CN1736851A - 金属微构件批量加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属微构件批量加工方法，属于微机电***技术领域。本发明首先根据待制备微构件的形状制备模具，然后利用模具在高分子聚合物基片上批量压印出高分子聚合物模具，接着高分子聚合物表面导电处理，再对表面导电的高分子聚合物模具进行微电铸，再磨平电铸后表面多余金属，最后去除高分子聚合物基片得到所需要的金属微构件。本发明利用模具在高分子聚合物基片上低成本批量压印出高分子聚合物模具，并对表面导电的高分子聚合物模具进行微电铸，减少金属微构件在批量生产时的工艺复杂性，加快其工艺流程，解决了低成本和批量生产金属微器件的问题。本加工方法具有工艺简单、灵活性好、一致性好、成本低、适于大批量生产等特点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电技术领域的加工方法，具体地说，是一种金属微构件批量加工方法。
背景技术
微机电***(MEMS：Micro Electro Mechanical Systems)器件的广泛应用使得多种微加工技术蓬勃发展。目前国际上用于制造微型机电***的微机械加工技术主要有两种：一种是基于微电子技术发展起来的表面硅微加工技术和体硅微加工技术。利用该技术已成功研制出部分硅微机械，如微加速度计、微压力传感器、微马达、微型泵，但是该技术只能对硅材料进行微加工，极大的限制了其应用范围。第二种工艺是采用LIGA技术(德文
Lithografie，Galvanoformung，
Abformung，代表三个主要工艺：X光深层光刻工艺、微电铸工艺和微复制技术)，该技术的优点是它能制造三维的金属或塑料微机械器件，获得的器件具有较大的高深宽比和精细的结构，侧壁陡峭、表面平整，是X光深层光刻、微电铸和微复制工艺的完美结合，但其需要昂贵的同步辐射X光光源和X光掩模板，而且加工周期较长，因此其应用也受到限制。近几年开发出了多种替代工艺，其中基于UV-LIGA的SU-8胶技术发展迅速，该技术采用超厚SU-8负胶光刻胶，利用紫外光源(UV：
Ultra
violet)代替LIGA技术中的同步辐射X光源进行曝光，再经过微电铸、微复制等工艺，可以批量制备各种材质的器件。
经对现有技术文献的检索发现，H.Lorenz等人在《Sensors and ActuatorsA：Physical》，NO.64(1998)pp33-39页上撰文：“High-aspect-ratio，ultrathick，negative-tone near-UV photoresist and its application forMEMS”(“高深宽比、超厚、近紫外负性光刻胶及其在MEMS中的应用，《传感器及执行器A：物理版》)。其中所讨论的是基于UV-LIGA的SU-8胶技术及其应用(制备微齿轮、微线圈等)：首先在备好导电层的基片上甩SU-8胶，再经过紫外光曝光，显影后得到SU-8胶模具，然后进行微电铸，之后去除SU-8胶以及基片即得到所需的金属构件。存在的缺点是SU-8胶工艺过程较复杂，周期比较长，而且每次的去胶是比较困难的一道工序，因此在批量生产时，用制得的金属构件作为模具，采用模压成型技术、微电铸技术进行微复制，即：先准备一块导电基板，然后在上面涂覆一层塑料，通过模压工艺在基片上获得塑料模具，然后对该样品进行微电铸，去除导电基板及塑料后即可获得金属产品。