肖日松等基于MEMS技术的微型模具制作工艺研究 先将材料氧化,然后通过化学反应使氧化物溶解,按长工艺中采用光刻和微电铸两种MEMS加工方法 各晶向刻蚀速率是否相同,分为各向同性刻蚀和各其工艺特点在前两种工艺路线中已经叙述,工艺路 向异性刻蚀。由于各向异性刻蚀在维持掩模图形和线示意图如图3所示。 防止钻蚀方面优于各向同性刻蚀,故该工艺路线采 用KOH腐蚀液进行各向异性刻蚀。KOH腐蚀系统 表1微电铸镍溶液的组成以及操作条件 为KOH氢氧化钾)、H2O(水)和(CH3)2CHOH(异丙 电铸液组份·g/L 醇,缩写为IPA的混合液。 Ni(SO, NH2)2',0 1.2背板生长工艺 背板生长工艺路线是在硅的氧化层上先涂覆正 NCl2·6H2O 光刻胶进行曝光显影,后利用HF腐蚀得到二氧化 H3BO3 硅图形,同时去胶后以二氧化硅作掩模,对硅进行湿 0.1~0.15 法刻蚀,刻蚀后实行导电化处理并进行微电铸,当微 操作条件 电铸层达到一定厚度时脱模得到金属模具。由于在温度℃ 微电铸过程中,需在硅的表面大面积沉积毫米级金 搅拌 空气和机械搅拌 属层,故该工艺称为背板生长工艺路线。该工艺路 电流密度Adm2 线采用了三种MEMS加工方法,即 UV-LIGA中的光 刻、微电铸以及湿法刻蚀,其中光刻以及湿法刻蚀与 硅模具工艺中一致。其工艺路线示意图如图2所 (2)光刻 3)微电铸 (4)去胶 图3无背板生长工艺路线示意图 (3)腐蚀SiO2 (5)湿法刻蚀 (6)导电化处理 2试验结果及其讨论 利用MEMS加工方法,即 UV-LIGA技术中的光 微电铸 (8)脱模 刻、微电铸以及硅MEMS加工技术中的湿法刻蚀,依 照硅模具、背板生长和无背板生长工艺路线得到三 图2背板生长工艺路线示意图 套不同的微型模具,模具形貌采用扫描电子显微镜 (SEM)进行观察,实验结果如图4所示 微电铸是通过电沉积金属或合金的方法制取模21硅模具工艺 具的过程,具有极高的复制精度和尺寸精度。微电 硅模具工艺路线中的KOH腐蚀液湿法刻蚀,以 铸所采用的微电铸镍的溶液成分以及实验操作条件(100.为衬底,、(1刻停止面。在各向异性刻 如表1所示。 蚀系统中,当在(100)上刻出掩膜窗口,沿(10方向 13无背板生长工艺 刻蚀时,将刻蚀出5474(111.斜面4,图5给出了 无背板生长工艺路线是在金属基板上涂覆SU.KOH腐蚀液湿法刻蚀所得的孔腔几何尺寸。故 8胶进行光刻后,在金属基板上进行微电铸,其后去KOH腐蚀液湿法刻蚀系统将得到梯形结构,不能满 胶得到金属模具。与背板生长工艺的大面积生长相 足模具的垂直度要求。除此之外,如图4(a)所示, 比由于该工艺采用的是在金属基底上小面积沉积在硅的湿法刻蚀过程中,如果硅表面各处反应速度 模具图形故称为无背板生长工艺路线。无背板生不一致将造成硅刻蚀表面粗糙即产生“小岛”现 369 万方数据肖日松等：基于MEMS技术的微型模具制作工艺研究 先将材料氧化，然后通过化学反应使氧化物溶解，按 各晶向刻蚀速率是否相同，分为各向同性刻蚀和各 向异性刻蚀。由于各向异性刻蚀在维持掩模图形和 防止钻蚀方面优于各向同性刻蚀，故该工艺路线采 用KOH腐蚀液进行各向异性刻蚀。KOH腐蚀系统 为KOH(氢氧化钾)、H20(水)和(CH，)：CHOH(异丙 醇，缩写为IPA)的混合液。 1．2背板生长工艺 背板生长工艺路线是在硅的氧化层上先涂覆正 光刻胶进行曝光显影，后利用HF腐蚀得到二氧化 硅图形，同时去胶后以二氧化硅作掩模，对硅进行湿 法刻蚀，刻蚀后实行导电化处理并进行微电铸，当微 电铸层达到一定厚度时脱模得到金属模具。由于在 微电铸过程中，需在硅的表面大面积沉积毫米级金 属层，故该工艺称为背板生长工艺路线。该工艺路 线采用了三种MEMS加工方法，即UV．LIGA中的光 刻、微电铸以及湿法刻蚀，其中光刻以及湿法刻蚀与 硅模具工艺中一致。其工艺路线示意图如图2所 示。 图2背板生长工艺路线示意图 微电铸是通过电沉积金属或合金的方法制取模 具的过程，具有极高的复制精度和尺寸精度。微电 铸所采用的微电铸镍的溶液成分以及实验操作条件 如表1所示。 1．3无背板生长工艺 无背板生长工艺路线是在金属基板上涂覆SU一 8胶进行光刻后，在金属基板上进行微电铸，其后去 胶得到金属模具。与背板生长工艺的大面积生长相 比，由于该工艺采用的是在金属基底上小面积沉积 模具图形，故称为无背板生长工艺路线。无背板生 长工艺中采用光刻和微电铸两种MEMS加工方法， 其工艺特点在前两种工艺路线中已经叙述，工艺路 线示意图如图3所示。 表1微电铸镍溶液的组成以及操作条件 电铸液组份·g／L Ni(S03NH2)2·4H20 NiCl2‘6H20 H3803 SDS 操作条件 温度℃ 搅拌 电流密度A／din2 pH 50—55 空气和机械搅拌 2．5～3 3．8～4．5 图3无背板生长工艺路线示意图 2试验结果及其讨论 利用MEMS加工方法，即Uv．LIGA技术中的光 刻、微电铸以及硅MEMS加工技术中的湿法刻蚀，依 照硅模具、背板生长和无背板生长工艺路线得到三 套不同的微型模具，模具形貌采用扫描电子显微镜． (sEM)进行观察，实验结果如图4所示。 2．1硅模具工艺 硅模具工艺路线中的KOH腐蚀液湿法刻蚀，以 (100)为衬底，(111)为刻蚀停止面。在各向异性刻 蚀系统中，当在(100)上刻出掩膜窗口，沿(110)方向 刻蚀时，将刻蚀出54．74。(111)斜面【圳，图5给出了 KOH腐蚀液湿法刻蚀所得的孔腔几何尺寸。故 KOH腐蚀液湿法刻蚀系统将得到梯形结构，不能满 足模具的垂直度要求。除此之外，如图4(a)所汞， 在硅的湿法刻蚀过程中，如果硅表面各处反应速度 不一致，将造成硅刻蚀表面粗糙，即产生“小岛”现 象。 一369’一 5 渤 m 弘 0 加 万方数据