论了各个步骤的工艺参数对光刻结果的影响.分析 了SU-8胶在近紫外280-350m和350-400m波段下的透射曲线计算得到不同波段紫外光在S-8胶中的穿透深度,并通过SEM图片分析了不同穿透深度对SL 8胶图形的影响进而得出适合SU-8胶均匀曝光的紫外波段然后通过对同一厚度光刻胶采取不同曝光剂量的方法结合SEM照片的比较,得到适合该厚度的 曝光剂量利用这种对比的实验方法,可得到不同厚度SU-8胶所对应的曝光剂量.最后,利用设计的掩模板以及前面研究的工艺结果,我们成功制作出了几种 不同胶厚的S-8微结构图形,S照片显示图形质量较好侧壁陡直图形线宽与掩模板的设计基本一致,图形最大高度可达400μ最大深宽比可达15 3.会议论文余国彬.姚汉民.胡松高深宽比的微细加工技术一—UV-LIGA技术2002 IGA深度光刻设备上可将光刻图形转移到很厚的SU-8光 刻胶上,获得较大的深宽比,从而解决了LGM技术的光源问题简要介绍了W-LIGA技术工艺过程的特点和应用,以及平滑衍射技术 4.学位论文刘景全基于SU-8胶的UIGA技术及其应用研究2002 研究工作的主要内容分以下几部分:(1)基于SU-8胶的-LGA技术研究:◆SL-8胶的光刻技术研究该文从SU-8胶与基底的浸润性、基底表面粗糙度 以及基底对近紫外光的折射特性对SU-8胶与基底的结合力进行分析指出在近紫外光的折射率高的基底与SU-8胶有很好的结合性经实验得出经过氧化处 理的Ii片与SU-8胶结合性强.这有利于为微系统提供低成本的高深宽比金属微结构对S-8胶光刻失败的图形进行分析,以供参考◆电铸和模压技术利 于电铸技术可以在光刻出的图形基础上,形成金属微结构或金属模具.通过微模压技术,利用电铸的金属模具可实现微结构的复制以得到低价、大批量的 微结构,这是W-LIGA技术的可贵之处微电铸和微模压技术相对比较成熟.(2)微机械光纤定位器该文提出一种新型的光纤定位器.用SU-8胶一竖直壁与 基底形成的直角V型槽定位,并利用柔性铰链设计片状弹簧夹紧光纤.利用光纤截面的特性将夹紧点设在光纤的上面半圆周.该机构便于与其它光器件系 统集成,而且无需使用压盖来压紧光纤研制的光纤耦合器插入损耗低 5期刊论文明平美朱获.胡洋洋.曾永彬 MING Ping-mei. ZHU D1.田 Yang-yang. ZENG Yong-bin UV-LIGA技术制备 微型柔性镍接触探针-光学精密工程2007,15(5) 对探针的制作方法、关键工艺环节等进行了分析与研究,给出了基于W 术制备微型柔性镍接触探针的工艺过程分析了制备的技术关键试验 优选了关键制备环节的工艺参数,在此基础上,制作出微型柔性镍接触探针 表明:采用工艺条件优选的UV-LIGA技术,如前烘60℃,120min,90 ℃.120ain;较大曝光剂量;后65℃,10ain,9℃,45min;匀胶后静置 和超声辅助显影等辅助措施,所制备出的柔性接触探针(主体总长4 m宽80μm,高100m;弹簧处高宽比为5(100u:20μm)尺寸精度高;三角锥状针尖曲率半径小于5μm;缺陷少形貌质量高 6.期刊论文明平美朱获胡洋洋.曾永彬. Ming pingmei.ZhDi. Hu Yangyang. Zeng Yongbin基于Uv-LIGA技术制 造微结构器件试验研究一中国机械工程2006,17(21)
一种新型微流控芯片金属热压模具的制作工艺研究 作者： 罗怡， 王晓东， 刘冲， 王立鼎， Luo Yi， Wang Xiaodong， Liu Chong， Wang Liding 作者单位： 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,大连,116024 刊名： 中国机械工程 英文刊名： CHINA MECHANICAL ENGINEERING 年，卷(期)： 2005，16(17) 引用次数： 3次 参考文献(6条) 1.Harrison D J.Fluri K.Seiler K Micromachining a Miniaturized Capillary Electrophoresisbased Chemical Analysis System on a Chip 1993 