该技术的缺点是微复制工艺繁琐，每次需要准备导电基板，再涂覆流体状态的塑料；还要根据金属器件的高度来准确控制所涂覆塑料的厚度；而且模压后塑料微结构空隙会形成塑料残留层，电铸的部分不能完全导电，需要将残留层刻蚀掉，其工艺比较复杂、成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足和缺陷，提供一种金属微构件批量加工方法，使其通过制备模具、微复制技术、微电铸工艺，在高分子聚合物基片上制备所需的金属微构件，加工方法具有工艺简单、灵活性好、一致性好、成本低、适于大批量生产等特点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明首先根据待制备微构件的形状制备模具，然后利用模具在高分子聚合物基片上批量压印出高分子聚合物模具，接着高分子聚合物表面导电处理，再对表面导电的高分子聚合物模具进行微电铸，再磨平电铸后表面多余金属，最后去除高分子聚合物基片得到所需要的金属微构件。
以下对本发明作出进一步的限定，具体步骤如下：
(1)根据待制备微构件的形状制备模具
根据待制备微构件的形状制备掩膜板，通过UV-LIGA技术制备模具，即采用在导电基底上光刻和电铸的方法制备模具。待制备微构件的模具材料可为金属、硅、聚合物、陶瓷。优选采用金属模具。所述的待制备微构件的深宽比为0.001-2，厚度5微米-1000微米。所述的制备模具的深度比待制备微构件深度大5-50微米。
所述的光刻，其方法为：对硅片或玻璃片(厚度大于1毫米)进行清洗，并在180℃烘4个小时以上以去除表面水分子；硅片一面溅射2微米厚的金属钛薄膜并进行湿法氧化发黑处理；再次对其进行清洗并180℃烘4个小时；利用厚胶甩胶机在基片表面旋涂所需要厚度的SU-8胶，厚度5微米-1000微米；利用程控烘箱或者热板对SU8胶进行前烘处理，前烘65℃、时间30分钟和前烘95℃、时间20-300分钟；利用光学掩模，在SUSS MA6紫外光刻机上进行接触式曝光，曝光时间5-1000秒，曝光强度8mJ/cm2；对曝光后的SU-8胶进行后烘热处理，后烘65℃、时间30分钟和后烘95℃、时间10-90分钟；显影时间5-30分钟，得到光刻胶图形。
所述的电铸，其工艺条件为：①微电铸镍：电解液类型，瓦特镍镀液体系；镀液工作条件，温度50-60℃；PH值4.5-5.0；镀速0.15-1μm/min。②微电铸镍铁合金：电解液类型，硫酸盐型稀溶液；镀液工作条件，温度50-60℃，PH值4.5-5.0；镀速：0.05-0.8μm/min。
(2)利用制备的模具，采用真空模压或注塑成形技术批量复制出高分子聚合物模具。可用的高分子聚合物有聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
所述的真空模压，其方法为：将模具固定在真空热压机上，底部放上待模压的塑料片，如PMMA、PC、PS、PVC、PETG；关闭模腔并抽真空到10-1Pa；加接触力200N；上下热板加热至所需温度，温度范围100-200℃，并等待30秒；在一定的速度下加压力1000-5000N，并保持30-60秒；降温至脱模温度30-60℃；脱模；打开模腔，取出塑料样品。
所述的注塑成形技术，其方法为：首先将聚二甲基硅氧烷预聚体和对应的固化剂按10∶1混和搅拌，接着放入真空箱脱气30分钟，然后将聚二甲基硅氧烷浇注在模具上。放入烘箱65℃烘烤固化1小时。最后从模具上揭开聚二甲基硅氧烷，得到批量的聚二甲基硅氧烷高分子聚合物模具。
(3)高分子聚合物表面导电处理
为实现对高分子聚合物模具进行微电铸，其表面需要导电。可在制备得到的高分子聚合物上溅射金属薄膜，以形成电铸所需的导电层。
