LIGA技術制作高性能微電子機械模具及其脫模性能的研究.pdf

1、近年來，隨著聚合物基MEMS芯片在生物、化學和微光學方面的廣泛應用，相應的制作技術成為當前微系統(tǒng)技術的一個研究熱點。同時，由于器件性能對大高寬比微結構的需求，運用LIGA技術制作MEMS模具并利用熱模壓成型技術進行微塑鑄復制就成為很有前途的一種加工方法。然而，在熱模壓成型技術中大部分問題不是由模壓成型過程引起，而是發(fā)生在脫模過程當中。由于LIGA制作的MEMS模具與熱塑性材料之間脫模力的存在，對模壓復制品的質(zhì)量造成了很大的影響，聚合物微

2、結構有可能拉斷、變形甚至毀壞。隨著微結構高寬比的增加，這些現(xiàn)象越來越明顯，當高寬比達到一定數(shù)值時，某些微結構的脫模變得不可能進行，幾乎很難得到質(zhì)量好的結構。為了對脫模過程進行系統(tǒng)深入的分析，設計和制作具有高脫模性能的MEMS模具，并進行相應的脫模性能研究和評價，本論文主要開展了以下幾個方面的工作： 1．對熱模壓成型中的脫模力分析及高性能MEMS模具的設計 在熱模壓成型技術中，MEMS模具和聚合物微結構的脫模過程是摩擦剪切

3、的過程。本工作重點分析了即脫模力的組成，包括熱收縮力和表面粘著力，從理論分析、實驗論證以及有限元分析多個角度分析了脫模力的影響，并提出了相應的解決方案。以微摩擦學及表面粘著力理論分析了熱模壓成型脫模過程主要缺陷的成因，如微結構圖形邊的拉起、拔斷以及大高寬比圖形的無法模壓等問題；同時利用有限元數(shù)值軟件分析冷卻過程中熱應力對脫模初始階段的影響，如切根現(xiàn)象的成因，并提出使用熱應力阻隔器的優(yōu)化設計。最后通過對T型微結構脫模過程的個案分析，排除了

4、熱應力的影響后，認定由模具與聚合物的表面能決定的表面粘著力是影響脫模的重要因素，據(jù)此我們制定了高性能MEMS模具的制作方案-Ni-PTFE的一種抗粘著、低摩擦系數(shù)的復合材料L,IGA模具，并設計出測試結構的模具掩模。 2．同步輻射深度X射線光刻工藝的研究 中國科學技術大學國家同步輻射實驗室二期工程結束以后，LIGA線站的同步輻射X深度光刻研究得以開展。本研究工作首先對同步輻射深度光刻掩模制作、樣品制備工藝進行了探索，在此

5、基礎上利用NSRL的LIGA站開展了曝光劑量與顯影速率關系的研究，獲得了穩(wěn)定的深度光刻工藝條件，為制作出LIGA光刻膠微結構提供了前提；同時，為了獲得高質(zhì)量的光刻膠結構以滿足后續(xù)電鑄工藝的進行，特別研究了微結構圖形在不同基底的粘附性能；最后還研究了基于Su8膠的紫外光刻(UV-LIGA)技術，作為LIGA工藝的有益補充。 3．精密微電鑄技術研究 在微電鑄模具制作過程中，工程人員發(fā)現(xiàn)電流密度受到深寬比掩模微結構的影響有一定

6、的再分布規(guī)律，往往出現(xiàn)不希望得到的表面輪廓。而采用overplating的模具制作技術能夠有效的避免電流密度再分布帶來的對微結構圖形的影響，獲得的微結構圖形部分表面平整性較好。當前對overplating電鑄的研究很少，本工作利用Cell-Design軟件并結合微電鑄實驗分析了overplating電鑄時的電流密度分布規(guī)律，提出Ni在overplating電鑄過程中的生長模型，發(fā)現(xiàn)了電極的“相鄰調(diào)制效應”，在理論和實驗論證上給出了在各種

7、線寬\間距比條件下其可能造成的缺陷，并提出了相應的解決辦法。這部分工作對利用overplating微電鑄技術提供了部分設計思路及制作經(jīng)驗。 4．Ni-PTFE的復合微電鑄技術研究 在微電鑄Ni模具的基礎上，研發(fā)Ni-PTFE的復合微電鑄工藝是本論文工作的一個重要內(nèi)容，它擴展了傳統(tǒng)LIGA的模具制作技術，為獲得高性能MEMS模具開辟了一條新的途徑，為國內(nèi)外MEMS模具制作技術上的首創(chuàng)。工作對Ni-PTFE的復合微電鑄工藝進

8、行了深入的探索和研究，克服了復合電鑄中的種種困難，包括復合電鑄裝置的搭建，采用FC型陽離子表面活性劑使PTFE粒子在鍍液中保持良好懸浮及共沉積，以及鍍液組成和電鑄操作條件的摸索，克服了鑄層中的針孔問題，最終制作出高性能的復合材料的LIGA模具。在這些工作的基礎上，實驗最終獲得了掩模設計的Ni及Ni-PTFE復合材料的MEMS模具，并通過形貌學、成分分析以及側(cè)壁粗糙度、摩擦系數(shù)的測量，表明制作的模具不但符合設計要求，也完全符合熱模壓脫模的

9、工藝條件。 5．HEX02真空熱模壓成型技術研究 脫模過程中的溫度及脫模速率也是影響摩擦的主要因素。目前，專門針對脫模過程中工藝參數(shù)的研究報道很少，往往局限在具體應用上的參數(shù)選擇。本研究工作首先彌補了這一缺憾，利用德國JENOPTIK MikrotechniK GmbH公司生產(chǎn)的Hot embossing system HEX02塑鑄儀開展了真空熱模壓成型技術研究，分析了聚合物微結構在不同脫模溫度和脫模速率條件下的力學行

10、為，如低溫下脫模情形和快速脫模情形，在理論和實驗上給予論證，以此實現(xiàn)了對脫模工藝條件的優(yōu)化。 6．脫模性能評價與對比分析 確定優(yōu)化的脫模工藝條件后，對Ni和Ni-PTFE模具的高寬比微結構、連續(xù)模壓壽命進行了脫模性能的對比研究，結果表明Ni-PTFE模具不僅能夠有效的減小模具與聚合物之間的表面粘著力引起的摩擦力，而且能夠有著良好的抗粘著能力。它能夠模壓高寬比更大的微結構圖形，并且連續(xù)模壓的能力更強，因此是一種很有前途、很