...料梯度功能盘状零件成形工艺研究
摘 要：采用AZ4620紫外光刻胶在UV-LIGA技术基础上制备了高深宽比MESM微结构。研究曝光、显影关键工艺因素对图形微结构的影响，解决匀胶、烘培等关键工艺问题，优化了AZ4620胶光刻工艺，成功制作出了近30μm厚的AZ4620光刻胶微结构图形，并通过电铸铜得到了具有垂直侧壁和高深宽比的精细镀铜MESM微结构。
关键词：光刻胶；烘焙；曝光；显影；电铸
引言
MEMS（微机电系统）是21世纪科技与产业的热点之一，而微细加工技术又是MEMS发展的重要基础。MEMS器件都需要高深宽比结构，同时还要求侧壁陡直。目前能够满足该技术要求的主要有LIGA技术和干法刻蚀技术。LIGA技术是利用同步辐射X射线深层光刻、电铸成型和微复制三种工艺手段有机结合的一种技术。具有批量生产三维微小零件的能力，可加工尺寸从亚微米到毫米，高度达1.5mm以上，深宽比达500的微小零件，并且保持微小零件侧壁陡直。但LIGA技术需要昂贵的同步辐射X光光源和X光掩模板，且加工周期较长，因此限制其广泛应用。干法刻蚀技术由于只能在硅材料上进行，也限制了其使用。
为了解决LIGA技术同步辐射X射线成本高昂问题，近几年探索出了一种利用常规紫外光刻蚀及掩模的UV-LIGA技术，用它来制作高深宽比的金属微小零件。虽然UV-LIGA技术制作的高深宽比微小零件在一些指标上与LIGA技术还存在着一些差距，但是已经能够满足微机械制作中的很多需要。本文采用AZ4620紫外光刻胶，进行UV-LIGA工艺实验。给出了加工制作的工艺过程，重点分析了该技术中曝光、显影对微结构的影响，通过优化过程工艺参数，实现了高深宽比的金属微结构加工制作。
1 实验
试验采用紫外光刻技术具体实验工艺步骤包括以下几步：
溅射镀膜→匀胶→烘培→二次匀胶→二次烘培→曝光→显影→电铸→去胶
选用氧化铝陶瓷做实验用基板，采用真空溅射镀膜的方法，在陶瓷基板上涂覆一层钛钨金复合膜。光刻匀胶前需对镀金陶瓷基片进行有机超声清洗和水剂超声清洗，以去除表面的污物。保证随后的胶层均匀，结合力良好，有利于高深宽比结构的形成。
实验采用AZ4620光刻胶，它广泛用于微细加工，具有分辨率高、深宽比大、吸收系数小等优点。采用匀胶机旋涂胶，先进行一次匀胶，匀胶厚度达到10μm左右。匀胶后采用热板进行烘焙，去除光刻胶中部分溶剂。然后进行二次匀胶，使光刻胶厚度增加到20μm以上，再次烘焙适当延长烘培时间。曝光采用德国Karl Suss公司的MA6型双面曝光机，曝光紫外光强度为10mW/cm2。使用AZ专用显影液，把曝光过的光刻胶去除，显影后形成需要的图形胶膜。显影后需用去离子水对显影后的胶膜进行清洗操作，去除表面污物，为下一步电铸铜做准备。用硫酸铜电铸液电铸铜，采用小电流脉冲电镀，提高电镀镀层均性及减少表面粗糙度。电镀后用氢氧化钾碱液去除光刻胶，最后用去离子水清洗并烘干，形成最终金属微结构，工藝效果图如图1所示。
2 结果分析
2.1 外观形貌
电铸铜后经扫描电子显微镜放大2000倍如图2所示，通过观察发现，镀铜微结构上表面较粗糙，侧壁陡直度好，侧壁光洁度很高。另外经过2000倍放大后，发现图形拐角成圆弧状，这主要是由掩膜胶版精度造成的。
2.2 图形厚度
电铸铜后使用台阶仪测试，测试曲线图如图3所示。通过观察发现，台阶陡直度好，与电子扫描显微镜拍照情况相吻合，台阶厚度的为26.9μm。
2.3 关键过程控制分析
2.3.1 匀胶。为了实现厚胶涂覆，可以采用降低匀胶转速的方法来实现，但会使基片边缘堆胶严重，同时会带来涂胶膜厚均匀性不好及胶膜平整度变差等问题。采用二次涂胶的方法来实现厚胶涂覆，就是采用涂胶、烘培、再涂胶、烘培的方法，可以避免上述问题，实现高质量的光刻胶膜的涂覆。
2.3.2 烘培。光刻工艺一般采用后烘的方式来增加光刻胶对基片的附着性，但是通过试验发现后烘会使光刻胶软化，光刻图形发生形变，严重影响电铸加工质量。因此厚胶光刻不适合采用后烘的方式来增加光刻胶的附着性能，应该通过适当地增加前烘时间来增加附着性，避免后烘造成光刻胶形变，影响电铸加工质量。
2.3.3 曝光。曝光是光刻的关键步骤，由于AZ4620光刻胶为厚胶光刻，在曝光的过程中，底层的光刻胶获得曝光剂量少，这就需要适当地增加曝光时间，以达到需要的曝光剂量。较弱的光强会增加曝光时间，造成曝光衍射，使图形精度降低。因此一般采用高强度的紫外光强进行曝光，以减少曝光时间，减少曝光衍射，提高光刻胶边缘陡直度及图形加工精度。
2.3.4 显影。曝光后显影要充分，确保需要带胶电铸的基片表面无光刻胶及显影液的残留。显影不充分会使基片残留光刻胶，在电铸加工过程中会造成电铸金属层与基片层结合不牢，造成脱落、电铸图形不完整等问题。
3 结束语
UV-LIGA技术是高深宽比微结构制备的一种非常有效和实用的方法。本文对AZ4620胶光刻工艺进行了系统的优化，通过采用二次涂胶、二次烘培、高强度光源曝光等工艺手段，制作高深宽比的光刻胶微结构，并在此基础上进行电铸铜加工，实现了高精度纯铜微结构的加工制作。为高深宽比MEMS金属微结构零件加工制作奠定了基础。
参考文献
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作者简介：王进（1982-），男，主要研究方向：薄膜电路加工制造。
