论文部分内容阅读
摘 要：针对定向耦合器耦合片对高精度耦合孔的要求，研究采用UV-LIGA工艺制备耦合片的方法，通过解决厚胶膜制备、高精度曝光及镀层剥离等问题实现高精度孔径耦合片制作，为微小零部件加工提供一种切实可行的解决途径。
关键词：UV-LIGA;定向耦合器;耦合片
引言
矩形波导定向耦合器是一种常见的定向耦合器，目前大多数的波导定向耦合器的结构是在主波导和副波导之间的耦合片上开耦合孔，随着导波频率的增大，耦合孔孔径会减小为数十微米级[1]，对耦合片的加工提出了很高的要求。
UV-LIGA技术是一种利用紫外光作为光源对光敏聚酰亚胺或光刻胶进行光刻，然后通过化学镀、电铸或者牺牲层技术，制作出金属微小零件的技术[2]。基于该技术的精密成型特点，本文研究利用UV-LIGA技术研制耦合片的方法，对耦合片一体成型及剥离进行实验，加工出满足精度要求的耦合片。
1.实验步骤
设计的耦合片为全铜结构，以UV-LIGA技术为基础，通过溅射、光刻、电铸、剥离等工序配合完成制作。本实验选取可以制备厚胶膜的耐电镀工艺的正性光刻胶。具体实验步骤如下：
（1）选用表面光滑的石英玻璃作为基片，通过去离子水、丙酮、盐酸、去离子超声清洗去除表面污物，将基片在120℃烘箱中进行烘干。
（2）在基片表面溅射一层薄金作为电镀种子层。
（3）将光刻胶旋涂在基片表面，旋涂时根据胶厚选取合适的工艺参数，涂胶后对基片进行烘焙。
（4）采用接触式紫外曝光的方式，根据胶膜厚度选取合适的曝光剂量对基片进行掩膜曝光。
（5）对曝光后的基片进行显影，显影液选用0.8%的KOH溶液，将基片完全浸入显影液中直至显影完成后，用去离子水冲洗干净并吹干。
（6）在基片表面的种子层上采用低电流长时间电镀的方法电镀合适厚度的铜，电流密度取（1～5）mA/cm2。
（7）用丙酮清除基片表面的光刻胶，用去离子水将基片清洗干净并吹干。
（8）将电镀图形从基片上剥离，得到完整的全铜耦合片，并镀金保护。
2.主要问题及解决方法
（1）根据设计需求，胶膜厚度需要30μm以上，选用的光刻胶低转速下单次旋涂胶膜厚度约为16μm，本次实验决定采用二次匀胶的方法，得到的胶膜厚度约为37μm。为提高匀胶的膜厚均匀性，两次匀胶均采用阶梯式匀胶，先用较低转速使光刻胶平铺基片表面，再增加转速得到所需厚度的胶膜。胶膜由于边珠效应会出现基片边缘较中间部分厚度增大的现象，特别在低转速匀胶时尤为明显。为减小该情况对图形光刻的影响，制作掩膜版时，将图形居中分布，并避开受边珠效应影响的区域。
（2）光刻胶膜的精度决定了耦合孔的孔径精度，厚胶膜光刻时，由于光强随着厚度增加逐渐衰减，显影后的胶膜会形成正梯形结构。为提高耦合孔的孔径精度，通过适当增加曝光量，可以增加胶柱侧壁的陡直度，增加曝光时间造成的孔径偏差可以通过增加掩膜版补偿量解决。首先通过测量显影后不同曝光强度下的耦合孔的上下孔径偏差，取得合适的曝光量，试验数据如下表所示。
从表中可以看出，曝光量為3900mJ/cm2时，胶柱上下孔径偏差相近，胶柱侧壁陡直度较好，存在的-6μm左右的孔径偏差可以通过对掩膜版上的孔径进行补偿解决。
（3）为提高电镀镀层的均匀性，减小表面粗糙度，电镀铜时，宜采用小电流电镀的方法[3]。小电流电镀会导致电镀时间的增加，由于耦合孔位置的胶柱与基片接触面积小，受镀层应力的影响，长时间电镀会导致胶柱脱落。为解决该问题，应适当增加胶柱与种子层间的附着力，在其它工艺条件不变的情况下，可以适当增大种子层的粗糙度。溅射得到的种子层的粗糙度约为Ra0.03μm，匀胶前在种子层上电镀0.2μm薄金，电镀改善后的种子层粗糙度为Ra0.18μm，可以有效提高胶柱与种子层间的附着力。
