正向冲液的微细电铸装置及其微细电铸方法.pdf

1、10申请公布号CN103147099A43申请公布日20130612CN103147099ACN103147099A21申请号201310088800922申请日20130320C25D1/00200601C25D1/1020060171申请人南京航空航天大学地址210016江苏省南京市白下区御道街29号72发明人李寒松成杰曲宁松74专利代理机构江苏圣典律师事务所32237代理人贺翔54发明名称正向冲液的微细电铸装置及其微细电铸方法57摘要本发明涉及一种正向冲液的微细电铸装置及其微细电铸方法，属于电化学加工技术领域。本发明通过光刻工艺和电铸过程双重控制，提高电铸微结构侧壁垂直度；合理选择控制曝

2、光参数，使光刻后胶模形成预设的正角结构；化学本发明的方法及装置对提高微结构侧壁垂直度以及合理控制电铸过程并得到高质量的电铸结构表面有重要意义。51INTCL权利要求书1页说明书4页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图2页10申请公布号CN103147099ACN103147099A1/1页21一种正向冲液的微细电铸装置，包括电沉积系统、加热温控系统（1）、电解液循环系统，其中电沉积系统包括电铸槽（2）、直流电源（3）、阳极（8）、阴极基片（12）、微结构胶模（13）；其特征在于上述电解液循环系统包括正向冲液机构；该机构包括冲液泵（6）、阳极垫（7

3、）、阳极垫板（9）、调节垫片（10）、阴极垫板（11）；其中阳极垫板（9）安装于阳极垫（7）下方，阳极垫板（9）和阳极垫（7）形成阳极夹具，所述阳极（8）安装于阳极垫板（9）和阳极垫（7）之间，阳极垫（7）具有与冲液泵（6）相连的进液孔（14），阳极垫板（9）具有均匀分布的阳极流道（15）；其中阴极基片（12）固定于阴极垫板（11）上，阴极基片（12）上具有微结构胶模（13）；该微结构胶模的结构正角角度为88050；阴极垫板（11）上具有阴极流道（16）；其中调节垫片（10）安装于阳极夹具和阴极垫板（11）中间。2利用权利要求1所述的正向冲液的微细电铸装置的微细电铸方法，其特征在于包括以下过程

4、步骤1、对阴极基片（12）进行清洗烘干；步骤2、在阴极基片（12）上涂胶，并对涂覆的SU8胶（17）进行甩胶、前烘；步骤3、SU8胶（17）进行过曝光，即在紫外光（22）照射下，将掩模板（23）上的图形转移到SU8胶（17）上；选择合适的曝光时间，使过曝光得到的胶模结构正角角度为88050；其中随着曝光时间的增加过曝光得到的胶模结构的正角角度变小；步骤4、后烘、显影；步骤5、利用正向冲液的微细电铸装置进行电铸，其中溶液的循环通过冲液泵（6）实现，根据冲液强度的需要调节冲液泵（6）的流量，溶液通过冲液泵（6）后，流经阳极垫（7）的进液孔（14），通过阳极（8）后，再流经阳极垫板（9）的阳极流道（

5、15），喷射到阴极微结构胶模（13）的电铸表面，最后通过阴极垫板（11）的阴极流道（16）流出；步骤6、去胶。3根据权利要求2所述的利用正向冲液的微细电铸装置的微细电铸方法，其特征在于包括以下过程所述步骤3中选择合适的曝光时间，使过曝光得到的胶模结构正角角度为8823至8847。权利要求书CN103147099A1/4页3正向冲液的微细电铸装置及其微细电铸方法所属技术领域0001本发明涉及一种正向冲液的微细电铸装置及其微细电铸方法，属于电化学加工技术领域。背景技术0002LIGA技术是80年代初由德国KARLSRUHE研究中心发明并取得专利的一种高深宽比微细结构加工技术，由X射线光刻、电铸成型

6、和塑铸成型等三个主要工艺步骤组成。0003LIGA技术是重要的微机械加工技术之一，但由于该技术强烈依赖昂贵而稀缺的同步辐射X射线光源和制作复杂的掩模板，工艺成本极其昂贵，使得该种制造方法很难推广应用。为克服LIGA工艺技术的缺陷，出现了准LIGA技术，又称为UVLIGA技术，以光刻胶为光敏材料、常规紫外光为曝光光源的UVLIGA技术，是一种被学术界和产业界广泛关注的成本低、材料选择范围宽的高深宽比微结构制造技术。0004不管LIGA技术还是UVLIGA技术，制作高质量的胶模以及合理控制电铸过程并得到高质量的电铸结构表面是该技术成功应用的前提。因此该工艺要重点解决两个方面问题一方面是深度同步辐射

