（机械电子工程专业论文）基于微电铸的微通道热压成形模具制造技术的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 微流控芯片作为生物芯片研究领域中的前沿，代表了微全分析系统( p t a s ) 的 主要发展方向，并广泛的应用于生物化学、分析化学等多个领域。采用热压法加工 p m m a 微流控芯片，具有加工成形方便、价格便宜和适合芯片批量生产等优点。在热 压成形工艺中，微流控芯片热压模具的质量决定了所得微流控芯片的各项精度指标。 微电铸，又称精密电铸，是一种全新的微细加工技术。它结合了传统电铸工艺和集 成电路制作技术的特点，广泛地应用于微器件和微结构的制作工艺之中，成为l i g a 和 u v l i g a 的核心工艺。研究微电铸技术在制作微流控芯片热压模具中的工艺问题，对 提高热压成形模具的精度指标具有重大的意义。 本文综述了微电铸技术的产生、发展、应用情况和国内外研究现状，参照已有电铸 工艺提出了一套适合微流控芯片热压模具制作的微电铸工艺流程。在此基础上，开展了 如下几个方面的研究： 1 、研究微电铸理论基础。对微电铸工艺中涉及的原理和概念进行总结阐述。 2 、优化微流控芯片热压成形模具的制作工艺。总结提出了该类模具的设计原则 和特点；确定了适合微电铸的电铸液组成，并采用正交试验法优化脉冲电铸 工艺参数；以此为基础，实验制作得到高质量的镍金属微流控芯片热压成形 模具。 3 、分析讨论易出现的微电铸工艺难题。分析了s u _ 8 光刻胶的四个工艺问题：与 基底的结合力、胶面龟裂、s u 一8 胶的去除和s u 一8 胶的平整；对微电铸工艺 参数对铸层机械性能、铸层内应力和电铸析氢的影响进行了深入的研究，并 进行了实验验证。 4 、提高电铸均匀性问题。从相关理论出发，以实验为基础，确定采用象形阳 极、强力搅拌和高频振动相结合的方式提高均匀性。实验结果显示，该方案 显著的提高了金属沉积的均匀性问题。 实验验证，采用本文提出的微电铸工艺流程，能够制得符合设计标准的镍金属微流 控芯片热压成形模具。目前，文中制作的金属模具正服务于微流控芯片通道成形与自动 对准装配系统之中。 关键词：p m m a 微流控芯片；微模具；微电铸；u v l i g a 基于微电铸的微通道热压成形模具制造技术的研究 r e s e a r c ho nm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y o fm i c r om o l d s f o rh o t e m b o s s i n g o fm i c r oc h a n n e l si nm i c r o e l e c t r o f o r m i n g a b s t r a c t a st h em a i nd e v e l o p m e n to f - t a s ( m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m s ) ，m i c r of l u i d i cc h i p s h a v eb e c o m et h em o s tp r o m i s i n go n e si nt h er e s e a r c hf i e l do fb i o c h i p s h o te m b o s s i n gi sa n e f f e c t i v em e t h o df o rt h ef a b r i c a t i o no f p m m am i c r of l u i d i cc h i p s ，w h i c hh a ss o m e a d v a n t a g e s ： e a s i n e s so f m a n u f a c t u r e ，l o wc o s tf o rb a t c hf a b r i c a t i o ne t c m i c r om o l d s p l a ya ni m - p o r t a n tr o l e a n dl a r g e l ya f f e c tt h e q u a l i t i e s o f t h em i c r of l u i d i cc h i p si nh o te m b o s s i n g p r o c e s s a san e wm i c r of a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y ，m i c r oe l e c t r o f o r m i n gi sac o m b i n a t i o no ft h e c o n v e n t i o n a le l e c t r o f o r m i n ga n dt h ei n t e g r a t e dc i r c u i tp r o c e s s i tb e c o m e sa ne s s e n t i a lp a r to f l i g aa n du v - l i g ap r o c e s