（4）耦合片在基片上的剥离通常采用湿法腐蚀石英基片的方法，腐蚀溶液使用40%HF溶液和40%NH4F溶液的等比例混合溶液，经实验，在70±5℃水浴加热条件下，腐蚀速度约为0.4μm/min，最后使用金腐蚀液去除种子层得到完整的耦合片。实验过程中，石英腐蚀时易折断，造成耦合片折损，并且金腐蚀液具有强氧化性，对铜耦合片会造成损伤，影响耦合孔的精度。因此本实验决定采用物理剥离的方法，由于电镀电流增大及镀层厚度的增加，都会导致镀层与基片膜层的结合力降低，在镀层厚度不变的情况下，先使用较大电流在基片表面进行电镀，再改为低电流电镀，适当增大镀层与种子层间的应力，最后利用手术刀片将耦合片直接从基片上剥离，相比湿法腐蚀剥离的方法，可以减小对耦合片的影响，提高耦合片的粗糙度和平整性。
3.结果分析
实验结束后，利用白光干涉测量仪分别对激光加工的耦合孔和本实验得到的耦合孔进行形貌扫描，本实验加工的耦合孔边缘平滑，孔壁保留完整，无开裂或断开的现象。
使用高精度测量显微镜分别对激光加工耦合孔和本实验得到的耦合孔的孔径精度进行测量，测量结果对比如图1所示，本实验得到的耦合孔孔径精度小于2μm，优于激光加工的孔径误差。
使用激光共聚焦显微镜对本实验加工的耦合片表面进行粗糙度测量，得到的耦合片粗糙度约为Ra0.32μm。
4.结论
本文针对传统方法加工耦合片时耦合孔精度和成品率低的情况，研究采用UV-LIGA技术，通过溅射、光刻、电镀及剥离等工艺结合加工出耦合片，实验期间研究解决了厚胶膜的制备及图形膜厚均匀性问题、小电流长时间电镀导致的胶柱脱落问题以及耦合片在基片上的无损剥离问题，得到了耦合孔边缘平滑、孔壁完整且孔径精度优于2μm、表面粗糙度约为Ra0.32μm的耦合片，提供了一种切实可行的微小部件制作途径，为微波模块微小组件的研制提供了技术基础。
参考文献
[1]孙玉洁.硅基太赫兹波导定向耦合器的设计及制备[D].中北大学，2017.
[2]刘朝剑.UV-LIGA 制备金微小零件技术研究[D].南京航空航天大学，2012.
[3]楼丽燕，房晓龙，曲宁松.基于UV-LIGA工艺的铜微结构电铸试验研究[C].第17届全国特种加工学术会议.广州，2017：743-749.
关键词：UV-LIGA;定向耦合器;耦合片
引言
矩形波导定向耦合器是一种常见的定向耦合器，目前大多数的波导定向耦合器的结构是在主波导和副波导之间的耦合片上开耦合孔，随着导波频率的增大，耦合孔孔径会减小为数十微米级[1]，对耦合片的加工提出了很高的要求。
UV-LIGA技术是一种利用紫外光作为光源对光敏聚酰亚胺或光刻胶进行光刻，然后通过化学镀、电铸或者牺牲层技术，制作出金属微小零件的技术[2]。基于该技术的精密成型特点，本文研究利用UV-LIGA技术研制耦合片的方法，对耦合片一体成型及剥离进行实验，加工出满足精度要求的耦合片。
1.实验步骤
设计的耦合片为全铜结构，以UV-LIGA技术为基础，通过溅射、光刻、电铸、剥离等工序配合完成制作。本实验选取可以制备厚胶膜的耐电镀工艺的正性光刻胶。具体实验步骤如下：
（1）选用表面光滑的石英玻璃作为基片，通过去离子水、丙酮、盐酸、去离子超声清洗去除表面污物，将基片在120℃烘箱中进行烘干。
（2）在基片表面溅射一层薄金作为电镀种子层。
（3）将光刻胶旋涂在基片表面，旋涂时根据胶厚选取合适的工艺参数，涂胶后对基片进行烘焙。
（4）采用接触式紫外曝光的方式，根据胶膜厚度选取合适的曝光剂量对基片进行掩膜曝光。
（5）对曝光后的基片进行显影，显影液选用0.8%的KOH溶液，将基片完全浸入显影液中直至显影完成后，用去离子水冲洗干净并吹干。
（6）在基片表面的种子层上采用低电流长时间电镀的方法电镀合适厚度的铜，电流密度取（1～5）mA/cm2。
（7）用丙酮清除基片表面的光刻胶，用去离子水将基片清洗干净并吹干。
（8）将电镀图形从基片上剥离，得到完整的全铜耦合片，并镀金保护。
2.主要问题及解决方法
