图形反转剥离工艺用于复合含能点火桥膜的制备

应用受到限制。20 世纪 90 年代，美国 T.W. Barbee 等人[6]开始研究具有强点火能力的复合含能桥膜，并 将其应用于电爆装置。为提高火工品的点火能力，王 丽玲等人[7]用磁控溅射法制备出硼钛多层复合桥箔， 利用高速运动记录仪记录下薄膜点火过程，其火花溅 射距离可达 30mm 左右。南京理工大学朱朋等人[8]提
寸、等厚度的 Al 桥膜、Ni 桥膜和 Ni/Al 复合桥膜在 100μF 电容（140V 充电电压）放电下的无药点火情况，发现 Ni/Al
复合桥膜反应迅速，火焰喷射面积更大，并能抛撒出大量火花，且持续时间最长。
关键词：MEMS；图形反转；剥离；含能桥膜；点火
中图分类号：TQ560.6
文献标识码：A
非常广泛，目前主要分为刻蚀和剥离两种技术途径。 1.1.1 刻蚀
首先在基底上完成镀膜，然后通过光刻选择性地 保护预定的薄膜区域，并将其置于对应的刻蚀液中进 行刻蚀，最后去胶即可得到所需的图形，如图 1 所示。
(a) 理想情况：直壁式 (b) 正胶剥离：正梯形 (c)反转剥离：倒梯形
图 3 光刻胶剖面形状的 3 种类型 Fig. 3 Three types profile of the photoresist
曝光 反转烘
泛曝光
显影
镀膜
剥离
图 5 反转剥离工艺流程图 Fig.5 Flow chart of image reversal lift-off process
2012 年 08 月
火工品
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2 实验过程与分析
2.1 制备流程 本文设计了一种 W 形的点火桥膜，其线宽为
80μm，线间距为 60μm，除焊盘外，整个桥区均在φ 0.7mm 的圆内，具体尺寸如图 6 所示。
1.2 图形反转剥离 为了制备薄膜厚度较厚（微米级）Biblioteka Baidu复合含能桥
膜，能够形成倒梯形光刻胶剖面的图形，反转剥离工 艺提供了一条合适的途径。一方面，反转剥离使用阳 版，便于套刻对准；另一方面，图形剖面轮廓向内倾 斜，见图 4。从图 4 可看出显影后光刻胶形成的倒梯 形剖面使金属薄膜自然地断开，不连带，利于剥离， 实现薄膜图形化。其工艺路线如图 5 所示。
曝光
显影
刻蚀
去胶
图 1 刻蚀工艺流程图
Fig.1 Flow chart of etching process
对于金属薄膜需要用强酸性和强氧化性的试剂
进行刻蚀，会不可避免地对光刻胶造成一定的侵蚀，
且刻蚀过程为各向同性，薄膜过厚容易发生钻蚀现
象；此外，化学反应时往往伴随着热量与气体的释放，
会导致腐蚀不均匀，引起图形的失真。
置。选用双面抛光的 P 型(100)晶面的单晶硅片为衬底
基片，利用 LPCVD 法在硅片两面淀积 300nm 厚的氮
化硅层。氮化硅薄膜有良好的绝缘性、致密性、稳定
性及对杂质离子的掩蔽能力，可作为点火桥膜的绝缘
层，并阻挡金属粒子扩散进入硅基底，同时在衬底背
面作为湿法刻蚀硅的保护掩膜。按表 1 所示的具体工
2012 年 08 月
火工品 INITIATORS & PYROTECHNICS
文章编号：1003-1480（2012）04-0001-05
2012 年第 4 期
图形反转剥离工艺用于复合含能点火桥膜的制备
王成玲 1，叶迎华 1，沈瑞琪 1，杨 程 1，余协正 2，朱 莹 1
（1. 南京理工大学化工学院，江苏 南京，210094；2. 北京动力机械研究所，北京，100074）
金属 Ti、Al 和 Ni 采用射频磁控溅射，靶材为直 径 50mm、厚度 3mm 的高纯 Ti 靶、Al 靶和 Ni 靶（纯 度 99.99%）。本底真空度为 5×10-3Pa，工作气体 Ar 气流量为 30sccm，工作气压 0.4Pa，溅射功率 150W。 预沉积 Ti10min（30nm），再交替沉积 Al 和 Ni。最后 用丙酮去除光刻胶，上面的 Ni/Al 薄膜也被去除，而 沉积到衬底上的部分得以保留，即得到 Ni/Al 复合含 能桥膜。
Image Reversal Lift-off Process for Fabrication of Energetic Multilayer Ignition Bridge Films