所述的溅射，其工艺条件为：直流溅射，本底真空2*10-6mbar，直流最大功率1kW；沉积速率：20-60nm/分钟。
(4)对表面导电的高分子聚合物模具进行电铸。
根据需要，金属微构件可以选择电铸镍(Ni)、铁镍(Fe-Ni)材质。
所述的电铸，其工艺条件为：微电铸镍：电解液类型，瓦特镍镀液体系；镀液工作条件，温度50-60℃；PH值4.5-5.0；镀速0.15-1μm/min。微电铸镍铁合金：电解液类型，硫酸盐型稀溶液；镀液工作条件，温度50-60℃，PH值4.5-5.0；镀速：0.05-0.8μm/min。
(5)采用研磨机磨平电铸后表面多余金属并抛光。
根据金属微构件的要求，磨平电铸后表面多余金属达到要求尺寸。
(6)采用高分子聚合物相应的溶剂去除高分子聚合物基片，得到所需要的金属微构件。
本发明利用模具在高分子聚合物上低成本批量压印出高分子聚合物模具，并对表面导电的高分子聚合物模具进行微电铸，而不是通过重复高成本的光刻、电铸及去胶，从而减少金属微构件在批量生产时的工艺复杂性，加快其工艺流程，解决了低成本和批量生产金属微器件的问题；本发明采用表面导电的高分子聚合物模具进行微电铸，而不是采用导电的基底进行微电铸，解决了复制后高分子聚合物微结构空隙因形成高分子聚合物残留层，使导电的基底不能完全露出，需要将残留层刻蚀掉这个问题，无须刻蚀残留层。本加工方法具有工艺简单、灵活性好、一致性好、成本低、适于大批量生产等特点。
具体实施方式
实施例1
制备5微米厚、直径5000微米、深宽比0.001的Ni金属圆盘
(1)根据待制备微构件的形状制备模具
根据待制备微构件的形状制备掩膜板，通过UV-LIGA技术制备模具，即采用在导电基底上光刻和电铸的方法制备模具。待制备微构件的金属镍模具。所述的制备模具的深度比待制备微构件深度大5微米。
所述的光刻，其方法为：对硅片或玻璃片(厚度大于1毫米)进行清洗，并在180℃烘4个小时以上以去除表面水分子；硅片一面溅射2微米左右厚的金属钛薄膜并进行湿法氧化发黑处理；再次对其进行清洗并180℃烘4个小时；利用厚胶甩胶机在基片表面旋涂所需要厚度的SU-8胶，厚度10微米；利用程控烘箱或者热板对SU8胶进行前烘处理，前烘65℃时间30分钟和95℃时间20分钟；利用光学掩模，在SUSS MA6紫外光刻机上进行接触式曝光，曝光时间5秒，曝光强度8mJ/cm2；对曝光后的SU-8胶进行后烘热处理，后烘65℃时间30分钟和95℃时间10分钟；显影时间5分钟，得到光刻胶图形。
所述的电铸，其工艺条件为：微电铸镍：电解液类型，瓦特镍镀液体系；镀液工作条件，温度60℃；PH值5.0；镀速1μm/min。
(2)利用制备的模具，采用真空模压在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)批量复制出高分子聚合物模具。
所述的真空模压，其方法为：将金属模具固定在真空热压机上，底部放上待模压的PMMA塑料片；关闭模腔并抽真空到10-1Pa；加接触力200N；上下热板加热至所需温度，温度范围160℃，并等待30秒；在一定的速度下加压力1000N，并保持30秒；降温至脱模温度40℃；脱模；打开模腔，取出塑料样品。
(3)高分子聚合物表面导电处理
为实现对高分子聚合物模具PMMA进行微电铸，其表面需要导电。可在制备得到的高分子聚合物上溅射金属薄膜，以形成电铸所需的导电层。
所述的溅射，其工艺条件为：直流溅射，本底真空2*10-6mbar，直流最大功率1kW；沉积速率：20-60nm/分钟。溅射一层铬铜膜，形成下一步电铸所需的导电层，铬层厚800埃、铜层厚3000埃。
