基于电化学刻蚀与微电铸工艺_苏州汶颢微流控技术股份有限公司
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基于电化学刻蚀与微电铸工艺

为解决微流控芯片模具在微电铸工艺中铸层与基底结合力差的问题,在光刻工艺的基础上,采用掩膜电化学刻蚀和微电铸相结合的方法,制作出了结合力较好的镍基双十字微流控芯片模具。针对掩膜电化学刻蚀的工艺参数进行了试验研究,选定了制作微流控芯片模具的最佳工艺参数,解决了酸洗引起胶膜脱落失效、刻蚀引起侧蚀等问题。使用剪切强度表征界面结合强度,运用剪切法测量了微电铸层与基底的剪切强度,定量分析了酸洗工艺和刻蚀工艺的参数对界面结合强度的影响。试验结果表明,酸洗 20s 后电铸层与基底的剪切强度相对于直接电铸提高了98.5%,刻蚀 5min 后剪切强度提高了 203.6%。刻蚀 5min 后的剪层与基底的界面结合强度,延长微流控芯片模具的使用寿命。

自 20 世 纪90年代以来,微流控芯片因其在DNA分析、疾病诊断、分子筛选和免疫学测定等方面的广阔应用前景而得到了迅猛的发展。微流控芯片模具作为芯片制作过程中的核心器件,在微流控芯片产业化过程中起着重要作用。当前微流控芯片模具主要由硅材料和金属材料制作而成。硅模具因其韧性差、易破碎的缺点,在微流控芯片规模化生产中的应用受到了限制。 基于无背板生长工艺的金属微流控芯片模具由于具有精度高、制作相对简单、寿命相对较高的优点,在注塑、 压塑等批量生产领域应用越来越广泛。由于微电铸模具铸层与基底间存在杂质、层间应力等原因,电铸层与金属基底不能紧密嵌合、结合强度低,使用过程中容易脱落失效。

针对微电铸层与基底结合力差 的问题,国内外专家学者开展了相关研究。Kim 等 采用 1 ∶ 200 的 NH4OH 溶液对镍基底进行预处理, 并对处理后电铸层的组织形貌进行研究,得出了通过基底预处理提高铸 层与基底界面结合强度的方法。朱 荻提出了基于掩膜电解加工的“置 桩”工艺,即先反向制作桩基然后电 铸,并成功制作出了直径为 300μm 的金属微细阵列电极结构,同时用过 切量来评价结合强度,过切量越大铸 层与基底的结合强度越高,此方法直接改变了铸层与基底的结合方式,提高了结合强度 。

掩膜电化学刻蚀技术根据金属阳极溶解的原理加工基板,具有电流密度小、阴阳极间隙大、尺寸精度 高等特点,便于对“置桩”工艺中的小线宽刻蚀进行精确控制。本文针对微电铸模具铸层与基底结合力差的问题,引入掩膜电化学刻蚀工艺 与微电铸工艺相结合制作了线宽为 100μm 的双十字微流控芯片模具。 针对铸层宽度为 100μm 的电铸线条 进行了结合强度试验,研究了酸洗和掩膜电化学刻蚀工艺对铸层与基底 结合强度的影响规律,探究了掩膜电化学刻蚀工艺方法提高铸层与基底结合强度的机理。

一、结合强度试验

1、结合强度的测量

为了定量研究微电铸层与基底 的结合力,本文采用剪切强度来表征 界面结合强度。微铸层结合力的测量方法通常有界面压痕法、划痕法、 垂直拉伸法和剪切法等,其中剪切法 常用于测量厚薄膜与基体材料之间 的界面剪切性能。本文采用剪切 法测量微电铸层与基底间的界面结 合强度,测量装置由小型拉压试验 机和自制夹具两部分组成,如图 1 所 示。

用自制夹具夹紧试验片测量时, 夹具与试验片间的相对运动会产生 摩擦力,因此首先要通过预试验确 定摩擦力的大小。试验过程为用夹 具夹紧未电铸的光滑基板并放置到 试验台上,启动试验机使测力探头 压到基板的上表面,继续施加压力, 通过数显测力仪可测得基板与夹具 相对运动产生的摩擦力。经反复试 验并取平均值后确定其摩擦力F 1 为 20N。

然后,再用自制夹具夹紧试验 片,使铸层卡在夹具侧棱上。将其放 置于试验台上,启动试验机使测力探 头压到试验片的上表面,持续施加压 力至铸层从基底脱落,数显测力仪可 测得铸层脱落时的受力峰值F 2。

铸层的剪切力F S =F 2-F 1,剪切强 度可以由下式计算得到:

