基于微電鑄工藝的高深寬比引信開關(guān)制作

羅 磊，杜立群,2，趙 明，李 宇，李曉軍

（1.大連理工大學(xué)遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024；2.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

基于微電鑄工藝的高深寬比引信開關(guān)制作

羅 磊1，杜立群1,2，趙 明1，李 宇1，李曉軍1

（1.大連理工大學(xué)遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024；2.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

為滿足軍事武器系統(tǒng)對(duì)引信開關(guān)的不斷需求，采用光刻和精密微電鑄工藝在金屬基底上制作了一款具有高深寬比結(jié)構(gòu)的引信開關(guān)。研究了超聲波輔助顯影和曝光劑量對(duì)膠膜制作的影響，解決了高深寬比膠膜制作難的問題。采用優(yōu)化電鑄液參數(shù)及電鑄前膠膜預(yù)處理的方法，解決了電鑄層與基底界面結(jié)合失效的問題。引入尺寸誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?，降低了因溶脹和去膠釋放等工藝帶來的制作誤差。最終制作出結(jié)構(gòu)尺寸為4000 μm×3900 μm×360 μm、最小尺寸為20 μm、最大深寬比為14∶1的開關(guān)結(jié)構(gòu)，為制作高深寬比金屬微結(jié)構(gòu)提供了一種可行的工藝參考方案。

引信開關(guān)；微電鑄；高深寬比；超聲波輔助

引信開關(guān)是一種作用在引信電源及其后續(xù)供給電路之間從而實(shí)現(xiàn)供電控制的裝置。作為炮彈引信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，引信開關(guān)具有體積小、性能優(yōu)、抗電磁干擾能力強(qiáng)及過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在軍事武器系統(tǒng)等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力，近年來其制作方法得到了廣泛關(guān)注。

Whitney等[3]利用光刻和深度反應(yīng)離子刻蝕工藝，通過刻蝕SOI表面的硅材料制作出一種高度為100 μm、最小線寬為5 μm的高深寬比慣性微開關(guān)，并利用濕法腐蝕去除氧化層的方法釋放了開關(guān)中的懸浮結(jié)構(gòu)。采用SOI基片制作開關(guān)不僅工藝較復(fù)雜，且制作成本較高。同時(shí)由于硅材料是脆性材料，不僅在制作時(shí)易出現(xiàn)碎裂導(dǎo)致制作失敗，而且制得的慣性開關(guān)承受載荷能力較小。蔡豪剛等[4]采用疊層光刻和微電鑄工藝，以AZ正性光刻膠作為犧牲層材料，通過在玻璃基底上濺射鉻種子層，最終制得具有多層微結(jié)構(gòu)的金屬開關(guān)。由于AZ正膠的透光率隨高度的增加而迅速衰減，所以一次光刻工藝制得的膠膜高度僅為20 μm，而當(dāng)單層結(jié)構(gòu)的高度超過20 μm時(shí)，只能采用多次光刻的方法來制作，這將帶來制作工藝復(fù)雜化、層間結(jié)合失效風(fēng)險(xiǎn)增加及制作精度下降等問題，因此，該工藝所制得的開關(guān)結(jié)構(gòu)深寬比相對(duì)較低。

本文采用光刻和精密微電鑄工藝，以SU-8負(fù)性光刻膠作為犧牲層材料，在金屬基底上制作了具有高深寬比結(jié)構(gòu)的金屬引信開關(guān)。通過研究超聲波輔助顯影和曝光劑量對(duì)膠膜制作的影響，解決了高深寬比膠膜制作困難的問題。采用優(yōu)化電鑄液參數(shù)及電鑄前膠膜預(yù)處理的方法，提高了開關(guān)與制作基底的結(jié)合性。同時(shí)，引入尺寸誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ档土酥谱髡`差。

1 制作高深寬比膠膜

根據(jù)開關(guān)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其分為五層不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行疊層制作，各層高度依次為30、20、140、140、30 μm（圖1）。其中，第三層因存在高深寬比結(jié)構(gòu)和懸空可動(dòng)復(fù)雜微結(jié)構(gòu)，為本次制作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

