金屬鎳基底上制備高密集微細(xì)鎳圓柱陣列的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及金屬基底上微電鑄金屬陣列器件類，特別涉及到一種基于UV-LIGA工藝在金屬鎳基底上制備高密集型微細(xì)鎳圓柱陣列的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬圓柱陣列可以作為陣列電極用于微細(xì)電火花加工，也可以作為模壓工藝的模具用來制作群孔結(jié)構(gòu)。尤其是高密集微細(xì)圓柱陣列可制作具有降噪特性的群孔結(jié)構(gòu)，在工業(yè)領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。此外，金屬圓柱陣列所具有的消色差、聚焦、電旋轉(zhuǎn)、散射等特性，使其大量地應(yīng)用于光學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域。因而其加工方法越來越受到科研人員的關(guān)注?，F(xiàn)有的金屬圓柱陣列制作方法有微細(xì)電火花線切割及電火花反拷技術(shù)、微細(xì)電解加工技術(shù)、LIGA及UV-LIGA技術(shù)。其中LIGA及UV-LIGA以其獨特的優(yōu)勢成為制作微細(xì)、高深寬比結(jié)構(gòu)的首選加工技術(shù)。如《電加工與模具》2011年第5期第14-17頁，《光學(xué)精密工程》2010年第18卷第3期第670-676頁和南京航空航天大學(xué)2010年博士論文《UV-LIGA與微細(xì)電加工組合制造金屬陣列網(wǎng)板技術(shù)研究》。文獻(xiàn)I利用LIGA技術(shù)在鈦基底上制作了具有盲孔陣列的PMMA光刻膠膠模，然后利用電鑄鎳工藝制備了直徑為ΙΟΟμπι、高度為800μπι、柱間距為200μπι的鎳圓柱陣列。這種方法一方面由于LIGA技術(shù)設(shè)備昂貴，使得微柱陣列的制作成本較高；另一方面由于盲孔電鑄困難，造成部分圓柱陣列存在“失鑄”現(xiàn)象。文獻(xiàn)2和文獻(xiàn)3提出了一種制作高徑比小于4的微細(xì)圓柱陣列方法。首先利用UV-LIGA技術(shù)在銅基底上制作了具有盲孔陣列的SU-8膠膠模，然后通過電解置粧的方法對銅基底進(jìn)行刻蝕，再使用電鑄銅工藝制備了直徑為300μπι、高度為900μπι、柱間距為700μπι的銅圓柱陣列。這種方法制備的微柱陣列存在凹坑類的表面形貌缺陷。同時由于圓柱與基底的結(jié)合力差，使得部分圓柱陣列脫落。對于高密集型微細(xì)圓柱陣列(圓柱直徑小于ΙΟΟμπι、柱間距小于200μηι)，由于盲孔內(nèi)鑄液的交換更加困難、電解置粧法容易造成膠膜的脫落，再加之柱間距小使得去膠更加困難。因此采用上述方法已不能制備滿足要求的高密集型微柱陣列結(jié)構(gòu)。
[0003]目前，高密集微細(xì)圓柱陣列在微細(xì)電火花加工、降噪等工業(yè)領(lǐng)域有很大的市場需求。因此，制作工藝方面的一些瓶頸問題亟待解決。
[0004]專利(CN103913789A)金屬基底上制備高深寬比金屬微光柵的方法，公開了一種在高純鎳板基底上，經(jīng)兩次勻膠、分層曝光以及一次顯影等光刻工藝過程得到SU-8膠膠膜，再微電鑄鎳、微電鑄后處理來實現(xiàn)金屬微光柵的制作;通過線寬補償?shù)姆椒ń鉀Q溶脹引起的線寬變小問題;在去膠工序中，采用了“超聲-浸泡-超聲-浸泡”循環(huán)往復(fù)的方法去膠;在退火工序中使用真空退火去除殘余應(yīng)力。但是該方法不能解決盲孔電鑄存在的“失鑄”問題，同時采用去膠液“超聲-浸泡-超聲-浸泡”的方法存在光刻膠溶脹問題，會造成微柱結(jié)構(gòu)的脫落，因此不適用于制備高密集微細(xì)鎳圓柱陣列。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明克服了上述現(xiàn)有方法的不足，針對高密集微細(xì)圓柱陣列制作的瓶頸問題，提供一種在金屬鎳基底上制備高密集型微細(xì)鎳圓柱陣列的方法，主要包括在金屬鎳基底上，經(jīng)過兩次勻膠、曝光及超聲顯影等工藝制作SU-8膠模，再通過超聲電鑄鎳、研磨、煮酸等工藝實現(xiàn)圓柱陣列的制作;最后通過退火工藝去除圓柱陣列的殘余應(yīng)力;具體步驟如下:
