專利名稱：一體化微加工多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微加工多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方法，特別是一種應(yīng)用高深寬比加工技術(shù)一體化微加工多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方法。用于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
準(zhǔn)LIGA(紫外光刻、微電鑄、微復(fù)制的高深寬比加工技術(shù))是高深寬比加工中常用的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)的加工領(lǐng)域，經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Li，Bo，等人在The International Society for Optical Engineering(國(guó)際光學(xué)工程會(huì))，v 5344，2004，p 147-154上發(fā)表的“Low stressed high-aspect-ratioultra-thick SU-8 UV-LIGA process for the fabrication of a micro heatexchanger”，(應(yīng)用低應(yīng)力的高深寬比厚SU-8膠的準(zhǔn)LIGA技術(shù)加工微熱轉(zhuǎn)換器)應(yīng)用低應(yīng)力的高深寬比厚SU-8光刻膠，采用準(zhǔn)LIGA技術(shù)加工MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))器件，厚SU-8膠層經(jīng)過(guò)光刻顯影后，作為微電鑄模具，電鑄材料選用Ni，加工完成的單層結(jié)構(gòu)MEMS器件，尺寸精確，垂直方向邊緣陡直。這種方法是通常的準(zhǔn)LIGA工藝加工單層MEMS器件的方法，即加工的結(jié)構(gòu)只適用于單層、縱向垂直形式且不能有變化的準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)，如果遇到復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，它只能先將零件分層設(shè)計(jì)為多個(gè)準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)，然后分層加工，最后組裝成需要的零件，但這種方法會(huì)增加后期精密裝配工作的難度，而且裝配誤差和配合誤差大，機(jī)構(gòu)的整體性不強(qiáng)，影響實(shí)際正常工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對(duì)通常準(zhǔn)LIGA技術(shù)只能加工準(zhǔn)三維體的不足，提供一種一體化微加工多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方法，使得加工完成的零件具有層間合力強(qiáng)、相對(duì)位置精度高、配合誤差小、整體性強(qiáng)等特點(diǎn)。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明基于SU-8膠和傳統(tǒng)的準(zhǔn)LIGA加工方法，使用多層套刻技術(shù)來(lái)減小多層結(jié)構(gòu)間相對(duì)位置的誤差，使用表面活化技術(shù)活化金屬電鑄層表面，使其與新電鑄層間的結(jié)合力加強(qiáng)，使用種子層技術(shù)實(shí)現(xiàn)小電鑄圖形上電鑄產(chǎn)生大電鑄圖形，從而實(shí)現(xiàn)一體化加工，最終制造出層間相對(duì)位置精度高、結(jié)合力強(qiáng)的三微復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
以下對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步的說(shuō)明1、多層套刻技術(shù)來(lái)減小多層結(jié)構(gòu)間相對(duì)位置的誤差多層一體化加工技術(shù)是在一層已經(jīng)電鍍好的金屬結(jié)構(gòu)層上，再電鑄產(chǎn)生新一層結(jié)構(gòu)，層層電鑄上去，因此如果多層結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位置精度以正面的對(duì)焦基準(zhǔn)來(lái)解決，累計(jì)誤差會(huì)很大，直接影響最后整體機(jī)構(gòu)的層間位置精度。本發(fā)明采用在基片背面加工對(duì)焦基準(zhǔn)圖形的方法，使用具有雙面曝光功能的光刻機(jī)，每層結(jié)構(gòu)對(duì)焦都以背面的基準(zhǔn)圖形為標(biāo)準(zhǔn)，減小多層結(jié)構(gòu)間相對(duì)位置的誤差，從根本上解決了層間相對(duì)位置精度問(wèn)題。
