一种超高深宽比金属微柱阵列的制作方法技术

一种超高深宽比金属微柱阵列的制作方法，属于微制造技术领域。基于UV‑LIGA技术，在不锈钢基底上，将传统的高深宽比微柱的制作工艺转化为高宽深比微结构的制作工艺，从而将“超高深宽比微盲孔结构的显影和微电铸”转化为“微沟槽的显影和微电铸”，制作过程中避免了高深宽比带来的传质难度；利用叠层光刻胶工艺，通过多次SU‑8光刻胶套刻、微电铸镍、溅射铜导电层以及铸后平坦化处理，将微柱阵列与底板制作得到；利用真空退火工艺降低铸层的内应力，并提高铸层之间的结合力。本发明专利技术解决了深宽比大于或远大于10：1的超高深宽比金属微柱阵列的制作难题，并且微柱深宽比越大，本发明专利技术的有益效果越明显。另外，本发明专利技术具有微柱与背板结合力强、铸层之间结合力强等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种超高深宽比金属微柱阵列的制作方法
本专利技术属于微制造领域，涉及微电铸金属阵列器件类，特别涉及到一种基于UV-LIGA工艺制备超高深宽比金属微柱阵列的方法。
技术介绍
超高深宽比金属微柱阵列作为阵列电极具有良好的电化学特性，可以使金属微器件的频率范围、灵敏度、可靠性等性能得到显著提升，并且因其具有较大的比表面积，可以大幅度地提高散热效率。所以，超高深宽比金属微柱阵列在航空航天、能源、光学、通信、生物医学等方面应用日益广泛，其加工制备方法受到了科研人员的关注。现有的高深宽比金属微柱阵列器件的加工方法主要有微细电火花、微细电解加工技术、LIGA和UV-LIGA技术等。UV-LIGA技术作为金属微阵列器件的主要制作方法之一,具有加工精度高、加工效率高、可批量制造等优点。然而，利用UV-LIGA技术制作高深宽比金属微柱阵列器件时，如果微柱的深宽比过大，由于液相传质受限，往往会出现光刻工艺中的显影困难以及微电铸工艺中的“失铸”现象，从而导致制作失败。这是因为在SU-8光刻胶的光刻工艺中，由于微盲孔深宽比较大，显影液难以进入到微盲孔中，并且显影过程中的SU-8胶碎片也难以从深孔中排出，往往导致显影失败，从而无法获得电铸用的胶膜结构。而在微米尺寸的深孔电铸中，由于电铸液的传质受限，电铸液很难进入到深孔中，使得析出的金属离子不能及时得到补充，并且反应过程中阴极生成的气泡难以排出，导致“失铸”现象的出现，从而无法获得所需要的微柱结构。微柱阵列结构的深宽比越大，制作过程中液相传质的阻力就越大，所以超高深宽比金属微柱阵列制作的成品率近乎为零。《中国机械工程》2008年第19卷第12期第1457-1461页提出利用活动屏蔽膜板进行高深宽比微结构的微细电铸技术，通过屏蔽膜板动态地限制电沉积的区域，用低深宽比的膜板图形加工出高深宽比的金属微结构，获得了特征尺寸500μm、深宽比为5：1的微柱电极阵列，但是这种方法在制作过程中活动膜板的移动极易破坏金属微柱结构。《激光技术》2006年第一期第30卷47-49页开展了一项微电铸工艺研究，在瓦特镀镍的基础上改进电铸液参数，电铸溶液添加一定量的小分子量无机物(表面活性剂十二烷基硫酸钠)来减小电铸液表面张力，从而提高深铸能力。该研究选用了最佳的表面添加剂含量的电镀液，加工出直径32μm，深2000μm，深宽比约为7：1的结构。该研究表明，当十二烷基硫酸钠的加入量大于0.05g/L时，表面活性剂对电铸液表面张力的改善效果不大，所以表面活性剂的添加对深铸能力的提高有限。专利技术专利CN105603468A金属镍基底上制备高密集微细镍圆柱阵列的方法，公开了一种基于UV-LIGA工艺在金属镍基底上制备高密集型镍圆柱阵列的方法，经过两次匀胶、曝光、及超声显影工艺制作SU-8胶膜，再通过超声电铸镍、研磨、去胶等工艺得到直径80μm，高250μm，深宽比约为3：1的微圆柱阵列。