蜡烛座注塑模具设计【三维PROE】【含CAD图纸】
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- 内容简介:
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大连交通大学2017届本科毕业生毕业论文外文翻译使用UV-Lithographie,Galvanoformung,Abformung(LIGA)技术的微型,多级,锥形模具插件的数值模拟和制造摘要:对高分辨率微结构(HARMS)的经济制造技术进行了深入的研究。使用金属基HARMS的微型设备对于机械,机电和化学应用尤为重要。在许多应用中,需要具有两个或更多高度的HARMS。通过压缩成型制造这些多级HARMS需要两级或多级模具插入件。此外,锥形模具插入件将有助于实现简单的插入件分离。本文报道了通过结合SU-8抗蚀剂的UV光刻,一步金属电沉积,抛光和水平,然后除去SU-8抗蚀剂来制造两级锥形模插件的方法。没有倾斜和在光刻步骤期间的旋转,通过采用UV光刻和抗蚀剂显影的特征获得锥形电镀模具。使用的SU-8去除方法不会降低电沉积模具的强度。我们的方法的功效通过两级模具插入物原型来证明。关键词 SU-8抗蚀剂 多级 锥形插入物 一步电沉积 SU-8剥离1 简介 大多数当前的微机电系统(MEMS)都是用硅基材料的表面微机械加工或体微加工制造的。 在需要金属或聚合物微结构的应用中,光刻胶,Galvanoformung,Abformung(LIGA)工艺是优选的制造技术。 LIGA工艺首先使用PMMA的X射线光刻技术(Menz等人,1991; Mohr等人,1992; El-Kholi等人1993; Kondo等人1998; Ehrfeld和Schmidt 1998; Henry等人1999 ; Guckel等人2000; Singleton等人2002; Schulz和Bade等人2004; Heckele和Schomburg 2004)已被用于制造用于机械,电气,化学和生物医学装置和系统中的高纵横比微结构(HARMS)(Menz等人,1991; Mohr等人,1992; El- Kholi等人1993; Kondo等人1998; Ehrfeld和Schmidt 1998; Henry等人1999; Guckel等人2000; Singleton等人2002; Schulz和Bade等人2004; Heckele和Schomburg 2004),包括微加速器(Qu等人,1999),RF感应器(Sadler等人2001),微型混合器/反应器(Yang等人2004),聚合酶链反应(PCR)系统(Hupert和Witek 2003)等。光刻,电沉积和成型的三步LIGA工艺的成型复制步骤对于低成本HARMS生产是最重要的。已经报道了使用LIGA或LIGA类技术来生产基于聚合物,金属和陶瓷的HARMS的努力(Guckel等人2000; Heckele和Schomburg 2004; Hupert和Witek 2003;Cao等2003,2004;曹和孟2004; Cao 2004; Dinakar 2003)。 PMMA的X射线光刻技术生产高品质的电镀模具,属性如高纵横比和垂直侧壁。在电沉积后也可以容易地除去PMMA(Menz等人,1991; Mohr等人,1992; El-Kholi等人1993; Kondo et al。1998; Ehrfeld和Schmidt 1998;亨利等人1999; Guckel et al。 2000; Singleton等2002; Schulz和Bade等2004; Heckele and Schomburg 2004)。由于暴露时间大大降低,LIGA处理中也采用了SU-8(XRD)的X射线光刻技术(Ryan 2002; Jian 2002; Turner and Desta et al。2003; Yang and Wang 2005)。SU-8的UV光刻技术以更低的成本为厚HARMS提供了出色的品质,因此是X射线光刻的替代品。 最近在理解UV光刻工艺和提高光刻质量方面取得的进展使得制造的长宽比超过100的SU-8微结构结构(Yang等,2003)。 