2.Becker H.Locascio L E Polymer Microfluidic Devices 2002(2) 3.Chen Z F.Gao Y H.Lin J M Vacuum Assisted Thermal Bonding of Plastic Capillary Electrophoresis Microchip Imprinted with Stainless Steel Template 2004(1-2) 4.Niggemann M Fabrication of Miniaturized Biotechnical Devices 1998 5.Fujimura T.Etoh S.Ikeda A Mass Production Fabrication of Miniaturized Plastic Chip Devices for Biochemical Applications 2004 6.方肇伦 微流控分析芯片 2003 相似文献(10条) 1.期刊论文 余国彬.姚汉民.胡松.王兆志.林大健.YU Guo-bin.YAO Han-min.Hu Song.WANG Zhao-zhi.LIN Da-jian UV-LIGA光刻设备研究 -电子工业专用设备2000,29(4) 近几年来微型机电系统(MEMS)的研究得到了高速的发展,而MEMS的工艺基础是微细加工技术.针对电铸(LIGA)技术所存在的缺点提出了紫外光电铸 (UV-LIGA)技术,并研制了用于UV-LIGA技术的光刻设备.其中介绍了整机的设计要点、所解决的关键单元技术和实验结果. 2.学位论文 李雄 UV-LIGA技术光刻工艺的研究 2004 MEMS(微机电系统)是21世纪科技与产业的热点之一,而微细加工技术又是MEMS发展的重要基础.LIGA(X射线深层光刻、电铸成型和微复制)和UVLIGA技术是MEMS微细加工中两种十分重要的技术.在微机械领域常需要用到具有一定厚度和高深宽比的微结构,LIGA与UV-LIGA技术是制作这种微结构的重 要手段.UV-LIGA技术的工艺过程与LIGA技术基本相同,只是不需要用同步辐射X线源,而用常规的紫外光作为曝光光源,因此UV-LIGA技术要比LIGA技术在工 艺成本上便宜很多,较之更容易推广.SU-8系列光刻胶是UV-LIGA工艺常用的光刻胶,它是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶,适于制作超厚、高深宽 比的MEMS微结构.SU-8胶在近紫外光范围内光吸收度低,故整个光刻胶层所获得的曝光量均匀一致,可得到具有垂直侧壁和高深宽比的厚膜图形.由于它具 有较多优点,因此逐渐应用于MEMS的多个研究领域.本文研究了基于SU-8胶的UV-LIGA的光刻工艺流程,讨论了各个步骤的工艺参数对光刻结果的影响.分析 了SU-8胶在近紫外280-350nm和350-400nm波段下的透射曲线,计算得到不同波段紫外光在SU-8胶中的穿透深度,并通过SEM图片分析了不同穿透深度对SU- 8胶图形的影响,进而得出适合SU-8胶均匀曝光的紫外波段.然后通过对同一厚度光刻胶采取不同曝光剂量的方法,结合SEM照片的比较,得到适合该厚度的 曝光剂量.利用这种对比的实验方法,可得到不同厚度SU-8胶所对应的曝光剂量.最后,利用设计的掩模板以及前面研究的工艺结果,我们成功制作出了几种 不同胶厚的SU-8微结构图形,SEM照片显示图形质量较好,侧壁陡直,图形线宽与掩模板的设计基本一致,图形最大高度可达400μm,最大深宽比可达15. 3.会议论文 余国彬.姚汉民.胡松 高深宽比的微细加工技术——UV-LIGA技术 2002 UV-LIGA技术吸收了集成电路光刻技术和LIGA技术的优点,利用UV-LIGA技术,在我们研制的UV-LIGA深度光刻设备上可将光刻图形转移到很厚的SU-8光 刻胶上,获得较大的深宽比,从而解决了LIGA技术的光源问题.简要介绍了UV-LIGA技术工艺过程的特点和应用,以及平滑衍射技术. 4.学位论文 刘景全 基于SU-8胶的UV-LIGA技术及其应用研究 2002 研究工作的主要内容分以下几部分:(1)基于SU-8胶的UV-LIGA技术研究:◆SU-8胶的光刻技术研究 该文从SU-8胶与基底的浸润性、基底表面粗糙度 以及基底对近紫外光的折射特性对SU-8胶与基底的结合力进行分析.