專利名稱：用于噴砂微加工的pdms掩膜微結(jié)構(gòu)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種PDMS微掩膜成型加工技術(shù)，具體地說就是一種制備脆性材料噴砂微加工時用到的柔性掩模微結(jié)構(gòu)的批量制造方法。
背景技術(shù)：
噴砂工藝是一種傳統(tǒng)的機械加工工藝，主要用于對脆性材料(如玻璃、陶瓷等)的表面進行加工。它將噴砂砂材通過壓縮空氣進行加速，沿設(shè)定的方向準確撞擊待加工材料的表面，進而產(chǎn)生刻蝕效果。由于噴砂工藝是將砂材直接撞擊在待加工材料的表面，因此可以將砂材在加速過程中產(chǎn)生的動能高效率地轉(zhuǎn)化為刻蝕的能量，故噴砂工藝的刻蝕速率很高。同時，現(xiàn)在多數(shù)的噴砂機可以將砂材循環(huán)使用，故噴砂工藝的成本很低。用于微加工的噴砂工藝可以在脆性材料表面一次性加工出上千個微型結(jié)構(gòu)，是一種低成本、高效率、具有準確方向性的加工方法。利用噴砂工藝對脆性材料進行微結(jié)構(gòu)化成型加工，需要在脆性材料的表面預(yù)先制備圖形化的掩膜結(jié)構(gòu)，以使裸露在表面的部分被噴砂刻蝕的同時，其余部分由于受到掩膜材料的保護而得以保留，從而形成待刻蝕材料的三維微結(jié)構(gòu)。在上述工藝流程中，圖形化掩膜微結(jié)構(gòu)是決定噴砂微加工效果的關(guān)鍵。與待刻蝕材料的脆性相反，用于噴砂工藝的掩膜材料必須具有良好的柔韌性，同時為了得到具有較高精度的掩膜圖形，掩膜材料必須擁有可滿足集成制造要求的圖形化加工工藝?；仡檱娚翱涛g技術(shù)發(fā)展歷程，掩膜材料主要經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展進程從早期用激光等方法加工成型的金屬板，過渡到電鍍成型的銅掩膜，再進一步開發(fā)出目前公認最合適的柔性PDMS掩膜。PDMS不僅是一種柔韌性很好的聚合物，而且與大部分脆性材料都有比較好的結(jié)合力。PDMS所形成的掩膜微結(jié)構(gòu)在噴砂刻蝕過程中具有更高的穩(wěn)定性，所以PDMS更適合作為噴砂刻蝕的掩膜材料。因此，就材料本身的特性而言，PDMS是目前用于噴砂微加工工藝中最好的掩膜材料。但是作為掩膜材料，PDMS并非沒有缺點。因為PDMS化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，無法通過濕法刻蝕對其進行圖形化，同時為了得到一定厚度的PDMS結(jié)構(gòu)，干法刻蝕也很有難度，因此，開發(fā)與集成制造工藝體系兼容的PDMS掩膜微結(jié)構(gòu)成型技術(shù)成為研究的重點。A. Sayah 等人在"Elastomer mask for powder blasting microfabrication"(用以微制造噴砂技術(shù)的柔性掩膜版，仏ensors and Actuators)), 2005年125卷第84-90頁)一文中提出了一種用SU-8膠結(jié)合PDMS形成噴砂工藝中的掩膜微結(jié)構(gòu)的方法。其具體流程是通過光刻的方法形成SU-8圖形；將PDMS覆蓋整個表面，填滿光刻膠形成圖形的空隙；然后用鋒利的刀片沿著SU-8膠的表面刮過，反復(fù)操作就可以將SU-8膠上的PDMS完全去除干凈，再經(jīng)過固化處理、噴砂刻蝕掉SU-8膠微結(jié)構(gòu)之后，PDMS結(jié)構(gòu)可以保留下來，即形成PDMS掩膜微結(jié)構(gòu)。 該工藝作為制備PDMS掩膜微結(jié)構(gòu)的典型方法，一直延用至今。但是，在實際操作之后發(fā)現(xiàn)此工藝存在如下兩方面的問題由于PDMS前軀體是非常粘稠的膠狀物質(zhì)，在此情況下用機械刮除的方法對兼有SU-8膠微結(jié)構(gòu)和PDMS結(jié)構(gòu)的表面進行處理，刮掉的PDMS量是非常難以控制的。一方面非常容易出現(xiàn)PDMS粘連在刀片表面的情況，就單個掩膜圖形而言，在刮削的瞬間極有可能發(fā)生邊緣的缺失和破壞的情況，雖然此時PDMS仍然具有流動性，一段時間之后，PDMS的結(jié)構(gòu)還是會恢復(fù)一定的平坦度，但對于整個掩膜微結(jié)構(gòu)的所有圖形而言，刮的過程中的隨機性會導(dǎo)致形成的PDMS掩膜圖形高度上的不一致。PDMS材料本身還具有高耐刻蝕性，這將最終導(dǎo)致刻蝕工藝的重復(fù)性低；另一方面，PDMS前軀體與SU-8膠有良好的粘附性，微尺度下可以流動的PDMS前軀體根本無法準確區(qū)分SU-8膠微結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和上表面，即使其上表面被刮除干凈，也容易被再次覆蓋， 使得PDMS微結(jié)構(gòu)的邊緣不規(guī)則，無法得到高精度的掩膜圖案。
