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用于微球面加工的热熔回流技术 |
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作者：中南大学机电工程学院 李代兵 蒋炳炎 来源：雅式工业专网 |
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产品的小型化、微型化是21世纪产品发展的主要趋势之一，微小零件、微小装置在半导体工业、生物技术、微电子工业、远程通讯以及医疗行业中得到越来越广泛的应用。微细加工技术是实现产品零部件微型化基本技术，受到越来越多的关注。
LIGA技术於20世纪80年代由德国卡尔斯鲁尔核研究中心开发而成。LIGA由德文Lithographie、Galvanoformung和Abformung三个词的缩写构成，是X射綫深层光刻、微电铸和微复制工艺的完美结合。受限於X射线的昂贵费用，UV-LIGA技术、Laser-LIGA技术、DEM技术、IB-LIGA技术等类LIGA技术应运而生。受到光刻技术加工原理的局限性，上述光刻技术和类光刻技术只能加工具有垂直侧壁的微结构零件。很多微型制件具有曲面结构，开发一种能够加工曲面的光刻技术迫在眉睫。本文作者提出一种新方法，在光刻技术显影工序和电铸工序之间加入热熔回流工艺，能够制造出具有球形曲面的微结构零件，扩大了光刻技术的应用范围。 
图1 具有垂直侧壁微结构零件
热熔回流技术
热熔回流技术原理是，在矽基板上涂覆一定厚度的光刻胶，利用光学光刻在光刻胶上制作出圆柱阵列，升温到光刻胶的玻璃转化温度以上，由于光刻胶表面张力作用以及分子动能的增加，圆柱上部近似形成球面的形状，工艺流程如图2所示。
图2 热熔回流工艺流程
1988年，Zoran D.Popovic等人提出热熔回流法，采用加热圆柱光刻胶的方法，形成了具有微球形曲面的光刻胶微结构。为了控制光刻胶热熔後形成微球形曲面的底面直径，在圆柱光刻胶的底部制作一个直径稍大的基座，这样加热光刻胶後，熔融光刻胶延伸到基座边缘，形成具有定直径的球形微结构，幷且得出加热时间对微结构形貌参数影响大于加热温度的结论。
R.F.Shyu等人研究热熔回流工艺参数对微球形曲面底面直径的影响规律，得出在6小时的加热时间下，加热温度从200℃—300℃，微球形曲面底面直径先增大後减小，在250℃时达到最大值；在250℃的加热温度下，加热时间从1h到9h，微球形曲面底面直径先减小後增大，在3h达到最小值。
C. K. Chung等人采用热平板加热和烤箱加热两种不同的方式得到微球形曲面的光刻胶微结构，发现热平板加热方式得到的微结构更加突出，烤箱加热方式得到的微结构更加平坦。造成这种现象的原因是平板加热时，光刻胶和环境温度梯度大，烤箱加热时没有温度梯度，造成微结构平坦。
任智斌、卢振武等人理论计算了熔融前後圆柱光刻胶底面直径和高度与微球形曲面底面直径和高度之间的数值关系，幷通过缩短显影时间的方法来提高微透镜阵列的F数和填充因子，进一步提高微透镜阵列的光学性能。
以上对热熔回流技术制作球形微结构做了初步的理论研究和实验工作，但对于球形微结构形貌参数的准确控制技术还不成熟，没有形成一套相关理论模型，建立起工艺参数与微结构形貌的数值关系，实验上也很难达到对微结构形貌参数的控制。
工艺流程
添加热熔回流工艺的光刻工艺流程如图3。
图3 微透镜模芯制作工艺流程
步骤一：掩模板的制作。掩模板的作用是有选择性地让光透过，照射到光刻胶上，通过显影液的冲洗，形成所需要的圆柱光刻胶图形。
步骤二：超声波清洗机清洗矽基底，将清洗後的矽基底放进真空乾燥箱中烘烤，烘烤时间为4h，其目的是蒸发矽基底表面的水分子。所需设备有超声清洗仪、真空乾燥箱。
步骤三：使用匀胶台，在矽基底上悬涂一定厚度的光刻胶，然後放置在真空乾燥箱中前烘4h。所需设备有真空乾燥箱和匀胶台，如图4所示。
图4 匀胶机
步骤四：在紫外线光刻机上进行曝光，根据光刻胶厚度选择一定曝光时间，被曝光部分光刻胶在紫外线作用下分解。所需设备有紫外线光刻机，如图5所示。
图5 紫外线光刻机
步骤五：将曝光的光刻胶和矽基底放置在显影液中浸泡，被曝光光刻胶被显影液清洗掉，形成所需要的圆柱微结构，然後放置在真空乾燥箱中进行後烘。
步骤六：将烘乾的光刻胶和矽基底在平板加热器上加热，加热到光刻胶的玻璃化温度以上保温一段时间，则光刻胶熔融後在表面张力的作用下形成微球状结构，自然冷却至室温。所需设备有平板加热器。
步骤七：将熔融的光刻胶和矽基底放置在真空磁控溅射蒸发镀膜机上，在光刻胶表层镀上一层2μm厚的金属层作为电铸种子层，然後放置在精密电铸仪上进行精密电铸。所需设备有金属镀膜机和精密电铸仪。
步骤八：金属离子沈积到一定厚度，对电铸背面进行微细铣削加工，加工平整金属背面。然後采用强力结合剂粘结电铸层和45钢，形成所需要厚度的金属模芯。所需设备有精密微铣床。
制作难点
近年来国内研究者在光刻方面进行了大量的研究，已经形成了成熟的掩模制造技术、曝光技术、显影技术和电铸技术，能够加工侧壁垂直的微结构零件。目前国内还很少有研究者把热熔回流技术加入到光刻技术中，制作带有球形曲面的微结构零件，主要原因是热熔回流技术的可控性难度非常大，影响因素衆多。
如图6所示，影响熔融光刻胶几何形貌的因素众多，主要可以分为四大类：光刻胶本身的性质，如熔融光刻胶表面张力；矽基底性质，如表面粗糙度，矽基底表面张力；加热熔融参数，如加热温度，加热时间和加热速率等；其它因素比如重力和环境因素。
图6 热熔回流技术影响形貌因素图
目前，国内对热熔回流技术研究还处于起步阶段。在理论研究上还没有开始，要形成一套合理的理论模型，探索各个影响因素对熔融光刻胶形貌参数的影响规律，最终形成一套行之有效的数学表达式，以数学关系的形式表达。在实验研究上，已经有少量研究者做一些起步性工作，如：忽略光刻胶本身的特性，采用某一特定的光刻胶；忽略环境因素的影响；忽略矽基底性质的变化，仅仅研究加热参数，比如加热方式、加热速率、加热温度和加热时间对球形微结构形貌参数的影响规律。要实现对微结构形貌参数的准确控制，需要形成一套成熟热熔回流技术。
未来展望
随着微小零件、微小装置在半导体工业、生物技术、微电子工业、远程通讯以及医疗行业中得到越来越广泛的应用，对于微小零件和微小零件的微结构形貌提出了越来越多的要求。具有垂直侧壁的微结构零件已经不能完全满足在各个行业的应用要求，能够根据使用要求，设计制造具有球形曲面或者弧形曲面的微结构零件迫在眉睫。热熔回流技术作为一种制造微球形曲面的新技术，将越来越吸引全世界研究者的注目。(end)
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(10/22/2010) |
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