s o u rr e s e a r c h f o c u s e do nt h e i m p r o v e m e n t o fm i c r o e l e c t r o f o r m i n gf o r t h em i c r om o l d si n p r e c i s i o n t h ed e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o na n dc u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o nw e r es u m m m z e d ar e l i a b l e p r o c e s so f m i c r oe l e c t r o f o m a i n gw a sd e s c r i b e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h ef o l l o w i n gi st h em a i n c o n t e n t ： 1 r e s e a r c ho nt h eb a s i so f m i c r oe l e c t r o f o r m i n g st h e o r y 2 o p t i m i z a t i o no ft h em i c r om o l d s f a b r i c a t i n gp r o c e s s t h ed e s i g n i n gp r i n c i p l ea n d c h a r a c t e r i s t i c sf o rt h em i c r om o l d sw e r es u m m a r i z e d t h es u i t a b l ee l e c l t o l y t ec o m p o n e n t s f o rm i c r oe l e c t r o f o r m i n gw e r eg i v e n p u l s ec u r r e n t sp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e dt h r o u g h t h eo r t h o g o n a lt e s tm e t h o d n i c k e lm i c r om o l d sw e r ef a b r i c a t e da n dm e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s 3 s o m ed i f f i c u l tp r o b l e m sa p p e a r e di nm i c r oe l e c t r o f o r m i n gw e r ed i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt h e f a b r i c a t i n gp r o c e s s o fs u 一8a n dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e p a r a m e t e r s o fm i c r o e l e c t r o f o r m i n ga n dt h eq u a l i t yo f t h ed e p o s i t i o n t h er e s u l t sw e r ev a l i d a t e dt h r o l , l g ht h e e x p e r i m e n t s 4 i m p r o v e m e n to f t h eu n i f o m ao ft h ed e p o s i t i o n b a s eo nt h et h e o r ya n de x p e r i m e n t s ， a u x i l i a r ya n o d e s ，a g i t a t i o na n d v i b r a t i o nw e r e a d o p t e dt h eu n i f o r m i t y o f m e t a ld i s t r i b u t i o n w a s i m p r o v e do b v i o u s l y k e y w o r d s ：p m m am i c r of l u i d i cc h i p s ；m i c r om o l d s ；m i c r oe l e c t r o f o r m i n g ；u v l i g a 本文e l j 国家“8 6 3 ”计划微机电系统重犬专项“非醚m e m s 】：3 n _ z 技 术及其废| 胃职究微浚攘芯片加工工艺与制造技术研究 ( n o 2 0 0 4 a a 4 0 4 2 6 0 ) ”资助完成，特此感谢! 