[发明专利]一种深离子反应刻蚀结合辊压制备全金属微结构的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种全金属微结构的加工方法，确切地说是一种深离子反应刻蚀结合辊压制备全金属微结构的方法。

二、背景技术

全金属微结构由全金属构成的，通常直径为＜0.25mm。随着全金属微结构的需求量的不断增大，其制造也不断趋向大面积重复性的生产，典型的全金属微结构的应用有THz折叠波导慢波结构、金属光栅、微机械电子系统的生产制造。目前国际上受到普遍关注和运用的金属微结构生产制造的技术主要有：电火花技术、光刻、电铸及注塑结合(LIGA)技术、紫外光-LIGA(UV-LIGA)技术和深离子反应刻蚀技术。其中电火花技术主要用于单个或少量金属构件的加工制造，生产周期长不利于大批量的生产制造，LIGA技术的应用过程中需要用到同步辐射产生的X射线，代价昂贵，并且加工周期长不适合大规模的生产加工。UV-LIGA技术和深离子反应刻蚀是当今被认为最有前途的两种加工方法。UV-LIGA技术采用基于SU8光刻胶紫外光刻工艺，大大降低了LIGA技术的加工成本，缩短了加工周期；深离子反应刻蚀技术是通过粒子的物理撞击结合离子的各向异性反应来进行硅结构的微细加工，生成硅结构的模具，从而实现高深宽比的金属微结构的加工制造。但这两种技术存在如下的不足：

第一，在UV-LIGA技术中光刻胶厚度均匀控制、温度选择、边缘的垂直、光刻胶内部应力引起的图形裂纹等问题都有待进一步的解决；

第二，在深离子反应刻蚀技术中胶体的脱模难、刻蚀速度慢都影响到了生产的速度，不利于大规模重复性的生产加工。

三、发明内容

本发明旨在提供一种全金属微结构的加工方法，所要解决的技术问题提供一种加工方法使其易于实现大面积和重复性生产并能有效缩短加工周期、降低加工成本。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明深离子反应刻蚀结合辊压制备全金属微结构的方法，其特征在于按以下步骤操作：

(1)涂胶基片的制备

以硅片为基片1，在基片1的上表面溅射一层厚度为0.5-1μm的金属钛(Ti)作为导电层2，在导电层2上涂布形成厚度为60-80μm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层3，再于PMMA层3上涂布形成厚度为15-25μm的含硅的聚氨酯丙烯酸酯(PUA)层4形成涂胶基片；

其中PMMA的分子量范围为十万至一百万，PMMA层3的涂布液为PMMA的氯苯溶液，溶液质量浓度5％-20％，涂布后置于180℃固化20min。

PUA层4涂布后置于180℃固化10min。

(2)辊压

采用金属材料制作的辊筒式辊压模，用激光烧结方法在辊压模表面加工出与所需成型的微结构相应的微结构凸模得到辊压模具5；将所述辊压模具5置于所述涂胶基片的PUA层4的表面，辊压形成微结构凹槽6后脱模，微结构凹槽6不穿透PUA层4，即在其底部保留一薄层含硅的聚氨酯丙烯酸酯层；

(3)第一次深离子反应刻蚀

用SF₆与O₂按照体积比4∶6的比例构成的混合气体作为刻蚀气体对涂胶基片的PUA层4进行深离子反应刻蚀，直至将微结构凹槽6底部的薄层含硅的聚氨酯丙烯酸酯层刻蚀掉时停止，由于微结构凹槽6底部的含硅的聚氨酯丙烯酸酯较薄，所以停止刻蚀时PUA层4在微结构凹槽6底部以外的其余部分仍有含硅的聚氨酯丙烯酸酯残留；

(4)第二次深离子反应刻蚀

以O₂作为刻蚀气体对第一次深离子反应刻蚀后涂胶基片的PMMA层3进行深离子反应刻蚀，以所述O₂与残留的含硅的聚氨酯丙烯酸酯形成含有SiO₂的遮挡层，并同时对PMMA层3进行反应刻蚀，直至第一次深离子反应刻蚀后的微结构凹槽8底部的PMMA完全刻蚀掉时停止，其余部分的PMMA仍有残留，得到微结构凹模；

(5)微电铸及去胶成型

将所述微结构凹模置于电铸溶液中进行微电铸加工形成全金属微结构7，微电铸加工时控制温度30℃，电流密度0.7-1.2A/dm²，阳极为纯度99.9％的磷铜板，辅助33KHz，15w的超声搅拌；将所述全金属微结构7与所述微结构凹模剥离，并用丙酮去除所述全金属微结构7上残余的PMMA即可；

所述电铸溶液由60-70g焦磷酸铜、280-320g焦磷酸钾和20-25g柠檬酸铵混合并加水至溶液pH值8.2得到。