专利名称：电铸用金属母模及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及电铸用金属母模及其应用。
技术背景目前广泛采用SU8光刻胶在硅片表面制作带有微结构电铸构件的母模。母模加 工过程和电铸构件过程如下在硅片表面涂敷SU8光刻胶，光刻SU8光刻胶形成微 结构，随后在微结构表面沉积电铸种子金属层，形成电铸母模结构。随后在上述母 模中电铸金属构件，然后通过适当的方法使得母模与电铸构件分离，得到含有微结 构的电铸构件。基片与电铸构件的分离是目前制备含有微结构金属构件难点。目前，基片与 电铸构件的分离通常采用以下两种方法 一种采用将基片击碎方法，该方法虽然快速，但这种脱模方法是完全破坏性的，而且目前通常应用的基片是单晶硅片，单晶硅片价格比较昂贵，用击碎方法造成浪费；另外打碎的基片容易损伤金属构件微结 构，导致电铸失败。另外一种方法是采用腐蚀方法，基片如果是硅片时，用硅的腐 蚀剂去除，可以用浓氢氧化钠溶液在7(TC到8(TC下，腐蚀去除，对于厚度为300 微米的单晶硅片，腐蚀的时间需要7-8小时；也可以采用氢氟酸和硝酸l: 3室温 下腐蚀去除，速度很快，但不适用于Ni、 Cu等常用金属，并且，在腐蚀过程中产 生大量氮氧化物气体，反应剧烈，污染很严重。采用腐蚀方法去除基片，不仅加工 效率低，而且采用强酸或强碱腐蚀基片，会造成一定环境污染。另外，如果基片是 玻璃，玻璃腐蚀液腐蚀速率非常慢，将基片击碎几乎是唯一的方法。 发明内容本发明的目的是提供一种电铸用金属母模及其应用，该电铸用母模中的基底去 除快速、简便，并且能够保持基底完整，使基底能够重复使用，大大降低了加工电 铸用金属母模的成本。本发明所提供的电铸用金属母模，依次包括基底、粘附层、低熔点金属层、与 目标器件形状相匹配的三维结构层和位于所述整个三维结构层表面的金属种子层； 所述低熔点金属层选自铟、铅、锡、铋、铟系低熔点合金、锡系低熔点合金、铋系 低熔点合金、铅系低熔点合金、镓系低熔点合金中的任一种或几种；所述粘附层选自钛、铬、镍中的任一种。其中，所述三维结构层由环氧基负性光刻胶制成。上述电铸用金属母模中，所述低熔点金属层和所述三维结构层之间还可设有一 有机薄膜层，制成具有单层有机薄膜层的电铸用金属母模2;或在所述基底和所述 粘附层之间设一有机薄膜层，制成具有单层有机薄膜层的电铸用金属母模4。所述具有单层有机薄膜层的电铸用金属母模2中，所述基底和所述粘附层之间 还可再设有一有机薄膜层，制成具有双层有机薄膜层的电铸用金属母模3。其中，本发明的电铸用金属母模中的低熔点金属层可由一种金属或合金制成， 也可由几种金属或合金制成；当所述低熔点金属层为自铟、铅、锡、铋、铟系低熔点合金、锡系低熔点合金、铋系低熔点合金、铅系低熔点合金、镓系低熔点合金中 的几种时，它们可分别处于独立的层面上，即先制作一种所述的金属或合金层，再在其上表面制作另一种金属或合金层；也可将多种金属或合金混合后直接制成低熔 点金属层。所述有机薄膜层为环化橡胶负性光刻胶或未亚胺化处理的聚酰亚胺，只 要能够成膜并能够良好粘附性的有机材料均可。所述环化橡胶负性光刻胶可为通常 市售环化橡胶负性光刻胶，如北京华科微电子材料有限公司生产的KMP—BN系列负 型光刻胶，如KMP—BN303系歹i」、KMP—BN302系列、KMP—BN308系列或KMP—BN310 系列等，其他厂家生产的环化橡胶负性光刻胶也同样适用，比如中日合资苏州瑞红 电子化学品有限公司生产的FRJ-220或RFJ-220系列负性光刻胶。