蠟燭座注塑模具設(shè)計（全套含CAD圖紙）

蠟燭座注塑模具設(shè)計（全套含CAD圖紙）,蠟燭,燭炬,注塑,模具設(shè)計,全套,cad,圖紙 使用UV-Lithographie，Galvanoformung，Abformung（LIGA）技術(shù)的微型，多級，錐形模具插件的數(shù)值模擬和制造 摘要：對高分辨率微結(jié)構(gòu)（HARMS）的經(jīng)濟制造技術(shù)進行了深入的研究。使用金屬基HARMS的微型設(shè)備對于機械，機電和化學應用尤為重要。在許多應用中，需要具有兩個或更多高度的HARMS。通過壓縮成型制造這些多級HARMS需要兩級或多級模具插入件。此外，錐形模具插入件將有助于實現(xiàn)簡單的插入件分離。本文報道了通過結(jié)合SU-8抗蝕劑的UV光刻，一步金屬電沉積，拋光和水平，然后除去SU-8抗蝕劑來制造兩級錐形模插件的方法。沒有傾斜和在光刻步驟期間的旋轉(zhuǎn)，通過采用UV光刻和抗蝕劑顯影的特征獲得錐形電鍍模具。使用的SU-8去除方法不會降低電沉積模具的強度。我們的方法的功效通過兩級模具插入物原型來證明。 關(guān)鍵詞 SU-8抗蝕劑 多級 錐形插入物 一步電沉積 SU-8剝離 1 簡介 大多數(shù)當前的微機電系統(tǒng)（MEMS）都是用硅基材料的表面微機械加工或體微加工制造的。 在需要金屬或聚合物微結(jié)構(gòu)的應用中，光刻膠，Galvanoformung，Abformung（LIGA）工藝是優(yōu)選的制造技術(shù)。 LIGA工藝首先使用PMMA的X射線光刻技術(shù)（Menz等人，1991; Mohr等人，1992; El-Kholi等人1993; Kondo等人1998; Ehrfeld和Schmidt 1998; Henry等人1999 ; Guckel等人2000; Singleton等人2002; Schulz和Bade等人2004; Heckele和Schomburg 2004）已被用于制造用于機械，電氣，化學和生物醫(yī)學裝置和系統(tǒng)中的高縱橫比微結(jié)構(gòu)（HARMS）（Menz等人，1991; Mohr等人，1992; El- Kholi等人1993; Kondo等人1998; Ehrfeld和Schmidt 1998; Henry等人1999; Guckel等人2000; Singleton等人2002; Schulz和Bade等人2004; Heckele和Schomburg 2004），包括微加速器（Qu等人，1999），RF感應器（Sadler等人2001），微型混合器/反應器（Yang等人2004），聚合酶鏈反應（PCR）系統(tǒng)（Hupert和Witek 2003）等。光刻，電沉積和成型的三步LIGA工藝的成型復制步驟對于低成本HARMS生產(chǎn)是最重要的。已經(jīng)報道了使用LIGA或LIGA類技術(shù)來生產(chǎn)基于聚合物，金屬和陶瓷的HARMS的努力（Guckel等人2000; Heckele和Schomburg 2004; Hupert和Witek 2003;Cao等2003，2004;曹和孟2004; Cao 2004; Dinakar 2003）。 PMMA的X射線光刻技術(shù)生產(chǎn)高品質(zhì)的電鍍模具，屬性如高縱橫比和垂直側(cè)壁。在電沉積后也可以容易地除去PMMA（Menz等人，1991; Mohr等人，1992; El-Kholi等人1993; Kondo et al。1998; Ehrfeld和Schmidt 1998;亨利等人1999; Guckel et al。 2000; Singleton等2002; Schulz和Bade等2004; Heckele and Schomburg 2004）。由于暴露時間大大降低，LIGA處理中也采用了SU-8（XRD）的X射線光刻技術(shù)（Ryan 2002; Jian 2002; Turner and Desta et al。2003; Yang and Wang 2005）。 