基于UV-LIGA的耦合片工藝研究

付延新 王斌

摘?要：針對定向耦合器耦合片對高精度耦合孔的要求，研究采用UV-LIGA工藝制備耦合片的方法，通過解決厚膠膜制備、高精度曝光及鍍層剝離等問題實(shí)現(xiàn)高精度孔徑耦合片制作，為微小零部件加工提供一種切實(shí)可行的解決途徑。

關(guān)鍵詞：UV-LIGA;定向耦合器;耦合片

引言

矩形波導(dǎo)定向耦合器是一種常見的定向耦合器，目前大多數(shù)的波導(dǎo)定向耦合器的結(jié)構(gòu)是在主波導(dǎo)和副波導(dǎo)之間的耦合片上開耦合孔，隨著導(dǎo)波頻率的增大，耦合孔孔徑會減小為數(shù)十微米級[1]，對耦合片的加工提出了很高的要求。

UV-LIGA技術(shù)是一種利用紫外光作為光源對光敏聚酰亞胺或光刻膠進(jìn)行光刻，然后通過化學(xué)鍍、電鑄或者犧牲層技術(shù)，制作出金屬微小零件的技術(shù)[2]?；谠摷夹g(shù)的精密成型特點(diǎn)，本文研究利用UV-LIGA技術(shù)研制耦合片的方法，對耦合片一體成型及剝離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，加工出滿足精度要求的耦合片。

1.實(shí)驗(yàn)步驟

設(shè)計的耦合片為全銅結(jié)構(gòu)，以UV-LIGA技術(shù)為基礎(chǔ)，通過濺射、光刻、電鑄、剝離等工序配合完成制作。本實(shí)驗(yàn)選取可以制備厚膠膜的耐電鍍工藝的正性光刻膠。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）選用表面光滑的石英玻璃作為基片，通過去離子水、丙酮、鹽酸、去離子超聲清洗去除表面污物，將基片在120℃烘箱中進(jìn)行烘干。

（2）在基片表面濺射一層薄金作為電鍍種子層。

（3）將光刻膠旋涂在基片表面，旋涂時根據(jù)膠厚選取合適的工藝參數(shù)，涂膠后對基片進(jìn)行烘焙。

（4）采用接觸式紫外曝光的方式，根據(jù)膠膜厚度選取合適的曝光劑量對基片進(jìn)行掩膜曝光。

（5）對曝光后的基片進(jìn)行顯影，顯影液選用0.8%的KOH溶液，將基片完全浸入顯影液中直至顯影完成后，用去離子水沖洗干凈并吹干。

（6）在基片表面的種子層上采用低電流長時間電鍍的方法電鍍合適厚度的銅，電流密度取（1～5）mA/cm2。

（7）用丙酮清除基片表面的光刻膠，用去離子水將基片清洗干凈并吹干。

（8）將電鍍圖形從基片上剝離，得到完整的全銅耦合片，并鍍金保護(hù)。

2.主要問題及解決方法

（1）根據(jù)設(shè)計需求，膠膜厚度需要30μm以上，選用的光刻膠低轉(zhuǎn)速下單次旋涂膠膜厚度約為16μm，本次實(shí)驗(yàn)決定采用二次勻膠的方法，得到的膠膜厚度約為37μm。為提高勻膠的膜厚均勻性，兩次勻膠均采用階梯式勻膠，先用較低轉(zhuǎn)速使光刻膠平鋪基片表面，再增加轉(zhuǎn)速得到所需厚度的膠膜。膠膜由于邊珠效應(yīng)會出現(xiàn)基片邊緣較中間部分厚度增大的現(xiàn)象，特別在低轉(zhuǎn)速勻膠時尤為明顯。為減小該情況對圖形光刻的影響，制作掩膜版時，將圖形居中分布，并避開受邊珠效應(yīng)影響的區(qū)域。

（2）光刻膠膜的精度決定了耦合孔的孔徑精度，厚膠膜光刻時，由于光強(qiáng)隨著厚度增加逐漸衰減，顯影后的膠膜會形成正梯形結(jié)構(gòu)。為提高耦合孔的孔徑精度，通過適當(dāng)增加曝光量，可以增加膠柱側(cè)壁的陡直度，增加曝光時間造成的孔徑偏差可以通過增加掩膜版補(bǔ)償量解決。首先通過測量顯影后不同曝光強(qiáng)度下的耦合孔的上下孔徑偏差，取得合適的曝光量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示。