發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種用于噴砂微加工的PDMS掩膜微結(jié)構(gòu)的制備方法。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，首先通過光刻在基片表面形成SU-8膠微結(jié)構(gòu)圖案；然后在整個基片范圍內(nèi)覆蓋上新配制的PDMS前軀體，抽真空釋放微結(jié)構(gòu)間隙封閉的氣泡，使PDMS前軀體填滿SU-8膠微結(jié)構(gòu)所形成的空隙；之后將整個基片加熱使前軀體聚合固化形成填充并包覆SU-8結(jié)構(gòu)的PDMS層；再通過精密切削/研磨等減薄加工，去除 SU-8微結(jié)構(gòu)以上部位的PDMS ；接著通過噴砂處理，將SU-8膠去除，留下與SU-8微結(jié)構(gòu)互補的PDMS微結(jié)構(gòu)，作為脆性基片噴砂刻蝕的掩膜。本發(fā)明具體包括以下的加工步驟第一步，采用常規(guī)光刻工藝，在基片上形成SU-8膠微結(jié)構(gòu)圖案。此處SU-8膠微結(jié)構(gòu)的厚度直接決定了 PDMS掩膜微結(jié)構(gòu)的厚度，也就是決定了待加工基片的刻蝕深度，因此需要根據(jù)待刻蝕材料與PDMS的刻蝕選擇比適當(dāng)選擇SU-8膠的厚度。待加工基片包括玻璃、 陶瓷等脆性材料。第二步，在整個基片范圍內(nèi)涂覆上新配制的PDMS前軀體，抽真空釋放微結(jié)構(gòu)間隙封閉的氣泡，使之填滿SU-8膠微結(jié)構(gòu)所形成的空隙，并高出SU-8膠微結(jié)構(gòu)上表面，以保證固化后PDMS膜最低處也要高于SU-8膠的上表面。此處的PDMS前軀體是預(yù)聚體與固化劑按6 1到12 1的質(zhì)量比混合而成，混合后需充分攪拌并抽真空脫氣。第三步，將涂覆PDMS前軀體的基片置入烘箱中，控制溫度在150-300°C，保溫2到 6個小時，確保充分聚合。第四步，通過精密切削或研磨減薄工藝上述SU-8/PDMS復(fù)合結(jié)構(gòu)層，去除SU-8膠微結(jié)構(gòu)上表面以上部分所有的PDMS，確保SU-8膠微結(jié)構(gòu)的上表面完全暴露。由于聚合之后的PDMS仍與固化的SU-8膠結(jié)構(gòu)機械特性相差很大，比較容易找到合適的方法選擇性去除部分PDMS。旋切工藝就是其中比較有效的方法之一。通過逐步降低旋轉(zhuǎn)刀片的高度，逐層切削表層的PDMS，就可以在切除SU-8膠結(jié)構(gòu)上表面以上PDMS的同時，實現(xiàn)整體復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面平整化加工，從而使簡單涂覆所形成的PDMS微結(jié)構(gòu)厚度趨于一致。此外，用平齊鋒利的刀片沿著SU-8膠的上表面切削高出SU-8結(jié)構(gòu)的PDMS，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)上述效果。因為固化后的PDMS不再擁有流動性，也基本失去了在刀片表面的粘附能力，所以不再存在類似前軀體固化之前用刀片刮除所存在的困難問題，加工的效果和重復(fù)性也能夠得到較好保證。第五步，通過常規(guī)噴砂處理，將SU-8膠微結(jié)構(gòu)去除干凈，而保留下與SU-8膠微結(jié)構(gòu)互補的由PDMS構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)，也就是所需的PDMS掩膜微結(jié)構(gòu)。此處使用的噴砂砂材的粒徑需根據(jù)掩膜微結(jié)構(gòu)的線寬來決定，越細的線寬需要越細的砂材。因為SU-8膠非常容易被刻蝕，特別是經(jīng)過高溫處理之后脆性增加，所以常規(guī)噴砂工藝就可以完成清除SU-膠結(jié)構(gòu)的任務(wù)。本發(fā)明所提出的制備方法，既繼承了微機械加工尺寸控制精度較高和易于集成制造的優(yōu)點，又擁有批量化加工的潛力，可以有效克服PDMS掩膜微結(jié)構(gòu)圖形化加工的困難。