仔细控制光刻条件也导致了相当的好结果,质量垂直侧壁(Yang et al。2003)。 基于SU-8抗蚀剂的UV光刻技术的UV-LIGA技术也被用于制造几种器件原型(Williams等人2005; Dentinger等人2002)。 在文献中已经报道了去除交联SU-8抗蚀剂的一些努力(Muralidhar等人2001;里斯2001; Rosato et al。2000)。用于制造单个高度的模具插入件的工艺是很好理解的。多级HARMS的制作决定了更复杂的处理。最多常用的方法是使用对准的多个光刻和电镀步骤(Ehrfeld和Schmidt 1998; Williams等人,2005)。机械抛光和对准在步骤之间需要。如图1所示。 如图1所示,在电镀结构中,由于多次电镀步骤而导致的接触面积可能具有减小的强度。这些强度降低由于多个电镀步骤之间的电镀条件的波动进一步加剧。 因此,通过这种多步骤方法制造的多级模具插入件的成型性能可能受到损害。制造多层次HARMS的另一种方法是使用预先构造的衬底(Qu等人,1999)。基于最终HARMS的所需高度,精心设计的用作牺牲层的微结构在基板上制成。然后将预结构化衬底用于光刻和电镀工艺。在镀覆图案填充所需金属并过度镀覆后,剩余的抗蚀剂被剥离。然后对预先构造的特征(牺牲层)进行化学蚀刻以从基底释放模具插入物。这种方法的主要困难是由不均匀的基板表面导致的不均匀的电镀速率。较高初始高度的图案倾向于具有高得多的电镀速率。一般来说,电镀成具有小开口的深层特征往往是困难的。具有较高电镀速率的凸起区域可能被快速地过度铺展并生长成“蘑菇”结构,如图1所示。这些“溢出”的金属然后覆盖相邻的更深的微图案,并防止进一步电镀到它们中。这导致较小/较深的孔/通道的无填充或部分填充。图 1 由于多次曝光和电镀步骤,电镀界面的结构弱点可能会损害这种多级HARMS的性能 如模具插入Kim等人(2002)报道了一种有趣的制造多层高纵横比微结构和模具插入物的方法。他们通过使用PDMS模具在对准的多光刻和电镀工艺中引入了中间步骤。在其方法中,使用UV和X射线光刻的组合制造SU-8图案。然后从SU-8图案制成PDMS模具。然后将PDMS模具用种子层溅射并镀镍。然后通过剥离PDMS模具将镀镍的镍结构从电镀模中释放出来。然后释放的镍微结构可用作模具插入物。该方法解决了传统对齐多光刻和电镀工艺中的结构问题。它可以对于需要中空结构或没有显着的机械载荷的一些应用(例如微针阵列)(Kim等人2002)非常有用。使用PDMS中间步骤的一个潜在的回溯是减少最终模具插入物的准确性。另一个限制是在电镀结构中可能形成一些空隙,因为种子层在PDMS模具的整个表面上溅射。 在脱模过程中,模具插入件与模制材料之间的分离可能是困难的。插入物上的微特征的体积减少随着特征线性尺寸的减小,比其表面积快。这种缩放表明,微特征经历的摩擦力可能会变得如此在足够小的特征特征尺寸下显着并超过其承载能力。为了避免插入物的塑性变形或模制部件的撕裂,锥角可能是有帮助的(Rosato等人,2000; Janczyk等,1997)。立体光刻可以制造具有锥角的模具插入件(Janczyk等人1997; Cedorge和Colton 2000; Pham和Colton 2002)。然而,立体光刻模具是逐层形成的,当锥角设定时可能产生步进效应,并导致增加的摩擦力(Janczyk等,1997; Cedorge和Colton 2000; Pham and Colton 2002)。通过X射线平版印刷技术,通过倾斜和旋转的多次曝光在SU-8抗蚀剂上制造(Jian 2002; Turner和Desta等2003; Yang和Wang 2005),暴露时间大大增加,成本高得多。 在本文中,我们提出了一种制造两级模具插件的新工艺。 在光刻步骤中UV光的衍射用于获得SU-8抗蚀剂中的锥形图案。 两级模具插件的电镀可以在一个步骤中完成,不产生外部界面。 SU-8抗蚀剂的去除不会导致HARMS强度的明显变化。2具有锥形侧壁的SU-8结构的数值模拟和制造 与软X射线范围相比,边缘或狭缝周围的衍射效应在近紫外范围的波长(例如,405nm的h线)处更为显着。 该现象用于获得SU-8抗蚀剂中的锥形图案。 为了达到一个有用的锥角,SU-8电镀模应在顶部有较大的开口。 