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获 得大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了 谢意。 作者签名：趣j 电：囱日期：兰! 巫：互：丝 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题依据 1 1 1 课题产生背景 2 0 世纪9 0 年代初，由瑞士的m a n z 和w i d m e r 首先在分析化学领域提出了阻微电 子加工技术为依托的微型全分析系统( m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m s ，1 t t a s ) 的概念，其 目的是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便 携的分析设备中( 如：各类芯片) ，实现分析实验室的个人化、家用化，因此，也被通俗 地称为芯片实验室( l a b o n - a - c h i p ) 1 。微流控芯片( m i c r of l u i d i cc h i p ) ，又称为电泳芯片 ( e l e c t r o p h o r e s i sc b - i p ) ，是微全分析系统的重要组成部分，是以分析化学和生物化学及 生物技术为基础，以微光机电系统( m o e m s ) 技术为依托，以微管道网络为结构特 征，以生命科学为目前主要应用对象的全新技术，是采用微加工技术在几平方厘米大小 的芯片上刻蚀出微管道网络和其它功能单元，形成进样、反应、分离、检测于一体的快 速、高效、低耗的微型分析装置，具有广阔的发展前景 2 3 。 微流控芯片材料种类繁多，包括：硅、玻璃、高分子材料等。其中，高分子材料因 具有种类多、表面化学性好、加工成形方便和价格便宜等优点得到了广泛的关注，是微 流控芯片发展家族中最有发展潜力的一个。高分子微流控芯片成形技术可以分为：模塑 法、热压法、u c a 技术和激光烧蚀法。热压成形技术以其灵活性强，成本低的显著特 点适应了微流控芯片的发展，得到广泛的应用。在热压成形技术中，微通道成形模具的 制作是此项技术得以应用推广的关键 1 【4 。 微通道成形模具具有较高的精度和技术指标要求。常用的模具材料可以分为金属 ( 包括铜、镍等) 和非金属( 包括硅、玻璃等) 两种。非金属材料的模具由于其寿命较 短，适合实验室和科研单位小批量生产的需要。而金属模具以其较长的使用寿命和突出 的经济性适应大批量生产制造的需要，得到发展。对于金属微通道成形模具，传统的模 具制作加工方法不能满足其要求，对全新加工方法强烈需求引起了广泛的关注。 近年来，由半导体工业中的微细加工技术与机械工业中的微型机械加工技术结合而 产生发展的m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ) 技术正受到国内外科技界的广泛 关注，并成为当今世界各国研究和投资的焦点，是一项极其发展前景的高新技术，其研 究领域和相应的市场如表1 1 所示，m e i v i s 系统的目的不仅在于缩小尺寸和体积，还在 于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，发挥m e m s 产品所具有 基于微电铸的微通道热压成形模具制造技术的研究 的尺寸小、精度高、响应快和成本低的优势 5 。目前，m e m s 微细加工技术先后产生 了超精密机械加工、深反应离子刻蚀、l i g a 及u v l i g a 技术等，这些技术的产生和 发展为微通道成形模具的制作奠定了技术基础。但是，其中的大多数加工工艺都需要大 量的资金投入，难以推广，而u v l i g a 技术，以其良好的可操作性和经济性得到了广 泛的重视 6 】。标准的u v l i g a 工艺过程包括：紫外光刻、微电铸和微复制。微电铸技 术是其中的关键工序，同时也是制约微器件、微结构机械性能的核心因素。这项关键技 术是对传统电铸技术的继承和发扬，也是半导体工艺与机械工业的典型结合，有着广阔 的发展和应用前景。只有解决好微电铸的相关技术和理论问题才能更好的拓展u v l i g a 技术的应用领域，才能更好的保证微通道成形模具的各项精度指标和要求。 在这种背景下，本课题提出了“基于微电铸的微通道成形模具制造技术的研究”。 表1 i 删s 技术的发展和市场 7 m f 3 1 s 器件及其系统潜在市场 压力和流体传感器汽车工业 加速度计和陀螺仪航空 化学传感器防御 线性的执行器信息技术 微马达和微涡轮无线电通讯 流体泵和阀生物技术 流体操作系统制药工业 微全分析系统医学 扫描探针装置过程技术和自动技术 微光学器件测量和显微领域 微延迟器和微转换器环境技术 1 1 2 课题来源 本课题“基于微电铸的微通道成形热压模具制造技术的研究”来源于由国家 “8 6 3 ”计划微机电系统重大专项“非硅m e m s 加工技术及其应用研究微流控芯片 加工工艺与制造技术研究( n o 2 0 0 4 a a 4 0 4 2 6 0 ) ”。 2 大连理工大学硕士学位论文 1 2 微电铸技术及其发展 微电铸技术( m i c r oe l e c t r o f o r m i n g ，又称为精密电铸) 是近年来发展起来的一种微 细加工技术。