指出在近紫外光的折射率高的基底与SU-8胶有很好的结合性.经实验得出经过氧化处 理的Ti片与SU-8胶结合性强.这有利于为微系统提供低成本的高深宽比金属微结构.对SU-8胶光刻失败的图形进行分析,以供参考.◆电铸和模压技术 利 于电铸技术可以在光刻出的图形基础上,形成金属微结构或金属模具.通过微模压技术,利用电铸的金属模具可实现微结构的复制.以得到低价、大批量的 微结构,这是UV-LIGA技术的可贵之处.微电铸和微模压技术相对比较成熟.(2)微机械光纤定位器 该文提出一种新型的光纤定位器.用SU-8胶一竖直壁与 基底形成的直角V型槽定位,并利用柔性铰链设计片状弹簧夹紧光纤.利用光纤圆截面的特性,将夹紧点设在光纤的上面半圆周.该机构便于与其它光器件系 统集成,而且无需使用压盖来压紧光纤.研制的光纤耦合器插入损耗低. 5.期刊论文 明平美.朱荻.胡洋洋.曾永彬.MING Ping-mei.ZHU Di.HU Yang-yang.ZENG Yong-bin UV-LIGA技术制备 微型柔性镍接触探针 -光学精密工程2007,15(5) 对探针的制作方法、关键工艺环节等进行了分析与研究,给出了基于UV-LIGA技术制备微型柔性镍接触探针的工艺过程,分析了制备的技术关键,试验 优选了关键制备环节的工艺参数,在此基础上,制作出微型柔性镍接触探针.试验结果表明:采用工艺条件优选的UV-LIGA技术,如前烘60 ℃,120 min,90 ℃,120 min;较大曝光剂量;后烘65 ℃,10 min,95 ℃,45 min;匀胶后静置、随炉冷却和超声辅助显影等辅助措施,所制备出的柔性接触探针(主体总长4 mm,宽80 μm,高100 μm;弹簧处高宽比为5(100 μm:20 μm))尺寸精度高;三角锥状针尖曲率半径小于5 μm;缺陷少,形貌质量高. 6.期刊论文 明平美.朱荻.胡洋洋.曾永彬.Ming Pingmei.Zhu Di.Hu Yangyang.Zeng Yongbin 基于UV-LIGA技术制 造微结构器件试验研究 -中国机械工程2006,17(21)
试验研究了W-LIGA各工艺环节(包括前后烘、曝光、显影、去胶、电铸等)对金属基片上制造金属微结构器件质量的影响,并组合优化了操作条件 工艺参数.试验结果表明:采用优化后的UN-LI6A工艺条件,制造出的金属微结构器件(如微齿轮、微流道)轮廓清晰,表面质量好,无明显缺陷,与基底结合良 7.学位论文唐敏SU-8光刻工艺和DEM技术中塑料 工艺研究2001 8是一种 紫外厚光刻胶,它光敏性好深宽比大,侧 虫适用于微机电系统,Ⅳ-LIGA和其他厚膜超厚膜应用.该论文研究了村底类 型,基片预处理,前烘温度和时间曝光时间中烘温度和时间,显影方式等工艺参数对SU-8光刻胶图形质量的影响DE技术是一种价格低康的准LIGA技术 该论文研究了D技术中利用反应离子刻蚀工艺深层刻蚀塑料P的工艺另外,该文还利用DE技术和S-8做出了高200以的微流量计和微透镜,证明这 8.会议论文明平美.朱荻.胡洋洋.赵波.曾永彬基于U-LIGA技术制备微型柔性镍接触探针2006 介绍了基于-LIGA技术制备微型柔性镍接触探针的工艺过程,分析了制备的技术关键,试验优选了关键制备环节的工艺参数。试验结果表明:采用 优化的工艺条件能低成本制备出形貌质量高、缺陷少的微型柔性镍接触探针 9.学位论文朱神渺WⅣV-LIGA工艺中SU-8胶内应力和热溶胀性研究2007 随着M(微电子机械系统)技术的迅速发展,基于SU-8较的-LIG技术得到了广泛的应用。SU-8厚光刻胶已经成功地应用于高深宽比微结构的制作 然而SU-8胶在工艺过程中会产生很大的内应力和热溶胀变形,这些问题的存在对S-8胶微结构的深宽比及电铸结构的尺寸精度造成了严重影响。本文 研究工作主要集中在S-8胶的胶层应力和热溶胀性两方面,研究结果有利于提高SU-8胶工艺的稳定性和电铸结构的尺寸精度 文以基片曲率法 为基础,建立了SU-8厚光刻胶的内应力计算模型。利用 ANYS仿真软件揭示了基片直径,胶层厚度及温度变化对基片曲率的影响。