SU-8的UV光刻技術(shù)以更低的成本為厚HARMS提供了出色的品質(zhì)，因此是X射線光刻的替代品。 最近在理解UV光刻工藝和提高光刻質(zhì)量方面取得的進展使得制造的長寬比超過100的SU-8微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（Yang等，2003）。 仔細控制光刻條件也導致了相當?shù)暮媒Y(jié)果，質(zhì)量垂直側(cè)壁（Yang et al。2003）。 基于SU-8抗蝕劑的UV光刻技術(shù)的UV-LIGA技術(shù)也被用于制造幾種器件原型（Williams等人2005; Dentinger等人2002）。 在文獻中已經(jīng)報道了去除交聯(lián)SU-8抗蝕劑的一些努力（Muralidhar等人2001;里斯2001; Rosato et al。2000）。用于制造單個高度的模具插入件的工藝是很好理解的。多級HARMS的制作決定了更復雜的處理。最多常用的方法是使用對準的多個光刻和電鍍步驟（Ehrfeld和Schmidt 1998; Williams等人，2005）。機械拋光和對準在步驟之間需要。如圖1所示。 如圖1所示，在電鍍結(jié)構(gòu)中，由于多次電鍍步驟而導致的接觸面積可能具有減小的強度。這些強度降低由于多個電鍍步驟之間的電鍍條件的波動進一步加劇。 因此，通過這種多步驟方法制造的多級模具插入件的成型性能可能受到損害。 制造多層次HARMS的另一種方法是使用預先構(gòu)造的襯底（Qu等人，1999）?；谧罱KHARMS的所需高度，精心設(shè)計的用作犧牲層的微結(jié)構(gòu)在基板上制成。然后將預結(jié)構(gòu)化襯底用于光刻和電鍍工藝。在鍍覆圖案填充所需金屬并過度鍍覆后，剩余的抗蝕劑被剝離。然后對預先構(gòu)造的特征（犧牲層）進行化學蝕刻以從基底釋放模具插入物。這種方法的主要困難是由不均勻的基板表面導致的不均勻的電鍍速率。較高初始高度的圖案傾向于具有高得多的電鍍速率。一般來說，電鍍成具有小開口的深層特征往往是困難的。具有較高電鍍速率的凸起區(qū)域可能被快速地過度鋪展并生長成“蘑菇”結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這些“溢出”的金屬然后覆蓋相鄰的更深的微圖案，并防止進一步電鍍到它們中。這導致較小/較深的孔/通道的無填充或部分填充。 圖 1 由于多次曝光和電鍍步驟，電鍍界面的結(jié)構(gòu)弱點可能會損害這種多級HARMS的性能 如模具插入Kim等人（2002）報道了一種有趣的制造多層高縱橫比微結(jié)構(gòu)和模具插入物的方法。他們通過使用PDMS模具在對準的多光刻和電鍍工藝中引入了中間步驟。在其方法中，使用UV和X射線光刻的組合制造SU-8圖案。然后從SU-8圖案制成PDMS模具。然后將PDMS模具用種子層濺射并鍍鎳。然后通過剝離PDMS模具將鍍鎳的鎳結(jié)構(gòu)從電鍍模中釋放出來。然后釋放的鎳微結(jié)構(gòu)可用作模具插入物。該方法解決了傳統(tǒng)對齊多光刻和電鍍工藝中的結(jié)構(gòu)問題。它可以對于需要中空結(jié)構(gòu)或沒有顯著的機械載荷的一些應用（例如微針陣列）（Kim等人2002）非常有用。使用PDMS中間步驟的一個潛在的回溯是減少最終模具插入物的準確性。另一個限制是在電鍍結(jié)構(gòu)中可能形成一些空隙，因為種子層在PDMS模具的整個表面上濺射。 在脫模過程中，模具插入件與模制材料之間的分離可能是困難的。插入物上的微特征的體積減少隨著特征線性尺寸的減小，比其表面積快。這種縮放表明，微特征經(jīng)歷的摩擦力可能會變得如此在足夠小的特征特征尺寸下顯著并超過其承載能力。為了避免插入物的塑性變形或模制部件的撕裂，錐角可能是有幫助的（Rosato等人，2000; Janczyk等，1997）。立體光刻可以制造具有錐角的模具插入件（Janczyk等人1997; Cedorge和Colton 2000; Pham和Colton 2002）。