该项技术是在继承传统电铸优点的基础上，与现代集成电路工艺有机结合 而形成的，同时，它也是制作m e m s 金属器件或结构的有效方法。 1 2 1 微电铸技术的起源 电铸就是利用电镀的原理和方法制造、修复和复制金属制品。1 8 3 8 年，苏联的耶 可夫教授在石膏芯模上涂敷石蜡，通过石墨使其表面具有导电性，制成了电铸铜产品。 日本昭和初年，京都市工业研究所和大板造币司等单位就已积极开展了在石膏母型上铸 铜、在绝缘体上电镀等方面的研究。但是，早期由于电铸芯模的制作不仅制造技艺要求 高、操作工艺繁琐，而且母型易破损，难以制出精致的复制品，所以电铸的应用范围十 分有限。2 0 世纪中后期，随着电铸芯模材料的发展和制造技术的提高，电铸作为一项 特种加工工艺方法，开始广泛应用于国民生产生活的各个方面，在欧美已用于制造火箭 喷气发动机冷却室、太阳能储能飞轮，在日本用于汽车内饰件的制造，电子工业中印刷 焊膏和胶粘剂模板 8 1 9 1 。国内的许多科研单位也对电铸工艺进行了大量的研究，较多 应用于表面形貌复杂的零件和各种模具的制造上。 微电铸工艺随着m e m s 工艺的发展而产生，在继承传统电铸工艺特点的同时，结 合了集成电路加工工艺，成为l i g a 和u v l i g a 技术的核心和基础，受到了广泛的关 注。微电铸技术与传统电铸技术有着相同的原理和相似的工艺过程，由于该项技术广泛 用于制作微器件或者微结构，更多的涉及微米级尺度的问题，与传统大器件电铸有着显 著的差别，对环境干扰有着更强的响应。与集成电路工艺的结合是微电铸技术的一个显 著特点，通过厚胶光刻技术获得小尺寸高精度的芯模。 1 2 2 微电铸技术的原理及特点 微电铸技术与传统电铸技术原理相同，是一种特殊的电镀技术。电镀和电铸的区别 在于沉积金属的用途和目的，电镀一般是将沉积的金属作为装饰或者保护性的表面，而 电铸则是获取与沉积表面相反的金属沉积层作为金属器件，其目的是提供整体分离的实 体。电铸可以从以下三个主要方面来区分电镀 1 0 ：( 1 ) 微电铸沉积层一般较厚。典 型的电镀沉积是比较薄的，大约在7 5 0 肿范围内。而电铸相对来讲比较厚，可以从 1 8 x n l 到几个毫米的厚度： ( 2 ) 电铸沉积器件一般以物理方法从芯模上取下。因此，电 铸沉积层与芯模的结合力必须小，以便器件移除。相反，在传统的电镀中，沉积层经常 作为基底金属的保护层( 例如防腐蚀等) 或者作为装饰用途，从这个角度讲，要求沉积 基于微电铸的微通道热压成形模具制造技术的研究 层必须与基底有良好的结合力；( 3 ) 机械特性和尺寸精度是电铸的主要指标，要求控 制沉积成分、结构和内应力。电铸器件的物理特性主要取决于所使用的芯模。相反，电 镀沉积层和基底金属的物理特性通常互相影响。 微电铸技术的基本原理如图1 i 所示。溶解的金属离子通过电铸溶液传送到达阴极 沉积，电铸液一般含有高浓度的相同金属离子。在微电铸过程中，阳极金属在电压作用 下“融解”失去电子成为阳离子，进入溶液。待铸器件与阴极相连，溶液中阳离 子在其表面得到电子还原成金属原子，完成沉积 1 0 。 微电铸电化学反应式： m l + + n e 一= m ( m 为金属原予；n 为m 离子的电荷数) 昭枉 ( a n v d e ) 图1 1 微电铸原理 f i g 1 1t h ep r i n c i p l eo f m i c r o e l e c t r o f o r m i n g 在电解质溶液中，阴阳离子在电场作用下运动，并聚集到阳极和阴极附近，实现电 子在电解质溶液中的传输，形成了电流。由于阳极“融解”与阴极沉积的电荷转移量相 等，所以溶液浓度在微电铸过程中基本保持不变，但是阴阳极往往在微电铸过程中有气 体等副反应的产生，降低了阴极电流效率，也造成了电解质溶液浓度的变化。这一变化 在传统电铸中，可以忽略不计，但是它却对微电铸过程有着一定的影响。微电铸过程是 一个金属结晶的过程，阴极上不仅有金属离子和电子反应生成金属原子的过程，而且还 存在着由许多金属原子结晶成金属晶体的过程，金属的电结晶过程可以分为 11 ： ( 1 )水化的金属离子向阴极扩散和迁移； ( 2 ) 水化膜变形； 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 )金属离子从水化膜中分离出来： ( 4 )金属离子被吸附和迁移到阴极上的活性部分； ( 5 ) 金属离子还原成原子，并排列组成一定晶格的金属晶体。 微电铸工艺与传统电铸工艺的区别主要集中在各自典型的工艺流程上。微电铸的工 艺流程与传统电铸的工艺流程基本相同，可以分为五个工序，如图1 _ 2 所示。基底前处 理，主要完成微电铸基底表面去油脂、导电化和离型处理。针对不同的基底材料采用不 同的处理方法和工艺：微电铸芯模制造，多采用半导体材料加工工艺和光刻胶工艺，是 微电铸重要的前期准备之一，主要产生微电铸图形，尺寸由几个肛1 到几百个胛：微 电铸，采用电镀原理沉积金属，在电铸件的质量要求上比传统电铸更加严格；离烈脱 模，从电铸基体分离出微电铸结构或者零件；工件检测，作为微电铸的最后一道工序， 将根据设计要求进行检测。 ( a ) 传统电铸工艺流程 ( a ) e l e c t r o f o r m i n gp r o c e s s ( b ) 微电铸工艺流程 ( b ) m i c r oe l e c t r o f o r m i n gp r o c e s s 图1 2 微电铸与传统电铸流程对比 f i g 1 2t h e 、c o n t r a s t o f e l e c t r o f o r m i n ga n d m i c r o e l e c t r o f o r m i n g 与传统金属成形工艺比较，微电铸有许多重要的优势。通过微电铸可以得到传统加 工难以或不能制作的器件。下面是微电铸的优点 1 0 ： ( 1 )尺寸精度高。芯模加工成为所需的尺寸精度后，电铸可以精确的加以复制， 精度可以达到小于5 脚1 ，同时可以得到无内应力的沉积金属； ( 2 )表面细节的精确再现。电铸工艺也能实现极高的表面细节复制。这种复制水 平可以达到0 o l # m ，是其他生产：” 艺难以媲美的： 一5 基于微电铸的微通道热压成形模具制造技术的研究 ( 3 ) 生产复杂形状器件。电铸可以在一个操作中完成复杂形状器件的制作。相同 的形状可能需要传统加工的多个工步配合完成，如挤压、钻孔、加工、去毛 刺和焊接等； ( 4 ) 加工薄壁零件。电铸工艺的独特在于能加工薄壁的圆筒，而不需要焊接。薄 壁产品展示了电铸较高的商业用途； ( 5 ) 加工尺寸范围大。电铸加工的尺寸范围一般只受电铸设备的限制。_ 般的， 产品尺寸可以从几个毫米到几米。电铸时间与器件的体积或面积没有什么直 接关系，而只取决于电铸溶液； ( 6 )复合金属。电铸可以按照不同要求同时沉积多种金属，以适应不同的需要； ( 7 )批量生产。在一个电铸工序中，可以同时加工模具上的多种孔洞，减少了模 具制作的循环周期。芯模可以重复使用，因此器件有较好的重复性。电铸溶 液可以多次重复使用。 微电铸技术也存在着一些缺陷： ( 1 )电铸沉积时间较长。这个缺点可以通过批量生产来弥补，或者采用增加心轴 与电铸液间电压，进而增加电流密度，来获得高的电铸沉积速度； ( 2 )电铸材料的限制。由于脆性、氧化性和内应力的因素，通常只有铜、镍和铁 能作为电铸材料应用： ( 3 )电铸脱模。目前，电铸脱模主要依靠机械、化学或者加热的办法。为了保证 电铸层在脱模时不被破坏，需要谨慎的设计程序： ( 4 )内应力。大多数的电铸沉积都会带有压应力或者拉应力。内应力的存在容易 造成沉积层的裂纹和起皮。电铸过程中，通常加入内应力添加剂、电化学反 馈系统或者采用脉冲电源来减小内应力； ( 5 )厚度的不均匀性。目前，获得均匀电铸层的方法有很多种。辅助阴极就是通 过改变局部沉积速度的方法来获得均匀的电铸层。 微电铸工艺的独特优势使得该项技术在制作金属微器件、微结构中得到了广泛的应 用，是u g a 和u v u g a 技术的核心和基础。 1 2 3 微电铸技术的应用举例 微电铸技术作为全新的微细加工技术，在m e m s 技术发展的推动下，已经广泛的应 用到生产、科研等国民生活的各个领域。 微电铸技术应用在制作一般加工方法不易完成或成本偏高的零件制造和金属微结构 上，其中包括：波导管、雷射镜面、伸缩囊管、光学全息相片、c d 光碟母板、悬臂 6 大连理卫大学硕士学位论文 粱、船速发计、徽继迫嚣镣。常用的激电铸金属包括：镍、金、镧、镣铁、镍一钻、 镍一锰、镍一钨等 1 2 。 圈1 。3 镞壤铸技零浆应鬻实铡 1 鞠 f i g 1 3t h ea p p l i c a t i o no f m i c r oe l e e t r o f o r m i n g 必盘鸯叛戆到嚣 1 4 徽电铸技 术在实际生产实践中的成阁，以光盘 母板的制作为代表。图1 4 表示了制 作工艺流程。 在于净瓣玻璃基底上麓速涂覆竞 刻胶，一般采用负光刻胶，厚度为几 百纳米；前烘，去除光刻胶中的有机 溶裁；曝光，零1 月激光按照预定髫影 曝光，在光剡胶曝光部分产生强酸， 发生交联反_ 陂：后烘，加热加强光刻 胶胶链；显影，去除未曝竞部分，露 出鏊底玻璃。以上的各步骤可阻统一 称为光刻工散，这也是微电铸芯模制 图1 ，光盘母板制作流程 f i g 。1 a t h ef a b r i c a t i o np r o c e s so f s t a m p e r r e c o r d i n g 基于徽嘏涛的徽通道热联成形模其每造技术的研究 造瓣漉程；导瞧化处理，在整个光轰l 驳表露溅射金属，莠撼图形部分填潢金属；微电 铸，将导电纯处瑗好的待铸板期电电铸，褥刘预定厚度。缀过脱模和枫槭加工后褥到可 以实际应用的光擞母板。 在光盘母板的生产中，采用半导体工业的光亥4 技术实现了图形的转移，形成了微电 铸懿慧模。 l i g a 和u v - l i g a 技术在 过搬的三十年中，微电子工业 ! 导 至l 了空兹豹发袋。一个主要豹麟 的发展是m e m s 器件的胄造，两耀 于制作m e m s 的微加工技术主鬻荫 两謦孛王艺路线。种是采用常规 懿徽缨趣工技寒，包括薄簇曼芝 产、光刻、刻蚀、扩散、离予注 入和封装等，其核心是利用磁或 其继拳导钵耪瓣戆冬良霉牲麦l 键 而成。