(4)对表面导电的高分子聚合物模具进行镍电铸。
所述的电铸，其工艺条件为：微电铸镍：电解液类型，瓦特镍镀液体系；镀液工作条件，温度60℃；PH值5.0；镀速1μm/min。
(5)采用研磨机磨平电铸后表面多余金属并抛光。
根据金属微构件的要求，磨平电铸后表面多余金属达到要求尺寸5微米厚。
(6)采用乙酸乙酯去除PMMA塑料模具，得到所需要的金属微构件。
本发明减少金属微构件在批量生产时的工艺复杂性，加快其工艺流程，解决了低成本和批量生产金属微器件的问题，解决了复制后高分子聚合物微结构空隙因形成高分子聚合物残留层，使导电的基底不能完全露出，需要将残留层刻蚀掉这个问题，无须刻蚀残留层。本发明具有工艺简单、灵活性好、一致性好、成本低、适于大批量生产等特点。
实施例2
制备500微米厚、直径500微米、深宽比1的Ni金属圆盘
(1)根据待制备微构件的形状制备模具
根据待制备微构件的形状制备掩膜板，通过UV-LIGA技术制备模具，即采用在导电基底上光刻和电铸的方法制备模具。待制备微构件的金属镍模具。所述的制备模具的深度比待制备微构件深度大30微米。
所述的光刻，其方法为：对硅片或玻璃片(厚度大于1毫米)进行清洗，并在180℃烘4个小时以上以去除表面水分子；硅片一面溅射2微米左右厚的金属钛薄膜并进行湿法氧化发黑处理；再次对其进行清洗并180℃烘4个小时；利用厚胶甩胶机在基片表面旋涂所需要厚度的SU-8胶，厚度530微米；利用程控烘箱或者热板对SU8胶进行前烘处理，前烘65℃时间30分钟和95℃时间150分钟；利用光学掩模，在SUSS MA6紫外光刻机上进行接触式曝光，曝光时间450秒，曝光强度8mJ/cm2；；对曝光后的SU-8胶进行后烘热处理，后烘65℃时间30分钟和95℃时间60分钟；显影时间20分钟，得到光刻胶图形。
所述的电铸，其工艺条件为：微电铸镍：电解液类型，瓦特镍镀液体系；镀液工作条件，温度60℃；PH值5.0；镀速1μm/min。
(2)利用制备的模具，采用真空模压在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)批量复制出高分子聚合物模具。
所述的真空模压，其方法为：将金属模具固定在真空热压机上，底部放上待模压的PMMA塑料片；关闭模腔并抽真空到10-1Pa；加接触力200N；上下热板加热至所需温度，温度范围160℃，并等待30秒；在一定的速度下加压力3000N，并保持30秒；降温至脱模温度40℃；脱模；打开模腔，取出塑料样品。
(3)高分子聚合物表面导电处理
为实现对高分子聚合物模具PMMA进行微电铸，其表面需要导电。可在制备得到的高分子聚合物上溅射金属薄膜，以形成电铸所需的导电层。
所述的溅射，其工艺条件为：直流溅射，本底真空2*10-6mbar，直流最大功率1kW；沉积速率：20-60nm/分钟。溅射一层铬铜膜，形成下一步电铸所需的导电层，铬层厚800埃、铜层厚3000埃。
(4)对表面导电的高分子聚合物模具进行镍电铸。
所述的电铸，其工艺条件为：微电铸镍：电解液类型，瓦特镍镀液体系；镀液工作条件，温度60℃；PH值5.0；镀速1μm/min。
(5)采用研磨机磨平电铸后表面多余金属并抛光。
根据金属微构件的要求，磨平电铸后表面多余金属达到要求尺寸500微米厚。
(6)采用乙酸乙酯去除PMMA塑料模具，得到所需要的金属微构件。
本发明减少金属微构件在批量生产时的工艺复杂性，加快其工艺流程，解决了低成本和批量生产金属微器件的问题，解决了复制后高分子聚合物微结构空隙因形成高分子聚合物残留层，使导电的基底不能完全露出，需要将残留层刻蚀掉这个问题，无须刻蚀残留层。本发明具有工艺简单、灵活性好、一致性好、成本低、适于大批量生产等特点。