所述具有双层有 机薄膜层的电铸用金属母模中的双层有机薄膜层可以相同，如都为KMP—BN303系 列；也可以不同，如位于低熔点金属层上侧的有机薄膜层为KMP—BN303系列环化 橡胶负性光刻胶，位于低熔点金属层下侧的有机薄膜层为RFJ-220系列负性光刻胶。 所述环氧基负性光刻胶具体可为SU8光刻胶。所述金属种子层选自如下任一种或几 种Ni、 Cu、 Au、 Ag、 Pt、 Ni-Fe合金、Ni-Co合金、Ni-Mn合金、Ni-W合金、Ni-SiC 和Ni-A1A。所述基底选自硅、金属、玻璃或陶瓷中的任一种。本发明中所涉及的 合金可以为各种不同组成比例的合金。本发明的另一个目的是提供所述的金属母模制作的金属铸件的脱模方法。 本发明所提供的所述的金属母模制作的金属铸件的脱模方法，是将金属母模连 同制作的金属铸件一同加热到所述低熔点金属层的金属的熔点温度之上，所述金属 种子层的金属的熔点之下，然后将基底推下，并去除三维结构层材料，得到金属铸 件。本发明的电铸用金属母模的基底和金属种子层间都有低熔点金属层。低熔点金 属层的熔点低于电镀金属的熔点，将电镀后制得的电铸构件加热到低烙点金属熔点 温度之上、电镀金属的熔点之下，可使低熔点金属熔化，从而使电铸构件和基片分 离，并保持基片完整，使基片可以重复使用，且获得的金属铸件的微结构完整，达 到了快速脱模和降低成本的目的。本发明的具有单层或双层有机薄膜层的电铸用金属母模中，在基底和金属种子 层间还设置了一层或双层的有机薄膜层。有机薄膜层一方面能够隔离电铸金属和低 熔点金属层，避免低熔点金属层熔化后与电铸金属形成合金，腐蚀金属模具；另一 方面，有机薄膜层具有较好弹性，能够消散温度变化产生热应力，缓冲温度变化引 起的基底与低熔点金属层间由于热膨胀系数不同产生的热应力，防止低熔点金属层 和基片之间发生相互作用。本发明的电镀用金属母模可用于制作金属铸件，制作过程中能够快速、简便地 去除金属母模中的基底，并且能够保持基片完整，使得基片能够重复使用，大大降 低了加工电铸金属母模的成本。
图1为具有低熔点金属层的基片剖面图。图2为依次具有低熔点金属层和环氧基负性光刻胶层的基片剖面图。 图3为光刻图2的环氧基负性光刻胶层后的基片剖面图。 图4为微流控芯片金属热压模具的电铸用金属母模1的剖面图。 图5为微流控芯片金属热压模具的电铸用金属母模1电铸金属后制得的电铸构 件l的剖面图。图6为电铸构件1去除基片后的剖面图。 图7为微流控芯片金属热压模具。图8为具有低熔点金属层和环化橡胶负性光刻胶层的基片剖面图。图9为依次具有低熔点金属层、环化橡胶负性光刻胶层和环氧基负性光刻胶层的基片的剖面图。图10为光刻图9的环氧基负性光刻胶层后的基片的剖面图。图11为微流控芯片金属热压模具的电铸用金属母模2的剖面图。图12为微流控芯片金属热压模具的电铸用金属母模2电铸金属后制得的电铸构件2的剖面图。图13为电铸构件2去除基片后的剖面图。图14为具有环化橡胶负性光刻胶层的基片剖面图。图15为依次具有环化橡胶负性光刻胶层和低熔点金属层的基片的剖面图。 图16为依次具有环化橡胶负性光刻胶层、低熔点金属层和环化橡胶负性光刻胶层的基片的剖面图。图17为依次具有环化橡胶负性光刻胶层、低熔点金属层、环化橡胶负性光刻胶层和环氧基负性光刻胶层的基片的剖面图。图18为光刻图17的环氧基负性光刻胶层后的基片的剖面图。图19为微流控芯片金属热压模具的电铸用金属母模3的剖面图。图20为微流控芯片金属热压模具的电铸用金属母模3电铸金属后制得的电铸构件3的剖面图。图21为依次具有环化橡胶负性光刻胶层、低熔点金属层和环氧基负性光刻胶层的基片的剖面图。图22光刻图21的环氧基负性光刻胶层后的基片剖面图。图23为微流控芯片金属热压模具的电铸用金属母模4的剖面图。图24为微流控芯片金属热压模具的电铸用金属母模4电铸金属后制得的电铸构件4的剖面图。
