工艺说明:
镍基多层金属微结构制备技术，是一项适用于多类MEMS器件加工的微结构成型工艺。借助AZ系列光刻胶作为掩膜进行微电铸成型，通过溅射金属种子层工艺构筑叠层和悬空结构，并辅助微加工湿法刻蚀工艺，最终形成包含叠层，悬空，纵向斜面等单元的微结构。微结构单层最大厚度可以达到30μm，最小线宽可达到5μm。
一、 设备情况
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可进行厚光刻胶的制备，具有程控功能
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可用最大工作尺寸：3"， 最大转速： 5000rpm
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时间范围： 0－999s
溅射机：
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德国Laybold-Heraus公司 Z-550
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可进行直流、交流溅射，靶材有Cu、Cr、Fe-Ni、Ti、Au等
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本底真空：2*10-6 mbar，射频最大功率：2.5 kW，直流最大功率：1 kW，
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沉积速率：20-60nm/分钟
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容量：3英寸硅片13片
双面光刻机：
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德国Karl Suss公司 MA6
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可进行正面和反面对准曝光，
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最小线宽：2μm，对准精度：1μm
测量显微镜：
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日本OLYMPUS公司 STM-MJS2
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可进行微结构形貌观察和三维长度测试；
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测量精度： 1μm
表面轮廓仪：
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美国Veeco公司 Dektak 6M
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可进行微结构表面轮廓和结构厚度的测试；
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垂直测量距离：1 mm， 精度：0.1 nm/6.5μm, 1 nm/65μm, 16nm/1mm
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扫描长度：50μm－30mm
扫描电镜：
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日本Hitachi公司SP2600
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可进行微结构形貌观察和拍照；
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最大加速电压：25kV，最大放大倍数：20万倍，分辨率5nm
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附带ADDA,数模转换器，模拟信号可转化为数字信号进行处理
二、 工艺流程
1.金属种子层制备工艺
裸基片金属种子层制备工艺
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1）对硅片或玻璃片（厚度大于1mm）进行清洗，并在180℃烘4个小时以上以去除表面水分子；
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2）溅射前一般先用氩气轰击基片表面30秒进行反溅射处理；
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3）溅射工艺的基本参数参考表1。
基片上已有光刻胶结构的制备工艺（已有光刻胶结构工艺参考后文）
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1）对已有光刻胶结构的基片，若底层中已有胶上溅射金属种子层结构在70℃烘2个小时，若底层中没有溅射金属种子层结构则在90℃烘1个小时；
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2）溅射前一般先用氩气轰击基片表面30秒进行反溅射处理；
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3）溅射工艺的基本参数参考表1。
表1 溅射工艺基本参数
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工艺参数 |
参数值 |
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本底真空 |
4×10-6 mbar |
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溅射气体 |
高纯氩气 |
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工作气压 |
5×0-3 mbar |
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溅射功率 |
500 W |
2.AZ光刻胶掩膜制备工艺
金属基（Cr/Cu种子层）
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1）利用甩胶机在基片金属层表面旋涂所需要厚度的AZ系列光刻胶；
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2）利用程控烘箱或者热板对AZ系列光刻胶进行前烘处理，若底层中没有溅射金属种子层结构，烘胶程序参考表2，若底层中已有胶上溅射金属种子层结构，烘胶程序参考表3；
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3）利用光学掩模，在SUSS MA6紫外光刻机上进行接触式曝光，显影，得到光刻胶掩膜，具体参数参考表4。
AZ光刻胶（Cr/Cu种子层，参考后续金属种子层制备工艺）
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1）利用甩胶机在基片表面旋涂所需要厚度的AZ系列光刻胶；
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2）利用程控烘箱或者热板对AZ系列光刻胶进行前烘处理，若底层中没有溅射金属种子层结构，烘胶程序参考表2，若底层中已有胶上溅射金属种子层结构，烘胶程序参考表3；
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3）利用光学掩模，在SUSS MA6紫外光刻机上进行接触式曝光，显影，得到光刻胶掩膜，具体参数参考表4。
表2不同厚度光刻胶的甩胶、前烘工艺参数一
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光刻胶类型 |
厚度 |
甩胶转速及时间 |
前烘温度、时间、冷却条件 |
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AZ P4620 |
5μm |
3000 rpm×30 s |
65℃，30分钟，90℃，60分钟，炉冷 |
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AZ P4903 |
20μm |
1500 rpm×30 s |
50℃，60分钟，90℃，120分钟，炉冷 |
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AZ P 4903
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30μm |
1000rpm×30 s |
50℃，90分钟，65℃，60分钟，90℃30分钟，炉冷 |
表3不同厚度光刻胶的甩胶、前烘工艺参数二
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光刻胶类型 |
厚度 |
甩胶转速及时间 |
前烘温度、时间、冷却条件 |
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AZ P4620 |
5μm |
3000 rpm×30 s |
50℃，20分钟，55℃，20分钟，60℃，90分钟，68℃，120分钟，炉冷 |
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AZ P4903 |
20μm |
1500 rpm×30 s |
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AZ P 4903 |
30μm |
1000rpm×30 s |
表4不同厚度光刻胶的曝光显影参数
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光刻胶类型 |
光刻胶厚度 |
甩胶条件 |
曝光时间 |
显影时间 |
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AZ P4620 |
5 μm |
3000 rpm×30 s |
40 s |
60 s |
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AZ P4903 |
10 μm |
1800 rpm×30 s |
70 s |
120 s |
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AZ P4903 |
20 μm |
1500 rpm×30 s |
220 s |
150 s |
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AZ P4903 |
25 μm |
1300 rpm×30 s |
230 s |
220 s |
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AZ P4903 |
30 μm |
1000 rpm×30 s |
240 s |
300 s |
3. 微电铸Ni工艺
1）电解液类型：氨基磺酸镍镀液体系。具体成份配比以及镀液工作条件参考表5；
2）镀速控制范围：0.2-0.3μm/min
表 5镀液液成份及电镀条件
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镀液成份 |
含量 |
电镀条件 |
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氨基磺酸镍 |
450g/L |
工作温度：45℃； 阴极电流密度1A/dm2； 镀液缓慢搅拌循环； 直流电镀；阳极：纯镍板 |
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氯化镍 |
10g/L |
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硼酸 |
30g/L |
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1，4丁炔二醇 |
0.3g/L |
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邻苯甲酰磺酰亚胺 |
0.5g/L |
3. 牺牲层释放工艺
1）配置以下湿法刻蚀液：
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a) 去胶液（5%NaOH）；
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b) 去Cu液，（双氧水：氨水：H2O=1ml：3ml：12ml）；
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c) 去Cr液（KMnO3 : NaOH : H2O=2.5g : 0.5g : 100~150ml）；
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d) 稀盐酸（2%HCl）；
2）根据所制备器件的叠层顺序依次使用上述溶液进行腐蚀，以显微镜观察为辅助手段判断被牺牲层是否腐蚀干净。
4.两种典型镍基多层金属微结构的制备工艺流程
图1 两种典型镍基多层金属微结构的制备工艺流程
结果
1. 电镜照片
图2 依据图1典型工艺流程制备的微结构（左，光学照片，右，SEM），最小线宽10μm
图3镍基多层金属微结构，最小线宽5μm
工艺图片: