蠟燭座注塑模具設(shè)計(jì)（全套含CAD圖紙）,蠟燭,燭炬,注塑,模具設(shè)計(jì),全套,cad,圖紙 使用UV-Lithographie，Galvanoformung，Abformung（LIGA）技術(shù)的微型，多級(jí)，錐形模具插件的數(shù)值模擬和制造 摘要：對(duì)高分辨率微結(jié)構(gòu)（HARMS）的經(jīng)濟(jì)制造技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。使用金屬基HARMS的微型設(shè)備對(duì)于機(jī)械，機(jī)電和化學(xué)應(yīng)用尤為重要。在許多應(yīng)用中，需要具有兩個(gè)或更多高度的HARMS。通過壓縮成型制造這些多級(jí)HARMS需要兩級(jí)或多級(jí)模具插入件。此外，錐形模具插入件將有助于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的插入件分離。本文報(bào)道了通過結(jié)合SU-8抗蝕劑的UV光刻，一步金屬電沉積，拋光和水平，然后除去SU-8抗蝕劑來制造兩級(jí)錐形模插件的方法。沒有傾斜和在光刻步驟期間的旋轉(zhuǎn)，通過采用UV光刻和抗蝕劑顯影的特征獲得錐形電鍍模具。使用的SU-8去除方法不會(huì)降低電沉積模具的強(qiáng)度。我們的方法的功效通過兩級(jí)模具插入物原型來證明。 關(guān)鍵詞 SU-8抗蝕劑 多級(jí) 錐形插入物 一步電沉積 SU-8剝離 1 簡(jiǎn)介 大多數(shù)當(dāng)前的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）都是用硅基材料的表面微機(jī)械加工或體微加工制造的。 在需要金屬或聚合物微結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，光刻膠，Galvanoformung，Abformung（LIGA）工藝是優(yōu)選的制造技術(shù)。 LIGA工藝首先使用PMMA的X射線光刻技術(shù)（Menz等人，1991; Mohr等人，1992; El-Kholi等人1993; Kondo等人1998; Ehrfeld和Schmidt 1998; Henry等人1999 ; Guckel等人2000; Singleton等人2002; Schulz和Bade等人2004; Heckele和Schomburg 2004）已被用于制造用于機(jī)械，電氣，化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)裝置和系統(tǒng)中的高縱橫比微結(jié)構(gòu)（HARMS）（Menz等人，1991; Mohr等人，1992; El- Kholi等人1993; Kondo等人1998; Ehrfeld和Schmidt 1998; Henry等人1999; Guckel等人2000; Singleton等人2002; Schulz和Bade等人2004; Heckele和Schomburg 2004），包括微加速器（Qu等人，1999），RF感應(yīng)器（Sadler等人2001），微型混合器/反應(yīng)器（Yang等人2004），聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）系統(tǒng)（Hupert和Witek 2003）等。光刻，電沉積和成型的三步LIGA工藝的成型復(fù)制步驟對(duì)于低成本HARMS生產(chǎn)是最重要的。已經(jīng)報(bào)道了使用LIGA或LIGA類技術(shù)來生產(chǎn)基于聚合物，金屬和陶瓷的HARMS的努力（Guckel等人2000; Heckele和Schomburg 2004; Hupert和Witek 2003;Cao等2003，2004;曹和孟2004; Cao 2004; Dinakar 2003）。 