具体实施方式
实施例1、制备微流控芯片金属热压模具的电铸用金属母模1、 制作低熔点金属层在单晶硅片1上先沉积100A厚的钛，钛层作为粘附层，制备方法如下使用DZS-500电子束蒸发镀膜机在单晶硅片上蒸发100A厚的钛，设定参数为真空度9 X10—5Pa，灯丝电压73V，灯丝电流0.55A，束流53mA;随后制作2微米厚的金属铟 层，铟层作为低烙点金属层5，形成图l所示结构，金属铟层制备方法如下使用 DZS-500电子束蒸发镀膜机在，IOOA厚的钛层上蒸发金属铟，设定参数为真空度 9X10—5Pa，灯丝电压80V，灯丝电流O. 68A，束流160mA。2、 制作微结构1)制作SU8光刻胶层将具有图1所示结构的单晶硅片放入在涂胶机上，旋转涂敷美国MicroChem Corp. (MCC)生产的环氧基负性光刻胶SU8 2050,转速3000rpm，时间30秒，旋制作厚度50微米SU8光刻胶层2，形成如图2所示结构。2) 前烘将具有图2所示结构的单晶硅片在65匸下放置3分钟，然后在95'C下放置15 分钟。3) 曝光步骤2)处理后的单晶硅片用掩模在奥地利公司生产的EV620光刻机上15. 3mw/ 0112曝光15秒。4) 后烘步骤3)中曝光处理过的单晶硅片在65X:下放置3分钟，然后在95'C下放置 20分钟。5) 显影步骤4)处理后的单晶硅片放入PGMEA显影液中显影4-6分钟，用异丙醇冲洗 干净，形成图3所示结构。 3、制作金属种子层图3所示的结构，结构上采用JGP600磁控溅射台沉积IOOOA厚的金属Ni层， 形成图4所示结构，即获得微流控芯片金属热压模具的电铸用金属母模l;溅射条 件为Ar2流量50sccm，电压240V，电流0. 35A， 1分钟。实施例2、制备微流控芯片金属热压模具的电铸用金属母模1、 制作低熔点金属层在单晶硅片1上先沉积100A厚的钛，钛层作为粘附层，制备方法如下使用 DZS-500电子束蒸发镀膜机在单晶硅片上蒸发100A厚的钛，设定参数为真空度9 X10，a，灯丝电压73V，灯丝电流0.55A，束流53mA;随后制作2微米厚的金属铟 层，铟层作为低熔点金属层5，形成图l所示结构，金属铟层制备方法如下使用 DZS-500电子束蒸发镀膜机在，IOOA厚的钛层上蒸发金属铟，设定参数为真空度 9X10—5Pa，灯丝电压80V，灯丝电流0.68A，束流160mA。2、 制作有机薄膜层1)制作环化橡胶负性光刻胶层将具有图1所示结构的单晶硅片放入在涂胶机上，旋涂北京化学试剂研究所生 产的BN303环化橡胶负性光刻胶，转速3000rpm，时间30秒，旋涂制作厚度1微米 的环化橡胶负性光刻胶层6，形成图8所示结构。2) 前烘
将具有图8所示结构的单晶硅片在95X:下放置2分钟。
3) 曝光
步骤2)处理后的单晶硅片在奥地利公司生产的EV620光刻机上15. 3mw/cm 2 无掩模曝光2秒，使环化橡胶负性光刻胶层充分曝光。
3、 制作微结构
1) 制作SU8光刻胶层