图3显示了SU-8电镀模具的三种可能的形状,分别为负,零和正锥角。 具有正锥度的插入物角度被认为是最好的成型目的。图 2 示意图显示不均匀的影响电镀率在不同地区的预先构造基板 基于惠更斯原理,通过菲涅尔 - 基尔霍夫积分公式可以描述通过具有任意形状的开口在不透明分区中的衍射:其中k = 2p / k,k是入射光波长,U0表示入射单色球面波,r和r0表示孔径上的点的位置相对于屏幕和源,(n,r)和(n,r0)分别表示向量与积分表面的法线之间的角度,积分在孔径区域之上。为了更好地了解SU-8的UV光刻及其对侧壁轮廓的影响,使用ZEMAX EE(ZEMAX Development Corporation,San Diego,CA,USA)进行数值模拟。 该软件基于方程式中所示的衍射原理。1,可用于执行与SU-8抗蚀剂的UV光刻相关的菲涅尔衍射模拟。 在k = 365nm(i线)处,SU-8的折射率分别为n = 1.668,k = 405nm(h线)的n = 1.649。其透射率与厚度曲线如图1所示。4在这两个选定的波长。 对于给定的掩模图案,整个SU-8抗蚀剂被分成不同的数值层。用ZEMAX计算不同数值层内的光强分布,并将其导入SigmaPlot(Systat Software,Inc.,Richmond,CA,USA),以在整个抗蚀剂层中产生光能分布轮廓。 假设SU-8的UV光吸收与局部能量强度成正比。 因此剂量轮廓与能量分布的轮廓一致。 总曝光剂量的轮廓和显影条件结合起来确定SU-8图案的最终侧壁轮廓。 对于两种不同的掩模图案进行了数值模拟,如图1所示。一个是开口槽,另一个是遮光。这些分别在负光刻胶如SU-8,突起和开放的通道中产生。当显示模拟结果时,光强度通过其在抗蚀剂表面处的值归一化:在相同水平或高于入射光刻光的光强度被表示为1并示为亮灰色; 抗蚀剂中较低的光强度区域用较小的数字表示,并显示为较深的灰色。 图6显示了分别对应于具有i线(365nm)和h线(405nm)曝光的20m孔径的剂量分布的模拟结果。在所有模拟中,假定抗蚀剂厚度为500lm,零气隙为零。更亮和更暗的区域分别代表较高和较低的暴露剂量。虚线表示在具有或不具有足够剂量的区域之间的边界以交联SU-8树脂,因此开发后最终SU-8结构的潜在侧壁。图6a示出了仅考虑衍射效应通过20lm狭缝孔曝光产生的剂量分布。图6b示出了由金涂层电镀种子层表面的反射率为0.85的由衬底反射引起的剂量分布。图6c显示了总曝光剂量分布,结合衍射和反射效应。图6d显示了h线(405nm)暴露的总剂量分布。可以看出,图1所示的剂量分布6d更均匀,从上到下的差异显着降低。这意味着与i线曝光相比,最终SU-8结构的顶部和底部之间的宽度差异将远小于h线暴露。图 3 不同的SU-8电镀模具和模具插件几何图4 SU-8的光传输曲线图5 在SU-8的UV光刻数值模拟中研究了两种不同的情况。a 用于产生柱的开孔; b遮蔽用于生产树丛对于h线和i线暴露的20m时隙的模拟结果如图1所示。7a,b。由于SU-8抗蚀剂的负色调,使用槽遮蔽曝光获得的图案将是通道。如图所示。如图7a,b所示,i线曝光获得的通道在顶部较窄,底部较宽。使用h线曝光,通道在顶部较宽,底部较窄。为了在用于模具插入件制造的SU-8电镀模具中获得所需的锥度,应当选择405nm的曝光波长。图7b显示在遮蔽区域中间的窄带也显着暴露。阴影区域内的这种局部高剂量条带负责这样的事实,即当期望的通道图案变得太窄时,充分发展变得非常困难。 图8示出了设计宽度为20lm,高度为1,150lm的SU-8突出物。用h线暴露获得该结构。扫描电子显微镜(SEM)图像显示SU-8交叉的宽度从顶部的13.5lm变化到距离顶部约75lm的19.7lm,最后在底部的32.8lm。这表示锥角为1o。3制造两级模具插件 为了展示我们的UV-LIGA工艺的多级模插件制造,建立了一个具有500lm深的微孔和250 lmdeep微通道的两级电镀Ni模插件。为了在插入物上的所有突出的微尺度特征上形成小的正锥角,选择405nm的h线暴露。对SU-8电镀模具几何形状进行了数值模拟。电镀模具包括直径为200lm,深度为500lm的孔,宽度为200lm,深度为250lm的矩形槽。 使用h线曝光,模拟显示从顶部的200lm到底部的193lm的孔径减小,对应于0.8的正锥角。