该方法一定程度上解决了高深宽比微结构的“失铸”问题，但制作的微柱结构深宽比有限，而且在利用超声显影和超声电铸容易破坏胶膜结构使得胶膜脱离基底，从而导致制作失败。目前，利用UV-LIGA技术制作高深宽比金属微柱阵列的方法仍存在技术上的瓶颈，尤其是在深宽比大于或远大于10：1的超高深宽比金属微柱阵列的制作工艺研究方面，这个技术瓶颈亟待突破。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提出一种超高深宽比金属微柱阵列的制作方法，尤其适用于深宽比大于或远大于10：1的金属微柱阵列结构的制作。本专利技术采用的技术方案为：一种超高深宽比金属微柱阵列的制作方法，本专利技术基于UV-LIGA技术，在不锈钢基底上，将传统的高深宽比微柱的制作工艺转化为高宽深比微结构的制作工艺，从而将“超高深宽比微盲孔结构的显影和微电铸”转化为“微沟槽的显影和微电铸”；采用叠层光刻胶工艺，通过多层SU-8光刻胶膜套刻、多层微电铸镍、多次铸后平坦化处理以及溅射铜导电种子层制作，将微柱阵列与底板制作得到；利用真空退火工艺降低铸层的内应力，提高铸层之间的结合力；最后去除SU-8光刻胶，从而获得完整的金属微柱阵列。具体步骤如下：第一步，制备带有标记点图形的不锈钢基板1.1)基底预处理：选择不锈钢板作为衬底，经过研磨、抛光至其表面粗糙度小于0.04μm，然后依次利用丙酮、乙醇溶液对不锈钢板进行超声清洗，并去离子水冲洗干净，最后放入烘箱中烘干水汽后冷却至室温备用。1.2)制作背面对准标记：在不锈钢基板背面进行BN303光刻胶的光刻工艺，得到具有对准标记图形的胶膜结构；使用FeCl3腐蚀液对基板背面进行腐蚀，时间15min，温度25℃；再采用负胶去膜剂中去除BN303胶膜，得到带有标记点图形的不锈钢基板；背面对准标记用于制作过程中层与层之间的对准。第二步，在不锈钢基板正面制备多层复合结构2.1)制备第一层材料1)制备SU-8光刻胶膜S1：在基板正面制作第一层SU-8胶膜，包括匀胶、静置、前烘、曝光、后烘和显影等工艺步骤，得到图形化的具有自由空间F1的SU-8光刻胶膜S1，S1作为第一层电铸用胶母模；2)微电铸镍：微电铸镍是在电铸用胶母模的自由空间内进行金属镍的电沉积。在第一层电铸用胶母模S1的自用空间F1中沉积金属镍，至填充完整个自由空间F1,得到第一层镍铸层E1。电铸时采用脉冲电流、兆声辅助的方式，并施加以阴极移动和电铸溶液循环过滤。电铸溶液成分：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：兆声功率70W、PH值3.9～4.1、温度48℃～52℃、电流密度0.5～1A/dm2；每层电铸的时间由每层胶膜制作的厚度来决定；3)铸后平坦化处理：微电铸后表面进行研磨抛光，获得厚度均匀的铸层，并用乙醇、去离子水清洗平坦化处理后的铸层；4)制备导电种子层：若下一层具有悬空微柱结构，则需要制备导电种子层获得制作下一层的电铸条件，制备导电种子层时使用磁控溅射仪在平坦化处理后的铸层表面溅射铜，得到铜溅射层C1；若下一层无悬空微柱结构，则无需制备导电种子层，第二层材料的制备直接在平坦化处理后的第一层材料表面进行即可；2.2)制备第二层材料第二层材料的制备在第一层材料的表面进行。若制备的第一层材料表面具有铜溅射层，则第二层材料的制备在溅射层C1上进行；若制备的第一层材料无铜溅射层，则第二层材料的制备在平坦化处理后的第一层材料铸层E1表面进行即可。