τ= F S /A

式中,τ 为剪切强度,F S为剪切力,A 为接触面积。

图1  剪切力测量平台

图1  剪切力测量平台

2、结合强度试验工艺流程

本文选用直接电铸、酸洗 20s 后 电铸和刻蚀 5min 后电铸 3 组参数进行试验,工艺流程如图 2 所示。为排 除试验过程中的偶然因素干扰、减小 试验误差,每组参数试验 3 次。具体步骤为:

(1)基板预处理。为保证胶膜 与基底的结合力和曝光的对准精度, 需要对基板进行研磨抛光。

(2)SU-8 胶膜的制备。本文采 用掩膜曝光技术制作矩形胶膜型腔 作为填充的空间,胶膜采用 SU-8 胶 制作,曝光工艺使用休斯紫外曝光 机,型号 MA/BA6SUSS MicroTec。经 过匀胶、静置、前烘、曝光、后烘和显 影 后 制 得 长 宽 为 15mm×0.1mm 的 胶膜,具体流程如图 3 所示。胶膜 制 作 完 成 后 , 采 用 工 具 显 微 镜 和 电感测微仪测量厚度,胶膜厚度为 110±10μm。

(3)酸洗工艺。酸洗可以去除基板表面的杂质和氧化层,保证刻 蚀、电铸均匀有效进行。酸洗还可以 通过对金属表面进行微粗化处理, 提高微电铸铸层与金属基底的结合力。本文选用稀硝酸溶液对金属表面进行酸洗,酸洗时间为 20s。

图2  结合强度试验工艺流程图

图2  结合强度试验工艺流程图

图3  SU-8胶膜制备流程

图3  SU-8胶膜制备流程

电化学刻蚀工艺。电化学 刻蚀工艺采用正向脉冲电源,设定 脉冲频率为 1000Hz,占空比为 20%, 选取电流密度为 5A/dm2 ,选用质量 分数为 10% 的氯化钠盐溶液作为电 解质,为防止电化学刻蚀过程中产 生沉淀,用盐酸将电解液调节为酸 性(pH=3),试验温度为 30℃。首先 在该工艺参数下进行刻蚀效率试验, 确定刻蚀时间。试验结果表明,刻蚀 5min 的刻蚀深度大约为 10μm、刻蚀 10min 的刻蚀深度大约为 20μm。但 随着刻蚀深度增加,侧蚀量也会增 大,从而引起胶膜脱落失效,导致电 铸失败。为保证试验顺利进行,本文 选用的刻蚀时间为 5min,试验装置 如图 4 所示。

图4  刻蚀设备示意图

图4  刻蚀设备示意图

表1  铸层与基础的剪切力和剪切强度测试结果

铸层与基础的剪切力和剪切强度测试结果

(1)微电铸。微电铸试验以加 入小电流预铸的方法提高界面结 合 强 度,搅 拌 方 式 为 阴 极 移 动,采 用正向脉冲电源,设定脉冲频率为 1000Hz,占 空 比 为 20%,选 取 电 流 密度为 0.2A/dm2 (30min),0.5A/dm2 (30min),1.0A/dm2 (10h)。 试 验 选 用以氨基磺酸镍为基础液的电铸液, 电铸液的成分为 Ni(NH2SO3)2 ·4H2O (550g/L)、NiCl2 (10g/L)、H3BO3 (35g/ L)、润湿剂(0.1g/L)。

(2)去胶。将制作完成的试验片使用SU-8 Remover去胶液去胶。

(3)剪切力测量。采用剪切法 测量各试验片铸层与基底的剪切力, 计算后得到相应的剪切强度。剪切 后铸层从基板脱落,如图 5 所示。各 组参数下铸层与基底的剪切力和剪 切强度如表 1 所示。

二、分析与讨论

由表 1 的测试数据可知,酸洗和 掩膜电化学刻蚀工艺能够显著提高 铸层与基底的结合强度。相对于直 接电铸,酸洗 20s 后电铸铸层与基底 的结合强度提高了 98.5%,刻蚀 5min 后电铸结合强度提高 203.6%。刻蚀 5min 后电铸相对于酸洗 20s 后电铸 结合强度提高 53.0%。

1、掩膜电化学刻蚀过程中的侧蚀

镍金属属于各向同性物质,在掩膜电化学刻蚀过程中会发生明显的侧蚀(杂散腐蚀)现象 。一般情况下,侧蚀区在电铸过程中会被填充, 如图 6 所示,图中 d 和 h 分别表示单 侧侧蚀量和刻蚀深度。侧蚀量的大 小和刻蚀液成分、刻蚀时间以及电流 密度有密切关系。随着刻蚀时间的 延长和电流密度的增大,侧蚀量以及 刻蚀深度都会相应变大。刻蚀后和 电铸后的形貌如图 7 所示。经测量, 刻蚀深度和侧蚀宽度的比例大约为 1∶1,即 d∶h=1∶1。

