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聚合物微流控芯片压印成型模具关键技术研究

作　者: 许龙芳
导　师: 张平
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 聚合物微流控芯片压印成型模具 UV-LIGA技术紫外厚胶光刻微电铸
分类号: TG66
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

微细加工技术是MEMS发展的基础和前提条件,随着微电子技术、半导体集成电路以及精密机械设备的发展,在传统的光刻和蚀刻基础上,各种用于微细加工的新工艺和新材料得到了广泛的应用。聚合物材料质优价廉,拥有其它材料无可比拟的优势,在非硅材料制作中具有很大的市场价值和潜力。随着新材料的不断发展,新的工艺技术应运而生,各种适用于聚合物材料的加工方法逐渐发展起来,压印成型技术操作简单、可控性强,是批量化生产聚合物芯片的一种有效手段。在利用压印技术制作聚合物微流控芯片的过程中,压印成型模具的质量严重影响聚合物芯片的结构形貌,是成型过程的关键。采用UV-LIGA技术制作压印模具的方法具有一系列规范化的工艺制程,成本较LIGA技术降低了很多,在微细加工领域得到了普遍的关注和重视,大量应用于金属微结构的成型制作。本文以制作聚合物微流控芯片为目标,以UV-LIGA技术为工艺基础,探讨紫外厚胶光刻技术和微电铸工艺这两项关键技术,探索新的加工工艺,旨在制作出光刻胶模具和金属镍模具。本文的主要研究内容和结果如下:1、在理论分析的基础上,综述了LIGA和UV-LIGA技术的产生、发展以及在国内外的应用现状,参照已有的工艺过程重点讨论了紫外厚胶光刻技术和微电铸技术的的特点和应用范围。2、分析了紫外厚胶光刻技术的基本理论和工艺过程,阐述了该过程中涉及的技术原理和相关概念,讨论了厚层光刻胶的主要特点。通过对涉及的理论模型的描述,研究了光刻过程包括涂胶、软烘、曝光、显影、坚膜等工艺参数的技术要点。采用合适的工作条件,提出以正交试验法安排厚胶光刻实验,对所得到的实验结果进行极差分析,优化各工艺参数,得到适用于正胶AZ4620的光刻工艺参数组合。3、研究了正性光刻胶在高温下材料性质发生改变的特质,在此基础上,实现多层光刻胶结构的成型过程,通过对厚层光刻胶AZ4620硬固工艺的分析,提出以紫外厚胶光刻技术为基础,利用等离子体氧刻蚀与硬固工艺相结合的方法,制作出具有多层结构的光刻胶模具。4、通过对电沉积基本理论的分析,研究微电铸的电化学原理,采用有限元软件对微电铸溶液的电场和流场的进行模拟,得出电铸液中的流场和电场分布规律。利用自制的微电铸系统,合理控制电流参数和各环境条件,对其中可控的参数进行分析和调整,制作出金属镍的模具。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-13
第1章绪论  13-28
  1.1 引言  13-16
    1.1.1 课题提出  13-15
    1.1.2 课题来源  15-16
  1.2 LIGA 与UV-LIGA 技术  16-19
    1.2.1 LIGA 工艺研究  16-18
    1.2.2 UV-LIGA 技术  18-19
  1.3 光刻技术的发展及技术特点  19-23
    1.3.1 光刻技术的发展概况  19-20
    1.3.2 光刻工艺的特点  20-21
    1.3.3 紫外厚胶光刻技术  21-22
    1.3.4 紫外厚胶光刻技术的应用  22-23
  1.4 微电铸技术研究  23-26
    1.4.1 电铸技术的开发背景和特点  23-24
    1.4.2 微电铸技术的特点  24-25
    1.4.3 微电铸技术的发展  25-26
    1.4.4 微电铸技术的应用  26
  1.5 课题研究内容  26-27
  1.6 本章小结  27-28
第2章紫外厚胶光刻技术  28-45
  2.1 引言  28-29
  2.2 AZ-4000 系列光刻胶  29-33
    2.2.1 AZ-4000 系列光刻胶特点  29-30
    2.2.2 厚胶特性  30-32
    2.2.3 AZ4620 光刻胶  32-33
  2.3 光刻胶涂覆和前烘  33-38
    2.3.1 涂胶  33-35
    2.3.2 软烘及软烘模型  35-38
  2.4 曝光和显影  38-41
    2.4.1 曝光光源  38-39
    2.4.2 曝光剂量  39-40
    2.4.3 显影  40-41
  2.5 坚膜  41-42
  2.6 厚胶光刻工艺优化  42-44
    2.6.1 正交试验法  42
    2.6.2 正交试验优化  42-44
  2.7 本章小结  44-45
第3章 UV‐LIGA 光刻胶模具制作工艺研究  45-64
  3.1 引言  45
  3.2 硬固  45-54
    3.2.1 硬固特性  45-51
    3.2.2 硬固工艺  51-54
  3.3 多层光刻胶结构制作研究  54-60
    3.3.1 工艺步骤及参数  54-55
    3.3.2 浸润性分析  55-59
    3.3.3 多次曝光  59
    3.3.4 试验结果  59-60
  3.4 改进制作方法研究  60-62
    3.4.1 工艺步骤  60-61
    3.4.2 套刻曝光  61-62
  3.5 模塑法聚合物芯片制作  62-63
  3.6 本章小结  63-64
第4章微电铸金属模具制作工艺研究  64-82
  4.1 微电铸基本理论  64-69
    4.1.1 金属电沉积基本原理  64-65
    4.1.2 法拉第定律和电铸速率  65-66
    4.1.3 液相传质和电结晶  66-68
    4.1.4 电极极化和极化曲线  68-69
  4.2 微电铸模具质量评价  69-71
    4.2.1 铸层表面精度  69-70
    4.2.2 铸层复制性  70-71
    4.2.3 铸层内应力  71
  4.3 微电铸工艺条件分析  71-78
    4.3.1 流场与电场分布  71-76
    4.3.2 基底预处理与材料选择  76
    4.3.3 微电铸镍的溶液成分  76-78
  4.4 工艺条件与方案  78-81
    4.4.1 实验过程  78-79
    4.4.2 实验分析  79-81
  4.5 本章小结  81-82
第5章总结与展望  82-84
参考文献  84-89
在学期间学术成果情况  89-90
指导教师及作者简介  90-91
致谢  91

聚合物微流控芯片压印成型模具关键技术研究

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