AZ4620紫外厚膠制備金屬小零件工藝研究

摘 要：采用AZ4620紫外光刻膠在UV-LIGA技術(shù)基礎(chǔ)上制備了高深寬比MESM微結(jié)構(gòu)。研究曝光、顯影關(guān)鍵工藝因素對圖形微結(jié)構(gòu)的影響，解決勻膠、烘培等關(guān)鍵工藝問題，優(yōu)化了AZ4620膠光刻工藝，成功制作出了近30μm厚的AZ4620光刻膠微結(jié)構(gòu)圖形，并通過電鑄銅得到了具有垂直側(cè)壁和高深寬比的精細(xì)鍍銅MESM微結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：光刻膠；烘焙；曝光；顯影；電鑄

引言

MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）是21世紀(jì)科技與產(chǎn)業(yè)的熱點之一，而微細(xì)加工技術(shù)又是MEMS發(fā)展的重要基礎(chǔ)。MEMS器件都需要高深寬比結(jié)構(gòu)，同時還要求側(cè)壁陡直。目前能夠滿足該技術(shù)要求的主要有LIGA技術(shù)和干法刻蝕技術(shù)。LIGA技術(shù)是利用同步輻射X射線深層光刻、電鑄成型和微復(fù)制三種工藝手段有機(jī)結(jié)合的一種技術(shù)。具有批量生產(chǎn)三維微小零件的能力，可加工尺寸從亞微米到毫米，高度達(dá)1.5mm以上，深寬比達(dá)500的微小零件，并且保持微小零件側(cè)壁陡直。但LIGA技術(shù)需要昂貴的同步輻射X光光源和X光掩模板，且加工周期較長，因此限制其廣泛應(yīng)用。干法刻蝕技術(shù)由于只能在硅材料上進(jìn)行，也限制了其使用。

為了解決LIGA技術(shù)同步輻射X射線成本高昂問題，近幾年探索出了一種利用常規(guī)紫外光刻蝕及掩模的UV-LIGA技術(shù)，用它來制作高深寬比的金屬微小零件。雖然UV-LIGA技術(shù)制作的高深寬比微小零件在一些指標(biāo)上與LIGA技術(shù)還存在著一些差距，但是已經(jīng)能夠滿足微機(jī)械制作中的很多需要。本文采用AZ4620紫外光刻膠，進(jìn)行UV-LIGA工藝實驗。給出了加工制作的工藝過程，重點分析了該技術(shù)中曝光、顯影對微結(jié)構(gòu)的影響，通過優(yōu)化過程工藝參數(shù)，實現(xiàn)了高深寬比的金屬微結(jié)構(gòu)加工制作。

1 實驗

試驗采用紫外光刻技術(shù)具體實驗工藝步驟包括以下幾步：

濺射鍍膜→勻膠→烘培→二次勻膠→二次烘培→曝光→顯影→電鑄→去膠

選用氧化鋁陶瓷做實驗用基板，采用真空濺射鍍膜的方法，在陶瓷基板上涂覆一層鈦鎢金復(fù)合膜。光刻勻膠前需對鍍金陶瓷基片進(jìn)行有機(jī)超聲清洗和水劑超聲清洗，以去除表面的污物。保證隨后的膠層均勻，結(jié)合力良好，有利于高深寬比結(jié)構(gòu)的形成。

實驗采用AZ4620光刻膠，它廣泛用于微細(xì)加工，具有分辨率高、深寬比大、吸收系數(shù)小等優(yōu)點。采用勻膠機(jī)旋涂膠，先進(jìn)行一次勻膠，勻膠厚度達(dá)到10μm左右。勻膠后采用熱板進(jìn)行烘焙，去除光刻膠中部分溶劑。然后進(jìn)行二次勻膠，使光刻膠厚度增加到20μm以上，再次烘焙適當(dāng)延長烘培時間。曝光采用德國Karl Suss公司的MA6型雙面曝光機(jī)，曝光紫外光強(qiáng)度為10mW/cm2。使用AZ專用顯影液，把曝光過的光刻膠去除，顯影后形成需要的圖形膠膜。顯影后需用去離子水對顯影后的膠膜進(jìn)行清洗操作，去除表面污物，為下一步電鑄銅做準(zhǔn)備。用硫酸銅電鑄液電鑄銅，采用小電流脈沖電鍍，提高電鍍鍍層均性及減少表面粗糙度。電鍍后用氫氧化鉀堿液去除光刻膠，最后用去離子水清洗并烘干，形成最終金屬微結(jié)構(gòu)，工藝效果圖如圖1所示。