然而，立體光刻模具是逐層形成的，當錐角設(shè)定時可能產(chǎn)生步進效應，并導致增加的摩擦力（Janczyk等，1997; Cedorge和Colton 2000; Pham and Colton 2002）。通過X射線平版印刷技術(shù)，通過傾斜和旋轉(zhuǎn)的多次曝光在SU-8抗蝕劑上制造（Jian 2002; Turner和Desta等2003; Yang和Wang 2005），暴露時間大大增加，成本高得多。 在本文中，我們提出了一種制造兩級模具插件的新工藝。 在光刻步驟中UV光的衍射用于獲得SU-8抗蝕劑中的錐形圖案。 兩級模具插件的電鍍可以在一個步驟中完成，不產(chǎn)生外部界面。 SU-8抗蝕劑的去除不會導致HARMS強度的明顯變化。 2具有錐形側(cè)壁的SU-8結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬和制造 與軟X射線范圍相比，邊緣或狹縫周圍的衍射效應在近紫外范圍的波長（例如，405nm的h線）處更為顯著。 該現(xiàn)象用于獲得SU-8抗蝕劑中的錐形圖案。 為了達到一個有用的錐角，SU-8電鍍模應在頂部有較大的開口。 圖3顯示了SU-8電鍍模具的三種可能的形狀，分別為負，零和正錐角。 具有正錐度的插入物角度被認為是最好的成型目的。 圖 2 示意圖顯示不均勻的影響電鍍率在不同地區(qū)的預先構(gòu)造基板 基于惠更斯原理，通過菲涅爾 - 基爾霍夫積分公式可以描述通過具有任意形狀的開口在不透明分區(qū)中的衍射： 其中k = 2p / k，k是入射光波長，U0表示入射單色球面波，r和r0表示孔徑上的點的位置相對于屏幕和源，（n，r）和（n，r0）分別表示向量與積分表面的法線之間的角度，積分在孔徑區(qū)域之上。為了更好地了解SU-8的UV光刻及其對側(cè)壁輪廓的影響，使用ZEMAX EE（ZEMAX Development Corporation，San Diego，CA，USA）進行數(shù)值模擬。 該軟件基于方程式中所示的衍射原理。1，可用于執(zhí)行與SU-8抗蝕劑的UV光刻相關(guān)的菲涅爾衍射模擬。 在k = 365nm（i線）處，SU-8的折射率分別為n = 1.668，k = 405nm（h線）的n = 1.649。其透射率與厚度曲線如圖1所示。4在這兩個選定的波長。 對于給定的掩模圖案，整個SU-8抗蝕劑被分成不同的數(shù)值層。用ZEMAX計算不同數(shù)值層內(nèi)的光強分布，并將其導入SigmaPlot（Systat Software，Inc.，Richmond，CA，USA），以在整個抗蝕劑層中產(chǎn)生光能分布輪廓。 假設(shè)SU-8的UV光吸收與局部能量強度成正比。 因此劑量輪廓與能量分布的輪廓一致。 總曝光劑量的輪廓和顯影條件結(jié)合起來確定SU-8圖案的最終側(cè)壁輪廓。 對于兩種不同的掩模圖案進行了數(shù)值模擬，如圖1所示。一個是開口槽，另一個是遮光。這些分別在負光刻膠如SU-8，突起和開放的通道中產(chǎn)生。當顯示模擬結(jié)果時，光強度通過其在抗蝕劑表面處的值歸一化：在相同水平或高于入射光刻光的光強度被表示為1并示為亮灰色; 抗蝕劑中較低的光強度區(qū)域用較小的數(shù)字表示，并顯示為較深的灰色。 圖6顯示了分別對應于具有i線（365nm）和h線（405nm）曝光的20μm孔徑的劑量分布的模擬結(jié)果。在所有模擬中，假定抗蝕劑厚度為500lm，零氣隙為零。更亮和更暗的區(qū)域分別代表較高和較低的暴露劑量。虛線表示在具有或不具有足夠劑量的區(qū)域之間的邊界以交聯(lián)SU-8樹脂，因此開發(fā)后最終SU-8結(jié)構(gòu)的潛在側(cè)壁。圖6a示出了僅考慮衍射效應通過20lm狹縫孔曝光產(chǎn)生的劑量分布。圖6b示出了由金涂層電鍍種子層表面的反射率為0.85的由襯底反射引起的劑量分布。圖6c顯示了總曝光劑量分布，結(jié)合衍射和反射效應。圖6d顯示了h線（405nm）暴露的總劑量分布。可以看出，圖1所示的劑量分布6d更均勻，從上到下的差異顯著降低。