1 大连理工大学 高性能精密制造全国重点实验室，辽宁大连6024
2 大连理工大学 辽宁省微纳米系统重点实验室，辽宁大连11604
在利用微电铸工艺制作惯性开关的过程中，经常会出现由于界面结合强度低而引起的铸层翘起问题。微电铸层与基板的界面结合强度低会降低微开关的制作成品率、延长制作周期、增加制作成本。针对这一问题，本文从界面钝化膜的角度，采用了“电解活化去除钝化膜”和“引入Cu过渡层”的方法。为探究钝化膜对界面结合强度的影响，通过Materials Studio软件对不同钝化膜去除率模型的界面结合能进行仿真计算，计算结果表明钝化膜去除率越高越有利于界面结合强度的提高，在完全去除钝化膜后界面结合强度提高了197%；为探究过渡金属对界面结合强度的影响，分别以Cu，Cr，Ti作为过渡层，与不锈钢基板和镍铸层建立结合层体系，计算体系的结合能，计算结果表明Cu与基板、Cu与铸层的结合能最高，与未引入过渡金属相比，引入Cu后界面结合强度提高了81%。在仿真研究结果的基础上，开展了电解活化实验，通过电解活化法去除了基板表面的钝化膜，实验结果表明：电解活化区域铸层的界面结合强度明显高于未活化区域铸层的界面结合强度；同时开展了铜过渡层实验，对比了有无Cu过渡层的界面结合强度，实验结果表明：引入Cu后，铸层的界面结合强度明显提高。在上述仿真和实验结果的基础上，制作出尺寸为23 mm×20 mm、总高度为900 μm的微惯性开关。
微惯性开关 微电铸 界面结合强度 分子动力学 电解活化 micro inertial switch micro electroforming interface bonding strength molecular dynamics electrolytic activation 光学 精密工程
2023, 31(10): 1464
1 大连理工大学 辽宁省微纳米技术及系统重点实验室, 辽宁 大连 116024
2 大连理工大学 精密与特种加工技术教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024
3 海信新研发中心, 山东 青岛 266100
为了获得可靠的金属纳米尖的制作方法, 设计了基于模板微电铸工艺制备金字塔型纳米Ni尖的工艺流程并进行了实验验证。利用(100)型单晶硅的各向异性腐蚀特性在40%的KOH溶液中腐蚀以制备倒金字塔型的硅模具, 采用磁控溅射与正胶剥离工艺获得了厚度为200 nm的Ni种子层薄膜并进行金属图形化, 之后进行微电铸实验, 最后, 利用KOH腐蚀硅模具以释放金字塔型实体Ni纳米尖。实验结果表明: 利用ICP干法刻蚀代替HF酸腐蚀SiO2掩蔽窗口, 可将模具制作的相对误差降低约9%; 金字塔型Ni纳米尖的底部边长尺寸约为140 μm, 纳米尖最小曲率半径为54 nm; 微电铸工艺复制精度约为99%。采用微电铸工艺并结合硅片自停止刻蚀技术, 能够稳定可靠地制备出金字塔型Ni纳米尖, 实现了金属纳米尖的批量化制备, 从而降低了制造成本, 为纳米尖的广泛应用奠定了基础。
纳米尖 硅模具 各向异性刻蚀 微电铸 种子层 nano-tips silicon template anisotropic etching microelectroforming seed layer
1 合肥工业大学 光电技术研究院, 合肥 230009
2 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院, 合肥 230009
3 中航光电科技股份有限公司, 河南 洛阳 471000
4 合肥工业大学 电子科学与应用物理学院, 合肥 230009
微电铸工艺是太赫兹全金属光栅器件成型的关键工序。金属光栅质量取决于电铸工艺中金属离子沉积的均匀性，而电铸槽阴极附近电流密度的分布直接影响金属离子沉积的均匀性。在阳极与阴极间添加开孔的绝缘玻璃挡板可以改善阴极电流密度分布的均匀性，研究了挡板与阴极的距离以及挡板开孔大小对阴极电流密度分布的影响，仿真结果表明：添加开孔绝缘挡板有助于改善阴极处的电流密度分布；当添加的玻璃挡板开孔大小与阴极尺寸一致时，挡板距离阴极越近，阴极的电流密度分布越均匀。根据仿真结果设计了相应的挡板，电铸工艺获得了较好质量的均匀金属层，从而验证了上述仿真分析的有效性。
微电铸 太赫兹 挡板 电流密度 micro-electroforming terahertz baffle panel current density 强激光与粒子束
2019, 31(8): 083102