2 結(jié)果分析

2.1 外觀形貌

電鑄銅后經(jīng)掃描電子顯微鏡放大2000倍如圖2所示，通過觀察發(fā)現(xiàn)，鍍銅微結(jié)構(gòu)上表面較粗糙，側(cè)壁陡直度好，側(cè)壁光潔度很高。另外經(jīng)過2000倍放大后，發(fā)現(xiàn)圖形拐角成圓弧狀，這主要是由掩膜膠版精度造成的。

2.2 圖形厚度

電鑄銅后使用臺階儀測試，測試曲線圖如圖3所示。通過觀察發(fā)現(xiàn)，臺階陡直度好，與電子掃描顯微鏡拍照情況相吻合，臺階厚度的為26.9μm。

2.3 關(guān)鍵過程控制分析

2.3.1 勻膠。為了實現(xiàn)厚膠涂覆，可以采用降低勻膠轉(zhuǎn)速的方法來實現(xiàn)，但會使基片邊緣堆膠嚴(yán)重，同時會帶來涂膠膜厚均勻性不好及膠膜平整度變差等問題。采用二次涂膠的方法來實現(xiàn)厚膠涂覆，就是采用涂膠、烘培、再涂膠、烘培的方法，可以避免上述問題，實現(xiàn)高質(zhì)量的光刻膠膜的涂覆。

2.3.2 烘培。光刻工藝一般采用后烘的方式來增加光刻膠對基片的附著性，但是通過試驗發(fā)現(xiàn)后烘會使光刻膠軟化，光刻圖形發(fā)生形變，嚴(yán)重影響電鑄加工質(zhì)量。因此厚膠光刻不適合采用后烘的方式來增加光刻膠的附著性能，應(yīng)該通過適當(dāng)?shù)卦黾忧昂鏁r間來增加附著性，避免后烘造成光刻膠形變，影響電鑄加工質(zhì)量。

2.3.3 曝光。曝光是光刻的關(guān)鍵步驟，由于AZ4620光刻膠為厚膠光刻，在曝光的過程中，底層的光刻膠獲得曝光劑量少，這就需要適當(dāng)?shù)卦黾悠毓鈺r間，以達(dá)到需要的曝光劑量。較弱的光強(qiáng)會增加曝光時間，造成曝光衍射，使圖形精度降低。因此一般采用高強(qiáng)度的紫外光強(qiáng)進(jìn)行曝光，以減少曝光時間，減少曝光衍射，提高光刻膠邊緣陡直度及圖形加工精度。

2.3.4 顯影。曝光后顯影要充分，確保需要帶膠電鑄的基片表面無光刻膠及顯影液的殘留。顯影不充分會使基片殘留光刻膠，在電鑄加工過程中會造成電鑄金屬層與基片層結(jié)合不牢，造成脫落、電鑄圖形不完整等問題。

3 結(jié)束語

UV-LIGA技術(shù)是高深寬比微結(jié)構(gòu)制備的一種非常有效和實用的方法。本文對AZ4620膠光刻工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化，通過采用二次涂膠、二次烘培、高強(qiáng)度光源曝光等工藝手段，制作高深寬比的光刻膠微結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電鑄銅加工，實現(xiàn)了高精度純銅微結(jié)構(gòu)的加工制作。為高深寬比MEMS金屬微結(jié)構(gòu)零件加工制作奠定了基礎(chǔ)。

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作者簡介：王進(jìn)（1982-），男，主要研究方向：薄膜電路加工制造。