專利名稱：一種采用電鑄制作低摩擦系數(shù)微電子機械模具的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機械模具制作技術(shù)，特別是涉及電鑄法制作低摩擦系數(shù)復(fù)合材料的微電子機械模具。
背景技術(shù)：
微電子機械是一種高度集成、高度智能化的尺寸在納米到毫米量級的機械?，F(xiàn)已發(fā)展到能夠在一個芯片上生產(chǎn)大量微電子機械。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科學技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。目前用于制作微電子機械的微細加工技術(shù)有多種，但就大規(guī)模生產(chǎn)與高度適應(yīng)性而言，荷蘭《微電子工程》(Microelectronic Engineering，Vol 4，1986，pp35-56)報道的德國卡爾斯魯厄原子核研究中心艾爾菲德(Ehrfeld)教授發(fā)明的LIGA(Lithographie，Galvanoformung，Abformung德文光刻，電鑄和塑鑄)技術(shù)被公認為是一種最有前景的三維立體微細加工新方法。利用LIGA技術(shù)制作活動微電子機械的步驟一般如下先在導(dǎo)電襯底上涂上光刻膠，利用深度同步輻射光刻制作出光刻膠圖形，通過電鑄得到金屬微電子機械，以金屬微電子機械為模具進行注模復(fù)制而大批量生產(chǎn)。由此發(fā)展的準LIGA技術(shù)和激光LIGA技術(shù)，分別采用紫外光刻和激光光刻代替LIGA技術(shù)中的深度同步輻射光刻。
由于微電子機械尺寸較小，具有較大的高寬比，微電子機械模具和塑鑄產(chǎn)品材料表面之間的摩擦力會使脫模難以成功，大大降低了塑鑄的效率。降低模具材料的摩擦系數(shù)，從而減少模具和產(chǎn)品之間的摩擦力，能夠提高脫模的成功率。荷蘭《應(yīng)用表面科學》(Applied Surface Science，Vol.143，1999，pp301-308)曾報道用等離子體的方法在Ni模具上鍍類聚四氟膜來減少摩擦力，實驗說明能提高模具的脫模次數(shù)。日本《微型機器》(Micromachine Vol.13，1995，p16-18)指出，微電子機械的摩擦系數(shù)隨正壓力的減少而增大，不再是常數(shù)；只有考慮了表面作用力后，微電子機械摩擦系數(shù)才為常數(shù)。微電子機械兩活動表面間的摩擦力不僅與壓力有關(guān)，還與表面間的作用力有關(guān)，所以要減小微電子機械兩表面間摩擦力，必須減小接觸的表面作用力。正是由于微電子機械的這一性質(zhì)，所以荷蘭《固態(tài)電子學》(Solid-States Electronics Vol.43，1999，pp1079-1083)報道使用脫模劑并不能明顯改善脫模效果。針對微電子機械的這一摩擦特性，為了提高脫模成功率，唯一有效的途徑是減少微電子機械的摩擦系數(shù)和表面作用力。表面作用力與接觸面的表面能有密切關(guān)系，所以可以通過減小表面能，獲得較小的表面作用力，從而減少摩擦力，提高脫模成功率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種采用電鑄法制作低摩擦系數(shù)復(fù)合材料微電子機械模具的制作方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)尚未解決的塑鑄微電子機械脫模成功率低的問題。
這種低摩擦系數(shù)復(fù)合材料微電子機械模具的制作方法，包括采用常規(guī)LIGA、準LIGA或激光LIGA技術(shù)的如下步驟(1).在金屬基片上制作光刻膠層，通過光刻(深度同步輻射光刻、紫外光刻或激光光刻)制作微電子機械的光刻膠圖形；(2).在已制作光刻膠圖形的金屬基片上進行電鑄，形成微電子機械的金屬構(gòu)件；(3).除去光刻膠，得到金屬模具；(4).利用熱壓成型或壓鑄批量復(fù)制微電子機械；其特征是在上述電鑄工藝(2)之前，將含微電子機械光刻膠圖形的金屬基片放入每升電鍍液中含5-40g低摩擦系數(shù)材料的電鍍液中進行電鍍；所述低摩擦系數(shù)材料可選用聚四氟乙烯(PTFE)或/和碳60(C60)；所述電鍍液可從現(xiàn)有常規(guī)使用的電鍍液中選擇。
模具圖形側(cè)壁與塑鑄產(chǎn)品材料(一般為PMMA或PC)圖形側(cè)壁間的摩擦力是影響脫模的主要因素，較大的摩擦力會損傷塑鑄產(chǎn)品的圖形。在微小尺度下，相互接觸的兩表面之間的粘著力(各種表面作用力的綜合效果)超過慣性力(如重力等)成為表面接觸的主要作用力；甚至空氣的濕度就會對摩擦力起較大的作用。