1 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024
2 大连理工大学 辽宁省微纳米及系统重点实验室, 辽宁 大连 116024
3 博奥生物有限公司, 北京 101111
利用微电铸技术制作的微流控芯片模具往往存在沉积厚度不均匀的缺陷, 这种缺陷会影响模具的尺寸精度及使用性能, 并增加模具的制作成本。为了制得厚度均匀的微流控芯片模具, 研究了超声电铸对模具均匀性的影响。首先, 采用有限元软件COMSOL Multiphysics建立微流控芯片模具的微电铸模型, 分析电铸2 h后的模具的厚度分布。并根据该仿真结果, 设计掩模版。然后, 在自主搭建的超声电铸装置中进行一系列电铸实验, 来研究超声搅拌对模具均匀性的影响。实验结果表明: 电铸过程中添加超声搅拌可以改善微流控芯片模具的均匀性。超声功率为200 W时, 超声频率改善模具均匀性的程度为200 kHz＞80 kHz＞120 kHz。超声频率为200 kHz时, 超声功率改善模具均匀性的程度为500 W＞200 W＞100 W。当超声的频率和功率分别为200 kHz和500 W时, 与无超声电铸相比, 模具的均匀性提高约30%。
超声搅拌 微电铸 均匀性 微流控芯片模具 超声空化 声流 ultrasonic agitation micro-electroforming uniformity microfluidic chip mould ultrasonic cavitation acoustic streaming 强激光与粒子束
2016, 28(6): 064111
1 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024
2 大连理工大学 辽宁省微纳米及系统重点实验室, 辽宁 大连 116024
根据光学领域对高深宽比金属微器件的需求,利用UV-LIGA工艺在金属基底上制作了具有高深宽比的金属微光栅.采用分层曝光、一次显影的方法制作了微电铸用SU-8胶厚胶胶模,解决了高深宽比厚胶胶模制作困难的问题.由于电铸时间长易导致铸层缺陷,故采取分次电铸等措施得到了电铸光栅结构;同时通过线宽补偿的方法解决了溶胀引起的线宽变小问题.在去胶工序中,采用“超声-浸泡-超声”循环往复的方法.最终,制作了周期为130 μm、凸台长宽高为900 μm× 65 μm×243 μm的金属微光栅,其深宽比达到5,尺寸相对误差小于1%,表面粗糙度小于6.17 nm.本文提出的工艺方法克服了现有方法制作金属微光栅时高度有限、基底易碎等局限性,为在金属基底上制作高深宽比金属微光栅提供了一种可行的工艺参考方案.
金属微光栅 高深宽比 UV-LIGA工艺 SU-8厚胶 微电铸 metal micro-grating high aspect ratio UV-LIGA technology SU-8 thick photoresist micro electroforming
1 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁 大连 116023
2 大连交通大学,辽宁 大连 116028
3 大连理工大学 辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,辽宁 大连 116023
研究了LIGA/UV-LIGA的核心技术微电铸的内在规律,对影响铸层生长的阴极电流密度和流体流场进行了数值分析。以微流控芯片微模具上的十字电铸层为研究对象,建立了微电铸的数学模型。给出了描述微电铸体系电流密度和流体流场的偏微分方程,运用有限元法对微电铸体系进行三维数值仿真,得到了电流密度分布和流体流场分布的数值结果。选择十字铸层上的测量点,由该点处电流密度和流体流速仿真数据计算出微电铸4 h的铸层生长高度仿真值,并与相同工艺条件下的微电铸实验铸层生长高度进行对比。结果显示,对应各测量点微电铸生长高度仿真值和实验值的变化趋势接近,绝对偏差小,最大绝对偏差为4.437 μm,最小绝对偏差为0.264 μm。实验表明这种数值仿真方法适用于微电铸工艺设计的辅助分析,可缩短微电铸工艺的开发周期。
微电铸 阴极电流密度 流体 三维数值仿真 micro-electroforming cathode current density fluid 3D numerical simulation
1 天津工业大学 机械电子学院,天津 300160
