微电铸技术及其工艺优化进展研究

随着微机电系统(MEMS)和微影微电铸微模铸(LIGA)两种技术的发展,微电铸工艺正逐渐展现着其独特的魅力和发展潜力。然而,现有工艺中存在的缺陷也严重阻碍了其进一步发展。因此,对微电铸工艺进行深入研究,突破其工艺瓶颈,将对微加工工艺的应用和推广起着重要作用。着眼于目前微电铸工艺中存在的不足,从工艺缺陷的理论形成机理出发,总结了近期微电铸领域在工艺缺陷的改进方面所做出的努力及成果,并对微电铸工艺未来的发展趋势提出了一些看法。

LIGA工艺中微电铸工艺研究

为了得到微米级的微型结构,先用准分子激光加工高深宽比的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微孔结构,并以此和光刻成型的微结构作为模具,进行了微电铸试验,通过对电镀参数方法进行调整和优化,改善了微结构加工中镀液难以进入孔隙、浓差极化严重、结晶粒子不能得到及时补充等缺点,得到了线宽为10μm级的微型结构。为进一步的微结构加工奠定了基础。

基于SU-8厚胶光刻工艺的微电铸铸层尺寸精度控制新方法

以SU-8胶为微电铸母模制作镍模具时,胶模的热溶胀性使胶模变形,导致铸层线宽缩小,这是影响微电铸铸层尺寸精度的主要因素。针对密集蛇形沟道图形的镍模具微电铸工艺,以200.0μm厚SU-8胶为胶模,研究微电铸铸层尺寸精度的控制方法,提出基于SU-8厚胶光刻工艺的微电铸铸层尺寸精度控制新方法,即在图形四周增设一条封闭等间距的隔离带,用隔离带减少影响图形区域的SU-8胶模的体积,阻止电铸时该处胶模的热溶胀对图形区域的影响,进而减小铸层尺寸变化。结果表明,采用增设隔离带方法制作的镍模具,胶模线宽变化量最大值由61μm减小到31.4μm,铸层尺寸相对误差的最大值由31.3%减小到16.7%,这种方法显著提高微电铸铸层的尺寸精度。

无背板生长工艺微电铸均匀性的实验研究

针对基于无背板生长工艺的微电铸模具高度不均匀问题,本文首次采用两种不同的周期换向电流进行了实验研究.两种周期换向电流分别是正负脉冲换向电流和正向脉冲负向连续的换向电流,实验采用在大量正脉冲电流微电铸实验基础上总结出来的工艺参数.实验结果表明,由于负向电流腐蚀铸层表面的微观突起,脉冲间断时间消除微电铸阴极表面的浓差极化,正负脉冲电流获得了较好的微电铸均匀性.

微电铸中电流-流体耦合的数值分析及实验

研究了LIGA/UV-LIGA的核心技术微电铸的内在规律,对影响铸层生长的阴极电流密度和流体流场进行了数值分析。以微流控芯片微模具上的十字电铸层为研究对象,建立了微电铸的数学模型。给出了描述微电铸体系电流密度和流体流场的偏微分方程,运用有限元法对微电铸体系进行三维数值仿真,得到了电流密度分布和流体流场分布的数值结果。选择十字铸层上的测量点,由该点处电流密度和流体流速仿真数据计算出微电铸4 h的铸层生长高度仿真值,并与相同工艺条件下的微电铸实验铸层生长高度进行对比。结果显示,对应各测量点微电铸生长高度仿真值和实验值的变化趋势接近,绝对偏差小,最大绝对偏差为4.437μm,最小绝对偏差为0.264μm。实验表明这种数值仿真方法适用于微电铸工艺设计的辅助分析,可缩短微电铸工艺的开发周期。

微电铸的析氢现象研究

讨论了微电铸工艺中的析氢现象.析氢是微电铸中的附加反应,如处理不当,将会使铸层产生缺陷,如针孔和麻点等,同时引发氢脆,从而降低铸层的机械性能.通过对微电铸原理及析氢机理的分析,提出稳定pH值、增加搅拌和过滤循环、添加润湿剂以及采用脉冲电流等四种有效措施.实验证明,以上措施解决了析氢现象对铸层质量的影响,并获得了满意的铸层.

鲨鱼皮微电铸复制工艺研究

采用微电铸技术对生物表面形貌进行直接复制以成形出与生物原型形貌相接近的仿生表面,是生物复制成形技术由高聚物成形向金属沉积成形扩展的新途径。以鲨鱼皮为生物模板,针对其表皮微形貌结构特征,通过倾斜溅射方式先在其鳞片表面沉积导电层,进而采用正负间断脉冲电流对鲨鱼皮生物模板进行微电铸复制,成形出鲨鱼皮微电铸模板及仿鲨鱼表面。复制精度分析结果表明,采用微电铸生物复制成形工艺可以实现对鲨鱼皮外端沟槽微形貌的高逼真复制,证明该工艺可以应用于微尺度、复杂生物表面形貌的直接复制。

微电铸及其在MEMS中的应用

研究了微电铸在MEMS结构层制造工艺中的可行性并搭建了微电铸实验系统,通过对不同Watts镍电解液的成分实验得到了一组性能较好的成分配比.通过晶种层材料的实验得出TiCu作为晶种层材料的优点.利用微电铸的方法制作出微机械隧道陀螺仪中的悬臂梁、挡板、驱动电极等,得到了一组比较有价值的电铸参数,并对电铸中存在的问题进行了阐述.实验结果表明,采用方波脉冲电铸能够得到晶粒粗细均匀、硬度和应力符合设计要求的悬臂梁等MEMS结构.

