CN103913789A - 金属基底上制备高深宽比金属微光栅的方法 - Google Patents

Abstract

金属基底上制备高深宽比金属微光栅的方法，属于微制造技术领域。采用UV-LIGA技术在高纯镍板基底J上，经两次匀胶、分层曝光以及一次显影等光刻工艺过程得到SU-8胶胶膜，再经微电铸镍N、微电铸后处理来实现金属微光栅的制作；通过线宽补偿的方法解决溶胀引起的线宽变小问题；在去胶工序中，采用了“超声-浸泡-超声-浸泡”循环往复的方法去胶；在退火工序中使用真空退火去除残余应力，提高了基底与金属光栅之间的结合力。本发明的效果和益处是：采用此方法在金属基底J上制备金属微光栅具有深宽比、尺寸精度和机械强度高的特点，制备工艺简单，成本较低。

Description

金属基底上制备高深宽比金属微光栅的方法

技术领域

本发明属于微制造技术领域，涉及金属基底微电铸金属器件类，特别涉及到一种基于UV-LIGA工艺在金属基底上制备高深宽比金属微光栅的方法。

背景技术

作为光学仪器核心单元器件之一的金属微光栅在光谱测量、光计算、光信息处理等诸多领域有着重要的应用。随着金属微光栅需求量不断增长，其加工制备方法越来越受到科研人员的关注。现有的金属微光栅的制备主要是以硅为基底并结合溅射、制备掩蔽层、刻蚀等工艺实现。如《功能与材料》2010年论文集296-298页和《红外与毫米波学报》2013年4月第32卷第2期154-159页。文献1是在Si上首先溅射一层铝薄膜，然后结合光刻工艺制备掩蔽层，最后通过湿法刻蚀铝薄膜制备了周期为8μm，高度为0.3μm的铝光栅。但这种方法制备的金属光栅高度有限。文献2首先将环烯烃聚合物（COP）薄膜旋涂在硅片衬底上，然后压印出光栅结构，之后溅射Au薄膜，形成COP和Au的复合结构，再采用Ar和CF₄混合气体刻蚀上表面的金，再用氧反应离子刻蚀残留的COP层，最后制备了最大高度为1μm的金光栅。但这种方法制备的光栅侧壁倾斜、高度有限，工艺复杂，成本较昂贵。另外，二者都采用易碎的硅片为基底，制备过程中易出现因基底的碎裂而导致失败的问题。

以金属作为基底并利用UV-LIGA工艺制备的金属微光栅具有深宽比、尺寸精度和机械强度高的特点，制备工艺简单，成本较低。制备的高深宽比金属微光栅具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于UV-LIGA工艺在金属基底上制备高深宽比金属微光栅的方法。本发明采用的技术方案是在高纯镍板基底上，经两次匀胶、分层曝光以及一次显影等光刻工艺过程得到SU-8胶胶膜，再微电铸镍、微电铸后处理来实现金属微光栅的制作；通过线宽补偿的方法解决溶胀引起的线宽变小问题；在去胶工序中，采用了“超声-浸泡-超声-浸泡”循环往复的方法去胶；在退火工序中使用真空退火去除残余应力。

具体步骤如下：

（1）基板预处理：首先，镍基板经过研磨、抛光使其表面粗糙度小于0.04μm，然后用丙酮棉球将基板表面擦拭干净，接着分别在丙酮和乙醇中施以超声清洗，再用纯水冲洗干净后吹干，最后在烘箱中烘焙，去除水汽后冷却至室温；

（2）SU-8胶胶膜的制备：使用台式匀胶机在基底上分两次旋涂SU-8光刻胶，匀胶机设置不同的转速得到不同厚度的胶膜；分次旋涂的SU-8光刻胶分别经过静置、前烘、曝光、后烘后进行一次显影，最终得到所需的SU-8胶胶膜；得到的胶膜直接作为微电铸的型模；

（3）微电铸：采用在金属基底上直接电铸生长的无背板生长工艺；电铸过程中施以阴极移动和循环过滤；电铸液配方为：氨基磺酸镍365～375g/L、氯化镍6～10g/L、硼酸55～60g/L；微电铸镍工艺条件为：PH值3.9～4.1、温度48℃～52℃、电流密度0.5～1A/dm²；

（4）人工研磨抛光：采用人工研磨的方法对电铸后的电铸层表面进行研磨抛光，以获得平整的电铸层表面；

（5）去除SU-8胶：首先将具有光栅结构的基板浸泡在80～90℃的SU-8去胶液中，浸泡5～10h后施加超声1～2h，之后撤除超声继续用去胶液浸泡，如此“浸泡-超声-浸泡-超声”循环往复去胶，最终得到干净的光栅结构；

（6）高温真空退火：退火绝对真空度约为10^-3Pa，温度为350～400℃，退火时间1～1.5h，然后随炉冷却。

本发明的有益效果在于，解决了现有方法中在硅基底上制备金属微光栅的刻蚀深度有限、基底易碎、刻蚀精度难以控制等问题。采用此方法在金属基底上制备金属微光栅具有深宽比、尺寸精度和机械强度高的特点，制备工艺简单，成本较低。针对用户的具体要求，可制备高度达数百微米、微电铸层内应力小的高深宽比金属微光栅；能够为微制造领域提供表面粗糙度低的金属微光栅。