2、表面活化技術(shù)活化金屬電鑄層表面每次進(jìn)行新電鑄之前，首先對(duì)電鑄層表面進(jìn)行清潔，然后根據(jù)電鑄材料的種類和性質(zhì)，選用適合于該材料使用的化學(xué)活化溶液或有機(jī)活化溶液，對(duì)電鑄層表面金屬材料進(jìn)行活化處理，使得其與新電鑄層結(jié)合緊密，增強(qiáng)接合力。以此增加層間結(jié)合力要強(qiáng)。
3、種子層技術(shù)當(dāng)新電鑄層的圖形要大于它的前一層電鑄層圖形時(shí)，直接電鑄是不可能的，只能采用種子層技術(shù)，即在前一層整體表面濺射一層金屬薄膜，作為種子層，新電鑄的圖形直接在這層金屬種子層上生長(zhǎng)。種子層材料的選取至關(guān)重要，必須根據(jù)種子層所連接的兩層金屬的材料而定，即要求種子層材料與所連接的金屬材料性質(zhì)相近，又要求種子層材料導(dǎo)電性強(qiáng)，性質(zhì)相對(duì)活潑，且種子層表面鈍化層容易去除。Ni是一種準(zhǔn)LIGA技術(shù)中常用的電鑄材料，選用Cu作為Ni電鑄層之間的種子層，因?yàn)镃u與Ni化學(xué)性質(zhì)相近，與上下層Ni都能很好結(jié)合，且導(dǎo)電性好，化學(xué)性質(zhì)相對(duì)活潑，對(duì)于種子層Cu膜上產(chǎn)生的鈍化層，也很容易通過(guò)酸洗等方法去除。
本發(fā)明將基于SU-8膠的準(zhǔn)LIGA技術(shù)、多層套刻技術(shù)、表面活化技術(shù)和種子層技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在了一起，基于SU-8膠的準(zhǔn)LIGA技術(shù)作為加工工序的主干，在光刻工序中使用多層套刻技術(shù)，解決了多層結(jié)構(gòu)間的相對(duì)位置精度問(wèn)題，在電鑄前處理工序中使用表面活化技術(shù)和種子層技術(shù)，解決了層間結(jié)合力問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)的多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化加工，拓寬了準(zhǔn)LIGA技術(shù)的加工范圍。


圖1本發(fā)明方法流程圖具體實(shí)施方式
為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例加工兩個(gè)相互配合使用的三層結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)中第一、三層圖形大于第二層圖形，電鑄材料為Ni，使用雙面曝光光刻機(jī)，具體加工方法如下先在基片底面做出光刻基準(zhǔn)圖形，以后的光刻工序均以其為基準(zhǔn)。
如圖1中A所示，第一層甩光刻膠SU-8，根據(jù)底面的基準(zhǔn)圖形光刻、顯影后，電鑄Ni，電鑄完畢后對(duì)電鑄層表面進(jìn)行平整化處理。
如圖1中B所示，第二層甩膠、光刻(以底面圖形為基準(zhǔn))、顯影后，對(duì)Ni表面進(jìn)行表面活化處理，把基片放入含NaOH 700～800克/升，NaNO2(或NaNO3)200～250克/升的溶液中在120～130℃溫度下加熱10～30分鐘，以活化松動(dòng)氧化膜層。水洗后，再放入HCl 300～500克/升，H2SO4 200～300克/升，若丁0.5～3克/升的溶液中腐蝕1～2分鐘，取出水洗，觀察墊圈圖形內(nèi)Ni表面光亮一致，即可準(zhǔn)備進(jìn)入第二層的電鑄工序。
如圖1中C所示，第二層電鑄完成后，進(jìn)行平整化處理。
如圖1中D所示，由于第三層的電鑄圖形大于第二層的電鑄圖形，所以不能在第二次電鑄圖形上直接生長(zhǎng)，必須濺射種子層。此實(shí)施例中的電鑄材料為Ni，選用Cu作種子層材料，濺射前，用稀鹽酸浸泡基片，清洗去除Ni鈍化層，濺射Cu膜作為種子層。
如圖1中E所示，在Cu膜上甩膠、光刻(以底面圖形為基準(zhǔn))、顯影，電鑄前使用稀鹽酸溶液浸泡基片，去除Cu膜鈍化層，然后電鑄第三層Ni。
如圖1中F所示，對(duì)第三層Ni進(jìn)行平整化后，進(jìn)行去膠，把基片放入丙酮溶液中浸泡，然后置于高溫氧化爐恒溫200℃，并通氧氣，最后使用濃硫酸處理，直到全部齒輪集從膠中脫離出來(lái)(以上各步處理時(shí)間，根據(jù)SU-8膠厚度的具體情況而定)，且齒輪集上光刻膠清除完畢，再經(jīng)過(guò)清洗后，加工完畢。
此例為三層結(jié)構(gòu)的加工方法，也可以根據(jù)此方法加工三層以上的結(jié)構(gòu)。此外，經(jīng)過(guò)活化以及去鈍化層處理過(guò)基片應(yīng)該立即放入電鑄池中電鑄，減少與空氣接觸的時(shí)間，電鑄工序進(jìn)行中，還應(yīng)盡量減少取出基片檢查和觀測(cè)的次數(shù)，把電鍍層可能鈍化的幾率降到最小，從而保證層間結(jié)合力不受影響。
應(yīng)用此加工方法加工完成的此機(jī)構(gòu)，表面平整，邊緣陡直，層間結(jié)合牢固，層間相對(duì)位置精度高，幾何尺寸完全符合設(shè)計(jì)要求。