LIGA技术微电铸镍的电化学研究

微电铸工艺兼具掩膜电镀和厚膜结构电铸的双重特征。采用线性电位扫描和电化学交流阻抗等电化学测量技术 ,对高深宽比掩膜条件下微电铸镍的电极反应动力学过程进行了初步研究。结果显示 ,高深宽比掩膜使扩散传质过程更容易成为电极反应的控制因素 ,并由此导致深层微电铸结构疏松多孔等缺陷。提高电镀过程传质能力的改良工艺能够显著改善微电铸镍结构的整体品质。

研究UV-LIGA微电铸电极过程的交流阻抗法

在给定的电铸液组分和工艺路线下,运用交流阻抗法研究了微电铸镍结构的电极过程动力学特性。建立了微电铸体系的等效电路,根据实验获得的交流阻抗图和电阻电抗频率响应,分析了搅拌、整平剂对微电铸体系交流阻抗的影响,计算了电极过程的交换电流密度。结果表明,加入十二烷基硫酸钠整平剂数量存在一个使交流阻抗最小的最佳值,大小为3 g/L,在有搅拌、加入最佳量的整平剂时,体系电极过程的交换电流密度为0.171 A/dm2。在微电铸过程中有搅拌、加入适量整平剂使电铸液交流阻抗下降,阴极电流效率提高,可以改善微电铸镍结构的表面性能、致密度和高度均匀性。

磁场作用下微电铸工艺参数对铸层表面形貌的影响

为了探讨磁场作用下电铸工艺参数对单面覆铜板表面铸层显微形貌的影响,以铸层的显微硬度为指标,采用正交试验优选了微电铸工艺参数,探讨了磁场强度、电流密度以及超声功率对铸层表面形貌的影响规律,确定了磁场作用下制备高硬度且铸层平整、致密的最优工艺参数。结果表明:施加磁场后,金属离子受到磁流体力学效应对电铸过程产生影响;随着磁场强度的增大,铸层晶粒逐渐得到细化,形状更加规则;随着电流密度、超声功率的增大,铸层晶粒均呈现出先细化后粗化的规律。磁场强度0.6 T、电流密度2 A/dm2、超声功率240 W、占空比20%下所得铸层晶粒粒径均匀,表面平整致密,显微硬度较高,具有良好的综合性能。

微电铸中电场均匀性分布与控制方法

微电铸技术用来生产金属微器件,已经成为一种重要的和有效的加工方法。为了获得理想的电铸产品结构,电铸液中电场的分布起到了重要的作用。电铸液中电场的均匀性分布可以提高微电铸的铸层质量和尺寸精度,并能提高电铸微观结构的力学性能。本文基于三电极体系提出了一种新的电场测量方法,并通过改变阳极的形状和位置来提高阴极附近电位分布的均匀性。实验结果表明,采用半圆弧形板作为阳极时,电铸液空间电场分布均匀性和阴极附近电场分布均匀性有明显的提高。因此,在实际应用中半圆弧形阳极可以改善电铸微器件的微观结构,提高铸层表面均匀性。

微电铸层均匀性的影响研究

微电铸技术加工的器件往往存在铸层不均匀的缺陷,导致其质量和性能大大降低。针对微电铸的不均匀性,介绍了微电铸工艺流程,从几何因素和电化学因素两方面对微电铸层均匀性的影响进行了综述。

利用微电铸制作镍悬臂梁

为了设计出导电的Ni微变截面悬臂梁,采用了基于成熟的电镀技术的微电铸工艺.在分析悬臂梁的变截面结构和搭建微电铸试验平台之后,设计了整个工艺流程,利用近紫外线厚胶光刻、Ni微电铸、去除牺牲层等工艺实现了悬臂梁的制作.工艺实验结果表明,整个变截面悬臂梁的铸层表面没有缺陷,但不同微电铸面积的基座、粗梁、细梁的铸层厚度不均匀,其中,铸层面积最大的基座铸层最厚,面积次之的粗梁的铸层厚度居中,面积最小的细梁的铸层最薄.实验证明在一定范围内增大占空比和降低电流密度可以抑制这种厚度不均匀现象.