附图说明

图1光栅结构示意图。

图2第一层SU-8胶。

图3第一次曝光。

图4第二层SU-8胶。

图5第二次曝光。

图6显影效果图。

图7微电铸镍。

图8SU-8胶去除效果图。

图中：S1、S2为SU-8光刻胶膜，A为自由空间，N为镍金属，J为基底。

具体实施方式

以下结合上述技术方案和附图，详细说明本发明的具体实施方式。

例如：在镍含量为99.99%的高纯镍板上制备高深宽比金属微光栅，附图1所示，其综合尺寸如下：光栅凸台宽度为65μm，长度为900μm，高度为243μm，光栅周期为130μm。镍板尺寸为60×20×3mm³，制备该结构的具体步骤如下：

(1)基板预处理：先在研磨抛光机上进行研磨、抛光，最终镍基板表面粗糙度达到0.04μm以下；然后用丙酮棉球将基板表面擦拭干净，接着分别在丙酮和乙醇中施以超声清洗10分钟，再用纯水冲洗干净后吹干，最后在120℃的烘箱中烘焙，直至去除水汽后冷却至室温。

(2)SU-8胶胶膜的制备：使用台式匀胶机在基底J正面旋涂第一层SU-8光刻胶S1（如图2），匀胶的转速1000～1100rpm，胶厚150～170μm；然后在水平桌面上静置30min；接着进行前烘，温度85～95℃，时间1～2h，并随炉冷却；接下来的曝光则是在曝光机上使用SU-8胶敏感的365nm波长的紫外光并采用接触式曝光的方法进行曝光，曝光功率密度为10～13mW/cm²，曝光时间为2～5min，如图3所示；紧接着进行后烘，即在85℃热板上加热3～5min；冷却后进行SU-8胶的第二次旋涂，如图4所示，转速为1200～1300rpm，SU-8光刻胶S2胶厚110～130μm；随后的第二次静置、前烘、曝光（如图5）及后烘步骤同上；最后，用SU-8显影液显影10～20min，得到干净的SU-8胶胶膜，如图6所示。

(3)微电铸镍：采用在基板上直接电铸生长的无背板生长工艺。电铸过程中施以阴极移动和循环过滤，电铸液配方为：氨基磺酸镍：365～375g/L、氯化镍：6～10g/L、硼酸：55～60g/L；微电铸镍工艺条件为：PH值：3.9～4.1、温度：48℃～52℃、电流密度：0.5～1A/dm²。微电铸镍工艺过程就是将金属镍N沉积到微电铸型模的自由空间A中，如图7所示。

(4)人工研磨抛光：使用2000#砂纸进行人工研磨，使用粒度为2.5～3.0μm的抛光膏进行抛光，总去除量为5～20μm；

(5)去除SU-8胶：首先将具有光栅结构的基板浸泡在80～90℃的SU-8去胶液中，浸泡5～10h后施加超声1～2h，随后撤除超声继续用去胶液浸泡，如此“浸泡-超声-浸泡-超声”循环往复去胶，最终得到干净的光栅结构，如图8所示。

(6)高温真空退火：退火绝对真空度约为10^-3Pa，温度为350～400℃，退火时间1～1.5h后随炉冷却。

最终制备的镍金属微光栅的平均高度为245.6μm，其相对误差为1%；光栅平均周期为130.4μm，相对误差为0.3%；光栅凸台平均线宽65.5μm，相对误差为0.7%；光栅上表面粗糙度达4.6nm。

Claims (1)

1.在金属基底上制备高深宽比金属微光栅的方法，包括在高纯镍板基底上，经两次匀胶、分层曝光以及一次显影等光刻工艺过程得到SU-8胶胶膜，再微电铸镍、微电铸后处理来实现金属微光栅的制作；通过线宽补偿的方法解决溶胀引起的线宽变小问题；在去胶工序中，采用了“超声-浸泡-超声-浸泡”循环往复的方法去胶；在退火工序中使用真空退火去除残余应力；具体步骤如下：

（1）基板预处理：首先，镍基板经过研磨、抛光使其表面粗糙度小于0.04μm，然后用丙酮棉球将基板表面擦拭干净，接着分别在丙酮和乙醇中施以超声清洗，再用纯水冲洗干净后吹干，最后在烘箱中烘焙，去除水汽后冷却至室温；

（2）SU-8胶胶膜的制备：使用台式匀胶机在基底上分两次旋涂SU-8光刻胶，匀胶机设置不同的转速得到不同厚度的胶膜；分次旋涂的SU-8光刻胶分别经过静置、前烘、曝光、后烘后进行一次显影，最终得到所需的SU-8胶胶膜；得到的胶膜直接作为微电铸的型模；

（3）微电铸：采用在金属基底上直接电铸生长的无背板生长工艺；电铸过程中施以阴极移动和循环过滤；电铸液配方为：氨基磺酸镍365～375g/L、氯化镍6～10g/L、硼酸55～60g/L；微电铸镍工艺条件为：PH值3.9～4.1、温度48℃～52℃、电流密度0.5～1A/dm²；

（4）人工研磨抛光：采用人工研磨的方法对电铸后的电铸层表面进行研磨抛光，以获得平整的电铸层表面；

（5）去除SU-8胶：首先将具有光栅结构的基板浸泡在80～90℃的SU-8去胶液中，浸泡5～10h后施加超声1～2h，之后撤除超声继续用去胶液浸泡，如此“浸泡-超声-浸泡-超声”循环往复去胶，最终得到干净的光栅结构；

（6）高温真空退火：退火绝对真空度约为10^-3Pa，温度为350～400℃，退火时间1～1.5h，然后随炉冷却。