但是它存在两个缺点：一 是微器件所用的材料受到严格限 制，二是得到懿徽结构厚度缀 小，只能隶l 逶警褥微结构器伟， 达不到很多器件的要求。第二种 餮1 5l i g a 工艺流程霾【l o 】 f i g 1 5t h ep r o c e s so f l i g a 产生于二十世纪八十年代早期，由德国r e s e a r c hc e n t r ek a r l s r u h e 在w e h r f e l d 的领导下 旋滋豹l i g a 工芑 1 5 。 l i g a 是德文单词的蓠字母缩写，包括三个主要的工序：l i t h o g r a p h y 、 e l e c t r o f o r m i n g 和p l a s t i cm o l d i n g 。l i g a 技术实现了低成本批量制造微器件的可能。滞 要强调豹是只有徽电铸与光刻技术结合，徽巷造才变褥可行。l i g a 工艺的流程如图l ，5 所示，概括如下：光刻工艺，使用吸收介葳构成的掩膜来黼挡x 射线：采用正胶或者 负胶，曝光后显影，能直接得剿三维的复制品，然而，为了满足批量生产的要求，需鼷 通过电铸的方式浆填充金属材料。通过这神方法可以得到与塑料相反图形的辅助结构， 奉李瓣一觳为镶、镳、金或者舍金榜辩，懿镰镪台囊和镶镶会金。鸯光粥稀龟铸隶l 俘懿金 属微结构作为模擞使用，是l i g a 技术低成本批量生产的关键。 8 大连理工大学硕士学位论文 出l i g a 工艺制俸酌产品酶材料包括：聚合物( 例如：p l v l m a ，p o l y c a r b o n a t e ) 、金 属( 例如：镍，铜，金) 和合金( 例如：镍铁导磁台盒) 。且这般产品具有以下的特 钰：任意横向的几何结构；结构高度大约l m m ：最小横向尺寸为o 2 m ：；独立结拘的深 宽毙范基5 0 - - 5 0 0 ；表瑟蒺燕在翌簸爨缀，表蟊糠毯发r a 3 0 m n ：镄。 根据光蠢光源的不同，分为x 同步射线、紫外光和激光。紫外光源以其自身成本 低的特点得到了广泛的应用。用紫外光源取代x 同步射线的l i g a 工艺称为u v + l i g a 工艺。u 辑鞭g a 是采用紫乡 毙源曝光光刻获来获褥德逛铸皴结稳瓣方法，是一耱低成 本技术。与l i g a 技术样，u v - l i g a 工艺也女基够带作不同结构离度的多种微器件。 随着s u - 8 光刻胶的研制成功及其商品化，极大的推动了u v l i g a 技术的发展，使得 u v l i g a 技术能够实现大漾宽比结构的糍作。s u - 8 胶是一种负性胶，即曝光时，胶中 岔有静少登光罐纯麓翟a 国发生征擎复敷，产生强酸，使s u - 8 黢发生熬交联。瓣辩， u v l i g a 技术也可以采用a z 4 5 6 2 光刻胶。该光刻胶粘性大、遴过性好，涂胶厚度可 以达到1 0 0 腆1 1 6 。图1 6 所示为采用u v l i g a 技术微电铸的镍金麟微齿轮系。 圈1 6 微电铸制作的镍金属徽齿轮系【1 3 】 f i g 1 6m i c r og e a r ss y s t e mb ym e a n so fm i c r oe l e c t r o f o r m i n g 徽电铸技求在l i g a 秘u v - l i g a 技术中最重簧豹功能是实现离深宽魄会耩徽结橡 的制作。这种结构特征的微结构，例如薄壁圆筒、微米级的悬臂结构等，在传统加工中 部是难以实现的或者需要大量的资金投入。目前，随赞光刻技术及熟光敏材料的发展， 金磊镞绣稳瑟经放二维、二维半发震爨三维缝梅，这电绘擞毫铸羧零疆出了要懑瓣援 战。这项技术正持续发展以适应现代化的高精度的要求。 基于微电铸的微通道热压成形模具制造技术的研究 微电铸工艺以其突出的优势得到了在生产和科学研究上广泛应用。它不但提供了一 种全新的微细加工技术，实现了高深宽比金属微结构的制作，同时，由于微电铸材料的 广泛性，也极大的拓宽了金属微器件的各项机械性能指标，适应多种工作条件的需要。 1 2 4 微电铸技术的研究现状与发展 在国内，对电铸工艺的研究由来已久。从2 0 世纪九十年代，随着l i g a 技术的推 广，微电铸工艺引起了广泛的关注，成为研究热点。首先，中国高能物理研究所同步辐 射实验室的伊福廷等人，对微电铸应用在l i g a 技术中的情况做了介绍，并乐观的预测 了它的发展前景，掀起了国内对微电铸的研究熟潮 1 7 。南京航空航天大学的赵剑锋和 朱荻，进行了脉冲电流电铸技术的实验研究，他们从原理出发，介绍了脉冲电铸电源的 研制和相关的电铸工艺实验，得出了脉冲电流可以显著改善铸层质量的结论 1 8 1 ，并制 作了在近5 m m 2 的面积上存在数十个直径为o 0 8 m m 的微型滤网 1 9 。河北涿州纺织器 材厂的田农以瓦特电铸液为基础讨论了糖精在镀镍中的重要作用 2 0 1 。上海交通大学信 息存储研究中心的陈迪和张大成等人，吸收了体硅微加工技术与微电铸工艺结合提出了 d e m ( d e e p e t c h i n g ，e l e c t r o f o r m i n g ，m i c m r e p l a c e t i o n ) 技术，并利用该技术加工了深度为 1 8 0 a n ，深宽比大于2 0 的微结构，该项技术可对非硅材料，如金属、塑料或陶瓷进行 三维微 j h i 2 1 。