7、光刻只有它刻蚀出比较理想的图形，才能保证后续工艺的产品质量，得到较为理想的具有较大深宽比的三维微细结构。但是目前在保证微结构的尺寸精度上存在一些工艺难点，其影响因素为（1）光刻中，掩模板上的微图案与胶模上的微图案存在着一定的误差；（2）光刻中，由于胶模很厚使其底部和表面的感光量不同，造成在保证表面线宽变化很小的情况下，底部往往由于曝光不足而造成倒角（TTOP）的现象（说明书附图图2所示），即底部线宽小于表面线宽；（3）SU8胶模在电铸过程中会产生变形，这种变形是由两方面原因造成的浸泡在电铸液中，胶模产生溶胀变形导致尺寸变化，称之为溶胀效应；由于电铸是在一定的温度下进行，故导致胶模结构的热膨胀变

8、形，称之为热膨胀效应，以上导致胶模尺寸变形的因素合称为热溶胀性（说明书附图图3所示）。0005另一方面是微细电铸UVLIGA技术的关键工艺之一是胶模金属化，一般可采用微细电铸的方法获得金属微结构，但在窄而深的槽中电铸时，电沉积反应物质传输受到严重阻碍，且由于形状的不规则性，经常导致电场和流场的不均匀而引起表面不平整。因此溶液循环方式的选用便显得尤为重要。发明内容0006本发明旨在于提供一种提高电铸结构质量特别是电铸微结构侧壁垂直度的正向冲液的微细电铸装置及其微细电铸方法。0007一种正向冲液的微细电铸装置，包括电沉积系统、加热温控系统、电解液循环系统，其中电沉积系统包括电铸槽、直流电源、阳极、

9、阴极基片、微结构胶模；其特征在于说明书CN103147099A2/4页4上述电解液循环系统包括正向冲液机构；该机构包括冲液泵、阳极垫、阳极垫板、调节垫片、阴极垫板；其中阳极垫板安装于阳极垫下方，阳极垫板和阳极垫形成阳极夹具，所述阳极安装于阳极垫板和阳极垫之间，阳极垫具有与冲液泵相连的进液孔，阳极垫板具有均匀分布的阳极流道；其中阴极基片固定于阴极垫板上，阴极基片上具有微结构胶模；该微结构胶模的结构正角角度为88050；阴极垫板上具有阴极流道；其中调节垫片安装于阳极夹具和阴极垫板中间。0008利用所述的正向冲液的微细电铸装置的微细电铸方法，其特征在于包括以下过程步骤1、对阴极基片进行清洗烘干；步骤

10、2、在阴极基片上涂胶，并对涂覆的SU8胶进行甩胶、前烘；步骤3、SU8胶进行过曝光，即在紫外光照射下，将掩模板上的图形转移到SU8胶上；选择合适的曝光时间，使过曝光得到的胶模结构正角角度为88050；其中随着曝光时间的增加过曝光得到的胶模结构的正角角度变小；步骤4、后烘、显影；步骤5、利用正向冲液的微细电铸装置进行电铸，其中溶液的循环通过冲液泵实现，根据冲液强度的需要调节冲液泵的流量，溶液通过冲液泵后，流经阳极垫的进液孔，通过阳极后，再流经阳极垫板的阳极流道，喷射到阴极微结构胶模的电铸表面，最后通过阴极垫板（11）的阴极流道流出；步骤6、去胶。0009所述步骤3中选择合适的曝光时间，使过曝光得

11、到的胶模结构正角角度可以为8823至8847本发明针对现有光刻过程中造成微结构尺寸精度误差的因素，提出了在曝光过程中对SU8胶进行过曝光的工艺方法。通过过曝光工艺，使所得胶模结构底部线宽大于表面线宽，得到预设的正角结构。经验证，过曝光得到的胶模结构正角角度（说明书附图图3所示）为88左右时，可以使电铸后微小结构得到89近似垂直的侧壁。0010同时在微细电铸过程中，采取正向冲液电铸装置。正向冲液可以通过调节泵的流量控制冲液强度，使溶液循环流动。由于冲液加快了沉积层表面的溶液流动，循环的溶液加快了微细电铸过程中离子的运动，可以及时补充新鲜离子，因此降低了阴极极化，提高了电流密度和沉积效率，提高了电