步骤2的3)处理后的单晶硅片放入在涂胶机上，旋转涂敷美国MicroChem Corp. (MCC)生产的环氧基负性光刻胶SU8 2050，转速3000rpm，时间30秒，旋涂制作厚 度50微米SU8光刻胶层2，形成如图9所示结构。
2) 前烘
将具有图9所示结构的单晶硅片在65X:下放置3分钟，然后在95。C下放置15 分钟。
3) 曝光
前烘处理后的单晶硅片用掩模在奥地利公司生产的EV620光刻机上15. 3丽/cm 2曝光15秒。
4) 后烘
曝光处理过的单晶硅片在65"C下放置3分钟，然后在95"C下放置20分钟。
5) 显影
后烘处理后的单晶硅片放入PGMEA显影液中显影4-6分钟，用异丙醇冲洗干净， 形成图IO所示结构。
4、 制作金属种子层
图10所示的结构上采用JGP600磁控溅射台沉积1000A厚的金属Ni层，形成 图ll所示结构，即获得微流控芯片金属热压模具电铸用金属母模2;溅射条件为 Ar2流量50sccm，电压240V，电流0. 35A, 1分钟。
实施例3、制备微流控芯片金属热压模具电铸用金属母模
1、制作有机薄膜层
将单晶硅片放在涂胶机上，旋涂北京化学试剂研究所生产的BN303环化橡胶负 性光刻胶，转速3000rpm，时间30秒，旋涂制作厚度1微米的环化橡胶负性光刻胶 层6，形成图14所示结构。2、 制作低熔点金属层
在具有图14所示结构的单晶硅片上先沉积100A厚的钛，钛层作为粘附层，钛
层制备方法如下使用DZS-500电子束蒸发镀膜机在单晶硅片上蒸发IOOA厚的钛， 设定参数为真空度9X10,a，灯丝电压73V，灯丝电流O. 55A，束流53raA;随后 制作2微米厚的金属铟层，铟层作为低熔点金属层5，形成图15所示结构，金属铟 层制备方法如下使用DZS-500电子束蒸发镀膜机在，100A厚的钛层上蒸发金属铟， 设定参数为真空度9X10,a，灯丝电压80V，灯丝电流O. 68A，束流160mA。
3、 制作有机薄膜层
1) 制作环化橡胶负性光刻胶层
将具有图15所示结构的单晶硅片放入在涂胶机上，旋涂北京化学试剂研究所 生产的BN303环化橡胶负性光刻胶，转速3000rpm，时间30秒，旋涂制作厚度1 微米的环化橡胶负性光刻胶层6，形成图16所示结构。
2) 前烘
将具有图16所示结构的单晶硅片在95t:下放置2分钟。
3) 曝光
前烘处理后的单晶硅片在奥地利公司生产的EV620光刻机上15. 3nw/cm 2无掩 模曝光2秒，使环化橡胶负性光刻胶层充分曝光。
4、 制作微结构
1) 制作SU8光刻胶层
步骤3曝光处理后的单晶硅片放入在涂胶机上，旋转涂敷美国MicroChem Corp. (MCC)生产的环氧基负性光刻胶SU8 2050，转速3000rpm，时间30秒，旋涂制作厚 度50微米SU8光刻胶层2，形成如图17所示结构。
2) 前烘
将具有图17所示结构的单晶硅片在65。C下放置3分钟，然后在95t:下放置15 分钟。
3) 曝光
前烘处理后的单晶硅片用掩模在奥地利公司生产的EV620光刻机上15. 3mw/cm 2曝光15秒。
4) 后烘
曝光处理过的单晶硅片在65匸下放置3分钟，然后在95'C下放置20分钟。5)显影
后烘处理后的单晶硅片放入PGMEA显影液中显影4-6分钟，用异丙醇冲洗干净， 形成图18所示结构。 5、制作金属种子层
图18所示的结构上采用JGP600磁控溅射台沉积1000A厚的金属Ni层，形成 图19所示结构，即获得微流控芯片金属热压模具的电铸用金属母模3;溅射条件为 Ar2流量50sccm，电压240V，电流0. 35A， 1分钟。