低变形镍模具微电铸加工的工艺优化(英文)

微电铸工艺提供了一种有效的技术手段来制造金属模具,这种金属模具可被用于微图形的复制.模具的微电铸加工存在一个瓶颈问题:模具表面的不平整.金属模具的弯曲是造成模具表面不平整的主要原因之一.金属模具的弯曲变形会对微结构的复制精度产生影响.为了获得低变形镍模具,对微电铸工艺参数进行了优化.优化后的微电铸液中含有的镍离子质量浓度为80～90 g/L,硼酸的质量浓度为40～45 g/L,并且加入了0.3%L-1的润湿剂,其pH值控制在3.7～4.2之间.微电铸液的温度保持在50～55℃.在微电铸过程中,采用了电流密度为2～3A/dm2的脉冲电流,占空比为0.2.结果表明:采用优化后的工艺参数,可以获得低变形的镍模具,其变形量下降了19%.利用优化后的微电铸工艺,加工了一种可以用于热压工艺的镍模具,模具上的图形线宽为5μm,深度为5μm.

含N’N-二乙基硫脲添加剂的微电铸工艺金属铜填洞机理

为了研究含N’N-二乙基硫脲添加剂的微电铸工艺金属铜填洞机理,采用线性伏安法、循环电压电流溶出法(CVS)、扫描电镜(SEM)以及XRD测量法研究了N’N-二乙基硫脲对微电铸工艺电化学行为的影响,并借助塔菲尔方程,研究了微电铸铜反应过程中的电极动力学参数。结果表明,当微电铸铜工艺中加入N’N-二乙基硫脲添加剂时,产生活性极化,提高了铜离子还原时所需的活化能,金属离子的放电速度从2.221 4 mA/cm2降低到约0.076 mA/cm2,从而增加了反应时的过电位,促使电极表面晶核成型速度增加,晶体成长速度由2.57μm/min降低到约0.17μm/min,铜离子的平滑能力提高约50%,有效地减小了微电铸时的边沿效应,使金属铜具有良好的填充微型孔洞的能力。本实验通过微电铸工艺成功地将金属铜填充入宽为10μm,深宽比为4∶1的微型凹槽中,且镀层内没有空洞、空隙及细缝等缺陷。

表面微加工中镍的微电铸

介绍了微电铸工艺的基本原理以及脉冲电铸的特点.搭键了电铸实验系统,通过对Watts镍电解液的成分实验得到了一种性能较好的成分配比.利用微电铸的方法制作出微机械隧道陀螺仪中的悬臂梁、挡板、驱动电极等MEMS结构,得到了一组较有价值的电铸参数,对电铸中存在的问题进行了阐述.实验结果表明,采用方波脉冲电铸能够得到晶粒粗细均匀、硬度和应力符合设计要求的悬臂梁等MEMS结构.

基于电化学刻蚀与微电铸工艺的微流控芯片模具制作

为解决微流控芯片模具在微电铸工艺中铸层与基底结合力差的问题,在光刻工艺的基础上,采用掩膜电化学刻蚀和微电铸相结合的方法,制作出了结合力较好的镍基双十字微流控芯片模具。针对掩膜电化学刻蚀的工艺参数进行了试验研究,选定了制作微流控芯片模具的最佳工艺参数,解决了酸洗引起胶膜脱落失效、刻蚀引起侧蚀等问题。使用剪切强度表征界面结合强度,运用剪切法测量了微电铸层与基底的剪切强度,定量分析了酸洗工艺和刻蚀工艺的参数对界面结合强度的影响。试验结果表明,酸洗20s后电铸层与基底的剪切强度相对于直接电铸提高了98.5%,刻蚀5min后剪切强度提高了203.6%。刻蚀5min后的剪切强度相对于酸洗20s后电铸的剪切强度提高了53.0%。本文提出的方法能够有效提高铸层与基底的界面结合强度,延长微流控芯片模具的使用寿命。

LIGA/准LIGA技术微电铸工艺研究进展

微电铸是相对于常规电铸工艺而确立的新概念,它是适用于微小结构成型而建立的批量加工技术,既可以看作是在微细加工模具基础上的传统电铸技术的延伸,也可以认为是掩膜电镀在高深宽比方向发展的结果,微电铸工艺是LIGA/准LIGA技术的核心内容,在MEMS技术领域有广泛应用。介绍了电铸和微电铸的原理和特点,系统分析了微电铸过程的电化学本质,综述了微电铸技术研究的最新进展,给出了一些为大家所共识的微电铸镍基本工艺规范。

微电铸层内应力超声去除实验(英文)

针对Ni微电铸层中内应力过大的问题,提出用超声时效技术去除铸层内应力的方法.利用自行研制的超声设备对铸层内应力进行去除,借助X射线衍射仪和应力测量公式求得超声前后的内应力大小,并对实验结果进行对比.结果显示,铸层内应力在50min时去除最为明显,平均应力由-209.0MPa减小到-109.0MPa,减小了100MPa,消除率达到47.9%.可知在合适的实验参数下利用超声时效技术可以有效地减小和消除电铸层的内应力.超声时效去应力效果与热处理效果相当,能够满足微器件的使用要求,具有一定的实用价值.