圖1 開關(guān)整體結(jié)構(gòu)示意圖

開關(guān)的第三層結(jié)構(gòu)高度為140 μm，最小線寬為20 μm，深寬比高達(dá)7∶1。單層多次制作的方法常被用來制作高深寬比結(jié)構(gòu)，該方法可避免高深寬比膠膜的制作，但也帶來了諸如工藝復(fù)雜、精度下降等問題。為了完成與結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的高深寬比膠膜的制作，本文首先對(duì)高深寬比光刻工藝進(jìn)行了研究。

1.1 膠膜顯影

在顯影高深寬比膠膜時(shí)，隨著顯影深度的增加，顯影液擴(kuò)散速率急劇下降，傳質(zhì)阻力快速上升，將帶來高深寬比膠膜顯影困難的問題。為此，本文引入了超聲波輔助顯影的方法。為了觀察超聲波輔助顯影的效果，制訂了如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)：對(duì)二組高度為140 μm的SU-8光刻膠膠膜進(jìn)行曝光，曝光劑量為450 mJ/cm2；后烘后，對(duì)二組膠膜分別進(jìn)行常規(guī)顯影和超聲波（功率100 W、頻率120 kHz）輔助顯影，顯影時(shí)間均為5 min，顯影效果見圖2?？梢姡Ｒ?guī)顯影無法使高深寬比膠膜中的小線寬結(jié)構(gòu)處的光刻膠徹底溶解，從而出現(xiàn)小線寬結(jié)構(gòu)處膠膜溝道發(fā)黑的現(xiàn)象，導(dǎo)致顯影失敗（圖2a）。超聲波通過空化效應(yīng)和聲流作用可將能量傳遞給溶液介質(zhì)，并促使溶液周期性振動(dòng)，從而起到高頻攪拌的作用[5]。因此，在顯影過程中引入超聲波，提高了顯影液的擴(kuò)散速率，加速了溶液傳質(zhì)過程，使微溝道內(nèi)的顯影液不斷更新，并及時(shí)排出顯影產(chǎn)生的SU-8膠碎片，最終取得較好的顯影效果。如圖2b所示，超聲波輔助顯影可得到清晰、干凈的膠膜溝道。

圖2 添加超聲顯影前后效果對(duì)比圖

1.2 膠膜曝光

在曝光高深寬比膠膜時(shí)，曝光劑量過小會(huì)造成膠膜在顯影時(shí)脫落；曝光劑量過大會(huì)出現(xiàn)小線寬膠膜顯影時(shí)溝道邊緣發(fā)黑甚至顯影失敗的現(xiàn)象。因此，為了得到高深寬比膠膜合適的曝光參數(shù)，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：將高度為140 μm的SU-8光刻膠膠膜分為四個(gè)區(qū)域并進(jìn)行四種不同劑量的曝光實(shí)驗(yàn)，曝光強(qiáng)度為10 mW/cm2，曝光劑量依次為300、450、600、750 mJ/cm2；后烘后，對(duì)膠膜進(jìn)行超聲波輔助顯影，時(shí)間為5 min，顯影效果見圖3?？煽闯?，曝光劑量為300、450 mJ/cm2時(shí)能得到較清晰的膠膜溝道；曝光劑量為600、750 mJ/cm2時(shí)，無法得到支撐底座和支撐彈簧的膠膜溝道。

圖3 不同曝光劑量下的曝光顯影效果圖

為進(jìn)一步研究曝光對(duì)高深寬比膠膜制作誤差的影響，對(duì)支撐底座和支撐彈簧的膠膜溝道上表面線寬進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果見表1、表2?？梢?，曝光劑量越大，溝道相對(duì)于掩膜線寬的尺寸誤差越大。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要是：曝光時(shí)存在光的衍射現(xiàn)象，這會(huì)造成結(jié)構(gòu)區(qū)域部分的SU-8膠被微量曝光；隨著曝光劑量的增加，該部分光刻膠會(huì)被充分曝光從而無法被顯影液溶解；同時(shí)，曝光劑量的增加也會(huì)使SU-8膠內(nèi)產(chǎn)生的強(qiáng)酸增多，過多的強(qiáng)酸進(jìn)入未曝光區(qū)域?qū)е陆Y(jié)構(gòu)區(qū)光刻膠交聯(lián)，在顯影時(shí)該區(qū)域膠膜溝道的邊緣會(huì)發(fā)黑，從而導(dǎo)致顯影失敗[6]。分析可知，采用相對(duì)較小的曝光劑量可降低膠膜的制作誤差，并能提高膠膜光刻的成功率。因此，本文選用300 mJ/cm2的曝光劑量并采用添加超聲波輔助顯影的方法來制作高深寬比膠膜。