实施例4、制备微流控芯片金属热压模具的电铸用金属母模
1、 制作有机薄膜层
将单晶硅片放在涂胶机上，旋涂北京化学试剂研究所生产的BN303环化橡胶负 性光刻胶，转速3000rpm，时间30秒，旋涂制作厚度1微米的环化橡胶负性光刻胶 层6，形成图14所示结构。
2、 制作低熔点金属层
在具有图14所示结构的单晶硅片上先沉积IOOA厚的钛，钛层作为粘附层制备 方法如下使用DZS-500电子束蒸发镀膜机在单晶硅片上蒸发IOOA厚的钛，设定 参数为真空度9X10—5Pa，灯丝电压73V，灯丝电流0.55A，束流53mA;随后制作 2微米厚的金属铟层，铟层作为低熔点金属层5，形成图15所示结构。金属铟层制 备方法如下使用DZS-500电子束蒸发镀膜机在，IOOA厚的钛层上蒸发金属铟，设 定参数为真空度9X10—spa，灯丝电压80V，灯丝电流0.68A，束流160mA。
3、 制作微结构
1) 旋涂SU8光刻胶。
具有图15所示结构的单晶硅片放入在涂胶机上，旋转涂敷美国MicroChera Corp. (MCC)生产的环氧基负性光刻胶SU8 2050，转速3000rpm，时间30秒，旋涂制作厚 度50微米SU8光刻胶层2，形成如图21所示结构。
2) 前烘
将具有图21所示结构的单晶硅片在65'C下放置3分钟，然后在95'C下放置15 分钟。
3) 曝光
前烘处理后的单晶硅片用掩模在奥地利公司生产的EV620光刻机上15. 3raw/cm 2曝光15秒。4) 后烘
曝光处理过的单晶硅片在65。C下放置3分钟，然后在95。C下放置20分钟。
5) 显影
后烘处理后的单晶硅片放入PGMEA显影液中显影4-6分钟，用异丙醇冲洗干净， 形成图22所示结构。 5、制作金属种子层
图22所示的结构上采用JGP600磁控溅射台沉积1000A厚的金属Ni层，形成 图23所示结构，即获得微流控芯片金属热压模具的电铸用金属母模3;溅射条件为 An流量50sccm，电压240V，电流0. 35A， 1分钟。
实施例5、用实施例1的微流控芯片金属热压模具电铸用金属母模制作微流控 芯片金属热压模具
将实施例1的微流控芯片金属热压模具的电铸用金属母模放入电镀槽中，电镀 槽中加入镀液(氨基磺酸镍600 g/L、氯化镍IO g/L、硼酸20g/L、十二垸基硫酸 钠0.02g/L)，电镀p^4，电流3.8A/dm3，反应进行72小时，电铸用金属母模上 镀上4mm厚的金属镍镀层制得电铸构件1，结构如图5所示。电火花将周围多余的 电铸金属镍切掉，将电铸构件l放在恒温烘箱中升温到180°C，将基片从电铸构件 l上平推下来，形成图6所示的结构。将图6所示结构的构件放入85t:恒温的N甲 基吡咯烷酮中浸泡，去除SU8结构层，形成图7所示的微流控芯片金属热压模具。
实施例6、用实施例2、 3和4的微流控芯片金属热压模具的电铸用金属母模制 作微流控芯片金属热压模具
将实施例2、 3和4的电铸用金属母模放入电镀槽中，电镀槽中加入镀液(氨 基磺酸镍600 g/L、氯化镍10 g/L、硼酸20g/L、十二烷基硫酸钠0.02 g/L)， 电镀p^4，电流3.8A/dm3，反应进行72小时，电铸用金属母模上镀上4mm厚的金 属镍镀层制得电铸构件2和3，结构如图12和20所示。电火花将周围多余的电铸 金属镍切掉，将电铸构件2和3放在恒温烘箱中升温到18CTC，将基片分别从电铸 构件2和3上平推下来，形成图13所示的结构。将图13所示结构的构件放入北京 华科微电子材料有限公司生产的KMP—BN303紫外负型光刻胶专用去胶剂中，85°C 下浸泡，去除环化橡胶负性光刻胶层6，再将铸件放入85t:恒温的N甲基吡咯烷酮 中浸泡，去除SU8结构层，形成图7所示金属微流控芯片金属热压模具。