图5  剪切后铸层脱落

图5  剪切后铸层脱落

图6  刻蚀、电铸过程示意图

图6  刻蚀、电铸过程示意图

图7  刻蚀和电铸后的侧蚀形貌示意图

图7  刻蚀和电铸后的侧蚀形貌示意图

运用电化学刻蚀工艺制作模具时往往会由于侧蚀现象导致模具形 状精度差、侧壁垂直度低。本文充分利用侧蚀现象来提高铸层和基底的 接触面积。试验中胶膜型腔的宽度 为 100μm,而刻蚀 5min 时单侧侧蚀 量大约为 10μm,故而侧蚀将基底的 裸露面积增加了大约 20%,即电铸后 铸层与基底的接触面积增加了 20%。 刻蚀还能对基底表面进行微粗化,进 而增大铸层与基底的实际接触面积。 因此,掩膜电化学刻蚀过程中的侧蚀 会增加铸层与基底的实际接触面积, 从而提高其结合强度。然而侧蚀量 过大又容易引起胶膜的脱落失效,如 图 8 所示。因此,在掩膜电化学刻蚀 过程中必须充分考虑以上两方面的 综合影响,选取最佳工艺参数。

图8  刻蚀导致胶膜脱落失效

2、电化学刻蚀提高铸层与基底结合 强度的机理

电化学刻蚀工艺提高铸层与基 底结合力的原因主要归纳为以下两点:

(1)通过刻蚀一定深度,在基板 表面“打桩”形成“桩基”。铸层承 受侧向力时,“桩基”会形成遮挡,从 而提高了剪切强度。经试验证明,当 刻蚀深度大于 20μm 时,剪切过程中 发生铸层断裂,此时的剪切强度从铸 层与基底之间的结合强度变为铸层 内部的结合强度,使得其剪切强度接 近于镍金属的剪切强度,提高了铸层 与基底的结合稳定性。

(2)增大接触面积。通过对电 化学刻蚀 - 电铸的原理进行分析可 知,刻蚀中的杂散腐蚀可显著增加基 底实际表面积,即电铸中铸层和基底 的实际接触面积,从而提高结合强 度。通过以上两点分析可知,刻蚀深 度越大、侧蚀量越大,越有利于提高 铸层与基底的结合强度。然而,刻蚀 时间过长、产生的侧蚀量过大,极易 引起胶膜的起胶脱落,直接导致制作失败。

双十字微流控芯片模具制作

为了验证上述试验结论,本文基 于 UV-LIGA 工艺、采用掩膜电化学 刻蚀复合微电铸工艺的方法,制作了 双十字微流控芯片模具。选用规格 为 60mm×60mm×3mm 的镍板作为 基板进行制作。为对比刻蚀后电铸 和直接电铸的效果,选用“刻蚀 5min 后电铸”和“直接电铸”两组相关参 数进行制作。“刻蚀 5min 后电铸”组 为试验片,“直接电铸”组为对照片。 将试验片和对照片分别按照相应的 工艺流程制作,电铸完成后使用高粒 度砂纸对电铸表面进行研磨,研磨过 程中使用电感测微仪进行高度测量, 保证铸层高度为(105±5)μm。

研磨过程中对照片出现铸层翘 起现象,去胶后铸层脱落失效,如图 9 所示。对试验片去胶后得到完好 的双十字微流控芯片模具。结果证 明,通过掩膜电化学刻蚀工艺和微电 铸工艺相结合的方法可以制作出剪 切强度大,使用寿命长的微流控芯片模具。

图9  铸层翘起及脱落

图9  铸层翘起及脱落

三、结论

(1)研究了掩膜电化学刻蚀工 艺改善铸层与基底结合力的机理,并 解决了制作过程中遇到的工艺问题, 如酸洗导致的胶膜脱落失效问题、刻 蚀引起的侧蚀问题。

(2)通过剪切法定量分析了酸 洗和电化学刻蚀工艺对于铸层剪 切强度的影响规律,结果表明:直 接电铸、酸洗 20s,电铸和刻蚀 5min 后电铸铸层与基底的剪切强度平 均 值 分 别 为 52.1MPa、103.4MPa 和 158.2MPa,酸洗 20s 和刻蚀 5min 分 别将铸层与基底的剪切强度提高了98.5% 和 203.6%。

(3)运用掩膜电化学刻蚀工艺 和微电铸工艺相结合的方法成功制 作了双十字微流控芯片模具,验证了 新工艺的可行性。

关键词: 结合力;电化学刻蚀;微流控芯片模具;微电铸

(文章来源作者:航空制造技术·2017年第 17作者:杜立群,李庆峰,李爰琪,赵文君 责编大漠 DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2017.17.016转载仅供参考学习及传递有用信息,版权归原作者所有,如侵犯权益,请联系删除)



标签:    电化学刻蚀 微电铸