PMMA的X射線光刻技術(shù)生產(chǎn)高品質(zhì)的電鍍模具，屬性如高縱橫比和垂直側(cè)壁。在電沉積后也可以容易地除去PMMA（Menz等人，1991; Mohr等人，1992; El-Kholi等人1993; Kondo et al。1998; Ehrfeld和Schmidt 1998;亨利等人1999; Guckel et al。 2000; Singleton等2002; Schulz和Bade等2004; Heckele and Schomburg 2004）。由于暴露時(shí)間大大降低，LIGA處理中也采用了SU-8（XRD）的X射線光刻技術(shù)（Ryan 2002; Jian 2002; Turner and Desta et al。2003; Yang and Wang 2005）。 SU-8的UV光刻技術(shù)以更低的成本為厚HARMS提供了出色的品質(zhì)，因此是X射線光刻的替代品。 最近在理解UV光刻工藝和提高光刻質(zhì)量方面取得的進(jìn)展使得制造的長(zhǎng)寬比超過100的SU-8微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（Yang等，2003）。 仔細(xì)控制光刻條件也導(dǎo)致了相當(dāng)?shù)暮媒Y(jié)果，質(zhì)量垂直側(cè)壁（Yang et al。2003）。 基于SU-8抗蝕劑的UV光刻技術(shù)的UV-LIGA技術(shù)也被用于制造幾種器件原型（Williams等人2005; Dentinger等人2002）。 在文獻(xiàn)中已經(jīng)報(bào)道了去除交聯(lián)SU-8抗蝕劑的一些努力（Muralidhar等人2001;里斯2001; Rosato et al。2000）。用于制造單個(gè)高度的模具插入件的工藝是很好理解的。多級(jí)HARMS的制作決定了更復(fù)雜的處理。最多常用的方法是使用對(duì)準(zhǔn)的多個(gè)光刻和電鍍步驟（Ehrfeld和Schmidt 1998; Williams等人，2005）。機(jī)械拋光和對(duì)準(zhǔn)在步驟之間需要。如圖1所示。 如圖1所示，在電鍍結(jié)構(gòu)中，由于多次電鍍步驟而導(dǎo)致的接觸面積可能具有減小的強(qiáng)度。這些強(qiáng)度降低由于多個(gè)電鍍步驟之間的電鍍條件的波動(dòng)進(jìn)一步加劇。 因此，通過這種多步驟方法制造的多級(jí)模具插入件的成型性能可能受到損害。 制造多層次HARMS的另一種方法是使用預(yù)先構(gòu)造的襯底（Qu等人，1999）?；谧罱KHARMS的所需高度，精心設(shè)計(jì)的用作犧牲層的微結(jié)構(gòu)在基板上制成。然后將預(yù)結(jié)構(gòu)化襯底用于光刻和電鍍工藝。在鍍覆圖案填充所需金屬并過度鍍覆后，剩余的抗蝕劑被剝離。然后對(duì)預(yù)先構(gòu)造的特征（犧牲層）進(jìn)行化學(xué)蝕刻以從基底釋放模具插入物。這種方法的主要困難是由不均勻的基板表面導(dǎo)致的不均勻的電鍍速率。較高初始高度的圖案傾向于具有高得多的電鍍速率。一般來說，電鍍成具有小開口的深層特征往往是困難的。具有較高電鍍速率的凸起區(qū)域可能被快速地過度鋪展并生長(zhǎng)成“蘑菇”結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這些“溢出”的金屬然后覆蓋相鄰的更深的微圖案，并防止進(jìn)一步電鍍到它們中。這導(dǎo)致較小/較深的孔/通道的無填充或部分填充。 