DEM技术中微复制工艺研究

2000年微　细　加　工　技　术№.1

第1期Microfabrication Technology2000

文章编号:1003-8213(2000)01-0012-05

DEM技术中微复制工艺研究

陈　迪,雷　蔚,李昌敏,张卫平,蔡炳初

(上海交通大学信息存储研究中心,薄膜与微细技术国家教委部门开放实验室,上海200030)

摘要:利用DEM(Deepetching,Electroforming,Microreplication)技术获得的微复制金

属模具进行了微复制工艺研究。对微复制工艺参数进行了优化,在PC、PMMA和

POM塑料上获得了高深宽比的微结构,并对PC、PMMA和POM和不同图形的微复

制效果进行了比较。

关键词:DEM技术;微复制;微结构

中图分类号:TN271+12 文献标识码:A

1　引言

本世纪大规模集成电路技术得到了巨大进步,在许多领域引发了一场微小型化革命,推动了传统意义上的机械设备制造业和具有时代特征的信息产业向智能化和微型化发展,在微电子技术的带动下,将微传感器、微处理器、微执行器等集成在一个极小的几何空间内形成的微型机电系统(M EMS:Micro Electro Mechanical System)或微系统技术(MST:Micro System Technology)已经成为一个重要的发展方向,是许多发达国家研究的热点〔1,2〕。目前,常用的M EMS加工技术有以美国为代表的硅基微加工技术和以德国为代表的L IG A技术。微型机电系统是自微电子技术问世以来,人们不断追求装置微型化的必然结果,在医疗、军事、航空航天等领域具有广泛的应用,对21世纪的科技发展、生产方式和人类生活水平提高具有深远影响。

DEM技术是继硅微加工技术和L IG A技术之后发展起来的一种全新的非硅三维微机械加工技术,该技术不需要L IG A技术中昂贵的同步辐射光源和特制的X光掩模板,且具有加工周期短、成本较低等优点〔3〕。在DEM技术中,首先用深层刻蚀工艺进行高深宽比塑料或硅刻蚀,以代替L IG A技术中的同步辐射X光深层光刻,在此基础上进行微电铸,得到金属模具后,

收稿日期:1999-05-24

基金项目:国家自然科学基金(19875060)和上海市教委曙光计划资助项目。

作者简介:陈迪,男,1961年生,1986年毕业于德国汉堡大学化学专业,博士,现任上海交通大学信息存储研究中心教授,从事非硅材料三维加工技术的研究;雷蔚,男,1975年生,现为上海交通大学信息存储研究中心电子材料与元器件专业研究生。

图1　实现DEM 技术的工艺路线

图2　用硅模具通过模压获得的微齿轮电镜照片

再通过微复制,就可以实现微机械器件的大批量生产。目前,在100

μm 至200μm 厚度范围内,DEM 技术可取代L IG A 技术进行非硅材料的三维微加工。

加工方式和材料的费用是限制M EMS 进一步应用的主要原因,微复制工艺能够实现大规模微结构加工,所以具有很大的应用价值,而塑料材料因为价格低廉,品种多,则成为理想的微复制材料〔4〕。目前常用的微复制工艺有两种:模压和注射成型。与普通的注射成型设备比较,用于微复制的注射成型设备需要更严格的精密度和真空装置,对控制系统的要求也相当高。注射成型工艺的优点在于加工周期短,可进行批量生产,但加工材料的更换不方便,且只能加工塑料产品。模压的工艺过程是将微复制模具在一定温度和压力下作用于基板上的热塑性塑料,在其上面产生与模具相对应的微结构。同注射成型工艺一样,模压也必须在真空条件下进行,且具有设备相对简单,对模具影响小,材料更换方便等特点〔5〕。利用模压工艺还可以加工很薄的塑料板材,

甚至可以使模压完成后,基板上没有塑料剩余〔6〕。对于一些后续工艺需要电铸的产品和光学器件来说,是一种理想的加工方法。

2　DEM 技术工艺路线

DEM 技术由深层刻蚀工艺(Deepetching Process )、微

电铸工艺(Electroforming Process )和微复制工艺(Mi 2

croreplication Process )共同构成,可以有如图1所示的多种

工艺路线实现〔3〕。

用深层刻蚀后的硅直接作为模具进行模压,也可以得

到理想的微复制产品。图2是在PMMA 上用硅模具通过

模压工艺获得的微齿轮的电镜照片,该齿轮结构的高度为

80μm ,直径为170μm ,圆孔的直径为43μm 。由于硅具有脆性,在模压过程中容易破碎,只能模压

图3　聚甲醛(POM )的DSC 曲线10次左右,所以本文所采用的DEM 技术工艺路线是先对硅进行感应耦和等离子体(ICP :In 2

ductively Coupled Plasma )高深度比深刻蚀〔7〕,再利用微电铸得到金属模具,最后利用微复制工

艺复制出塑料产品。

德国J ENOPTI K Mikrotechnik GmbH 公司生产的HEX01/T 2A 高精度真空热压机系统适用于模压热塑性塑料微结构,其最大压力为20kN ,加工温度最高为210℃,并可以根据不同材料的特性和产品的要求来调节和控制系统的机械压力、温度等参数以改善模压效果,利用该系统,我们在聚碳酸酯(PC )、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA )、增加了添加剂的黑色PMMA 和结晶聚甲醛(POM )上进行了微复制工艺的研究。

3　结果和讨论

在模压工艺中,模压温度、模压压力和时间、脱模温度、脱模速率和距离都是决定模压好坏的关键性因素〔5〕,对于非结晶的塑料来说,只有温度到达其玻璃化温度(Tg )以上,结晶性塑料则需达到其融熔温度(Tm )以上时,塑料中大分子链的链段运动才能充分发展,塑料相应处于高弹态,在较小的压力下,即可迅速发生较大的形变。所以非结晶塑料的模压温度应高于其Tg ,结晶性塑料则应高于其Tm 。在模压过程中,脱模温度应低于塑料的Tg 或Tm 。若脱模温度过高,塑料尚未成型,微结构容易破坏,若温度过低,则增加了不必要的加工周期。在脱模过程中还产生了剪切力,由于一些微结构,例如微米级厚度的薄壁和孤立的圆柱,容易被剪切力破坏,所以脱模应在较小的速率下进行。另外,模压压力也要合理选择,如果压力太小,微结构达不到理想深度,影响图形质量;如果压力太大,则容易破坏模具,影响模具寿命。

在模压之前,一般要对塑料板材进行压片处理,以

提高板材的平整度和根据产品要求调整板材的厚度。

为了得到理想的微复制效果,我们首先在此过程中对

微复制工艺参数进行了优化。

PC 、PMMA 的Tg 约为150℃和110℃,结晶POM

的Tm 约为180℃〔8〕。图3是实验所用结晶聚甲醛的

示差扫描热分析(DSC )曲线,该曲线在150℃左右出

现熔融峰,170℃时达到顶点,在175℃以上熔融峰消

失,说明该材料的模压应在175℃以上进行。通过在

不同的工艺条件下进行压片,然后比较压片的效果,我们选择了如表1所示的模压工艺参数,在PC 、PMMA

和结晶POM 上都成功地得到了高深宽比的微结构。

表1　模压工艺参数

样品

Tg 〔℃〕Tm 〔℃〕模压温度〔℃〕模压压力〔kN 〕模压时间〔s 〕脱模温度〔℃〕PC

150—200560120PMMA

110—18056060PMMA (黑)110—180

56050结晶POM —

1801901060120