并实验测量了不同后烘 温度条件下的胶层应力。结果表明,基片直径和胶层厚度对胶层应力影响较小,后烘温度的影响最大,且降低后烘温度可以有效减小胶层应 以SU-8胶层应力为指标,对SU-8胶的光刻工艺参数进行了优化。通过三因素三水平的正交实验,测量了九组不同工艺条件下SU-8胶层内应力的大小,研 究了前烘温度、曝光剂量以及后烘温度对胶层应力大小的影响。以正交实验数据为样本,引入模糊神经网络对影响SU-8胶内应力的工艺参数进行了优化 真研究,建立了SU-8胶内应力的大小与前烘温度,曝光剂量和后烘温度三者之间的预测模型。同时对网络预测结果进行了实验验证。根据网络优化结 果,得到了SU-8胶的最佳光刻工艺参数 在 UV-LIGA工艺制作微模具的基础上,利用 ANSYS软件对SU-8胶的热溶胀变形量进行了仿真计算,得出了 勾道侧壁的溶胀变形趋势。通过研究微通道线宽随时间的变化规律,结合一级动力学方程式建立了热溶胀变形的速率模型。综合仿真结果和速率模型 可以计算不同电铸时间下微模具的顶部线宽。SU-8胶在电铸过程中作为电铸微结构的胶模,起着保证金属结构尺寸精度的关键作用,然而,SU-8胶在 热的电铸液中会产生热溶胀变形,因此使得电铸微结构的尺寸小于光刻后微通道的尺寸 研究了不同后烘温度对SU-8胶的热溶胀性的影响。溶胀 实验结果表明,随着后烘温度的降低,SU-8胶的溶胀速率及溶胀变形量增大但后烘温度较低时对应的胶层应力较小。因此,应综合考虑胶层的内应力 和热溶胀性的影响,在保证微结构稳定性的基础上再采取适当措施提高电铸微结构的尺寸精度 10.期刊论文李晓光沈连始李木军郑津津·张四海. LI Xiao- guang. SHEN Lian-guan. LI Mu-jn. ZHENG Jin-fin ZHANG SI-hai基于遗传算法的接近式紫外光刻中掩模补偿优化研究-系统仿真学报2008,20(17) 对接近式紫外光刻图形转移中的曝光形状失真问题,基于补偿思想,应用遗传算法,在引起衍射的掩模特征处通过调整其形状,实现了光刻胶表面的 衍射光场调制根据光刻零光轮廓特点,设计评价策略,提出一种分段分类的思想,减小了问题的求解空间,快速优化了掩模设计图形.仿真结果表明优化补 偿后的掩模图形降低了衍射造成的曝光图形的形状失真程度该研究为如何提高接近式紫外光刻精度提供了一种新的思路 1.杨茜.熊强.姜成涛.李彩霞.孙爱梅. KEITH MITCHELSON邢婉丽.叶健.程京基于低成本聚甲基丙烯酸甲酯 PMA)电泳芯片的微型DNA分析仪[期刊论文]一生物化学与生物物理进展2009(4) 2.楚纯朋蒋炳炎·刘瑶·蓝才红聚合物微流控芯片微通道复制成型技术[期刊论文]-塑料工业2008(10 3.叶嘉明李明佳周勇亮热压法快速制作微流控芯片模具[期刊论文]-中国机械工程20049 4.刘海军微电铸器件均匀性的研究[学位论文]硕士2006 本文链接:http://d.g.wanfangdata.comcn/periodiCalzgjxgc200517001.aspx
试验研究了UV-LIGA各工艺环节(包括前后烘、曝光、显影、去胶、电铸等)对金属基片上制造金属微结构器件质量的影响,并组合优化了操作条件和 工艺参数.试验结果表明:采用优化后的UV-LIGA工艺条件,制造出的金属微结构器件(如微齿轮、微流道)轮廓清晰,表面质量好,无明显缺陷,与基底结合良 好. 7.学位论文 唐敏 SU-8光刻工艺和DEM技术中塑料深层刻蚀工艺研究 2001 SU-8是一种负性近紫外厚光刻胶,它光敏性好,深宽比大,侧壁陡直,抗腐蚀,适用于微机电系统,UV-LIGA和其他厚膜超厚膜应用.该论文研究了衬底类 型,基片预处理,前烘温度和时间,曝光时间,中烘温度和时间,显影方式等工艺参数对SU-8光刻胶图形质量的影响.DEM技术是一种价格低廉的准LIGA技术 ,该论文研究了DEM技术中利用反应离子刻蚀工艺深层刻蚀塑料PMMA的工艺.另外,该文还利用DEM技术和SU-8做出了高200μm的微流量计和微透镜,证明这 两种工艺是可行的. 8.会议论文 明平美.朱荻.胡洋洋.赵波.曾永彬 基于UV-LIGA技术制备微型柔性镍接触探针 2006 介绍了基于UV-LIGA技术制备微型柔性镍接触探针的工艺过程，分析了制备的技术关键，试验优选了关键制备环节的工艺参数。