圖1是用于脆性材料刻蝕的PDMS微掩膜成型制備技術(shù)的工藝步驟流程圖。具體實施方法下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，用于脆性材料刻蝕的PDMS微掩膜成型制備技術(shù)的工藝步驟流程圖。 其中1是旋涂的SU-8膠，2是待加工的基片，3是新配制的PDMS前軀體，4是固化后的 PDMS，5是切削中使用的刀片，6是噴砂實驗中的噴嘴。(a)、在清洗烘干后的基片上旋涂一定厚度的SU-8膠(厚度根據(jù)掩膜結(jié)構(gòu)中圖形的高度而定義)；(b)、通過常規(guī)光刻、顯影在基片上形成SU-8膠的微結(jié)構(gòu)圖案；(c)、在整個基片范圍內(nèi)覆蓋上新配制的PDMS前軀體，抽真空釋放微結(jié)構(gòu)間隙封閉的氣泡，使之填滿SU-8膠微結(jié)構(gòu)所形成的空隙；(d)、整個基片加熱使PDMS前軀體充分聚合固化，形成填充并包覆SU-8結(jié)構(gòu)的 PDMS 層；(e)、再通過精密切削或研磨減薄工藝，去除SU-8微結(jié)構(gòu)上部的PDMS ；(f)、得到了已經(jīng)去除SU-8膠微結(jié)構(gòu)上表面以上部分所有PDMS的結(jié)構(gòu)，確保SU_8 膠微結(jié)構(gòu)的上表面完全暴露；(g)、接著通過噴砂處理，將SU-8膠去除，留下與SU-8微結(jié)構(gòu)互補的PDMS微結(jié)構(gòu)， 作為脆性基片噴砂刻蝕的掩膜。應(yīng)用實例主要材料基片1毫米厚光學(xué)玻璃基片掩膜材料聚二甲基硅氧烷(PDMS，美國道康寧公司sugard 184)。預(yù)聚體與固化劑按10 1配比。如附圖1所示，首先用丙酮和去離子水依次清洗玻璃基片表面，超聲清洗并烘干后旋涂40微米厚負性光刻膠(SU-8膠)。通過常規(guī)的紫外光刻(karl sussMA-6接觸式光刻機，曝光時間50秒)、顯影(顯影液Micro Chem公司的SU-8專用顯影液，顯影時間8 分鐘)在玻璃基片表面形成圖形化的SU-8膠微結(jié)構(gòu)。配制聚二甲基硅氧烷(PDMS)。將預(yù)聚體和固化劑按10 1配比混合，混合后需充分攪拌并抽真空脫氣(置于真空烘箱，常溫、真空度< 133帕，30分鐘)去除配制時混入的氣體。將配成的PDMS旋涂于玻璃基片表面，使其覆蓋整個玻璃基片表面，并抽真空釋放微結(jié)構(gòu)間隙封閉的氣泡，使之填滿SU-8膠微結(jié)構(gòu)所形成的空隙。固化PDMS 將基片置于烘箱中，程序升溫(采用多段升溫，各段溫度限、升溫及保溫時間分別為1小時升溫至1200C，保溫1小時；1小時升溫至2000C，保溫3小時)，使PDMS
完全固化。利用切削減薄(切削機型號SM2500E，德國徠卡公司；進刀速度0. 2mm/s ；切割長度70mm ；單次切削深度2微米，最后一次切削深度1微米使結(jié)構(gòu)平坦化)。精確去除 SU-8膠結(jié)構(gòu)上表面以上的PDMS之后，露出SU-8膠微結(jié)構(gòu)上表面，此時僅在圖形化SU-8結(jié)構(gòu)的空隙處充滿了固化的PDMS材料。對上述結(jié)構(gòu)進行噴砂加工(噴砂機型號JCR-Z600，磨料粒徑30微米，噴嘴與基片距離10厘米，壓縮空氣壓2bar)，噴砂處理2分鐘將SU-8膠去除干凈，保留下PDMS形成的圖形化微結(jié)構(gòu)，即得到所需的PDMS掩膜微結(jié)構(gòu)。對上述樣品進行噴砂刻蝕加工，采用的技術(shù)參數(shù)如下噴砂機型號JCR-Z600，磨料粒徑30微米，噴嘴與基片距離10厘米，壓縮空氣壓2bar。經(jīng)過累計15分鐘的刻蝕，對不同線寬的圖形分別測量刻蝕的效果線寬在400微米以下的圖形，刻蝕深度達200微米左右；線寬1000微米以上的圖形刻蝕深度達500微米； 線寬在400微米與1000微米之間的圖形刻蝕深度在300微米到500微米之間。掩膜厚度降低到25微米左右，無剝離現(xiàn)象，刻蝕微結(jié)構(gòu)尺寸和形貌保持良好。以上為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明還有其他可實施的方式，比如對其中的參數(shù)等做簡單的變換，采用本領(lǐng)域常用操作進行替換等。