12、铸速度，减少了电铸时间，从而降低了胶在电铸中的溶胀性，有利于得到侧壁陡直的电铸微结构。同时溶液的流动可以使阴极析出的氢气及时逸出，避免了电铸层出现针孔等缺陷。同时操作简单方便，成本较低，流场相对比较稳定。附图说明0011图1是正向冲液微细电铸装置示意图；图2是胶模结构出现的倒角现象；图3是胶模溶胀现象；图4是基片清洗、烘干；说明书CN103147099A3/4页5图5是甩胶、前烘；图6是过曝光；图7是后烘、显影；图8是电铸；图9是去胶；其中标号名称1、加热温控系统，2、电铸槽，3、直流电源，4、阳极引线，5、阴极引线，6、冲液泵，7、阳极垫，8、阳极，9、阳极垫板，10、垫片，11、阴极垫板，

13、12、阴极基片，13、微结构胶模，14、进夜孔，15、阳极流道，16、阴极流道，17、SU8胶，18、基片，19、溶胀后的胶模结构，20、电铸微结构，21、溶胀前的胶模结构，22、紫外光，23、掩模板，24、正角结构的胶模，25、溶胀部分。具体实施方式0012图1中，阳极8为薄金板，阴极为光刻好的胶模13，温度由加热温控系统1控制，溶液的循环通过冲液泵6实现，泵有多种型号，可根据冲液强度的需要调节泵的流量，阴阳极间的距离可通过装夹定位垫片10控制。溶液通过冲液泵6后，流经阳极垫7的进液孔14，通过阳极8后，再流经阳极垫板9的阳极流道15，喷射到阴极微结构胶模13的电铸表面，最后通过阴极垫板11

14、的阴极流道16流出。这种装置能很好的使溶液流动循环起来，增强电铸表面的溶液交换能力，快速清除电铸层表面析出的氢气泡，因此可以施加大电流，显著的提高电铸速度。电铸速度的提高降低了胶在溶液中的浸泡时间从而降低了溶胀量，提高了加工的尺寸精度；图49是过曝光工艺实现过程；图4中，对基片18进行清洗烘干；图5中，在基片18上涂胶，并对涂覆的SU8胶17进行甩胶、前烘。0013图6中，过曝光过程，在紫外光22照射下，将掩模板23上的图形转移到SU8胶17上。0014图7中，通过过曝光，得到底部线宽大于表面线宽的正角结构的胶模24，并对其进行后烘、显影。0015图8中，电铸进行过程中，胶的溶胀部分25影响着

15、胶模侧壁结构的变化。0016图9中，去胶后，得到电铸微结构20。0017具体实施例一1，对基片进行清洗烘干。00182，在基片上涂胶，并对涂覆的SU8胶进行甩胶、前烘。00193，过曝光过程，将掩模板上的图形转移到SU8胶上。过曝光工艺使用的是BG401型曝光机，胶模厚度300M，曝光光强度为2MW/CM2。通过控制曝光时间，得到底部线宽大于表面线宽的正角结构的胶模，经工具显微镜测量胶模上表面线宽尺寸A、下表面线宽尺寸B、胶模厚度C，由（图3所示），计算后确定胶模结构角度为8823。00204，对正角结构的胶模进行后烘、显影。00215，对显影得到的微结构胶模进行微电铸，电铸材料为金。说明书CN103147099A4/4页600226，去胶后，得到电铸金结构，经测量电铸金结构侧壁锥度为8914。0023具体实施例二重复与例一相同的工艺步骤，只是在第3步过曝光过程得到的胶模结构角度为8846，第6步中所得电铸金结构侧壁锥度为8889。0024具体实施例三重复与例一相同的工艺步骤，只是在第3步过曝光过程得到的胶模结构角度为8847，第6步中所得电铸金结构侧壁锥度为8914。说明书CN103147099A1/2页7图1图2图3图4图5说明书附图CN103147099A2/2页8图6图7图8图9说明书附图CN103147099A