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室,吉林 长春 130033
为了研究含N’N-二乙基硫脲添加剂的微电铸工艺金属铜填洞机理,采用线性伏安法、循环电压电流溶出法(CVS)、扫描电镜(SEM)以及XRD测量法研究了N’N-二乙基硫脲对微电铸工艺电化学行为的影响,并借助塔菲尔方程,研究了微电铸铜反应过程中的电极动力学参数。结果表明,当微电铸铜工艺中加入N’N-二乙基硫脲添加剂时,产生活性极化,提高了铜离子还原时所需的活化能,金属离子的放电速度从2.221 4 mA/cm2降低到约0.076 mA/cm2,从而增加了反应时的过电位,促使电极表面晶核成型速度增加,晶体成长速度由2.57μm/min降低到约0.17μm/min,铜离子的平滑能力提高约50%,有效地减小了微电铸时的边沿效应,使金属铜具有良好的填充微型孔洞的能力。本实验通过微电铸工艺成功地将金属铜填充入宽为10μm,深宽比为4:1的微型凹槽中,且镀层内没有空洞、空隙及细缝等缺陷。
微电铸工艺 N'N-二乙基硫脲 活性极化 电化学行为 填洞能力 micro-electroplating process N’N-diethylthiourea activation polarization electrochemical behavior gap-filling
1 大连理工大学,精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁,大连,116024
2 大连理工大学,辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,辽宁,大连,116024
SU-8光刻胶层内应力会使胶体结构开裂变形,而其在电铸液中的热溶胀效应则是造成微电铸结构线宽减小的主要因素,SU-8胶的内应力和溶胀性还严重地影响所制作图形的深宽比和尺寸精确性.本文研究了不同后烘温度下SU-8胶在电铸液中的热溶胀性及胶层的内应力,在其他工艺参数相同的情况下,测量了SU-8胶微通道线宽随溶胀时间的变化.溶胀实验结果表明,后烘温度越低,SU-8胶的溶胀变形越大,且热溶胀现象主要发生在前30 min其后,溶胀速率逐渐减缓而趋于稳定.在对SU-8胶后烘后,利用基片曲率法测量了胶层内应力的大小.实验数据表明,采用较低的后烘温度可以降低SU-8胶层的内应力.因此,在工艺过程中,应该综合考虑热溶胀性及胶层内应力的影响,根据实际加工器件的要求适当选取后烘工艺参数.
SU-8光刻胶 微电铸 热溶胀性 内应力
1 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116023
2 大连交通大学,辽宁,大连,116028
3 大连理工大学,辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,辽宁,大连,116023
4 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁,大连116023
在给定的电铸液组分和工艺路线下,运用交流阻抗法研究了微电铸镍结构的电极过程动力学特性.建立了微电铸体系的等效电路,根据实验获得的交流阻抗图和电阻电抗频率响应,分析了搅拌、整平剂对微电铸体系交流阻抗的影响,计算了电极过程的交换电流密度.结果表明,加人十二烷基硫酸钠整平剂数量存在一个使交流阻抗最小的最佳值,大小为3g/L,在有搅拌、加入最佳量的整平剂时,体系电极过程的交换电流密度为0.171A/dm2.在微电铸过程中有搅拌、加入适量整平剂使电铸液交流阻抗下降,阴极电流效率提高,可以改善微电铸镍结构的表面性能、致密度和高度均匀性.
微电铸 交流阻抗法 整平剂 交换电流密度
华中科技大学 机械科学与工程学院，武汉 430074
为了得到微米级的微型结构，先用准分子激光加工高深宽比的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微孔结构，并以此和光刻成型的微结构作为模具，进行了微电铸试验，通过对电镀参数方法进行调整和优化，改善了微结构加工中镀液难以进入孔隙、浓差极化严重、结晶粒子不能得到及时补充等缺点，得到了线宽为10μm级的微型结构。为进一步的微结构加工奠定了基础。
微电铸 准分子激光 microelectroform LIGA lithographie galvanoformung abformung(LIGA) excimer laser PMMA PMMA