微電子機械兩表面相對運動時，主要受到表面粘著力引起的摩擦力。這種摩擦力可表示為F＝μH式中F是摩擦力，μ是摩擦系數(shù)，H是表面粘著力。通過減小表面粘著力和摩擦系數(shù)可以減小摩擦力。
表面粘著力H可以表示為H＝(1.5πγ Kr3)1/2式中γ＝γ1+γ2-γ12，K＝0.75[(1-ν1)/E1+(1-ν2)/E2；其中γ是接觸面的表面能，γ1、γ2分別是兩表面的表面能，γ12是界面能，K是當量彈性模量，E1、E2、ν1、ν2分別是兩表面材料的彈性模量、泊松比，r是接觸面的有效半徑?？梢娙绻軠p小γ，可以獲得較小的表面力(上述公式可參見溫詩鑄《納米摩擦》130-131頁，清華大學出版社，1995)。
如塑鑄產(chǎn)品材料為PMMA，那么PMMA的表面能γ1＝0.04mJ/m2，若模具材料是Ni，則γ2＝1.7J/m2，PMMA和Ni的相容性很差，可將γ12視為零。顯然如果能減小γ2，將會獲得較小的γ，從而減小表面粘著力。
聚四氟乙烯的表面能只有0.018J/m2，在電鑄Ni圖形時，將適量PTFE加入到Ni的電鍍液中，可以獲得Ni-PTFE復(fù)合鍍層，大大減小平均表面能，從而減小表面作用力。
Ni-PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)μ可表示為μ＝α1μ1+(1-α1)μ2μ1、μ2分別是Ni和PTFE的摩擦系數(shù)，α1是Ni在Ni-PTFE復(fù)合材料表面的百分含量；μ1＝0.40，μ2＝0.04；從上式可知，增加PTFE的含量可以減小摩擦系數(shù)。因此，用Ni-PTFE制作模具會大大提高脫模性能。
基于上述分析，本發(fā)明提出了在上述電鑄工藝(2)之前，將含微電子機械光刻膠圖形的金屬基片放入含5-40克/升低摩擦系數(shù)材料的電鍍液中進行電鍍的技術(shù)方案，所述低摩擦系數(shù)材料可選用聚四氟乙烯或/和碳60，所述電鍍液可從現(xiàn)有常規(guī)使用的電鍍液中選擇。
本發(fā)明在現(xiàn)有LIGA技術(shù)基礎(chǔ)上，首次將低摩擦系數(shù)材料利用電鑄的方法嵌入微電子機械的主體材料中，解決了常規(guī)固體潤滑劑涂抹工藝無法適用于微電子機械的問題；本發(fā)明方法工藝簡單，有效地解決了由于微電子機械模具與產(chǎn)品之間摩擦力較大而使脫模成功率低的問題；本發(fā)明是對現(xiàn)有LIGA技術(shù)、準LIGA技術(shù)、激光LIGA技術(shù)制作活動微電子機械模具方法的完善和拓展。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明低摩擦系數(shù)復(fù)合材料模具的制作過程作進一步具體說明實施例1.含聚四氟乙烯的以鎳為主體材料的微電子機械模具的制作1)微電子機械光刻膠圖形的制作在金屬基片上甩20μm厚的Su-8光刻膠；以齒輪圖形的鉻板為掩模，使用365nm波長的紫外光為曝光光源，曝光計量200mJ。本實施例采用濕法顯影，顯影后，用去離子水洗滌干凈，即可在基片上得到負版光刻膠圖形。
2)低摩擦系數(shù)復(fù)合材料金屬模具的制作①本實施例選用聚四氟乙烯作為低摩擦系數(shù)添加材料。
將30克聚四氟乙烯用潤濕劑潤濕，加入到1升電鍍液中。
將深度光刻后有負版光刻膠圖形的金屬基片作陰極，電解鎳作陽極，放入上述含有低摩擦系數(shù)添加材料聚四氟乙烯的電鍍液中進行電鍍。
電鍍液配方為氨基磺酸鎳 290克/升氯化鎳 25克/升硼酸35克/升聚四氟乙烯 30克/升(電鍍液)電鍍條件為 PH 4.0溫度37℃電流密度2A/dm2當電鍍層達到約16μm厚后取出，即得到了低摩擦系數(shù)的聚四氟乙烯和鎳復(fù)合材料的微電子機械(微齒輪)模具。
②將電鍍后的金屬基片用去離子水洗滌干凈，并除去光刻膠。
在其他條件和步驟與上述相同，僅改變電鍍液配方中聚四氟乙烯的量分別為5克、10克、20克和40克的情況下，制作含聚四氟乙烯的以鎳為主體材料的微電子機械模具，并對所得微電子機械模具作對比試驗。
效果檢測聚四氟乙烯復(fù)合材料的摩擦系數(shù)檢測采用日本產(chǎn)協(xié)和式靜動摩擦儀，在500mN載荷下測試不同聚四氟乙烯含量的PTFE-Ni復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。測試結(jié)果表明，PTFE的含量為5克/升時，PTFE-Ni的摩擦系數(shù)為Ni的4/5；PTFE的含量為10克/升時，PTFE-Ni的摩擦系數(shù)為Ni的3/5；PTFE的含量為15克/升時，PTFE-Ni的摩擦系數(shù)為Ni的1/2；PTFE的含量為30克/升時，PTFE-Ni的摩擦系數(shù)為Ni的9/20。