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當(dāng)認識到上述的描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種用于噴砂微加工的PDMS掩膜微結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于包括以下步驟第一步，通過光刻在基片上形成SU-8膠圖形化微結(jié)構(gòu)；第二步，在整個基片范圍內(nèi)涂覆上新配制的PDMS前軀體，抽真空釋放微結(jié)構(gòu)間隙封閉的氣泡，使之填滿SU-8膠微結(jié)構(gòu)所形成的空隙；第三步，將整個基片置入烘箱加熱并保溫，確保PDMS前軀體完全聚合固化第四步，去除SU-8微結(jié)構(gòu)以上部位的PDMS，確保SU-8膠微結(jié)構(gòu)的上表面完全暴露；第五步，接著通過噴砂處理，將SU-8膠去除干凈，留下與SU-8微結(jié)構(gòu)互補的PDMS微結(jié)構(gòu)，作為脆性基片噴砂刻蝕的掩膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于噴砂微加工的PDMS掩膜微結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于所述基片為包括玻璃、陶瓷的脆性材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于噴砂微加工的PDMS掩膜微結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于第二步中，使用抽真空的方法釋放微結(jié)構(gòu)間隙封閉的氣泡，使之填滿SU-8膠微結(jié)構(gòu)所形成的空隙，此處的PDMS前軀體高出SU-8膠微結(jié)構(gòu)上表面，保證固化后PDMS的最低處高于SU-8膠的上表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的用于噴砂微加工的PDMS掩膜微結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于所述PDMS前軀體是預(yù)聚體與固化劑按6 1到12 1的質(zhì)量比混合而成，混合后充分攪拌并抽真空脫氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的用于噴砂微加工的PDMS掩膜微結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于第三步中，PDMS的固化溫度是150-300°C，保溫時間是2到6個小時。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的用于噴砂微加工的PDMS掩膜微結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于第四步中，去除SU-8膠上PDMS的方法是在PDMS完全固化之后，采用精密切削或研磨減薄工藝。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于噴砂微加工的PDMS掩膜微結(jié)構(gòu)的制備方法，首先通過光刻在基片表面形成SU-8膠微結(jié)構(gòu)圖案；然后在整個基片范圍內(nèi)覆蓋上新配制的PDMS前軀體，抽真空釋放微結(jié)構(gòu)間隙封閉的氣泡，使PDMS前軀體填滿SU-8膠微結(jié)構(gòu)所形成的空隙；將整個基片加熱使前軀體聚合固化；去除SU-8微結(jié)構(gòu)以上部位的PDMS；接著通過噴砂處理，將SU-8膠去除，留下與SU-8微結(jié)構(gòu)互補的PDMS微結(jié)構(gòu)，作為脆性基片噴砂刻蝕的掩膜。本發(fā)明既繼承了微機械加工尺寸控制精度較高和易于集成制造的優(yōu)點，又擁有批量化加工的潛力，可有效克服PDMS掩膜微結(jié)構(gòu)圖形化加工的困難。
文檔編號B81C1/00GK102431955SQ201110383529
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月25日
發(fā)明者丁桂甫, 汪紅, 趙小林, 鄭鈺 申請人:上海交通大學(xué)