WANG Cheng-ling1，YE Ying-hua1，SHEN Rui-qi1，YANG Cheng1，YU Xie-zheng2，ZHU Ying1 （1. School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, 210094；2. Beijing Power Machineries
Institute, Beijing, 100074）
Abstract：Image reversal lift-off process, which is used to fabricate energetic composite bridge films with high ignition ability, was studied. The inverted trapezoid profile of the photoresist is found to be beneficial to fabricating thick film graphic of high accuracy. W-shaped Ni/Al energetic multilayer bridge films, whose linewidth is 80μm and thickness is 2μm, were successfully fabricated on Si3N4/Si substrate with Ti as interlayer, and appeared to be in complete distinct shape. The SEM graph and EDS spectra displayed the uniform crystal grains and stable composition on the surface of the bridge films. Three kinds of bridge films (Al、Ni、Ni/Al) of same size and thickness were ignited without propellant under the capacitor discharge of 100μF (charging voltage is 140V), and the flame images were collected by high speed photography. The results indicate that the Al-Ni multilayer bridge films possess the characteristics of rapider response, larger area of jet flame, sputtering out a great deal of sparkle, and the longest duration.
Al 和 Ni 的反应原子比为 1∶1，换算成厚度比为 3∶2，本实验设定调制周期为 50nm，其中 Al 为 30nm， Ni 为 20nm。在薄膜沉积过程中，由于 Al 和 Si3N4 之 间晶格失配度大，且热膨胀系数相差大，引起膜层内 应力的增长[9]，导致界面结合能力下降，薄膜开裂起 皮甚至剥落现象严重。通过预沉积一薄层金属钛作为 过渡层，可以有效缓解由于晶格失配和热膨胀行为不 匹配引起的应力作用，增大膜层与基底间的结合强 度，提高成膜质量。图 7(a)和 7(b)分别是沉积钛前后 桥膜形貌图。
这给后续的套刻（二次光刻）对准带来不便。此外，
由于光刻胶有一定的厚度，紫外光不可能完全穿透胶
层，所以显影后光刻胶的剖面轮廓不是理想的直壁
式，而是呈现向外倾斜的正梯形，使台阶处的薄膜相
互连带，图形化困难，如图 3 所示。
1 图形反转剥离原理
1.1 薄膜图形化 薄膜图形化在 MEMS 和集成电路的生产中应用
摘 要：为了制备高点火能力的复合含能桥膜，对图形反转剥离工艺进行研究，发现其倒梯形的光刻胶剖面有利
于制备高精度的厚膜图形。以 Ti 为过渡层，在 Si3N4/Si 基底上成功制备出线宽 80μm、厚度 2μm 的 W 型 Ni/Al 多层复 合含能桥膜，形状完整清晰；SEM 和 EDS 分析表明，桥膜表面晶粒均匀，成分稳定。采用高速摄影仪分别拍摄了等尺