表1 不同曝光劑量下支撐底座溝道線寬測(cè)量結(jié)果

2 提高界面結(jié)合性

采用精密微電鑄工藝在金屬基底上制作開關(guān)時(shí)，由于鑄層與金屬基底結(jié)合力差，常常會(huì)出現(xiàn)界面結(jié)合失效的現(xiàn)象。為了避免因此而導(dǎo)致的開關(guān)制作失敗，本文對(duì)界面結(jié)合性的影響因素及解決方法進(jìn)行了研究。

表2 不同曝光劑量下支撐彈簧溝道線寬測(cè)量結(jié)果

2.1 降低電鑄層內(nèi)應(yīng)力

在電鑄過程中，受析氫作用及晶格錯(cuò)配等因素的影響，電鑄層內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力[7]。采用氨基磺酸鎳電鑄液得到的電鑄層，其內(nèi)應(yīng)力主要為壓應(yīng)力。過大的壓應(yīng)力會(huì)引起電鑄層鼓泡[8]，鼓起的電鑄層會(huì)擠壓束縛電鑄層的膠膜變形并連同膠膜從基底分離，最終導(dǎo)致制作失敗。在制作多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高深寬比結(jié)構(gòu)及存在懸空可動(dòng)結(jié)構(gòu)的微器件時(shí)，內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致界面結(jié)合失效的問題尤為突出。

為了解決上述問題，本文采用了優(yōu)化電鑄液參數(shù)的方法。首先，添加適量硼酸來穩(wěn)定電鑄液的pH值，因?yàn)閜H值不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致部分鎳離子轉(zhuǎn)變成絡(luò)合物或氫氧化物，這些復(fù)合物夾雜在鑄層中會(huì)形成位錯(cuò)缺陷，從而產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，所以穩(wěn)定電鑄液的pH值可適當(dāng)降低電鑄層內(nèi)應(yīng)力；其次，添加熱電偶來穩(wěn)定電鑄溫度，補(bǔ)充HS添加劑和活化劑，從而引導(dǎo)金屬晶粒均勻分布并減少晶?；纬练e的概率，最終降低電鑄層內(nèi)應(yīng)力[9]。本文設(shè)計(jì)了如下一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，即常規(guī)電鑄和優(yōu)化電鑄液參數(shù)后電鑄。圖4是優(yōu)化電鑄液參數(shù)前、后電鑄得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可見，參數(shù)優(yōu)化前的界面結(jié)合失效現(xiàn)象較嚴(yán)重，而參數(shù)優(yōu)化后的界面結(jié)合失效現(xiàn)象明顯減少，說明電鑄層內(nèi)應(yīng)力得到了控制。

圖4 電鑄液參數(shù)優(yōu)化前、后的電鑄實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 減少界面間的異物

顯影完成后，膠膜溝道內(nèi)會(huì)存有少量光刻膠殘?jiān)蚱渌s質(zhì)；電鑄時(shí)，這些物質(zhì)會(huì)夾雜在界面之間，從而降低結(jié)合性。另外，金屬暴露在空氣中會(huì)產(chǎn)生一層薄薄的氧化膜，電鑄時(shí)，氧化膜也會(huì)對(duì)界面結(jié)合性造成一定的影響。

為了解決異物影響界面結(jié)合性的問題，采用如下二種方法：首先，在顯影結(jié)束后對(duì)所得膠膜進(jìn)行等離子去膠處理；其次，在電鑄前對(duì)溝道底部的金屬進(jìn)行無機(jī)酸腐蝕去氧化膜處理。為了觀察等離子去除殘膠的作用效果，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：對(duì)一個(gè)顯影后存在少量殘膠的膠膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行等離子去膠處理，去膠功率為100 W，氧氣流量為1 L/min，依次處理1、3、5 min，觀察記錄殘膠的變化情況，所得結(jié)果見圖5?？梢姡S著處理時(shí)間的增加，殘膠逐漸減少并最終消失。但是，等離子去膠時(shí)間不宜過長(zhǎng)，以免其對(duì)光刻好的膠膜造成破壞。