权利要求
1、一种电铸用金属母模，依次包括基底、粘附层、低熔点金属层、与目标器件形状相匹配的三维结构层和位于所述整个三维结构层表面的金属种子层；所述低熔点金属层选自铟、铟系低熔点合金、锡系低熔点合金、铋系低熔点合金、铅系低熔点合金、镓系低熔点合金中的任一种或几种；所述粘附层选自钛、铬、镍中的任一种。
2、 根据权利要求1所述的金属母模，其特征在于所述三维结构层由环氧基负 性光刻胶制成。
3、 根据权利要求1或2所述的金属母模，其特征在于所述低熔点金属层和所 述三维结构层之间还设有一有机薄膜层。
4、 根据权利要求3所述的金属母模，其特征在于所述基底和所述粘附层之间 还设有一有机薄膜层。
5、 根据权利要求1或2中任一所述的金属母模，其特征在于所述基底和所述 粘附层之间还设有一有机薄膜层。
6、 根据权利要求3至5中任一所述的金属母模，其特征在于所述有机薄膜层 为环化橡胶负性光刻胶或未亚胺化处理的聚酰亚胺。
7、 根据权利要求6所述的金属母模，其特征在于所述环化橡胶负性光刻胶选自下述光刻胶KMP—柳303系列紫外负性光刻胶、KMP—BN302系列紫外负性光刻胶、 KMP—BN308系列紫外型负性光刻胶、KMP—BN310系列紫外型负性光刻胶、RFJ-210系 列负性光刻胶和RFJ-220系列负性光刻胶。
8、 根据权利要求1至7中任一所述的金属母模，其特征在于所述环氧基负性 光刻胶为SU8光刻胶。
9、 根据权利要求8所述的金属母模，其特征在于所述金属种子层选自如下任 一种或几种Ni、 Cu、 Au、 Ag、 Pt、 Ni-Fe合金、Ni-Co合金、Ni-Mn合金、Ni-W合 金、Ni-SiC和Ni-A1203。
10、 根据权利要求9所述的金属母模，其特征在于所述基底选自硅、金属、玻 璃和陶瓷中的任一种。
11、 根据权利要求10所述的金属母模，其特征在于当所述低熔点金属层选自 自铟、铅、锡、铋、铟系低熔点合金、锡系低熔点合金、铋系低熔点合金、铅系低熔 点合金、镓系低熔点合金中的任几种时，它们分别处于独立的层面上。
12、 权利要求1至11中任一所述的金属母模制作的金属铸件的脱模方法，是将 金属母模连同制作的金属铸件一同加热到所述低熔点金属层的金属的熔点温度之上，所述金属种子层的金属的熔点之下，然后将基底推下，并去除三维结构层材料，得到 金属铸件。
全文摘要
本发明公开了一种电铸用金属母模及其应用。本发明的电铸用金属母模，依次包括基底、粘附层、低熔点金属层、与目标器件形状相匹配的三维结构层和位于所述整个表面的金属种子层；所述低熔点金属层选自铟、铟系低熔点合金、锡系低熔点合金、铋系低熔点合金、铅系低熔点合金、镓系低熔点合金中的任一种或几种；所述粘附层选自钛、铬、镍中的任一种。本发明的电镀用金属母模可用于制作金属铸件，制作过程中能够快速、简便地去除金属母模中的基片，并且能够保持基片完整，使得基片能够重复使用，大大降低了加工电铸金属母模的成本。
文档编号C25D1/00GK101403125SQ20081022522
公开日2009年4月8日 申请日期2008年10月28日 优先权日2008年10月28日
发明者于中尧, 李冠男, 京 程 申请人:博奥生物有限公司;清华大学