這意味著與i線曝光相比，最終SU-8結(jié)構(gòu)的頂部和底部之間的寬度差異將遠小于h線暴露。 圖 3 不同的SU-8電鍍模具和模具插件幾何 圖4 SU-8的光傳輸曲線 圖5 在SU-8的UV光刻數(shù)值模擬中研究了兩種不同的情況。 a 用于產(chǎn)生柱的開孔; b遮蔽用于生產(chǎn)樹叢對于h線和i線暴露的20m時隙的模擬結(jié)果如圖1所示。7a，b。由于SU-8抗蝕劑的負色調(diào)，使用槽遮蔽曝光獲得的圖案將是通道。如圖所示。如圖7a，b所示，i線曝光獲得的通道在頂部較窄，底部較寬。使用h線曝光，通道在頂部較寬，底部較窄。為了在用于模具插入件制造的SU-8電鍍模具中獲得所需的錐度，應當選擇405nm的曝光波長。圖7b顯示在遮蔽區(qū)域中間的窄帶也顯著暴露。陰影區(qū)域內(nèi)的這種局部高劑量條帶負責這樣的事實，即當期望的通道圖案變得太窄時，充分發(fā)展變得非常困難。 圖8示出了設(shè)計寬度為20lm，高度為1,150lm的SU-8突出物。用h線暴露獲得該結(jié)構(gòu)。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示SU-8交叉的寬度從頂部的13.5lm變化到距離頂部約75lm的19.7lm，最后在底部的32.8lm。這表示錐角為θ1o。 3制造兩級模具插件 為了展示我們的UV-LIGA工藝的多級模插件制造，建立了一個具有500lm深的微孔和250 lmdeep微通道的兩級電鍍Ni模插件。為了在插入物上的所有突出的微尺度特征上形成小的正錐角，選擇405nm的h線暴露。對SU-8電鍍模具幾何形狀進行了數(shù)值模擬。電鍍模具包括直徑為200lm，深度為500lm的孔，寬度為200lm，深度為250lm的矩形槽。 使用h線曝光，模擬顯示從頂部的200lm到底部的193lm的孔徑減小，對應于±0.8°的正錐角。仿真也顯示了通道寬度從頂部的200lm降低到底部的197lm，對應于α= 0.69°的正錐角。曝光后的抗蝕劑顯影過程中沒有攪動，較小深度的抗蝕劑會受到較長的顯影時間和曝光于較新鮮的顯影劑液體。這種發(fā)展差異趨向于進一步增加正錐角。 圖6個20-lm插槽孔徑的仿真結(jié)果。 a由于i線曝光（365nm）的衍射效應引起的劑量分布; b由于i線曝光（365nm）的底物反射引起的劑量分布; c一個20 lm插槽的總劑量分布光圈為i線曝光（365 nm）。 所得結(jié)構(gòu)顯示出較寬的頂部和較窄的底部; d總體劑量分布為20 lm狹縫孔徑，h線曝光（405 nm）。 與i線曝光情況相比，所得到的結(jié)構(gòu)顯示出較小的錐度圖2中示意性地示出了兩級模具插入件的處理流程圖。需要兩個曝光口罩。成品兩級模具插入件具有直徑為200lm，高度為500lm的圓柱形微孔，長度為18,000lm，寬度為200lm，高度為250lm的矩形突起。制造工藝如下：（1）用丙酮，異丙醇清潔Si晶圓（IPA）和去離子水，干燥;（2）電子束蒸發(fā)Cr / Au電鍍種子層;（3）電鍍種子層上的圖案對準標記;（4）旋轉(zhuǎn)涂層250lm SU-8 50，900rpm;（5）預烘烤旋涂SU-8;（6）暴露SU-8號。1曝光面膜;（7）烤后暴露的SU-8;（8）電子束在暴露的SU-8上蒸發(fā)第二Cr / Au種子層;（9）攪拌形成SU-8，同時剝離附著于未曝光的第二Cr / Au種子層開發(fā)SU-8;（10）以870rpm旋涂第二層SU-8 50;（11）預烘烤旋涂SU-8;（12）暴露SU-8號。2曝光面膜;（13）后烘烤和發(fā)展SU-8;（14）電鍍鎳，直到完成過鍍;（15）拋光Ni背板的背面;（16）KOH蝕刻以除去Si襯底;（17）蝕刻Cr / Au種子層，然后除去SU-8。 在我們的實驗中，使用4.538mm厚的PMMA片作為從UV源除去i線輻射的過濾器。PMMA過濾前后紫外光源的光譜輸出如圖1所示。PMMA濾波后的光譜輸出由h線和g線（434nm）的組合組成。較長的波長g線強化了衍射效應，從而強化了取樣角度對結(jié)果特征的影響。 