權(quán)利要求
1.一種一體化微加工多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，基于SU-8膠和準(zhǔn)LIGA加工方法，使用多層套刻技術(shù)來(lái)減小多層結(jié)構(gòu)間相對(duì)位置的誤差，使用表面活化技術(shù)活化金屬電鑄層表面，使其與新電鑄層間的結(jié)合力加強(qiáng)，使用種子層技術(shù)實(shí)現(xiàn)小電鑄圖形上電鑄產(chǎn)生大電鑄圖形，從而實(shí)現(xiàn)一體化加工，最終制造出層間相對(duì)位置精度高、結(jié)合力強(qiáng)的三微復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化微加工多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方法，其特征是，所述的多層套刻技術(shù)來(lái)減小多層結(jié)構(gòu)間相對(duì)位置的誤差，具體為采用在基片背面加工對(duì)焦基準(zhǔn)圖形的方法，使用具有雙面曝光功能的光刻機(jī)，每層結(jié)構(gòu)對(duì)焦都以背面的基準(zhǔn)圖形為標(biāo)準(zhǔn)，減小多層結(jié)構(gòu)間相對(duì)位置的誤差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化微加工多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方法，其特征是，所述的表面活化技術(shù)活化金屬電鑄層表面，具體為每次進(jìn)行新電鑄之前，首先對(duì)電鑄層表面進(jìn)行清潔，然后根據(jù)電鑄材料的種類和性質(zhì)，選用適合于該材料使用的化學(xué)活化溶液或有機(jī)活化溶液，對(duì)電鑄層表面金屬材料進(jìn)行活化處理，使其與新電鑄層結(jié)合緊密，增強(qiáng)接合力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化微加工多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方法，其特征是，所述的種子層技術(shù)，具體為當(dāng)新電鑄層的圖形要大于它的前一層電鑄層圖形時(shí)，采用種子層技術(shù)，即在前一層整體表面濺射一層金屬薄膜，作為種子層，新電鑄的圖形直接在這層金屬種子層上生長(zhǎng)，種子層材料根據(jù)種子層所連接的兩層金屬的材料而定，即要求種子層材料與所連接的金屬材料性質(zhì)相近，又要求種子層材料導(dǎo)電性強(qiáng)，性質(zhì)相對(duì)活潑，且種子層表面鈍化層容易去除。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一體化微加工多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方法，其特征是，當(dāng)Ni為準(zhǔn)LIGA技術(shù)中的電鑄材料時(shí)，選用Cu作為Ni電鑄層之間的種子層。
全文摘要
一種一體化微加工多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方法，用于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用SU－8膠和準(zhǔn)LIGA加工方法，使用多層套刻技術(shù)來(lái)減小多層結(jié)構(gòu)間相對(duì)位置的誤差，使用表面活化技術(shù)活化金屬電鑄層表面，使其與新電鑄層間的結(jié)合力加強(qiáng)，使用種子層技術(shù)實(shí)現(xiàn)小電鑄圖形上電鑄產(chǎn)生大電鑄圖形，從而實(shí)現(xiàn)一體化加工，最終制造出層間相對(duì)位置精度高、結(jié)合力強(qiáng)的三微復(fù)雜結(jié)構(gòu)。本發(fā)明基于SU－8膠的準(zhǔn)LIGA技術(shù)作為加工工序的主干，在光刻工序中使用多層套刻技術(shù)，解決了多層結(jié)構(gòu)間的相對(duì)位置精度問(wèn)題，在電鑄前處理工序中使用表面活化技術(shù)和種子層技術(shù)，解決了層間結(jié)合力問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)的多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化加工，拓寬了準(zhǔn)LIGA技術(shù)的加工范圍。
文檔編號(hào)G03F7/00GK1583543SQ200410024889
公開日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月3日
發(fā)明者陳文元, 姜勇, 趙小林, 丁桂甫, 張衛(wèi)平 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)