基于电化学刻蚀与微电铸工艺

为解决微流控芯片模具在微电铸工艺中铸层与基底结合力差的问题，在光刻工艺的基础上，采用掩膜电化学刻蚀和微电铸相结合的方法，制作出了结合力较好的镍基双十字微流控芯片模具。针对掩膜电化学刻蚀的工艺参数进行了试验研究，选定了制作微流控芯片模具的最佳工艺参数，解决了酸洗引起胶膜脱落失效、刻蚀引起侧蚀等问题。使用剪切强度表征界面结合强度，运用剪切法测量了微电铸层与基底的剪切强度，定量分析了酸洗工艺和刻蚀工艺的参数对界面结合强度的影响。试验结果表明，酸洗 20s 后电铸层与基底的剪切强度相对于直接电铸提高了98.5%，刻蚀 5min 后剪切强度提高了 203.6%。刻蚀 5min 后的剪吧层与基底的界面结合强度，延长微流控芯片模具的使用寿命。

自 20 世 纪90年代以来，微流控芯片因其在DNA分析、疾病诊断、分子筛选和免疫学测定等方面的广阔应用前景而得到了迅猛的发展。微流控芯片模具作为芯片制作过程中的核心器件，在微流控芯片产业化过程中起着重要作用。当前微流控芯片模具主要由硅材料和金属材料制作而成。硅模具因其韧性差、易破碎的缺点，在微流控芯片规模化生产中的应用受到了限制。 基于无背板生长工艺的金属微流控芯片模具由于具有精度高、制作相对简单、寿命相对较高的优点，在注塑、 压塑等批量生产领域应用越来越广泛。由于微电铸模具铸层与基底间存在杂质、层间应力等原因，电铸层与金属基底不能紧密嵌合、结合强度低，使用过程中容易脱落失效。

针对微电铸层与基底结合力差 的问题，国内外专家学者开展了相关研究。Kim 等 采用 1 ∶ 200 的 NH4OH 溶液对镍基底进行预处理， 并对处理后电铸层的组织形貌进行研究，得出了通过基底预处理提高铸 层与基底界面结合强度的方法。朱 荻提出了基于掩膜电解加工的“置 桩”工艺，即先反向制作桩基然后电 铸，并成功制作出了直径为 300μm 的金属微细阵列电极结构，同时用过 切量来评价结合强度，过切量越大铸 层与基底的结合强度越高，此方法直接改变了铸层与基底的结合方式，提高了结合强度 。

掩膜电化学刻蚀技术根据金属阳极溶解的原理加工基板，具有电流密度小、阴阳极间隙大、尺寸精度 高等特点，便于对“置桩”工艺中的小线宽刻蚀进行精确控制。本文针对微电铸模具铸层与基底结合力差的问题，引入掩膜电化学刻蚀工艺 与微电铸工艺相结合制作了线宽为 100μm 的双十字微流控芯片模具。 针对铸层宽度为 100μm 的电铸线条 进行了结合强度试验，研究了酸洗和掩膜电化学刻蚀工艺对铸层与基底 结合强度的影响规律，探究了掩膜电化学刻蚀工艺方法提高铸层与基底结合强度的机理。

一、结合强度试验

1、结合强度的测量

为了定量研究微电铸层与基底 的结合力，本文采用剪切强度来表征 界面结合强度。微铸层结合力的测量方法通常有界面压痕法、划痕法、 垂直拉伸法和剪切法等，其中剪切法 常用于测量厚薄膜与基体材料之间 的界面剪切性能。本文采用剪切 法测量微电铸层与基底间的界面结 合强度，测量装置由小型拉压试验 机和自制夹具两部分组成，如图 1 所 示。

用自制夹具夹紧试验片测量时， 夹具与试验片间的相对运动会产生 摩擦力，因此首先要通过预试验确 定摩擦力的大小。试验过程为用夹 具夹紧未电铸的光滑基板并放置到 试验台上，启动试验机使测力探头 压到基板的上表面，继续施加压力， 通过数显测力仪可测得基板与夹具 相对运动产生的摩擦力。经反复试 验并取平均值后确定其摩擦力F 1 为 20N。

然后，再用自制夹具夹紧试验 片，使铸层卡在夹具侧棱上。将其放 置于试验台上，启动试验机使测力探 头压到试验片的上表面，持续施加压 力至铸层从基底脱落，数显测力仪可 测得铸层脱落时的受力峰值F 2。