圖 1 由于多次曝光和電鍍步驟，電鍍界面的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)可能會(huì)損害這種多級(jí)HARMS的性能 如模具插入Kim等人（2002）報(bào)道了一種有趣的制造多層高縱橫比微結(jié)構(gòu)和模具插入物的方法。他們通過使用PDMS模具在對(duì)準(zhǔn)的多光刻和電鍍工藝中引入了中間步驟。在其方法中，使用UV和X射線光刻的組合制造SU-8圖案。然后從SU-8圖案制成PDMS模具。然后將PDMS模具用種子層濺射并鍍鎳。然后通過剝離PDMS模具將鍍鎳的鎳結(jié)構(gòu)從電鍍模中釋放出來。然后釋放的鎳微結(jié)構(gòu)可用作模具插入物。該方法解決了傳統(tǒng)對(duì)齊多光刻和電鍍工藝中的結(jié)構(gòu)問題。它可以對(duì)于需要中空結(jié)構(gòu)或沒有顯著的機(jī)械載荷的一些應(yīng)用（例如微針陣列）（Kim等人2002）非常有用。使用PDMS中間步驟的一個(gè)潛在的回溯是減少最終模具插入物的準(zhǔn)確性。另一個(gè)限制是在電鍍結(jié)構(gòu)中可能形成一些空隙，因?yàn)榉N子層在PDMS模具的整個(gè)表面上濺射。 在脫模過程中，模具插入件與模制材料之間的分離可能是困難的。插入物上的微特征的體積減少隨著特征線性尺寸的減小，比其表面積快。這種縮放表明，微特征經(jīng)歷的摩擦力可能會(huì)變得如此在足夠小的特征特征尺寸下顯著并超過其承載能力。為了避免插入物的塑性變形或模制部件的撕裂，錐角可能是有幫助的（Rosato等人，2000; Janczyk等，1997）。立體光刻可以制造具有錐角的模具插入件（Janczyk等人1997; Cedorge和Colton 2000; Pham和Colton 2002）。然而，立體光刻模具是逐層形成的，當(dāng)錐角設(shè)定時(shí)可能產(chǎn)生步進(jìn)效應(yīng)，并導(dǎo)致增加的摩擦力（Janczyk等，1997; Cedorge和Colton 2000; Pham and Colton 2002）。通過X射線平版印刷技術(shù)，通過傾斜和旋轉(zhuǎn)的多次曝光在SU-8抗蝕劑上制造（Jian 2002; Turner和Desta等2003; Yang和Wang 2005），暴露時(shí)間大大增加，成本高得多。 在本文中，我們提出了一種制造兩級(jí)模具插件的新工藝。 在光刻步驟中UV光的衍射用于獲得SU-8抗蝕劑中的錐形圖案。 兩級(jí)模具插件的電鍍可以在一個(gè)步驟中完成，不產(chǎn)生外部界面。 SU-8抗蝕劑的去除不會(huì)導(dǎo)致HARMS強(qiáng)度的明顯變化。 2具有錐形側(cè)壁的SU-8結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬和制造 與軟X射線范圍相比，邊緣或狹縫周圍的衍射效應(yīng)在近紫外范圍的波長(zhǎng)（例如，405nm的h線）處更為顯著。 該現(xiàn)象用于獲得SU-8抗蝕劑中的錐形圖案。 為了達(dá)到一個(gè)有用的錐角，SU-8電鍍模應(yīng)在頂部有較大的開口。 圖3顯示了SU-8電鍍模具的三種可能的形狀，分別為負(fù)，零和正錐角。 具有正錐度的插入物角度被認(rèn)為是最好的成型目的。 圖 2 示意圖顯示不均勻的影響電鍍率在不同地區(qū)的預(yù)先構(gòu)造基板 基于惠更斯原理，通過菲涅爾 - 基爾霍夫積分公式可以描述通過具有任意形狀的開口在不透明分區(qū)中的衍射： 其中k = 2p / k，k是入射光波長(zhǎng)，U0表示入射單色球面波，r和r0表示孔徑上的點(diǎn)的位置相對(duì)于屏幕和源，（n，r）和（n，r0）分別表示向量與積分表面的法線之間的角度，積分在孔徑區(qū)域之上。為了更好地了解SU-8的UV光刻及其對(duì)側(cè)壁輪廓的影響，使用ZEMAX EE（ZEMAX Development Corporation，San Diego，CA，USA）進(jìn)行數(shù)值模擬。 