仿真也显示了通道宽度从顶部的200lm降低到底部的197lm,对应于= 0.69的正锥角。曝光后的抗蚀剂显影过程中没有搅动,较小深度的抗蚀剂会受到较长的显影时间和曝光于较新鲜的显影剂液体。这种发展差异趋向于进一步增加正锥角。图6个20-lm插槽孔径的仿真结果。a由于i线曝光(365nm)的衍射效应引起的剂量分布; b由于i线曝光(365nm)的底物反射引起的剂量分布; c一个20 lm插槽的总剂量分布光圈为i线曝光(365 nm)。 所得结构显示出较宽的顶部和较窄的底部; d总体剂量分布为20 lm狭缝孔径,h线曝光(405 nm)。 与i线曝光情况相比,所得到的结构显示出较小的锥度图2中示意性地示出了两级模具插入件的处理流程图。需要两个曝光口罩。成品两级模具插入件具有直径为200lm,高度为500lm的圆柱形微孔,长度为18,000lm,宽度为200lm,高度为250lm的矩形突起。制造工艺如下:(1)用丙酮,异丙醇清洁Si晶圆(IPA)和去离子水,干燥;(2)电子束蒸发Cr / Au电镀种子层;(3)电镀种子层上的图案对准标记;(4)旋转涂层250lm SU-8 50,900rpm;(5)预烘烤旋涂SU-8;(6)暴露SU-8号。1曝光面膜;(7)烤后暴露的SU-8;(8)电子束在暴露的SU-8上蒸发第二Cr / Au种子层;(9)搅拌形成SU-8,同时剥离附着于未曝光的第二Cr / Au种子层开发SU-8;(10)以870rpm旋涂第二层SU-8 50;(11)预烘烤旋涂SU-8;(12)暴露SU-8号。2曝光面膜;(13)后烘烤和发展SU-8;(14)电镀镍,直到完成过镀;(15)抛光Ni背板的背面;(16)KOH蚀刻以除去Si衬底;(17)蚀刻Cr / Au种子层,然后除去SU-8。 在我们的实验中,使用4.538mm厚的PMMA片作为从UV源除去i线辐射的过滤器。PMMA过滤前后紫外光源的光谱输出如图1所示。PMMA滤波后的光谱输出由h线和g线(434nm)的组合组成。较长的波长g线强化了衍射效应,从而强化了取样角度对结果特征的影响。 因为SU-8抗蚀剂中的g线辐射的吸光度较低(与h线相比约为1/3),所以h线显示了曝光。因此,本研究忽略了g线辐射的影响。图11显示了aprototype SU-8两级电镀模具的SEM显微照片。图7 用于产生SU-8通道的剂量分布:用i线曝光(365nm)的20lm狭缝遮蔽; b一个20 lm的狭缝阴影,h线曝光(405 nm)图8具有锥形侧壁的SU-8突起(较窄的顶部和较宽的底部)使用由500lm深的微孔和250lm深的微通道组成的两级SU-8电镀模具,通过Ni电镀制造Ni模插件,进入SU-8电镀模具,然后过镀。9e有两个独立的Cr / Au电镀种子层分别连接到微孔和微通道。在电镀过程中,连接了微孔的种子层首先进入电镀电路。在将微孔中的Ni沉积物电镀到与矩形突起的种子层相同的高度或稍高的位置之后,两个种子层在电镀期间连续地连接在一起,同时电镀继续。这个过程导致微孔和微通道在SU-8电镀模具同时“填充”。在完成SU-8电镀模具填充后,继续Ni镀层生产Ni模插件的背板。因此,与其他方法中使用的图案化,电镀和抛光的多个步骤相比,Ni嵌入物的电镀在单一连续工艺中完成,并且导致Ni插入物中没有弱界面。用于电镀柱的电镀电流为2.74mA(电流密度为10mA /cm 2)。用于平板化通道的电流为6.4mA(也相当于10mA /cm 2的电流密度)。柱和通道的总电镀时间为约166小时,每步骤约为83小时。柱的平均高度测量为415lm,通道的平均高度为约335lm,如图1所示12a。 电镀工序完成后,用研磨机将研磨基板作为研磨基板,研磨过镀Ni模插件的背面。研磨后获得平面模具插入物背面。然后使用KOH溶液除去Si衬底。在蚀刻Cr / Au种子层之后,将Ni插入物与SU-8电镀模具一起在-90下浸入Dynasolve溶液中,在-30分钟内除去SU-8电镀模具。据Bacher等人(1998),当退火温度低于200时,电沉积Ni的硬度没有明显变化。因此,由于SU-8去除过程,电沉积Ni插
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