熱壓塑鑄測試采用德國Jenoptik Nikotechnik，GmgH公司生產(chǎn)的HEX-02型熱壓注塑機，PMMA為壓模材料，齒輪模具的齒尖寬為3μm，高為16μm，高寬比約為5。實驗結(jié)果表明Ni為模具時，脫模時，不能得到完整齒尖的PMMA齒輪；當PTFE的含量為15克/升時，脫模時，只是PMMA齒輪的齒尖表面受到損傷；當PTFE的含量為30克/升時，脫模時，能得到完整的齒尖的PMMA齒輪。
實施例2.以C60為低摩擦系數(shù)添加材料的以鎳為主體材料的微電子機械模具的制作1)微電子機械光刻膠圖形的制作
在金屬基片上甩20μm厚的Su-8光刻膠；以齒輪圖形的鉻板為掩模，使用365nm波長的紫外光為曝光光源，曝光計量200mJ。本實施例采用濕法顯影，顯影后，用去離子水洗滌干凈，即可在基片上得到負版光刻膠圖形。
2)低摩擦系數(shù)復(fù)合材料微電子機械金屬模具的制作①本實施例選用C60作為低摩擦系數(shù)添加材料。將30克C60用潤濕劑潤濕，加入到1升電鍍液中。
將深度光刻后有負版光刻膠圖形的金屬基片作陰極，電解鎳作陽極，放入含有低摩擦系數(shù)材料C60的電鍍液中進行電鍍。
電鍍液配方為氨基磺酸鎳 290克/升氯化鎳 25克/升硼酸35克/升碳601％(重量比)電鍍條件為 PH 4.0溫度37℃電流密度2A/dm2當電鍍層達到約16μm厚后取出，這樣就得到了低摩擦系數(shù)C60-Ni復(fù)合材料的微電子機械模具。
②將電鍍后的金屬基片用去離子水洗滌干凈，并除去光刻膠。
效果檢測采用日本產(chǎn)協(xié)和式靜動摩擦儀，在500mN載荷下測試了不同C60含量的C60-Ni復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，測試結(jié)果表明，C60的含量為5g/L時，C60-Ni的摩擦系數(shù)為Ni的2/3，C60的含量為15g/L時，C60-Ni的摩擦系數(shù)為Ni的3/5，C60的含量為30g/L時，C60-Ni的摩擦系數(shù)為Ni的1/2。
熱壓塑鑄測試采用德國Jenoptik Nikotechnik，GmgH公司生產(chǎn)的HEX-02型熱壓注塑機，PMMA為壓模材料，齒輪模具的齒尖寬為3μm，高為16μm，高寬比約為5。實驗結(jié)果表明Ni為模具時，脫模時，不能得到完整齒尖的PMMA齒輪；當C60的含量為15克/升時，脫模時，只是PMMA齒輪的齒尖表面受到損傷；當C60的含量為30克/升時，脫模時，能得到完整的齒尖的PMMA齒輪。
根據(jù)微電子機械的摩擦特性及我們的電鑄工藝條，同時加入聚四氟乙烯和C60也會得到較好的效果。
權(quán)利要求
1.一種低摩擦系數(shù)復(fù)合材料微電子機械模具的制作方法，包括采用常規(guī)LIGA、準LIGA或激光LIGA技術(shù)的如下步驟(1).在金屬基片上制作光刻膠層，通過光刻(深度同步輻射光刻、紫外光刻或激光光刻)制作微電子機械的光刻膠圖形；(2).在已制作光刻膠圖形的金屬基片上進行電鑄，形成微電子機械的金屬構(gòu)件；(3).除去光刻膠，得到金屬模具；(4).利用熱壓成型或壓鑄批量復(fù)制微電子機械；其特征是，在上述電鑄工藝(2)之前，將含微電子機械光刻膠圖形的金屬基片放入每升電鍍液中含5-40g低摩擦系數(shù)材料的電鍍液中進行電鍍；所述低摩擦系數(shù)材料可選用聚四氟乙烯或/和碳60；所述電鍍液可從現(xiàn)有常規(guī)使用的電鍍液中選擇。
全文摘要
本發(fā)明低摩擦系數(shù)復(fù)合材料微電子機械模具制作方法，特征是在常規(guī)LIGA技術(shù)的電鑄工藝前，將含微電子機械光刻膠圖形的金屬基片放入每升電鍍液中含5－40g低摩擦系數(shù)材料的電鍍液中進行電鍍；所述低摩擦系數(shù)材料可選用聚四氟乙烯或/和碳60；所用電鍍液可從現(xiàn)有常規(guī)使用的電鍍液中選擇。本方法工藝簡單，有效地解決了微電子機械的潤滑和磨損問題，是對LIGA技術(shù)、準LIGA技術(shù)、激光LIGA技術(shù)制作活動微電子機械的方法的完善和拓展。
文檔編號B81B7/02GK1465520SQ0213790
公開日2004年1月7日 申請日期2002年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月5日
發(fā)明者田揚超, 劉剛, 張鵬, 田學紅 申請人:中國科學技術(shù)大學