該軟件基于方程式中所示的衍射原理。1，可用于執(zhí)行與SU-8抗蝕劑的UV光刻相關(guān)的菲涅爾衍射模擬。 在k = 365nm（i線）處，SU-8的折射率分別為n = 1.668，k = 405nm（h線）的n = 1.649。其透射率與厚度曲線如圖1所示。4在這兩個(gè)選定的波長(zhǎng)。 對(duì)于給定的掩模圖案，整個(gè)SU-8抗蝕劑被分成不同的數(shù)值層。用ZEMAX計(jì)算不同數(shù)值層內(nèi)的光強(qiáng)分布，并將其導(dǎo)入SigmaPlot（Systat Software，Inc.，Richmond，CA，USA），以在整個(gè)抗蝕劑層中產(chǎn)生光能分布輪廓。 假設(shè)SU-8的UV光吸收與局部能量強(qiáng)度成正比。 因此劑量輪廓與能量分布的輪廓一致。 總曝光劑量的輪廓和顯影條件結(jié)合起來確定SU-8圖案的最終側(cè)壁輪廓。 對(duì)于兩種不同的掩模圖案進(jìn)行了數(shù)值模擬，如圖1所示。一個(gè)是開口槽，另一個(gè)是遮光。這些分別在負(fù)光刻膠如SU-8，突起和開放的通道中產(chǎn)生。當(dāng)顯示模擬結(jié)果時(shí)，光強(qiáng)度通過其在抗蝕劑表面處的值歸一化：在相同水平或高于入射光刻光的光強(qiáng)度被表示為1并示為亮灰色; 抗蝕劑中較低的光強(qiáng)度區(qū)域用較小的數(shù)字表示，并顯示為較深的灰色。 圖6顯示了分別對(duì)應(yīng)于具有i線（365nm）和h線（405nm）曝光的20μm孔徑的劑量分布的模擬結(jié)果。在所有模擬中，假定抗蝕劑厚度為500lm，零氣隙為零。更亮和更暗的區(qū)域分別代表較高和較低的暴露劑量。虛線表示在具有或不具有足夠劑量的區(qū)域之間的邊界以交聯(lián)SU-8樹脂，因此開發(fā)后最終SU-8結(jié)構(gòu)的潛在側(cè)壁。圖6a示出了僅考慮衍射效應(yīng)通過20lm狹縫孔曝光產(chǎn)生的劑量分布。圖6b示出了由金涂層電鍍種子層表面的反射率為0.85的由襯底反射引起的劑量分布。圖6c顯示了總曝光劑量分布，結(jié)合衍射和反射效應(yīng)。圖6d顯示了h線（405nm）暴露的總劑量分布?？梢钥闯?，圖1所示的劑量分布6d更均勻，從上到下的差異顯著降低。這意味著與i線曝光相比，最終SU-8結(jié)構(gòu)的頂部和底部之間的寬度差異將遠(yuǎn)小于h線暴露。 圖 3 不同的SU-8電鍍模具和模具插件幾何 圖4 SU-8的光傳輸曲線 圖5 在SU-8的UV光刻數(shù)值模擬中研究了兩種不同的情況。 a 用于產(chǎn)生柱的開孔; b遮蔽用于生產(chǎn)樹叢對(duì)于h線和i線暴露的20m時(shí)隙的模擬結(jié)果如圖1所示。7a，b。由于SU-8抗蝕劑的負(fù)色調(diào)，使用槽遮蔽曝光獲得的圖案將是通道。如圖所示。如圖7a，b所示，i線曝光獲得的通道在頂部較窄，底部較寬。使用h線曝光，通道在頂部較寬，底部較窄。為了在用于模具插入件制造的SU-8電鍍模具中獲得所需的錐度，應(yīng)當(dāng)選擇405nm的曝光波長(zhǎng)。圖7b顯示在遮蔽區(qū)域中間的窄帶也顯著暴露。陰影區(qū)域內(nèi)的這種局部高劑量條帶負(fù)責(zé)這樣的事實(shí)，即當(dāng)期望的通道圖案變得太窄時(shí)，充分發(fā)展變得非常困難。 圖8示出了設(shè)計(jì)寬度為20lm，高度為1,150lm的SU-8突出物。用h線暴露獲得該結(jié)構(gòu)。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示SU-8交叉的寬度從頂部的13.5lm變化到距離頂部約75lm的19.7lm，最后在底部的32.8lm。