圖5 等離子去膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 尺寸誤差的補(bǔ)償

引信開關(guān)的性能與制作尺寸有著密切的聯(lián)系，而尺寸誤差主要來源于膠膜溶脹誤差、濕法腐蝕誤差及曝光誤差等方面，誤差過大會(huì)降低開關(guān)的使用性能。

（1）膠膜溶脹誤差。在顯影和電鑄的過程中，SU-8膠與顯影液和電鑄液均存在較大的化學(xué)梯度勢(shì)，由此產(chǎn)生的滲透壓會(huì)使顯影液或電鑄液中的小分子滲入高聚物SU-8膠內(nèi)部，高聚物宏觀體積隨之增大，導(dǎo)致SU-8膠膜產(chǎn)生溶脹效應(yīng)。溶脹效應(yīng)會(huì)使顯影后的膠膜溝道線寬變小，電鑄完成后的結(jié)構(gòu)線寬相對(duì)于設(shè)計(jì)線寬變小。

（2）濕法腐蝕誤差。采用無機(jī)酸濕法腐蝕法去除光刻膠時(shí)，盡管金屬鎳對(duì)強(qiáng)酸強(qiáng)堿具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力，但在去膠釋放過程中，無機(jī)酸仍會(huì)對(duì)金屬開關(guān)的結(jié)構(gòu)造成一定的腐蝕，從而產(chǎn)生一定的誤差。

（3）曝光誤差。由于曝光時(shí)存在光的衍射現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)區(qū)的光刻膠會(huì)被部分曝光，導(dǎo)致膠膜溝道的實(shí)際線寬小于設(shè)計(jì)線寬，電鑄得到的結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)存在誤差。

上述幾種誤差均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)線寬造成負(fù)偏差，即電鑄后結(jié)構(gòu)的實(shí)際寬度小于設(shè)計(jì)寬度。針對(duì)這幾種尺寸誤差，本文在制作開關(guān)時(shí)引入了尺寸誤差補(bǔ)償方法，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)值確定補(bǔ)償量，適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)的掩膜線寬，從而降低制作尺寸誤差。具體尺寸見表3。

表3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)線寬的設(shè)計(jì)尺寸和掩膜尺寸 μm

4 引信開關(guān)的制作

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，開展了引信開關(guān)的制作工藝研究，主要包括：五次SU-8膠光刻、五次微電鑄和一次銅濺射。具體制作流程見圖6。

圖6 開關(guān)制作流程簡(jiǎn)圖

4.1 基底預(yù)處理

選用方形白鋼板作為制作開關(guān)的基底。制作前，先對(duì)基底進(jìn)行預(yù)處理，方法如下：用精密研磨機(jī)對(duì)基底進(jìn)行研磨、拋光處理；分別用丙酮和乙醇各進(jìn)行超聲清洗5 min；用去離子水沖洗干凈后，置于烘箱內(nèi)烘干備用。

4.2 第一層結(jié)構(gòu)的制作

4.2.1 SU-8膠光刻

在臺(tái)式勻膠機(jī)上為白鋼基底旋涂高為30 μm的SU-8光刻膠膠膜；采用階梯升溫烘焙的方式對(duì)光刻膠進(jìn)行前烘；用SUSS紫外光刻機(jī)對(duì)完成前烘的膠膜進(jìn)行曝光，曝光劑量為450 mJ/cm2；曝光后，在熱板上進(jìn)行后烘；用SU-8 Developer顯影后得到帶有結(jié)構(gòu)形狀溝道的膠膜。

4.2.2 精密微電鑄

開關(guān)的結(jié)構(gòu)材料選用金屬鎳，精密電鑄機(jī)的陽極選用高純度鎳板。電鑄液主要成分如下：Ni (NH2SO3)2·4H2O，360～380 g/L；NiCl2，5～10 g/L；H3BO3，50～60 g/L；潤(rùn)濕劑，0.1～0.15 g/L。精密微電鑄工藝的基本條件為：溫度48～50℃；電鑄液pH值3.6～3.8；電流密度1 A/dm2；電鑄時(shí)間3 h。