（1）根据设计需求，胶膜厚度需要30μm以上，选用的光刻胶低转速下单次旋涂胶膜厚度约为16μm，本次实验决定采用二次匀胶的方法，得到的胶膜厚度约为37μm。为提高匀胶的膜厚均匀性，两次匀胶均采用阶梯式匀胶，先用较低转速使光刻胶平铺基片表面，再增加转速得到所需厚度的胶膜。胶膜由于边珠效应会出现基片边缘较中间部分厚度增大的现象，特别在低转速匀胶时尤为明显。为减小该情况对图形光刻的影响，制作掩膜版时，将图形居中分布，并避开受边珠效应影响的区域。
（2）光刻胶膜的精度决定了耦合孔的孔径精度，厚胶膜光刻时，由于光强随着厚度增加逐渐衰减，显影后的胶膜会形成正梯形结构。为提高耦合孔的孔径精度，通过适当增加曝光量，可以增加胶柱侧壁的陡直度，增加曝光时间造成的孔径偏差可以通过增加掩膜版补偿量解决。首先通过测量显影后不同曝光强度下的耦合孔的上下孔径偏差，取得合适的曝光量，试验数据如下表所示。
从表中可以看出，曝光量為3900mJ/cm2时，胶柱上下孔径偏差相近，胶柱侧壁陡直度较好，存在的-6μm左右的孔径偏差可以通过对掩膜版上的孔径进行补偿解决。
（3）为提高电镀镀层的均匀性，减小表面粗糙度，电镀铜时，宜采用小电流电镀的方法[3]。小电流电镀会导致电镀时间的增加，由于耦合孔位置的胶柱与基片接触面积小，受镀层应力的影响，长时间电镀会导致胶柱脱落。为解决该问题，应适当增加胶柱与种子层间的附着力，在其它工艺条件不变的情况下，可以适当增大种子层的粗糙度。溅射得到的种子层的粗糙度约为Ra0.03μm，匀胶前在种子层上电镀0.2μm薄金，电镀改善后的种子层粗糙度为Ra0.18μm，可以有效提高胶柱与种子层间的附着力。
（4）耦合片在基片上的剥离通常采用湿法腐蚀石英基片的方法，腐蚀溶液使用40%HF溶液和40%NH4F溶液的等比例混合溶液，经实验，在70±5℃水浴加热条件下，腐蚀速度约为0.4μm/min，最后使用金腐蚀液去除种子层得到完整的耦合片。实验过程中，石英腐蚀时易折断，造成耦合片折损，并且金腐蚀液具有强氧化性，对铜耦合片会造成损伤，影响耦合孔的精度。因此本实验决定采用物理剥离的方法，由于电镀电流增大及镀层厚度的增加，都会导致镀层与基片膜层的结合力降低，在镀层厚度不变的情况下，先使用较大电流在基片表面进行电镀，再改为低电流电镀，适当增大镀层与种子层间的应力，最后利用手术刀片将耦合片直接从基片上剥离，相比湿法腐蚀剥离的方法，可以减小对耦合片的影响，提高耦合片的粗糙度和平整性。
3.结果分析
实验结束后，利用白光干涉测量仪分别对激光加工的耦合孔和本实验得到的耦合孔进行形貌扫描，本实验加工的耦合孔边缘平滑，孔壁保留完整，无开裂或断开的现象。
使用高精度测量显微镜分别对激光加工耦合孔和本实验得到的耦合孔的孔径精度进行测量，测量结果对比如图1所示，本实验得到的耦合孔孔径精度小于2μm，优于激光加工的孔径误差。
使用激光共聚焦显微镜对本实验加工的耦合片表面进行粗糙度测量，得到的耦合片粗糙度约为Ra0.32μm。
4.结论
本文针对传统方法加工耦合片时耦合孔精度和成品率低的情况，研究采用UV-LIGA技术，通过溅射、光刻、电镀及剥离等工艺结合加工出耦合片，实验期间研究解决了厚胶膜的制备及图形膜厚均匀性问题、小电流长时间电镀导致的胶柱脱落问题以及耦合片在基片上的无损剥离问题，得到了耦合孔边缘平滑、孔壁完整且孔径精度优于2μm、表面粗糙度约为Ra0.32μm的耦合片，提供了一种切实可行的微小部件制作途径，为微波模块微小组件的研制提供了技术基础。
参考文献
[1]孙玉洁.硅基太赫兹波导定向耦合器的设计及制备[D].中北大学，2017.
[2]刘朝剑.UV-LIGA 制备金微小零件技术研究[D].南京航空航天大学，2012.
[3]楼丽燕，房晓龙，曲宁松.基于UV-LIGA工艺的铜微结构电铸试验研究[C].第17届全国特种加工学术会议.广州，2017：743-749.