從表中可以看出，曝光量為3900mJ/cm2時，膠柱上下孔徑偏差相近，膠柱側(cè)壁陡直度較好，存在的-6μm左右的孔徑偏差可以通過對掩膜版上的孔徑進(jìn)行補(bǔ)償解決。

（3）為提高電鍍鍍層的均勻性，減小表面粗糙度，電鍍銅時，宜采用小電流電鍍的方法[3]。小電流電鍍會導(dǎo)致電鍍時間的增加，由于耦合孔位置的膠柱與基片接觸面積小，受鍍層應(yīng)力的影響，長時間電鍍會導(dǎo)致膠柱脫落。為解決該問題，應(yīng)適當(dāng)增加膠柱與種子層間的附著力，在其它工藝條件不變的情況下，可以適當(dāng)增大種子層的粗糙度。濺射得到的種子層的粗糙度約為Ra0.03μm，勻膠前在種子層上電鍍0.2μm薄金，電鍍改善后的種子層粗糙度為Ra0.18μm，可以有效提高膠柱與種子層間的附著力。

（4）耦合片在基片上的剝離通常采用濕法腐蝕石英基片的方法，腐蝕溶液使用40%HF溶液和40%NH4F溶液的等比例混合溶液，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，在70±5℃水浴加熱條件下，腐蝕速度約為0.4μm/min，最后使用金腐蝕液去除種子層得到完整的耦合片。實(shí)驗(yàn)過程中，石英腐蝕時易折斷，造成耦合片折損，并且金腐蝕液具有強(qiáng)氧化性，對銅耦合片會造成損傷，影響耦合孔的精度。因此本實(shí)驗(yàn)決定采用物理剝離的方法，由于電鍍電流增大及鍍層厚度的增加，都會導(dǎo)致鍍層與基片膜層的結(jié)合力降低，在鍍層厚度不變的情況下，先使用較大電流在基片表面進(jìn)行電鍍，再改為低電流電鍍，適當(dāng)增大鍍層與種子層間的應(yīng)力，最后利用手術(shù)刀片將耦合片直接從基片上剝離，相比濕法腐蝕剝離的方法，可以減小對耦合片的影響，提高耦合片的粗糙度和平整性。

3.結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用白光干涉測量儀分別對激光加工的耦合孔和本實(shí)驗(yàn)得到的耦合孔進(jìn)行形貌掃描，本實(shí)驗(yàn)加工的耦合孔邊緣平滑，孔壁保留完整，無開裂或斷開的現(xiàn)象。

使用高精度測量顯微鏡分別對激光加工耦合孔和本實(shí)驗(yàn)得到的耦合孔的孔徑精度進(jìn)行測量，測量結(jié)果對比如圖1所示，本實(shí)驗(yàn)得到的耦合孔孔徑精度小于2μm，優(yōu)于激光加工的孔徑誤差。

使用激光共聚焦顯微鏡對本實(shí)驗(yàn)加工的耦合片表面進(jìn)行粗糙度測量，得到的耦合片粗糙度約為Ra0.32μm。

4.結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)方法加工耦合片時耦合孔精度和成品率低的情況，研究采用UV-LIGA技術(shù)，通過濺射、光刻、電鍍及剝離等工藝結(jié)合加工出耦合片，實(shí)驗(yàn)期間研究解決了厚膠膜的制備及圖形膜厚均勻性問題、小電流長時間電鍍導(dǎo)致的膠柱脫落問題以及耦合片在基片上的無損剝離問題，得到了耦合孔邊緣平滑、孔壁完整且孔徑精度優(yōu)于2μm、表面粗糙度約為Ra0.32μm的耦合片，提供了一種切實(shí)可行的微小部件制作途徑，為微波模塊微小組件的研制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]孫玉潔.硅基太赫茲波導(dǎo)定向耦合器的設(shè)計及制備[D].中北大學(xué)，2017.

[2]劉朝劍.UV-LIGA 制備金微小零件技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2012.

[3]樓麗燕，房曉龍，曲寧松.基于UV-LIGA工藝的銅微結(jié)構(gòu)電鑄試驗(yàn)研究[C].第17屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議.廣州，2017：743-749.