4.3 第二～五層結(jié)構(gòu)的制作

采用與制作第一層結(jié)構(gòu)相同的工藝進(jìn)行第二層結(jié)構(gòu)的制作，膠膜高度為20 μm，電鑄時(shí)間2 h。在制作第三層高深寬比結(jié)構(gòu)時(shí)，先用磁控濺射儀在第二層上表面濺射一層高為200 nm的銅薄膜作為種子層，再用300 mJ/cm2的曝光劑量及添加超聲波輔助顯影的方法制作高為140 μm的膠膜，最后進(jìn)行微電鑄工藝，電鑄時(shí)間14 h。制作第四、第五層結(jié)構(gòu)也采用與第一層結(jié)構(gòu)相同的工藝方法，膠膜高度分別為140、30 μm，電鑄時(shí)間分別為14 h和3 h。

4.4 去膠釋放

將制作完成的結(jié)構(gòu)放入煮沸的無機(jī)酸中，待所有光刻膠全部溶解后取出，經(jīng)去離子水漂洗后即可得到被釋放的微結(jié)構(gòu)。圖7是開關(guān)結(jié)構(gòu)的SEM圖。

圖7 開關(guān)結(jié)構(gòu)SEM圖

4.5 結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量

用高倍工具顯微鏡對(duì)引信開關(guān)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的線寬進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見表4?？煽闯?，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的制作誤差在相對(duì)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，受實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)際制作的開關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸仍不能與設(shè)計(jì)尺寸完全吻合，該問題仍需深入研究。

表4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)線寬的測(cè)量結(jié)果 μm

5 結(jié)論

本文采用光刻和精密微電鑄工藝，在金屬基底上制作了具有高深寬比結(jié)構(gòu)的引信用金屬微開關(guān)。利用添加超聲波輔助顯影的方法解決了高深寬比膠膜制作難的問題，并通過實(shí)驗(yàn)得到了高深寬比膠膜合適的曝光參數(shù)，從而優(yōu)化了膠膜制作工藝。采用調(diào)整電鑄液參數(shù)和鑄前預(yù)處理的方法減少了界面分層失效的現(xiàn)象。采用尺寸誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ń档土碎_關(guān)的制作誤差。最終制作出了高深寬比引信開關(guān)，其結(jié)構(gòu)尺寸為4000 μm×3900 μm×360 μm，最小尺寸為20 μm，最大深寬比為14∶1。本制作方法突破了現(xiàn)有方法制得引信開關(guān)高度有限及深寬比不高的局限，為在金屬基底上制作高深寬比微結(jié)構(gòu)提供了一種可行的工藝參考方案。

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Fabrication of Fuse Switch with High Aspect Ratio Based on Micro Electroforming Process

LUO Lei1，DU Liqun1,2，ZHAO Ming1，LI Yu1，LI Xiaojun1
（1.Key Laboratory for Micro/Nano Technology and System of Liaoning Province，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining of Ministry of Education，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

In order to meet the continue demands for fuse switch in military weapon system，a switch with high aspect ratio structure was fabricated on a metal substrate by using the processes of lithography and precision micro electroforming.The effects of ultrasonic assisted development and exposure measurement on film fabrication were studied.The difficulties in making high aspect ratio film were overcame.To solve the problem of interface bonding failure，the components of electroforming solution were improved and the molds were pretreated.At the same time，the fabrication error caused by swelling and release was reduced by the introduction method of size error compensation.The overall size of the switch is 4000 μm×3900 μm×360 μm，the minimum size is 20 μm while the maximum depth width ratio is 14∶1.This research provides a feasible reference for the fabrication of high aspect ratio structure.

fuse switch；micro electroforming；high aspect ratio；ultrasonic assistant

TG662

A

1009－279X（2017）02－0040-05

2017-01-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （51375077，51475245）；大連理工大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（DUT16TD20）

羅磊，男，1990年生，碩士研究生。