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現高精度孔徑耦合片制作，為微小零部件加工提供一種切實可行的解決途徑。

關鍵詞：UV-LIGA;定向耦合器;耦合片

引言

矩形波導定向耦合器是一種常見的定向耦合器，目前大多數的波導定向耦合器的結構是在主波導和副波導之間的耦合片上開耦合孔，隨著導波頻率的增大，耦合孔孔徑會減小為數十微米級[1]，對耦合片的加工提出了很高的要求。

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

1.實驗步驟

設計的耦合片為全銅結構，以UV-LIGA技術為基礎，通過濺射、光刻、電鑄、剝離等工序配合完成制作。本實驗選取可以制備厚膠膜的耐電鍍工藝的正性光刻膠。具體實驗步驟如下：

（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，旋涂時根據膠厚選取合適的工藝參數，涂膠后對基片進行烘焙。

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

（5）對曝光后的基片進行顯影，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?。?～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。

2.主要問題及解決方法

（1）根據設計需求，膠膜厚度需要30μm以上，選用的光刻膠低轉速下單次旋涂膠膜厚度約為16μm，本次實驗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，先用較低轉速使光刻膠平鋪基片表面，再增加轉速得到所需厚度的膠膜。膠膜由于邊珠效應會出現基片邊緣較中間部分厚度增大的現象，特別在低轉速勻膠時尤為明顯。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，并避開受邊珠效應影響的區域。

（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，由于光強隨著厚度增加逐漸衰減，顯影后的膠膜會形成正梯形結構。為提高耦合孔的孔徑精度，通過適當增加曝光量，可以增加膠柱側壁的陡直度，增加曝光時間造成的孔徑偏差可以通過增加掩膜版補償量解決。首先通過測量顯影后不同曝光強度下的耦合孔的上下孔徑偏差，取得合適的曝光量，試驗數據如下表所示。

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行補償解決。

（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，受鍍層應力的影響，長時間電鍍會導致膠柱脫落。為解決該問題，應適當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，經實驗，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。實驗過程中，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。因此本實驗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，都會導致鍍層與基片膜層的結合力降低，在鍍層厚度不變的情況下，先使用較大電流在基片表面進行電鍍，再改為低電流電鍍，適當增大鍍層與種子層間的應力，最后利用手術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.結果分析

實驗結束后，利用白光干涉測量儀分別對激光加工的耦合孔和本實驗得到的耦合孔進行形貌掃描，本實驗加工的耦合孔邊緣平滑，孔壁保留完整，無開裂或斷開的現象。

使用高精度測量顯微鏡分別對激光加工耦合孔和本實驗得到的耦合孔的孔徑精度進行測量，測量結果對比如圖1所示，本實驗得到的耦合孔孔徑精度小于2μm，優于激光加工的孔徑誤差。

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

4.結論

本文針對傳統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，通過濺射、光刻、電鍍及剝離等工藝結合加工出耦合片，實驗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于2μm、表面粗糙度約為Ra0.32μm的耦合片，提供了一種切實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基礎。

參考文獻

[1]孫玉潔.硅基太赫茲波導定向耦合器的設計及制備[D].中北大學，2017.

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

[3]樓麗燕，房曉龍，曲寧松.基于UV-LIGA工藝的銅微結構電鑄試驗研究[C].第17屆全國特種加工學術會議.廣州，2017：743-749.