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