铸层的剪切力F S =F 2-F 1，剪切强 度可以由下式计算得到：

τ= F S /A

式中，τ 为剪切强度，F S为剪切力，A 为接触面积。

图1? 剪切力测量平台

2、结合强度试验工艺流程

本文选用直接电铸、酸洗 20s 后 电铸和刻蚀 5min 后电铸 3 组参数进行试验，工艺流程如图 2 所示。为排 除试验过程中的偶然因素干扰、减小 试验误差，每组参数试验 3 次。具体步骤为：

（1）基板预处理。为保证胶膜 与基底的结合力和曝光的对准精度， 需要对基板进行研磨抛光。

（2）SU-8 胶膜的制备。本文采 用掩膜曝光技术制作矩形胶膜型腔 作为填充的空间，胶膜采用 SU-8 胶 制作，曝光工艺使用休斯紫外曝光 机，型号 MA/BA6SUSS MicroTec。经 过匀胶、静置、前烘、曝光、后烘和显 影 后 制 得 长 宽 为 15mm×0.1mm 的 胶膜，具体流程如图 3 所示。胶膜 制 作 完 成 后 , 采 用 工 具 显 微 镜 和 电感测微仪测量厚度，胶膜厚度为 110±10μm。

（3）酸洗工艺。酸洗可以去除基板表面的杂质和氧化层，保证刻 蚀、电铸均匀有效进行。酸洗还可以 通过对金属表面进行微粗化处理， 提高微电铸铸层与金属基底的结合力。本文选用稀硝酸溶液对金属表面进行酸洗，酸洗时间为 20s。

图2? 结合强度试验工艺流程图

图3? SU-8胶膜制备流程

电化学刻蚀工艺。电化学 刻蚀工艺采用正向脉冲电源，设定 脉冲频率为 1000Hz，占空比为 20%， 选取电流密度为 5A/dm2 ，选用质量 分数为 10% 的氯化钠盐溶液作为电 解质，为防止电化学刻蚀过程中产 生沉淀，用盐酸将电解液调节为酸 性（pH=3），试验温度为 30℃。首先 在该工艺参数下进行刻蚀效率试验， 确定刻蚀时间。试验结果表明，刻蚀 5min 的刻蚀深度大约为 10μm、刻蚀 10min 的刻蚀深度大约为 20μm。但 随着刻蚀深度增加，侧蚀量也会增 大，从而引起胶膜脱落失效，导致电 铸失败。为保证试验顺利进行，本文 选用的刻蚀时间为 5min，试验装置 如图 4 所示。

图4? 刻蚀设备示意图

表1? 铸层与基础的剪切力和剪切强度测试结果

（1）微电铸。微电铸试验以加 入小电流预铸的方法提高界面结 合 强 度，搅 拌 方 式 为 阴 极 移 动，采 用正向脉冲电源，设定脉冲频率为 1000Hz，占 空 比 为 20%，选 取 电 流 密度为 0.2A/dm2 （30min），0.5A/dm2 （30min），1.0A/dm2 （10h）。 试 验 选 用以氨基磺酸镍为基础液的电铸液， 电铸液的成分为 Ni（NH2SO3）2 ·4H2O （550g/L）、NiCl2 （10g/L）、H3BO3 （35g/ L）、润湿剂（0.1g/L）。

（2）去胶。将制作完成的试验片使用SU-8 Remover去胶液去胶。

（3）剪切力测量。采用剪切法 测量各试验片铸层与基底的剪切力， 计算后得到相应的剪切强度。剪切 后铸层从基板脱落，如图 5 所示。各 组参数下铸层与基底的剪切力和剪 切强度如表 1 所示。

二、分析与讨论

由表 1 的测试数据可知，酸洗和 掩膜电化学刻蚀工艺能够显著提高 铸层与基底的结合强度。相对于直 接电铸，酸洗 20s 后电铸铸层与基底 的结合强度提高了 98.5%，刻蚀 5min 后电铸结合强度提高 203.6%。刻蚀 5min 后电铸相对于酸洗 20s 后电铸 结合强度提高 53.0%。

1、掩膜电化学刻蚀过程中的侧蚀

镍金属属于各向同性物质，在掩膜电化学刻蚀过程中会发生明显的侧蚀（杂散腐蚀）现象 。一般情况下，侧蚀区在电铸过程中会被填充， 如图 6 所示，图中 d 和 h 分别表示单 侧侧蚀量和刻蚀深度。侧蚀量的大 小和刻蚀液成分、刻蚀时间以及电流 密度有密切关系。随着刻蚀时间的 延长和电流密度的增大，侧蚀量以及 刻蚀深度都会相应变大。刻蚀后和 电铸后的形貌如图 7 所示。经测量， 刻蚀深度和侧蚀宽度的比例大约为 1∶1，即 d∶h=1∶1。

