第 1 章 绪论
1.1 引言
20 世纪 80 年代末，微机电系统（Micro Electromechanical System，MEMS）技术开始引起世界范围内的广泛重视，经过多年的蓬勃发展，到目前为止已经逐渐形成了一个全新的产业领域。MEMS 技术是采用微机械加工技术制作出集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。MEMS 最突出的特点是微型化和集成化，为实现这一技术目标，在微电子和机械加工技术的依托下，综合力学、自动控制、材料科学等多种工程技术和学科优势，应用范围涉及通信、生物医学、汽车、航空航天、国防等科学领域。MEMS 技术最早产生于半导体集成电路（Integrated circuit，IC）的加工技术，结合机械领域的超精密加工等先进制造技术，在科技和工程领域逐渐发展起来。在世界范围内，美国、德国和日本在 MEMS 研究开发方面成绩显著。美国主要发展以 IC 加工为基础的硅基微加工技术，德国发明了用于制作非硅材料的 LIGA技术，日本在精密机械加工技术的基础上发展了如微细电火花（DEM）、超声波加工等微细制造技术。表 1.1 为 MEMS 的主要加工方法及其特点。
随着 MEMS 技术的发展，20 世纪 90 年代由 Manz 和 Winder 提出的微全分析系统（Micro total analysis system，μTAS)在近年来得到了广泛的关注和研究，在分析科学引领了一场新的革命，作为一种新型的微生化分析设备，在目前以及未来的发展将对生命医学甚至整个科学技术的发展发挥巨大的推动作用。微流控芯片（microfluidic chip）的概念来源于 μTAS，以实现微全分析的目标为技术依托，在分析化学和生物科学的理论基础上，通过微细机电加工的方法实现以微管道为结构特征的自动化和集成化的系统。具体表现为通过微管道为基本网络连接微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件等具有光、电和流体输送功能的元器件，最大限度地把采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等分析功能集成在一个微芯片上，通常称为芯片实验室。微流控芯片的基本特征和最大优势在于各种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成，作为新兴的科学技术拥有广泛的应用前景和市场潜力。在微流控系统中，微细加工技术是其发展的前提条件，不同的材料需要与之对应的加工工艺。用于制作微流控芯片的材料从传统的硅、玻璃、石英、金属等发展到以高分子聚合物如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)、聚碳酸酯（PC)、聚二甲基硅氧烷（PDMS)、环氧树脂等为主的各种材料，如表 1.2 所示。质优价廉的高分子聚合物在各种材料中具有明显的优势，是实现批量化生产的主要材料。随着半导体 IC 技术的发展，微流控芯片加工在传统的光刻和蚀刻基础上发展了多种以聚合物材料为主的热压法、模塑法、LIGA 技术、激光烧蚀法、软光刻等微细加工的新方法。其中，模塑法和热压法具有工艺流程简单、可操作性强，可大规模复制等优点，是制作廉价分析芯片的主要方法。
在 MEMS 微细加工技术支持的基础上，以高分子聚合物材料制作微流控芯片为目标，采用 LIGA 技术制作热压的金属模具，压印成型制作聚合物微流控芯片的方法具有严格规范的工艺制程，有着其他加工方法无法替代的优点。但是LIGA 技术制作价格昂贵，可操作性不强，且与集成电路工艺兼容性不好，由于经济性的原因限制了它在工业上的大量应用，于是研究人员发明了用紫外（Ultraviolet，UV）光源替代 X 射线的 UV-LIGA 技术。UV-LIGA 技术以其良好的可操作性和经济性得到了广泛的重视，其中紫外光刻和微电铸是制作压印模具的基础和前提条件，作为压印成型前的两项关键技术，严重影响着热压模具的质量好坏，在聚合物的微复制成型过程中影响着微流控芯片微通道的结构形状及芯片的成品率。因此，对紫外光刻技术和微电铸技术所涉及的基本理论和相关工艺进行分析和研究，有利于改善热压模具的质量，对 UV-LIGA 技术的发展以及拓展微流控芯片的市场前景具有十分重要的意义。于是，在此基础上本文提出了“聚合物微流控芯片压印成型关键技术研究”。
1.2 LIGA 与 UV-LIGA 技术
1.2.1 LIGA 工艺研究
LIGA 是德文 Lithographie、Galvanoformung 和 Abformung 三个词的缩写，主要包括 X 射线深刻、微电铸和微复制三种加工工艺。LIGA 技术通过三种加工工艺的完美结合，在制作非硅材料结构上优势显著，其中最突出的优点在于高深宽比结构的加工，可以制造几乎任意横向几何形状的，结构高度在毫米量级的聚合物、金属及陶瓷材料的微结构，能够获得微米级甚至亚微米级的精度。LIGA 技术微电铸后获得的金属结构可作为最终成品直接使用，或作为铸塑模具进行批量化的加工。同硅、玻璃等材料相比，金属结构机械性能优良，坚固耐用，使用周期长，实用价值高。而且制作好的金属模具，可采用聚合物的复制工艺如压印成型等进行塑料制品的批量化生产，获得的产品精度高，成本低。LIGA 技术的工艺流程如图 1.1 所示。图 1.2、1.3 分别表示 X 射线光刻后的 PMMA 光刻胶结构及进行电铸后得到的金属镍结构。
第 2 章 紫外厚胶光刻技术
2.1 引言
光刻胶是一种感光材料，通常利用其对紫外光线、深紫外光线、电子束、离子束、X 射线等光源辐射敏感的性质，在光照下发生光化学反应来使掩模上的图形结构转移到胶层上，因此又称为光致抗蚀剂。