這表示錐角為θ1o。 3制造兩級(jí)模具插件 為了展示我們的UV-LIGA工藝的多級(jí)模插件制造，建立了一個(gè)具有500lm深的微孔和250 lmdeep微通道的兩級(jí)電鍍Ni模插件。為了在插入物上的所有突出的微尺度特征上形成小的正錐角，選擇405nm的h線暴露。對(duì)SU-8電鍍模具幾何形狀進(jìn)行了數(shù)值模擬。電鍍模具包括直徑為200lm，深度為500lm的孔，寬度為200lm，深度為250lm的矩形槽。 使用h線曝光，模擬顯示從頂部的200lm到底部的193lm的孔徑減小，對(duì)應(yīng)于±0.8°的正錐角。仿真也顯示了通道寬度從頂部的200lm降低到底部的197lm，對(duì)應(yīng)于α= 0.69°的正錐角。曝光后的抗蝕劑顯影過程中沒有攪動(dòng)，較小深度的抗蝕劑會(huì)受到較長(zhǎng)的顯影時(shí)間和曝光于較新鮮的顯影劑液體。這種發(fā)展差異趨向于進(jìn)一步增加正錐角。 圖6個(gè)20-lm插槽孔徑的仿真結(jié)果。 a由于i線曝光（365nm）的衍射效應(yīng)引起的劑量分布; b由于i線曝光（365nm）的底物反射引起的劑量分布; c一個(gè)20 lm插槽的總劑量分布光圈為i線曝光（365 nm）。 所得結(jié)構(gòu)顯示出較寬的頂部和較窄的底部; d總體劑量分布為20 lm狹縫孔徑，h線曝光（405 nm）。 與i線曝光情況相比，所得到的結(jié)構(gòu)顯示出較小的錐度圖2中示意性地示出了兩級(jí)模具插入件的處理流程圖。需要兩個(gè)曝光口罩。成品兩級(jí)模具插入件具有直徑為200lm，高度為500lm的圓柱形微孔，長(zhǎng)度為18,000lm，寬度為200lm，高度為250lm的矩形突起。制造工藝如下：（1）用丙酮，異丙醇清潔Si晶圓（IPA）和去離子水，干燥;（2）電子束蒸發(fā)Cr / Au電鍍種子層;（3）電鍍種子層上的圖案對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記;（4）旋轉(zhuǎn)涂層250lm SU-8 50，900rpm;（5）預(yù)烘烤旋涂SU-8;（6）暴露SU-8號(hào)。1曝光面膜;（7）烤后暴露的SU-8;（8）電子束在暴露的SU-8上蒸發(fā)第二Cr / Au種子層;（9）攪拌形成SU-8，同時(shí)剝離附著于未曝光的第二Cr / Au種子層開發(fā)SU-8;（10）以870rpm旋涂第二層SU-8 50;（11）預(yù)烘烤旋涂SU-8;（12）暴露SU-8號(hào)。2曝光面膜;（13）后烘烤和發(fā)展SU-8;（14）電鍍鎳，直到完成過鍍;（15）拋光Ni背板的背面;（16）KOH蝕刻以除去Si襯底;（17）蝕刻Cr / Au種子層，然后除去SU-8。 在我們的實(shí)驗(yàn)中，使用4.538mm厚的PMMA片作為從UV源除去i線輻射的過濾器。PMMA過濾前后紫外光源的光譜輸出如圖1所示。PMMA濾波后的光譜輸出由h線和g線（434nm）的組合組成。較長(zhǎng)的波長(zhǎng)g線強(qiáng)化了衍射效應(yīng)，從而強(qiáng)化了取樣角度對(duì)結(jié)果特征的影響。 因?yàn)镾U-8抗蝕劑中的g線輻射的吸光度較低（與h線相比約為1/3），所以h線顯示了曝光。因此，本研究忽略了g線輻射的影響。圖11顯示了aprototype SU-8兩級(jí)電鍍模具的SEM顯微照片。 圖7 用于產(chǎn)生SU-8通道的劑量分布： 用i線曝光（365nm）的20lm狹縫遮蔽; b一個(gè)20 lm的狹縫陰影，h線曝光（405 nm）圖8具有錐形側(cè)壁的SU-8突起（較窄的頂部和較寬的底部）使用由500lm深的微孔和250lm深的微通道組成的兩級(jí)SU-8電鍍模具，通過Ni電鍍制造Ni模插件，進(jìn)入SU-8電鍍模具，然后過鍍。