图5? 剪切后铸层脱落

图6? 刻蚀、电铸过程示意图

图7? 刻蚀和电铸后的侧蚀形貌示意图

运用电化学刻蚀工艺制作模具时往往会由于侧蚀现象导致模具形 状精度差、侧壁垂直度低。本文充分利用侧蚀现象来提高铸层和基底的 接触面积。试验中胶膜型腔的宽度 为 100μm，而刻蚀 5min 时单侧侧蚀 量大约为 10μm，故而侧蚀将基底的 裸露面积增加了大约 20%，即电铸后 铸层与基底的接触面积增加了 20%。 刻蚀还能对基底表面进行微粗化，进 而增大铸层与基底的实际接触面积。 因此，掩膜电化学刻蚀过程中的侧蚀 会增加铸层与基底的实际接触面积， 从而提高其结合强度。然而侧蚀量 过大又容易引起胶膜的脱落失效，如 图 8 所示。因此，在掩膜电化学刻蚀 过程中必须充分考虑以上两方面的 综合影响，选取最佳工艺参数。

2、电化学刻蚀提高铸层与基底结合 强度的机理

电化学刻蚀工艺提高铸层与基 底结合力的原因主要归纳为以下两点：

（1）通过刻蚀一定深度，在基板 表面“打桩”形成“桩基”。铸层承 受侧向力时，“桩基”会形成遮挡，从 而提高了剪切强度。经试验证明，当 刻蚀深度大于 20μm 时，剪切过程中 发生铸层断裂，此时的剪切强度从铸 层与基底之间的结合强度变为铸层 内部的结合强度，使得其剪切强度接 近于镍金属的剪切强度，提高了铸层 与基底的结合稳定性。

（2）增大接触面积。通过对电 化学刻蚀 - 电铸的原理进行分析可 知，刻蚀中的杂散腐蚀可显著增加基 底实际表面积，即电铸中铸层和基底 的实际接触面积，从而提高结合强 度。通过以上两点分析可知，刻蚀深 度越大、侧蚀量越大，越有利于提高 铸层与基底的结合强度。然而，刻蚀 时间过长、产生的侧蚀量过大，极易 引起胶膜的起胶脱落，直接导致制作失败。

双十字微流控芯片模具制作

为了验证上述试验结论，本文基 于 UV-LIGA 工艺、采用掩膜电化学 刻蚀复合微电铸工艺的方法，制作了 双十字微流控芯片模具。选用规格 为 60mm×60mm×3mm 的镍板作为 基板进行制作。为对比刻蚀后电铸 和直接电铸的效果，选用“刻蚀 5min 后电铸”和“直接电铸”两组相关参 数进行制作。“刻蚀 5min 后电铸”组 为试验片，“直接电铸”组为对照片。 将试验片和对照片分别按照相应的 工艺流程制作，电铸完成后使用高粒 度砂纸对电铸表面进行研磨，研磨过 程中使用电感测微仪进行高度测量， 保证铸层高度为（105±5）μm。

研磨过程中对照片出现铸层翘 起现象，去胶后铸层脱落失效，如图 9 所示。对试验片去胶后得到完好 的双十字微流控芯片模具。结果证 明，通过掩膜电化学刻蚀工艺和微电 铸工艺相结合的方法可以制作出剪 切强度大，使用寿命长的微流控芯片模具。

图9? 铸层翘起及脱落

三、结论

（1）研究了掩膜电化学刻蚀工 艺改善铸层与基底结合力的机理，并 解决了制作过程中遇到的工艺问题， 如酸洗导致的胶膜脱落失效问题、刻 蚀引起的侧蚀问题。

（2）通过剪切法定量分析了酸 洗和电化学刻蚀工艺对于铸层剪 切强度的影响规律，结果表明：直 接电铸、酸洗 20s，电铸和刻蚀 5min 后电铸铸层与基底的剪切强度平 均 值 分 别 为 52.1MPa、103.4MPa 和 158.2MPa，酸洗 20s 和刻蚀 5min 分 别将铸层与基底的剪切强度提高了98.5% 和 203.6%。

（3）运用掩膜电化学刻蚀工艺 和微电铸工艺相结合的方法成功制 作了双十字微流控芯片模具，验证了 新工艺的可行性。

关键词： 结合力；电化学刻蚀；微流控芯片模具；微电铸

（文章来源作者：航空制造技术·2017年第 17期作者：杜立群，李庆峰，李爰琪，赵文君 责编：大漠 DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2017.17.016转载仅供参考学习及传递有用信息，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除）