实施例3
制备1000微米厚、直径500微米、深宽比2的Ni金属圆盘
(1)根据待制备微构件的形状制备模具
根据待制备微构件的形状制备掩膜板，通过UV-LIGA技术制备模具，即采用在导电基底上光刻和电铸的方法制备模具。待制备微构件的金属镍模具。所述的制备模具的深度比待制备微构件深度大30微米。
所述的光刻，其方法为：对硅片或玻璃片(厚度大于1毫米)进行清洗，并在180℃烘4个小时以上以去除表面水分子；硅片一面溅射2微米左右厚的金属钛薄膜并进行湿法氧化发黑处理；再次对其进行清洗并180℃烘4个小时；利用厚胶甩胶机在基片表面旋涂所需要厚度的SU-8胶，厚度1050微米；利用程控烘箱或者热板对SU8胶进行前烘处理，前烘65℃时间30分钟和95℃时间300分钟；利用光学掩模，在SUSS MA6紫外光刻机上进行接触式曝光，曝光时间1000秒，曝光强度8mJ/cm2；；对曝光后的SU-8胶进行后烘热处理，后烘65℃时间30分钟和95℃时间90分钟；显影时间30分钟，得到光刻胶图形。
所述的电铸，其工艺条件为：微电铸镍：电解液类型，瓦特镍镀液体系；镀液工作条件，温度60℃；PH值5.0；镀速1μm/min。
(2)利用制备的模具，采用真空模压在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)批量复制出高分子聚合物模具。
所述的真空模压，其方法为：将金属模具固定在真空热压机上，底部放上待模压的PMMA塑料片；关闭模腔并抽真空到10-1Pa；加接触力200N；上下热板加热至所需温度，温度范围160℃，并等待30秒；在一定的速度下加压力5000N，并保持60秒；降温至脱模温度40℃；脱模；打开模腔，取出塑料样品。
(3)高分子聚合物表面导电处理
为实现对高分子聚合物模具PMMA进行微电铸，其表面需要导电。可在制备得到的高分子聚合物上溅射金属薄膜，以形成电铸所需的导电层。
所述的溅射，其工艺条件为：直流溅射，本底真空2*10-6mbar，直流最大功率1kW；沉积速率：20-60nm/分钟。溅射一层铬铜膜，形成下一步电铸所需的导电层，铬层厚800埃、铜层厚3000埃。
(4)对表面导电的高分子聚合物模具进行镍电铸。
所述的电铸，其工艺条件为：微电铸镍：电解液类型，瓦特镍镀液体系；镀液工作条件，温度60℃；PH值5.0；镀速1μm/min。
(5)采用研磨机磨平电铸后表面多余金属并抛光。
根据金属微构件的要求，磨平电铸后表面多余金属达到要求尺寸1000微米厚。
(6)采用乙酸乙酯去除PMMA塑料模具，得到所需要的金属微构件。
本发明减少金属微构件在批量生产时的工艺复杂性，加快其工艺流程，解决了低成本和批量生产金属微器件的问题，解决了复制后高分子聚合物微结构空隙因形成高分子聚合物残留层，使导电的基底不能完全露出，需要将残留层刻蚀掉这个问题，无须刻蚀残留层。本发明具有工艺简单、灵活性好、一致性好、成本低、适于大批量生产等特点。
Claims (10)
1.一种金属微构件批量加工方法，其特征在于，首先根据待制备微构件的形状制备模具，然后利用模具在高分子聚合物基片上批量压印出高分子聚合物模具，接着高分子聚合物表面导电处理，再对表面导电的高分子聚合物模具进行微电铸，再磨平电铸后表面多余金属，最后去除高分子聚合物基片得到所需要的金属微构件。