西安交通大学的王伊卿、赵文轸等，通过n i c o 合金电铸工艺实验， 考察了电铸工艺对电铸合金层中钴含量的影响，并对电铸层进行了硬度、应力测试，得 到了合金含量与电铸工艺参数的关系 2 2 。南京航空航天大学的陈惠字等人，进行了直 流和脉冲电流铜的沉积实验，分析了沉积层微结构和电铸层性能【2 3 】。南京大学的吴安 德、王帮蜂等人，从解决电铸技术瓶颈一电铸速率出发，提出了新型的电铸方法一 喷射式电铸，为电铸技术与快速成形的结合奠定了基础，随后，他们在现有基础又进行 了更为深入的研究 2 4 】。南京航空航天大学机电学院的雷卫宁，通过理论分析和实验研 究，利用高频脉冲电流、高速冲液及添加剂方法，获得了纳米晶电铸层 2 5 。北京科技 大学的范爱玲等人，也利用电铸方法制备了超细晶粒金属c u ，晶粒尺寸在1 3 胂范 围 2 6 。香港理工大学的c h a n j k c ，w o n g ，k 和q u ，n s ，实验证明采用氨基磺酸盐电 铸液配合低磁通量的磁场有助于提高铸层厚度的均匀性，因此提高了镍电铸的表面修饰 作用 2 7 。台湾f u s h i n i n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y 的h s i h a m gy a n g 和s h t m g - w e nk a n g ，揭 示了金属沉积表面会自然的分布成凹面，在整个沉积面积上，边缘厚度是中间厚度的近 二倍，他们提出了采用辅助阴极的办法，削弱电铸不均匀性，实验验证效果明显 2 8 。 在国外，从电铸的工艺和应用出发都进行了深入的研究。a b bc o r p o r a t er e s e a r c h 的m a t t h i s ，b f d r u z z u ，a n t o n i o ，为了避免高温电铸液对p m m a 微结构带来不! 凶要的精度 1 0 大连理工大学硕士学位论文 影响，对室温下的电铸进行了研究，对提高电铸精度具有重大意义 2 9 1 。d e p t o fm a t s c i a n de n g i n e e r i n g ，n a t i o n a lc h i a ot u n gu n i v e r s i t y 的y e h ，y i h - m i n ，t u 丰d g e o r g e c h i a ， 对u v l i g a 工艺中高深宽比的镍铁合金微电铸进行了模拟分析和实验验证，揭示了微电 铸过程中液体流动和物质传输特性，通过实验和模拟来优化微电铸的表面修饰作用，同 时，得到高深宽比微结构特别是孔洞结构微电铸影响因素f 3 0 。瑞士微纳米实验室的 l j h e y d e r m a n 和h s c h i t = 将微电铸技术与平板热压技术结合，实现了纳米级的结构制造 3 1 1 。s a n d i an a t i o n a ll a b o r a t o r i e s 的m o r a l e s ，a l f r e d om 和d o m e i e r l i n d aa 等人，采用热 压或者注塑技术与微筛网结合的方式制作牺牲层电铸模具，针对电铸缺陷对铸层材料性 能的影响进行了讨论 3 2 。英国伦敦o p t i c a l s e m i c o n d u c t o r d e v i c e sg r o u p 的ash o l m e s 和kwl e e 研究了硅表面的多层电铸技术，提出了一套简单的镍金属多层电铸工艺，制 作出了摇摆马达和微蜗轮等微器件 3 3 1 。c a r n e g i e m e l l o nu n i v e r s i t y 的c h u n m e i a 在其博 士期间研究了高深宽比孔洞电沉积的模拟，深孔内离子传输的不均匀造成了铸层的不均 匀，他通过建立模型分析了整个电沉积过程，提出了二维电铸模型的算法 3 4 】。t h e u n i v e r s i t yo fa r i z o n a 的d a l ew a d ec o l l i n s 研究发展了铜电铸过程中的添加剂在线检测技 术，电铸过程中的交直流计时电位图是这种在线检测技术的关键，但是这种检测技术需 要根据电铸液的不同做不同的调整 3 5 1 。纽约c o m e l lu n i v e r s i t y 的b e ds t e i n 等四人对镍钴 合金电铸进行了研究，他们提出在有机材料的生物传感器热压工艺中，热压模板的性能 至关重要，而常用的硅模板脆性较大、延展性较差，镍金属模板则体现出过大的内应力 和较小的表面硬度，都不完全满足模具的使用要求。研究发现，采用镍钴合金电铸得到 的模板能够克服以上的缺点，是制作生物传感器热压模具的合适材料 3 6 1 。瑞士微纳米 实验室的c d a v i d ，e d e c k a r d t - 等六人采用电子束光刻和电铸技术，以石英玻璃为基底， 制作镍金属模具用于有机高分子材料p c 的热压工艺中 3 7 。 综上，目前微电铸有如下的大的发展趋势：从单金属电铸( 如：镍、铜、金、银 等) 发展到合金电铸、混合电铸和多层电铸。