专利名称：用于喷砂微加工的pdms掩膜微结构的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种PDMS微掩膜成型加工技术，具体地说就是一种制备脆性材料喷砂微加工时用到的柔性掩模微结构的批量制造方法。
背景技术：
喷砂工艺是一种传统的机械加工工艺，主要用于对脆性材料(如玻璃、陶瓷等)的表面进行加工。它将喷砂砂材通过压缩空气进行加速，沿设定的方向准确撞击待加工材料的表面，进而产生刻蚀效果。由于喷砂工艺是将砂材直接撞击在待加工材料的表面，因此可以将砂材在加速过程中产生的动能高效率地转化为刻蚀的能量，故喷砂工艺的刻蚀速率很高。同时，现在多数的喷砂机可以将砂材循环使用，故喷砂工艺的成本很低。用于微加工的喷砂工艺可以在脆性材料表面一次性加工出上千个微型结构，是一种低成本、高效率、具有准确方向性的加工方法。利用喷砂工艺对脆性材料进行微结构化成型加工，需要在脆性材料的表面预先制备图形化的掩膜结构，以使裸露在表面的部分被喷砂刻蚀的同时，其余部分由于受到掩膜材料的保护而得以保留，从而形成待刻蚀材料的三维微结构。在上述工艺流程中，图形化掩膜微结构是决定喷砂微加工效果的关键。与待刻蚀材料的脆性相反，用于喷砂工艺的掩膜材料必须具有良好的柔韧性，同时为了得到具有较高精度的掩膜图形，掩膜材料必须拥有可满足集成制造要求的图形化加工工艺。回顾喷砂刻蚀技术发展历程，掩膜材料主要经历了以下几个发展进程从早期用激光等方法加工成型的金属板，过渡到电镀成型的铜掩膜，再进一步开发出目前公认最合适的柔性PDMS掩膜。PDMS不仅是一种柔韧性很好的聚合物，而且与大部分脆性材料都有比较好的结合力。PDMS所形成的掩膜微结构在喷砂刻蚀过程中具有更高的稳定性，所以PDMS更适合作为喷砂刻蚀的掩膜材料。因此，就材料本身的特性而言，PDMS是目前用于喷砂微加工工艺中最好的掩膜材料。但是作为掩膜材料，PDMS并非没有缺点。因为PDMS化学性质非常稳定，无法通过湿法刻蚀对其进行图形化，同时为了得到一定厚度的PDMS结构，干法刻蚀也很有难度，因此，开发与集成制造工艺体系兼容的PDMS掩膜微结构成型技术成为研究的重点。A. Sayah 等人在"Elastomer mask for powder blasting microfabrication"(用以微制造喷砂技术的柔性掩膜版，仏ensors and Actuators)), 2005年125卷第84-90页)一文中提出了一种用SU-8胶结合PDMS形成喷砂工艺中的掩膜微结构的方法。其具体流程是通过光刻的方法形成SU-8图形；将PDMS覆盖整个表面，填满光刻胶形成图形的空隙；然后用锋利的刀片沿着SU-8胶的表面刮过，反复操作就可以将SU-8胶上的PDMS完全去除干净，再经过固化处理、喷砂刻蚀掉SU-8胶微结构之后，PDMS结构可以保留下来，即形成PDMS掩膜微结构。 该工艺作为制备PDMS掩膜微结构的典型方法，一直延用至今。但是，在实际操作之后发现此工艺存在如下两方面的问题由于PDMS前躯体是非常粘稠的胶状物质，在此情况下用机械刮除的方法对兼有SU-8胶微结构和PDMS结构的表面进行处理，刮掉的PDMS量是非常难以控制的。一方面非常容易出现PDMS粘连在刀片表面的情况，就单个掩膜图形而言，在刮削的瞬间极有可能发生边缘的缺失和破坏的情况，虽然此时PDMS仍然具有流动性，一段时间之后，PDMS的结构还是会恢复一定的平坦度，但对于整个掩膜微结构的所有图形而言，刮的过程中的随机性会导致形成的PDMS掩膜图形高度上的不一致。PDMS材料本身还具有高耐刻蚀性，这将最终导致刻蚀工艺的重复性低；另一方面，PDMS前躯体与SU-8胶有良好的粘附性，微尺度下可以流动的PDMS前躯体根本无法准确区分SU-8胶微结构的侧壁和上表面，即使其上表面被刮除干净，也容易被再次覆盖， 使得PDMS微结构的边缘不规则，无法得到高精度的掩膜图案。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于喷砂微加工的PDMS掩膜微结构的制备方法。本发明是通过以下技术方案实现的，首先通过光刻在基片表面形成SU-8胶微结构图案；然后在整个基片范围内覆盖上新配制的PDMS前躯体，抽真空释放微结构间隙封闭的气泡，使PDMS前躯体填满SU-8胶微结构所形成的空隙；之后将整个基片加热使前躯体聚合固化形成填充并包覆SU-8结构的PDMS层；再通过精密切削/研磨等减薄加工，去除 SU-8微结构以上部位的PDMS ；接着通过喷砂处理，将SU-8胶去除，留下与SU-8微结构互补的PDMS微结构，作为脆性基片喷砂刻蚀的掩膜。