2.根据权利要求1所述的金属微构件批量加工方法，其特征是，所述的根据待制备微构件的形状制备模具，是指：采用在导电基底上光刻和电铸的方法制备模具，待制备微构件的模具材料为金属、硅、聚合物、陶瓷，待制备微构件的深宽比为0.001-2，厚度5微米-1000微米，制备模具的深度比待制备微构件深度大5-50微米。
3.根据权利要求2所述的金属微构件批量加工方法，其特征是，所述的光刻，其方法为：对厚度大于1毫米的硅片或玻璃片进行清洗，并在180℃烘4个小时以上以去除表面水分子；硅片一面溅射2微米厚的金属钛薄膜并进行湿法氧化发黑处理；再次对其进行清洗并180℃烘4个小时；利用厚胶甩胶机在基片表面旋涂所需要厚度的SU-8胶，厚度5微米-1000微米；利用程控烘箱或者热板对SU8胶进行前烘处理，前烘65℃、时间30分钟和前烘95℃、时间20-300分钟；利用光学掩模，在SUSS MA6紫外光刻机上进行接触式曝光，曝光时间5-1000秒，曝光强度8mJ/cm2；对曝光后的SU-8胶进行后烘热处理，后烘65℃、时间30分钟和后烘95℃、时间10-90分钟；显影时间5-30分钟，得到光刻胶图形。
4.根据权利要求2所述的金属微构件批量加工方法，其特征是，所述的电铸，其工艺条件为：①微电铸镍：电解液类型为瓦特镍镀液体系，镀液工作条件为温度50-60℃，PH值4.5-5.0，镀速0.15-1μm/min；②微电铸镍铁合金：电解液类型为硫酸盐型稀溶液，镀液工作条件为温度50-60℃，PH值4.5-5.0，镀速：0.05-0.8μm/min。
5.根据权利要求1所述的金属微构件批量加工方法，其特征是，所述的利用模具在高分子聚合物基片上批量压印出高分子聚合物模具，其方法是：采用真空模压或注塑成形技术批量复制出高分子聚合物模具，高分子聚合物有聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷。
6.根据权利要求5所述的金属微构件批量加工方法，其特征是，所述的真空模压，其方法为：将模具固定在真空热压机上，底部放上待模压的塑料片，如PMMA、PC、PS、PVC、PETG；关闭模腔并抽真空到10-1Pa；加接触力200N；上下热板加热至所需温度，温度范围100-200℃，并等待30秒；在一定的速度下加压力1000-5000N，并保持30-60秒；降温至脱模温度30-60℃；脱模；打开模腔，取出塑料样品。
7.根据权利要求5所述的金属微构件批量加工方法，其特征是，所述的注塑成形技术，其方法为：首先将聚二甲基硅氧烷预聚体和对应的固化剂按10∶1混和搅拌，接着放入真空箱脱气30分钟，然后将聚二甲基硅氧烷浇注在模具上，放入烘箱65℃烘烤固化1小时，最后从模具上揭开聚二甲基硅氧烷，得到批量的聚二甲基硅氧烷高分子聚合物模具。
8.根据权利要求1所述的金属微构件批量加工方法，其特征是，所述的高分子聚合物表面导电处理，是指：在制备得到的高分子聚合物上溅射金属薄膜，以形成电铸所需的导电层。
9.根据权利要求8所述的金属微构件批量加工方法，其特征是，所述的溅射，其工艺条件为：直流溅射，本底真空2*10-6mbar，直流最大功率1kW，沉积速率：20-60nm/分钟。
10.根据权利要求1所述的金属微构件批量加工方法，其特征是，所述的微电铸，其工艺条件为：①微电铸镍：电解液类型为瓦特镍镀液体系，镀液工作条件为温度50-60℃，PH值4.5-5.0，镀速0.15-1μm/min；②微电铸镍铁合金：电解液类型为硫酸盐型稀溶液，镀液工作条件，温度50-60℃，PH值4.5-5.0，镀速：0.05-0.8μm/min。
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