9e有兩個(gè)獨(dú)立的Cr / Au電鍍種子層分別連接到微孔和微通道。在電鍍過程中，連接了微孔的種子層首先進(jìn)入電鍍電路。在將微孔中的Ni沉積物電鍍到與矩形突起的種子層相同的高度或稍高的位置之后，兩個(gè)種子層在電鍍期間連續(xù)地連接在一起，同時(shí)電鍍繼續(xù)。這個(gè)過程導(dǎo)致微孔和微通道在SU-8電鍍模具同時(shí)“填充”。在完成SU-8電鍍模具填充后，繼續(xù)Ni鍍層生產(chǎn)Ni模插件的背板。因此，與其他方法中使用的圖案化，電鍍和拋光的多個(gè)步驟相比，Ni嵌入物的電鍍?cè)趩我贿B續(xù)工藝中完成，并且導(dǎo)致Ni插入物中沒有弱界面。用于電鍍柱的電鍍電流為2.74mA（電流密度為10mA /cm 2）。用于平板化通道的電流為6.4mA（也相當(dāng)于10mA /cm 2的電流密度）。柱和通道的總電鍍時(shí)間為約166小時(shí)，每步驟約為83小時(shí)。柱的平均高度測(cè)量為415lm，通道的平均高度為約335lm，如圖1所示12a。 電鍍工序完成后，用研磨機(jī)將研磨基板作為研磨基板，研磨過鍍Ni模插件的背面。研磨后獲得平面模具插入物背面。然后使用KOH溶液除去Si襯底。在蝕刻Cr / Au種子層之后，將Ni插入物與SU-8電鍍模具一起在-90℃下浸入Dynasolve溶液中，在-30分鐘內(nèi)除去SU-8電鍍模具。據(jù)Bacher等人（1998），當(dāng)退火溫度低于200℃時(shí)，電沉積Ni的硬度沒有明顯變化。因此，由于SU-8去除過程，電沉積Ni插入物的顯著軟化是不可預(yù)期的。在除去SU-8后，用丙酮和IPA清洗Ni插入物以除去Ni表面上的任何殘留物。在圖1的SEM圖中示出了成品的兩級(jí)Ni模插件。12。 圖9二級(jí)模具插入件的十四個(gè)制造步驟的流程圖：步驟1-7; b步驟8; c步驟9; d步驟10-11; e步驟12-13; f步驟14-15; g步驟16; h步17 圖10 光刻光譜 電鍍鎳HARMS已經(jīng)直接用作金屬基結(jié)構(gòu)難熔金屬和合金的復(fù)制復(fù)制的插入件（Cao et al。2005）。 指某東西的用途用于將多級(jí)微圖案直接轉(zhuǎn)移到高溫金屬和合金的多級(jí)電沉積Ni HARMS仍有待探索。 電鍍鎳HARMS已經(jīng)直接用作通過沉積保形陶瓷涂層來工程化表面后金屬基結(jié)構(gòu)復(fù)制的插入件（Cao et al。2003; Cao and Meng 2004）。最近，單層高溫 通過轉(zhuǎn)移微米級(jí)制造相容的模具插件由電鍍Ni HARMS定義為難熔金屬和合金的模式（Cao et al。2005）。使用多層次的電沉積Ni HARMS將多級(jí)微圖案直接轉(zhuǎn)移到高溫金屬和合金上仍有待探索。 圖11一個(gè)二級(jí)SU-8電鍍模具 圖12電鍍?cè)蚇i兩級(jí)成型插件的SEM圖像 4總結(jié)和結(jié)論 描述了通過在SU-8抗蝕劑，一步Ni電鍍，以及完全SU-8抗蝕劑去除之后組合UV-光刻制造兩級(jí)電鍍Ni模插件的UV-LIGA工藝。使用在SU-8抗蝕劑上進(jìn)行的多個(gè)UV光刻步驟來生產(chǎn)兩級(jí)SU-8電鍍模具。使用單個(gè)Ni電鍍步驟進(jìn)入SU-8電鍍模具來制造兩級(jí)Ni插入物。該過程消除了電鍍Ni插入物內(nèi)存在的外來界面。 數(shù)值衍射模擬表明，SU-8與h線主導(dǎo)光源的UV光刻有助于為插入物上的微特征產(chǎn)生所需的正錐角。 致謝：通過合同LEQSF（2004-07）-RD-B-06，通過授權(quán)DMI-0400061，EPS-0346411和路易斯安那州董事會(huì)授予國(guó)家科學(xué)基金部分項(xiàng)目支持。 10