近年来，随着聚合物基MEMS芯片在生物、化学和微光学方面的广泛应用，相应的制作技术成为当前微系统技术的一个研究热点。同时，由于器件性能对大高宽比微结构的需求，运用LIGA技术制作MEMS模具并利用热模压成型技术进行微塑铸复制就成为很有前途的一种加工方法。然而，在热模压成型技术中大部分问题不是由模压成型过程引起，而是发生在脱模过程当中。由于LIGA制作的MEMS模具与热塑性材料之间脱模力的存在，对模压复制品的质量造成了很大的影响，聚合物微结构有可能拉断、变形甚至毁坏。随着微结构高宽比的增加，这些现象越来越明显，当高宽比达到一定数值时，某些微结构的脱模变得不可能进行，几乎很难得到质量好的结构。为了对脱模过程进行系统深入的分析，设计和制作具有高脱模性能的MEMS模具，并进行相应的脱模性能研究和评价，本论文主要开展了以下几个方面的工作：1．对热模压成型中的脱模力分析及高性能MEMS模具的设计在热模压成型技术中，MEMS模具和聚合物微结构的脱模过程是摩擦剪切的过程。本工作重点分析了即脱模力的组成，包括热收缩力和表面粘着力，从理论分析、实验论证以及有限元分析多个角度分析了脱模力的影响，并提出了相应的解决方案。以微摩擦学及表面粘着力理论分析了热模压成型脱模过程主要缺陷的成因，如微结构图形边的拉起、拔断以及大高宽比图形的无法模压等问题；同时利用有限元数值软件分析冷却过程中热应力对脱模初始阶段的影响，如切根现象的成因，并提出使用热应力阻隔器的优化设计。最后通过对T型微结构脱模过程的个案分析，排除了热应力的影响后，认定由模具与聚合物的表面能决定的表面粘着力是影响脱模的重要因素，据此我们制定了高性能MEMS模具的制作方案—Ni-PTFE的一种抗粘着、低摩擦系数的复合材料LIGA模具，并设计出测试结构的模具掩模。2．同步辐射深度X射线光刻工艺的研究中国科学技术大学国家同步辐射实验室二期工程结束以后，LIGA线站的同步辐射X深度光刻研究得以开展。本研究工作首先对同步辐射深度光刻掩模制作、样品制备工艺进行了探索，在此基础上利用NSRL的LIGA站开展了曝光剂量与显影速率关系的研究，获得了稳定的深度光刻工艺条件，为制作出LIGA光刻胶微结构提供了前提；同时，为了获得高质量的光刻胶结构以满足后续电铸工艺的进行，特别研究了微结构图形在不同基底的粘附性能；最后还研究了基于Su8胶的紫外光刻(UV-LIGA)技术，作为LIGA工艺的有益补充。3．精密微电铸技术研究在微电铸模具制作过程中，工程人员发现电流密度受到深宽比掩模微结构的影响有一定的再分布规律，往往出现不希望得到的表面轮廓。而采用overplating的模具制作技术能够有效的避免电流密度再分布带来的对微结构图形的影响，获得的微结构图形部分表面平整性较好。当前对overplating电铸的研究很少，本工作利用Cell-Design软件并结合微电铸实验分析了overplating电铸时的电流密度分布规律，提出Ni在overplating电铸过程中的生长模型，发现了电极的“相邻调制效应”，在理论和实验论证上给出了在各种线宽＼间距比条件下其可能造成的缺陷，并提出了相应的解决办法。这部分工作对利用overplating微电铸技术提供了部分设计思路及制作经验。4．Ni-PTFE的复合微电铸技术研究在微电铸Ni模具的基础上，研发Ni-PTFE的复合微电铸工艺是本论文工作的一个重要内容，它扩展了传统LIGA的模具制作技术，为获得高性能MEMS模具开辟了一条新的途径，为国内外MEMS模具制作技术上的首创。工作对Ni-PTFE的复合微电铸工艺进行了深入的探索和研究，克服了复合电铸中的种种困难，包括复合电铸装置的搭建，采用FC型阳离子表面活性剂使PTFE粒子在镀液中保持良好悬浮及共沉积，以及镀液组成和电铸操作条件的摸索，克服了铸层中的针孔问题，最终制作出高性能的复合材料的LIGA模具。在这些工作的基础上，实验最终获得了掩模设计的Ni及Ni-PTFE复合材料的MEMS模具，并通过形貌学、成分分析以及侧壁粗糙度、摩擦系数的测量，表明制作的模具不但符合设计要求，也完全符合热模压脱模的工艺条件。5．HEX02真空热模压成型技术研究脱模过程中的温度及脱模速率也是影响摩擦的主要因素。目前，专门针对脱模过程中工艺参数的研究报道很少，往往局限在具体应用上的参数选择。本研究工作首先弥补了这一缺憾，利用德国JENOPTIK MikrotechniK GmbH公司生产的Hot embossing system HEX02塑铸仪开展了真空热模压成型技术研究，分析了聚合物微结构在不同脱模温度和脱模速率条件下的力学行为，如低温下脱模情形和快速脱模情形，在理论和实验上给予论证，以此实现了对脱模工艺条件的优化。6．脱模性能评价与对比分析确定优化的脱模工艺条件后，对Ni和Ni-PTFE模具的高宽比微结构、连续模压寿命进行了脱模性能的对比研究，结果表明Ni-PTFE模具不仅能够有效的减小模具与聚合物之间的表面粘着力引起的摩擦力，而且能够有着良好的抗粘着能力。它能够模压高宽比更大的微结构图形，并且连续模压的能力更强，因此是一种很有前途、很具实用价值的MEMS模具制作方法。