合金电铸金属有：镍铬合金、镍铁合金、 镍钴合金、金锡合会、锌镍合金、锆铝合金等，合金材料以其优越的物理机械性能得到 了广泛的应用。混合电铸指在常规的电铸溶液中，采用均匀搅拌的方式掺入细小的固体 颗粒，以改善电铸金属层的性能，例如：在铜或者镍的电铸液中掺入碳粉颗粒，使得电 铸金属具备自润化性能和较强的耐磨性。多层电铸是指在沉积表面有选择的依次沉积两 种或两种以上的技术，目前，以对三层电铸的研究居多，如：在碳表面电铸p b ，再电 铸p b 0 2 的技术等 1 2 1 。 基于微电铸的微通道热压成形模具制造技术的研究 1 3 课题研究意义、目的及内容 微电铸技术作为微细加工技术的一种，在继承了传统电铸特点的同时，结合集成电 路制造工艺，成为近年来备受关注的先进制造加工方法。微电铸应用在制作一般传统机 械加工不易完成或成本偏高的零件制造和金属微结构上，其中包括：波导管、雷射镜 面、伸缩囊管、光学全息相片、c d 光碟母板、悬臂梁、加速度计、微继电器等。同 时，微电铸工艺也是l i g a 和u v - l i g a 技术的重要组成部分。微电铸工艺的推广和发 展有利于推动微机电系统( m e m s ) 的产业化。 通过研究微电铸技术在微流控芯片热压成形模具制作中的相关问题，对传统电铸理 论做出修正和补充，使之有更为广阔的使用范围。传统电铸理论中，可以通过法拉第定 律计算得到电铸生长速度和高度，在微观领域，微电铸生长情况则有别与宏观情况，微 电铸的生长不均匀性尤为突出，在传统电铸中的边缘效应对微电铸器件生长起到了决定 性的作用。微电铸生长与溶液浓度、电流密度、电铸区域图形分布和阴阳极形状都有紧 密的联系。 本课题主要针对微电铸在制作微通道成形热压模具中的工艺问题进行研究。研究内 容包括： ( 1 )实验平台的硬件设备的选配，根据实验需要搭建实验平台； ( 2 )确定实验方案； ( 3 )针对微电铸不均匀性讨论和分析； ( 4 )形成适合制作微流控芯片热压成形模具的整套工艺。 1 4 本章小结 本章提出，微全分析系统发展的分支微流控芯片的发展，推动了对微细加工技 术的研究和开发。微电铸技术是一种全新的微细加工技术，是传统电铸工艺与集成电路 制作工艺的有机结合，与电铸工艺具有相同的工作原理，同时，又具有i c 工艺的特 点，已经成为l i g a 和u v - l i g a 工艺的核心技术。在充分阐述微电铸技术起源和发展 的基础上，对该技术的优缺点和应用情况进行了分析和说明。最后，对微电铸技术的国 内外研究发展情况做了简要的阐述。从中得知，对微电铸技术的研究和发展具有深远、 重大的意义。 大连理j ：大学硕士学位论文 2 镦电祷投术理论基础 微电铸投术是半导体工艺和电化学力s 工工艺的鸯机结合。这 孛众新的微细加工方法 与谨统宅铸不弱，是学稀交叉装产镑，琴| 天了豢兹方法帮基毯莲论。微遗铸蓑寒瓣蓥磕 理论包括：半导体光刻基础理论、电化学基础及微电铸器件设计理论。然而，对微电铸 理论的研究还有待进一步的深入，特别照微米尺寸下传统电铸理论的修正。 2 。l 徽电镑王艺流程 2 1 1 光刻技术 自1 9 6 0 年人们首次将印刷工业中制造印刷版的技术，加以改进，移植到半母体器 终生产中淤寒，裁揭开了乎嚣王艺戆劳幕，开辞了毅鹣领域。光麦技术是掩貘照穗翻伲 学腐蚀相结合的一种综合技术。它的基本原理是把种具有光敏髋的感光胶涂程醚片的 s i 0 2 层或锱膜上，然后用黑白反差很强的掩膜底板覆漩其上，在紫外灯下进行曝光，由 于紫外灯不能透过黑色掩艨，只l 透过掩膜的透明部分，使这部分感光胶感光，感光后 光亥l 驳分子袋生聚合，改变了箕在有税溶粥中熬溶群发，甚至不被肖橇溶蠢l 溶熬。寒感 光的部分则被溶解掉，再缀高温坚膜后，具有耐腐蚀的性能，保护其下的s i 0 2 戚铝层 不被腐蚀，得到所要的图形。光刻工艺的流程如图2 1 所示( 3 8 】： 圈2 1 光剿王艺流疆 r i g 。2 1t h ep r o c e s so f t h el i t h o g r a p h y 光刻工艺操作过程：戴化处理，主蒙给光刻工艺提供清洁的、硫水性 醴强的硅片表 瑟，一黢氧纯结紊后在6 0 0 - - 8 0 0 6 c 静聚髂下咬于是爨 0 一1 5 努静，冷却jr j 立馨涂胶； 一1 3 一 基于微电铸的微通道热压成形模具制造技术的研究 光刻胶涂覆的方法有浸涂法、喷涂法和旋转法等，对于涂胶工艺，要求胶与二氧化硅有 很好的粘附、胶膜达到预定厚度和胶膜厚薄均匀：前烘的作用是除去有机溶剂使胶膜干 燥，增加胶膜与掩膜版接触的强度，同时增加胶与氧化层的粘附能力，提高抗蚀能力。 在适当范围内，前烘温度越高、时间越长，光刻胶与二氧化硅表面的附着程度越好；根 据所需刻蚀的图形，选择好掩膜版，将涂好胶的硅片放在掩膜版下，对准的硅片与掩膜 版贴紧，进行曝光。曝光时间与硅片表面反光的强弱有很大的关系：显影是将经过曝光 的硅片放入有机溶剂中，使没有感光部分的膜溶解掉。显影的方法有浸渍法、喷雾法和 蒸汽法等，目前普遍采用的是浸渍法；经过显影后合格的硅片即可坚膜，一般将硅片放 入1 6 0 - - 2 0 0 的烘箱中烘3 0 分钟左右；腐蚀，是光刻的重要工序，分为二氧化硅和铝 的腐蚀，通过这道工序将图形完整、清晰、准确的刻蚀出来 3