本发明具体包括以下的加工步骤第一步，采用常规光刻工艺，在基片上形成SU-8胶微结构图案。此处SU-8胶微结构的厚度直接决定了 PDMS掩膜微结构的厚度，也就是决定了待加工基片的刻蚀深度，因此需要根据待刻蚀材料与PDMS的刻蚀选择比适当选择SU-8胶的厚度。待加工基片包括玻璃、 陶瓷等脆性材料。第二步，在整个基片范围内涂覆上新配制的PDMS前躯体，抽真空释放微结构间隙封闭的气泡，使之填满SU-8胶微结构所形成的空隙，并高出SU-8胶微结构上表面，以保证固化后PDMS膜最低处也要高于SU-8胶的上表面。此处的PDMS前躯体是预聚体与固化剂按6 1到12 1的质量比混合而成，混合后需充分搅拌并抽真空脱气。第三步，将涂覆PDMS前躯体的基片置入烘箱中，控制温度在150-300°C，保温2到 6个小时，确保充分聚合。第四步，通过精密切削或研磨减薄工艺上述SU-8/PDMS复合结构层，去除SU-8胶微结构上表面以上部分所有的PDMS，确保SU-8胶微结构的上表面完全暴露。由于聚合之后的PDMS仍与固化的SU-8胶结构机械特性相差很大，比较容易找到合适的方法选择性去除部分PDMS。旋切工艺就是其中比较有效的方法之一。通过逐步降低旋转刀片的高度，逐层切削表层的PDMS，就可以在切除SU-8胶结构上表面以上PDMS的同时，实现整体复合结构的表面平整化加工，从而使简单涂覆所形成的PDMS微结构厚度趋于一致。此外，用平齐锋利的刀片沿着SU-8胶的上表面切削高出SU-8结构的PDMS，同样能够实现上述效果。因为固化后的PDMS不再拥有流动性，也基本失去了在刀片表面的粘附能力，所以不再存在类似前躯体固化之前用刀片刮除所存在的困难问题，加工的效果和重复性也能够得到较好保证。第五步，通过常规喷砂处理，将SU-8胶微结构去除干净，而保留下与SU-8胶微结构互补的由PDMS构成的微结构，也就是所需的PDMS掩膜微结构。此处使用的喷砂砂材的粒径需根据掩膜微结构的线宽来决定，越细的线宽需要越细的砂材。因为SU-8胶非常容易被刻蚀，特别是经过高温处理之后脆性增加，所以常规喷砂工艺就可以完成清除SU-胶结构的任务。本发明所提出的制备方法，既继承了微机械加工尺寸控制精度较高和易于集成制造的优点，又拥有批量化加工的潜力，可以有效克服PDMS掩膜微结构图形化加工的困难。
图1是用于脆性材料刻蚀的PDMS微掩膜成型制备技术的工艺步骤流程图。具体实施方法下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，用于脆性材料刻蚀的PDMS微掩膜成型制备技术的工艺步骤流程图。 其中1是旋涂的SU-8胶，2是待加工的基片，3是新配制的PDMS前躯体，4是固化后的 PDMS，5是切削中使用的刀片，6是喷砂实验中的喷嘴。(a)、在清洗烘干后的基片上旋涂一定厚度的SU-8胶(厚度根据掩膜结构中图形的高度而定义)；(b)、通过常规光刻、显影在基片上形成SU-8胶的微结构图案；(c)、在整个基片范围内覆盖上新配制的PDMS前躯体，抽真空释放微结构间隙封闭的气泡，使之填满SU-8胶微结构所形成的空隙；(d)、整个基片加热使PDMS前躯体充分聚合固化，形成填充并包覆SU-8结构的 PDMS 层；(e)、再通过精密切削或研磨减薄工艺，去除SU-8微结构上部的PDMS ；(f)、得到了已经去除SU-8胶微结构上表面以上部分所有PDMS的结构，确保SU_8 胶微结构的上表面完全暴露；(g)、接着通过喷砂处理，将SU-8胶去除，留下与SU-8微结构互补的PDMS微结构， 作为脆性基片喷砂刻蚀的掩膜。应用实例主要材料基片1毫米厚光学玻璃基片掩膜材料聚二甲基硅氧烷(PDMS，美国道康宁公司sugard 184)。预聚体与固化剂按10 1配比。如附图1所示，首先用丙酮和去离子水依次清洗玻璃基片表面，超声清洗并烘干后旋涂40微米厚负性光刻胶(SU-8胶)。通过常规的紫外光刻(karl sussMA-6接触式光刻机，曝光时间50秒)、显影(显影液Micro Chem公司的SU-8专用显影液，显影时间8 分钟)在玻璃基片表面形成图形化的SU-8胶微结构。配制聚二甲基硅氧烷(PDMS)。将预聚体和固化剂按10 1配比混合，混合后需充分搅拌并抽真空脱气(置于真空烘箱，常温、真空度< 133帕，30分钟)去除配制时混入的气体。将配成的PDMS旋涂于玻璃基片表面，使其覆盖整个玻璃基片表面，并抽真空释放微结构间隙封闭的气泡，使之填满SU-8胶微结构所形成的空隙。固化PDMS 将基片置于烘箱中，程序升温(采用多段升温，各段温度限、升温及保温时间分别为1小时升温至1200C，保温1小时；1小时升温至2000C，保温3小时)，使PDMS