试验结果表明：采用 优化的工艺条件能低成本制备出形貌质量高、缺陷少的微型柔性镍接触探针。 9.学位论文 朱神渺 UV-LIGA工艺中SU-8胶内应力和热溶胀性研究 2007 随着MEMS(微电子机械系统)技术的迅速发展，基于SU-8胶的UV-LIGA技术得到了广泛的应用。SU-8厚光刻胶已经成功地应用于高深宽比微结构的制作 。然而SU-8胶在工艺过程中会产生很大的内应力和热溶胀变形，这些问题的存在对SU-8胶微结构的深宽比及电铸结构的尺寸精度造成了严重影响。本文 研究工作主要集中在SU-8胶的胶层应力和热溶胀性两方面，研究结果有利于提高SU-8胶工艺的稳定性和电铸结构的尺寸精度。 本文以基片曲率法 为基础，建立了SU-8厚光刻胶的内应力计算模型。利用ANSYS仿真软件揭示了基片直径，胶层厚度及温度变化对基片曲率的影响。并实验测量了不同后烘 温度条件下的胶层应力。结果表明，基片直径和胶层厚度对胶层应力影响较小，后烘温度的影响最大，且降低后烘温度可以有效减小胶层应力。 以SU-8胶层应力为指标，对SU-8胶的光刻工艺参数进行了优化。通过三因素三水平的正交实验，测量了九组不同工艺条件下SU-8胶层内应力的大小，研 究了前烘温度、曝光剂量以及后烘温度对胶层应力大小的影响。以正交实验数据为样本，引入模糊神经网络对影响SU-8胶内应力的工艺参数进行了优化 仿真研究，建立了SU-8胶内应力的大小与前烘温度，曝光剂量和后烘温度三者之间的预测模型。同时对网络预测结果进行了实验验证。根据网络优化结 果，得到了SU-8胶的最佳光刻工艺参数。 在UV-LIGA工艺制作微模具的基础上，利用ANSYS软件对SU-8胶的热溶胀变形量进行了仿真计算，得出了 沟道侧壁的溶胀变形趋势。通过研究微通道线宽随时间的变化规律，结合一级动力学方程式建立了热溶胀变形的速率模型。综合仿真结果和速率模型 ，可以计算不同电铸时间下微模具的顶部线宽。SU-8胶在电铸过程中作为电铸微结构的胶模，起着保证金属结构尺寸精度的关键作用。然而，SU-8胶在 热的电铸液中会产生热溶胀变形，因此使得电铸微结构的尺寸小于光刻后微通道的尺寸。 研究了不同后烘温度对SU-8胶的热溶胀性的影响。溶胀 实验结果表明，随着后烘温度的降低，SU-8胶的溶胀速率及溶胀变形量增大。但后烘温度较低时对应的胶层应力较小。因此，应综合考虑胶层的内应力 和热溶胀性的影响，在保证微结构稳定性的基础上再采取适当措施提高电铸微结构的尺寸精度。 10.期刊论文 李晓光.沈连婠.李木军.郑津津.张四海.LI Xiao-guang.SHEN Lian-guan.LI Mu-jun.ZHENG Jin-fin. ZHANG Si-hai 基于遗传算法的接近式紫外光刻中掩模补偿优化研究 -系统仿真学报2008,20(17) 针对接近式紫外光刻图形转移中的曝光形状失真问题,基于补偿思想,应用遗传算法,在引起衍射的掩模特征处,通过调整其形状,实现了光刻胶表面的 衍射光场调制.根据光刻曝光轮廓特点,设计评价策略,提出一种分段分类的思想,减小了问题的求解空间,快速优化了掩模设计图形.仿真结果表明优化补 偿后的掩模图形降低了衍射造成的曝光图形的形状失真程度.该研究为如何提高接近式紫外光刻精度提供了一种新的思路. 引证文献(4条) 1.杨茜.熊强.姜成涛.李彩霞.孙爱梅.KEITH MITCHELSON.邢婉丽.叶健.程京 基于低成本聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)电泳芯片的微型DNA分析仪[期刊论文]-生物化学与生物物理进展 2009(4) 2.楚纯朋.蒋炳炎.刘瑶.蓝才红 聚合物微流控芯片微通道复制成型技术[期刊论文]-塑料工业 2008(10) 3.叶嘉明.李明佳.周勇亮 热压法快速制作微流控芯片模具[期刊论文]-中国机械工程 2007(19) 4.刘海军 微电铸器件均匀性的研究[学位论文]硕士 2006 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgjxgc200517001.aspx 下载时间：2010年2月15日