第二层材料的制备步骤方法同2.1)，首先在第一层材料的表面制作第二层具有自由空间F2的SU-8胶电铸用胶母模S2，在自由空间F2内进行微电铸镍获得第二层镍铸层E2，并对铸层E2表面进行平坦化处理。然后根据第三层材料有无悬空微柱结构确定是否制备导电种子层，若第三层材料具有悬空微柱结构，则需要在平坦化处理后的铸层E2表面溅射铜，获得铜溅射层C2；若第三层材料无悬空微柱结构，则无需制备导电种子层C2，第三层材料的制备直接在平坦化处理后的第二层材料铸层E2表面进行即可。2.3)制备第三层至第n层材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高深宽比金属微柱阵列的制作方法，其特征在于，所述制作方法采用叠层光刻胶工艺，通过多层SU-8光刻胶膜套刻、多层微电铸镍、多次铸后平坦化处理以及溅射铜导电种子层制作，将微柱阵列与底板制作得到；利用真空退火工艺降低铸层的内应力；最后去除SU-8光刻胶，从而获得完整的金属微柱阵列；步骤如下：/n第一步，制备带有标记点图形的不锈钢基板/n1.1)基底预处理：选择不锈钢板作为衬底，对其进行研磨、抛光、超声清洗；/n1.2)制作背面对准标记：在不锈钢基板背面进行BN303光刻胶的光刻工艺，得到具有对准标记图形的胶膜结构；使用FeCl

【技术特征摘要】
1.一种超高深宽比金属微柱阵列的制作方法，其特征在于，所述制作方法采用叠层光刻胶工艺，通过多层SU-8光刻胶膜套刻、多层微电铸镍、多次铸后平坦化处理以及溅射铜导电种子层制作，将微柱阵列与底板制作得到；利用真空退火工艺降低铸层的内应力；最后去除SU-8光刻胶，从而获得完整的金属微柱阵列；步骤如下：
第一步，制备带有标记点图形的不锈钢基板
1.1)基底预处理：选择不锈钢板作为衬底，对其进行研磨、抛光、超声清洗；
1.2)制作背面对准标记：在不锈钢基板背面进行BN303光刻胶的光刻工艺，得到具有对准标记图形的胶膜结构；使用FeCl3腐蚀液对基板背面进行腐蚀，再采用负胶去膜剂中去除BN303胶膜，得到带有标记点图形的不锈钢基板；背面对准标记用于制作过程中层与层之间的对准；
第二步，在不锈钢基板正面制备多层复合结构
2.1)制备第一层材料
1)制备SU-8光刻胶膜S1：在基板正面制作第一层SU-8胶膜，得到图形化的具有自由空间F1的SU-8光刻胶膜S1，S1作为第一层电铸用胶母模；
2)微电铸镍：在第一层电铸用胶母模S1的自用空间F1中沉积金属镍，金属镍填充完整个自由空间F1得到第一层镍铸层E1；每层电铸的时间由每层胶膜制作的厚度决定；
3)铸后平坦化处理：微电铸后表面进行研磨抛光，获得厚度均匀的铸层，清洗平坦化处理后的铸层；
4)制备导电种子层：若下一层具有悬空微柱结构，则需要制备导电种子层获得制作下一层的电铸条件，制备导电种子层时使用磁控溅射仪在平坦化处理后的铸层表面溅射铜，得到铜溅射层C1；若下一层无悬空微柱结构，则无需制备导电种子层，第二层材料的制备直接在平坦化处理后的第一层材料表面进行即可；
2.2)制备第二层材料
第二层材料的制备在第一层材料的表面进行；若制备的第一层材料表面具有铜溅射层，则第二层材料的制备在溅射层C1上进行；若制备的第一层材料无铜溅射层，则第二层材料的制备在平坦化处理后的第一层材料铸...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜立群，曹强，杜成权，肖海涛，赵明，翟科，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21