[0006]步驟一，鎳基板預(yù)處理:首先使用研磨拋光機(jī)對金屬鎳基板進(jìn)行研磨拋光處理，去除表面缺陷獲得鏡面鎳基板，鎳基板表面粗糙度小于0.04μπι;然后使用丙酮棉球擦拭，接著依次使丙酮、乙醇溶液對鎳基板進(jìn)行超聲清洗;超聲清洗后使用去離子水沖洗，沖洗干凈后吹干，最后放入烘箱中烘干備用；
[0007]步驟二，SU-8膠模制作:兩次甩膠工藝在臺式勻膠機(jī)上進(jìn)行，通過設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速、時間來得到厚度不同的兩層SU-8膠模，其中第一層SU-8膠模生成后，經(jīng)過自平整、進(jìn)行第一次前烘;然后是第二次甩膠，第二次甩膠是為了讓SU-8膠模表面更加平整，并進(jìn)行第二次前烘;然后，在曝光機(jī)上用帶有預(yù)設(shè)圓型陣列圖案的掩膜板對SU-8膠模曝光，曝光后對SU-8膠模進(jìn)行后烘;之后，將SU-8膠模浸入盛有SU-8顯影液的容器內(nèi)進(jìn)行顯影，顯影在超聲環(huán)境下進(jìn)行;顯影后得到可用于超聲電鑄的SU-8膠模結(jié)構(gòu)；
[0008]步驟三，超聲微電鑄鎳:采用無背板工藝在鎳基板上直接進(jìn)行圓柱陣列的電鑄；電鑄過程在有電鑄液的超聲環(huán)境中進(jìn)行，同時施加陰極移動和循環(huán)過濾；電鑄后生成圓柱陣列；
[0009]步驟四，研磨:通過一般的研磨工藝去除圓柱陣列表面的缺陷獲得平整表面；
[0010]步驟五，去除SU-8膠:將待去膠的鎳基板和圓柱陣列放入煮沸的濃硫酸中，待SU-8膠模全部溶解后取出，使用去離子水清洗后得到圓柱陣列和鎳基板；
[0011]步驟六，真空退火:對去膠后的圓柱陣列和鎳基板進(jìn)行高溫真空退火。
[0012]曝光過程中掩膜板和膠模接觸，通過曝光工藝將掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到SU-8膠模上，掩膜板的圖案不局限于圓形陣列，可以是橢圓陣列。
[0013]步驟二中的輔助顯影的超聲頻率為120Khz，功率為80-150W。
[0014]步驟六中退火時絕對真空度為10—3Pa,溫度為350?400°C，退火時間2-2.5h，然后隨爐冷卻。
[0015]步驟三中超聲電鑄超聲頻率為120Khz，功率為100W-200W。
[0016]步驟三中電鑄液配方為:氨基磺酸鎳365?375g/L、氯化鎳6?10g/L、硼酸55?60g/L ；微電鑄鎳工藝條件為:PH值3.9?4.1、溫度48°C?52°C、電流密度0.5?I A/dm2。
[0017]本發(fā)明的有益效果:通過超聲顯影和超聲電鑄等手段解決了現(xiàn)有方法中盲孔電鑄中的“失鑄”以及微圓柱陣列與基底的結(jié)合力差等問題。制作的圓柱陣列直徑小于ΙΟΟμπι、柱間距小于200μπι、高度達(dá)數(shù)百微米。本發(fā)明具有工藝簡單、圓柱與金屬基底結(jié)合力好、表面形貌完好、微柱陣列的密度大等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0018]圖1.鎳圓柱陣列示意圖
[0019]圖2.SU-8膠模曝光.
[0020]圖3.顯影效果圖[0021 ] 圖4.超聲電鑄不意圖
[0022]圖5.電鑄效果圖
[0023]圖6.SU-8膠去除效果圖
[0024]圖中1.鎳基板，2.圓柱陣列，3.SU-8膠模，4.掩膜板，5.陽極，6.陰極，7.電鑄液，8.超聲加熱槽
【具體實施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說明本發(fā)明具體的實施方式。
[0026]例案:在鎳基板I上制作如圖1所示的高密集型微細(xì)鎳圓柱陣列2，圓柱陣列2為203X 203的方陣，圓柱直徑80μ??，柱間距150μ??