因為SU-8抗蝕劑中的g線輻射的吸光度較低（與h線相比約為1/3），所以h線顯示了曝光。因此，本研究忽略了g線輻射的影響。圖11顯示了aprototype SU-8兩級電鍍模具的SEM顯微照片。 圖7 用于產(chǎn)生SU-8通道的劑量分布： 用i線曝光（365nm）的20lm狹縫遮蔽; b一個20 lm的狹縫陰影，h線曝光（405 nm）圖8具有錐形側(cè)壁的SU-8突起（較窄的頂部和較寬的底部）使用由500lm深的微孔和250lm深的微通道組成的兩級SU-8電鍍模具，通過Ni電鍍制造Ni模插件，進入SU-8電鍍模具，然后過鍍。9e有兩個獨立的Cr / Au電鍍種子層分別連接到微孔和微通道。在電鍍過程中，連接了微孔的種子層首先進入電鍍電路。在將微孔中的Ni沉積物電鍍到與矩形突起的種子層相同的高度或稍高的位置之后，兩個種子層在電鍍期間連續(xù)地連接在一起，同時電鍍繼續(xù)。這個過程導致微孔和微通道在SU-8電鍍模具同時“填充”。在完成SU-8電鍍模具填充后，繼續(xù)Ni鍍層生產(chǎn)Ni模插件的背板。因此，與其他方法中使用的圖案化，電鍍和拋光的多個步驟相比，Ni嵌入物的電鍍在單一連續(xù)工藝中完成，并且導致Ni插入物中沒有弱界面。用于電鍍柱的電鍍電流為2.74mA（電流密度為10mA /cm 2）。用于平板化通道的電流為6.4mA（也相當于10mA /cm 2的電流密度）。柱和通道的總電鍍時間為約166小時，每步驟約為83小時。柱的平均高度測量為415lm，通道的平均高度為約335lm，如圖1所示12a。 電鍍工序完成后，用研磨機將研磨基板作為研磨基板，研磨過鍍Ni模插件的背面。研磨后獲得平面模具插入物背面。然后使用KOH溶液除去Si襯底。在蝕刻Cr / Au種子層之后，將Ni插入物與SU-8電鍍模具一起在-90℃下浸入Dynasolve溶液中，在-30分鐘內(nèi)除去SU-8電鍍模具。據(jù)Bacher等人（1998），當退火溫度低于200℃時，電沉積Ni的硬度沒有明顯變化。因此，由于SU-8去除過程，電沉積Ni插入物的顯著軟化是不可預期的。在除去SU-8后，用丙酮和IPA清洗Ni插入物以除去Ni表面上的任何殘留物。在圖1的SEM圖中示出了成品的兩級Ni模插件。12。 圖9二級模具插入件的十四個制造步驟的流程圖：步驟1-7; b步驟8; c步驟9; d步驟10-11; e步驟12-13; f步驟14-15; g步驟16; h步17 圖10 光刻光譜 電鍍鎳HARMS已經(jīng)直接用作金屬基結(jié)構(gòu)難熔金屬和合金的復制復制的插入件（Cao et al。2005）。 指某東西的用途用于將多級微圖案直接轉(zhuǎn)移到高溫金屬和合金的多級電沉積Ni HARMS仍有待探索。 電鍍鎳HARMS已經(jīng)直接用作通過沉積保形陶瓷涂層來工程化表面后金屬基結(jié)構(gòu)復制的插入件（Cao et al。2003; Cao and Meng 2004）。最近，單層高溫 通過轉(zhuǎn)移微米級制造相容的模具插件由電鍍Ni HARMS定義為難熔金屬和合金的模式（Cao et al。2005）。使用多層次的電沉積Ni HARMS將多級微圖案直接轉(zhuǎn)移到高溫金屬和合金上仍有待探索。 圖11一個二級SU-8電鍍模具 圖12電鍍原型Ni兩級成型插件的SEM圖像 4總結(jié)和結(jié)論 描述了通過在SU-8抗蝕劑，一步Ni電鍍，以及完全SU-8抗蝕劑去除之后組合UV-光刻制造兩級電鍍Ni模插件的UV-LIGA工藝。使用在SU-8抗蝕劑上進行的多個UV光刻步驟來生產(chǎn)兩級SU-8電鍍模具。使用單個Ni電鍍步驟進入SU-8電鍍模具來制造兩級Ni插入物。該過程消除了電鍍Ni插入物內(nèi)存在的外來界面。 數(shù)值衍射模擬表明，SU-8與h線主導光源的UV光刻有助于為插入物上的微特征產(chǎn)生所需的正錐角。 致謝：通過合同LEQSF（2004-07）-RD-B-06，通過授權(quán)DMI-0400061，EPS-0346411和路易斯安那州董事會授予國家科學基金部分項目支持。 10