完全固化。利用切削减薄(切削机型号SM2500E，德国徕卡公司；进刀速度0. 2mm/s ；切割长度70mm ；单次切削深度2微米，最后一次切削深度1微米使结构平坦化)。精确去除 SU-8胶结构上表面以上的PDMS之后，露出SU-8胶微结构上表面，此时仅在图形化SU-8结构的空隙处充满了固化的PDMS材料。对上述结构进行喷砂加工(喷砂机型号JCR-Z600，磨料粒径30微米，喷嘴与基片距离10厘米，压缩空气压2bar)，喷砂处理2分钟将SU-8胶去除干净，保留下PDMS形成的图形化微结构，即得到所需的PDMS掩膜微结构。对上述样品进行喷砂刻蚀加工，采用的技术参数如下喷砂机型号JCR-Z600，磨料粒径30微米，喷嘴与基片距离10厘米，压缩空气压2bar。经过累计15分钟的刻蚀，对不同线宽的图形分别测量刻蚀的效果线宽在400微米以下的图形，刻蚀深度达200微米左右；线宽1000微米以上的图形刻蚀深度达500微米； 线宽在400微米与1000微米之间的图形刻蚀深度在300微米到500微米之间。掩膜厚度降低到25微米左右，无剥离现象，刻蚀微结构尺寸和形貌保持良好。以上为本发明的优选实施例，应当理解的是，本发明还有其他可实施的方式，比如对其中的参数等做简单的变换，采用本领域常用操作进行替换等。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种用于喷砂微加工的PDMS掩膜微结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤第一步，通过光刻在基片上形成SU-8胶图形化微结构；第二步，在整个基片范围内涂覆上新配制的PDMS前躯体，抽真空释放微结构间隙封闭的气泡，使之填满SU-8胶微结构所形成的空隙；第三步，将整个基片置入烘箱加热并保温，确保PDMS前躯体完全聚合固化第四步，去除SU-8微结构以上部位的PDMS，确保SU-8胶微结构的上表面完全暴露；第五步，接着通过喷砂处理，将SU-8胶去除干净，留下与SU-8微结构互补的PDMS微结构，作为脆性基片喷砂刻蚀的掩膜。
2.根据权利要求1所述的用于喷砂微加工的PDMS掩膜微结构的制备方法，其特征在于所述基片为包括玻璃、陶瓷的脆性材料。
3.根据权利要求1所述的用于喷砂微加工的PDMS掩膜微结构的制备方法，其特征在于第二步中，使用抽真空的方法释放微结构间隙封闭的气泡，使之填满SU-8胶微结构所形成的空隙，此处的PDMS前躯体高出SU-8胶微结构上表面，保证固化后PDMS的最低处高于SU-8胶的上表面。
4.根据权利要求1或3所述的用于喷砂微加工的PDMS掩膜微结构的制备方法，其特征在于所述PDMS前躯体是预聚体与固化剂按6 1到12 1的质量比混合而成，混合后充分搅拌并抽真空脱气。
5.根据权利要求1或3所述的用于喷砂微加工的PDMS掩膜微结构的制备方法，其特征在于第三步中，PDMS的固化温度是150-300°C，保温时间是2到6个小时。
6.根据权利要求1或3所述的用于喷砂微加工的PDMS掩膜微结构的制备方法，其特征在于第四步中，去除SU-8胶上PDMS的方法是在PDMS完全固化之后，采用精密切削或研磨减薄工艺。
全文摘要
本发明公开一种用于喷砂微加工的PDMS掩膜微结构的制备方法，首先通过光刻在基片表面形成SU-8胶微结构图案；然后在整个基片范围内覆盖上新配制的PDMS前躯体，抽真空释放微结构间隙封闭的气泡，使PDMS前躯体填满SU-8胶微结构所形成的空隙；将整个基片加热使前躯体聚合固化；去除SU-8微结构以上部位的PDMS；接着通过喷砂处理，将SU-8胶去除，留下与SU-8微结构互补的PDMS微结构，作为脆性基片喷砂刻蚀的掩膜。本发明既继承了微机械加工尺寸控制精度较高和易于集成制造的优点，又拥有批量化加工的潜力，可有效克服PDMS掩膜微结构图形化加工的困难。
文档编号B81C1/00GK102431955SQ201110383529
公开日2012年5月2日 申请日期2011年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者丁桂甫, 汪红, 赵小林, 郑钰 申请人:上海交通大学