1.1.2 剥离
剥离技术是通过光刻胶曝光显影后形成的图形
对膜层作掩蔽，以形成不同要求的膜层图形，如图 2
所示。
光刻胶 基底
光刻胶
图 4 显影后光刻胶倒梯形的剖面轮廓 SEM 照片 Fig. 4 SEM photograph of undercut profile of the photoresist
对基底进行超声波清洗后，烘干，置于匀胶机上
涂敷光刻胶，分别用 500rpm 和 3 000rpm 的转速旋转
10s 和 30s，使胶层均匀；然后在 110℃下前烘 2min， 烘烤后用光刻机加掩膜曝光 8s，之后在 115℃下反转 烘 3min，再进行泛曝光 40s，最后经过显影和清洗即 完成倒梯形光刻胶的制作。
前烘
110℃，2min
对准与曝光
8s
反转烘
115℃，3min
泛曝光
40s
显影
AZ400K 显影液稀释成 20%，2min
磁控溅 射镀膜
预沉积 30nm 厚的 Ti，接着交替沉积 Al 和 Ni，调制周期为 50nm（其中 Al 为 30nm
，Ni 为 20nm，），总厚度 2μm
超声剥离
丙酮中超声，1min
艺流程及实验参数在 Si3N4/Si 基底上制备 Ni/Al 复合
桥膜。
表 1 工艺流程及实验参数
Tab.1 Technological process and experimental parameters
工艺流程
实验参数
基片清洗
依次在丙酮、乙醇、去离子水、丙酮 中各超声 10min
旋涂光刻胶 500rpm 持续 10s，3 000rpm 持续 30s
曝光
显影
镀膜
剥离
图 2 剥离工艺流程图
Fig.2 Flow chart of peeling process
根据光刻胶的类型，剥离又分为正胶剥离和负胶
剥离，在使用相同掩膜版的情况下，最终得到的图形
是阴阳互补的。由于负胶的去胶要用到有毒的二甲
苯，且图形的分辨率不如正胶，通常不予采用；而正
胶剥离工艺需使用阴版才能得到和刻蚀相同的图形，
但是这类复合桥膜通常由多种材料组成，如果采 用传统的刻蚀工艺制备，难以找到合适的特征刻蚀 剂，且刻蚀过程不易控制，容易出现钻蚀等不利于薄 膜图形化的现象。所以目前一般都采用刚性掩膜制 备，不仅桥膜形状简单，特征尺寸也较大（毫米级）。 为了制备形状复杂、特征尺寸小（微米级）的点火桥 膜，本文将图形反转剥离工艺引入复合含能桥膜的制 备过程，成功地制备出图形精细的 Ni/Al 多层复合含 能桥膜，并进行了点火性能的测试。
Key words：MEMS；Image reversal；Lift-off；Energetic bridge film；Ignition
近年来，火工品逐步向钝感化、智能化、高能化、 定向起爆、精确控制等高目标发展，点火电路作为电 火工品最敏感的核心部件，对其点火可靠性和安全性 的要求也越来越苛刻。常用的多晶硅[1]、Pt[2]、Cr[3]、 Ti[4]、Ni/Cr 合金[5]等电阻加热式单层桥膜，由于点火 输入能量较高而能量转换效率较低，在微尺度领域的
收稿日期：2012-06-05 作者简介：王成玲（1989-），女，硕士研究生，从事微尺度燃烧及 Power-MEMS 器件的研究。
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王成玲等：图形反转剥离工艺用于复合含能点火桥膜的制备
2012 年第 4 期
出了介电式 Al/CuO 复合薄膜点火桥的概念，制备并 研究了其电爆性能，发现桥膜在恒压 60V 时即可被激 发并产生电爆炸现象。由于这类复合桥膜在通电升温 后，会伴随有铝热反应或合金化反应的发生，不仅提 高了能量的释放速率，同时也增强了能量的转换效 率，具有非常大的应用价值。
0.3
φ0.7 0.25
0.08
0.06
图 6 W 形的点火桥膜 Fig.6 W-shaped ignition bridge film
本实验使用安智电子公司生产的 AZ5200NJ 图形
反转光刻胶，光刻机为中国科学院光电技术研究所研
制的 URE_2000A 型紫外深度光刻机，镀膜设备为沈
阳科友真空技术研究所研制的射频磁控溅射镀膜装