一般的光刻胶按照曝光性质分为正胶和负胶两种类型。正性光刻胶常见的是Clariant 公司的 AZ 系列光刻胶，以重氮萘醌类物质为光敏化合物（photosensitiveaction compound，PAC），酚醛树脂为机体材料。酚醛树脂成分曝光时不与入射光反应，功能主要是增强光刻胶同基底的粘附性及抗刻蚀能力，决定光刻胶的涂覆厚度和热稳定性等材料性质，能被碱性显影液溶解。PAC 是一种光活化化合物，对特殊的光线敏感，又称为感光剂。在与光反应之前，酚醛-重氮萘醌类的正性抗蚀剂由于溶解抑制机理抑制了树脂在显影液中的溶解，一旦曝光后，已经发生光化学反应的 PAC 将以很高的速率与显影液反应，生成可溶解的小分子。正胶的主要优点是分辨率高，图形精度好，缺点是灵敏度、耐刻蚀性和附着性比较差。负性光刻胶主要有聚肉桂酸系（聚酯胶）如柯达公司的 KPR、环化橡胶 OMR 系列以及目前在厚胶光刻领域应用最为广泛的美国 MicroChem 公司的 SU-8 系列等。负胶也是由高分子聚合物、光引发剂及有机溶剂等组成，可溶于显影液，然而曝光后，光照的部分会产生许多新的链结，聚合物产生交联生成不溶于显影液的大分子，未被光照的部分则被显影液溶解。
第3章 UV‐LIGA 光刻胶模具制作工艺研究..................... 45-64
3.1 引言..................... 45
3.2 硬固..................... 45-54
3.3 多层光刻胶结构制作研究..................... 54-60
3.4 改进制作方法研究..................... 60-62
3.4.1 工艺步骤 .....................60-61
3.4.2 套刻曝光 .....................61-62
3.5 模塑法聚合物芯片制作..................... 62-63
3.6 本章小结 .....................63-64
第4章 微电铸金属模具制作工艺研究..................... 64-82
4.1 微电铸基本理论 .....................64-69
4.2 微电铸模具质量评价..................... 69-71
4.2.1 铸层表面精度..................... 69-70
4.2.2 铸层复制性 .....................70-71
4.2.3 铸层内应力..................... 71
4.3 微电铸工艺条件分析 .....................71-78
4.4 工艺条件与方案..................... 78-81
4.4.1 实验过程 .....................78-79
4.4.2 实验分析..................... 79-81
4.5 本章小结 .....................81-82
结论
随着 MEMS 技术的不断发展和研究的深入，新技术新材料的不断引入和发明，微流控芯片加工正向着广泛的市场化前景迈步。采用高分子聚合物制作微流控芯片以其独一无二的优势成为当前研究的主流并将持续的发展下去，压印成型聚合物芯片的加工是为了实现批量化生产的目标，具有着非常广泛的市场价值和潜力。紫外厚胶光刻技术和微电铸工艺作为压印模具制造的基础和关键技术，经过多年的发展和研究，拓宽了 UV-LIGA 的应用领域，在微加工方面具有重要的地位。
本文以制作压印成型模具为主要目标，以 UV-LIGA 技术为工艺路线，经过理论基础和实验的研究，制作压印的金属模具，分析制作压印模具的关键技术紫外厚胶光刻工艺以及微电铸技术，同时探索 UV-LIGA 的新的制作工艺。对工艺参数和操作规程提出可行的改进，具体总结如下：
（1）综述了 LIGA 和 UV-LIGA 技术的产生和发展，通过这两项技术的优缺点对比，阐述了该项技术在国内外的发展概况，提出了利用 UV-LIGA 技术制作压印模具的研究意义。
（2）概括分析了光刻技术的发展状况及其技术特点，重点讨论了紫外厚胶光刻技术的特点和在 MEMS 加工方面的应用。同时对电铸技术进行了研究，通过电铸与电镀的比较得出电铸工艺的特点，在电铸技术的基础上概括了微电铸技术的开发背景以及国内外的发展状况，对微电铸在微细加工领域的应用进行了说明。
（3）详细研究了紫外厚胶光刻技术，分析正性光刻胶同负性光刻胶的技术区别，描述了 AZ-4000 系列光刻胶的特性及优点，以及其作为厚胶制作微结构的特性。对厚胶工艺过程和条件参数进行了分析，研究了光刻胶的涂胶方式及过程、软烘方式及软烘模型、曝光参数以及显影坚膜等工艺条件。采用正交试验法安排正交实验，优化光刻过程的参数，得出最佳的工艺组合。
参考文献
[1]Bryzek J.Impact of MEMS technology on society[J].Sensorshttp://www.1daixie.com/mjbylw/ and Actuatosr A,1996,56：l-9.
[2]丁群燕,曾鑫.微机电系统的研究及应用[J].装备制造技术,2008,7：105-106.
[3]王阳元,武国英,郝一龙等.硅基 MEMS 加工技术及其标准工艺研究[J].电子学报,2002,30(11)：1577-1584.
[4]楚纯朋,蒋炳炎,刘瑶等.聚合物微流控芯片微通道复制成型技术[J].塑料工业,2008,36(10)：1-5.
[5]Manz A,Becker H(eds).Microsystem Technology in Chemistry and LifeSciences[M].Berlin：Springer,1999,3-4.
[6]方肇伦,方群.微流控芯片发展与展望[J].现代科学仪器,2001,4：3-6.
[7]方肇伦.微流控分析芯片[M].北京：科学出版社,2003.
[8]Becker H,Gartner C.Polymer microfabrication technologies for microfluidic systems[J].AnalBioanal Chem,2008,390：89-111.
[9]童志义,赵晓东.国内外MEMS器件现状及发展趋势[J].电子工业专用设备，2002,31(4)：200-206.
[10]Jan G,Korvink,Paul O(eds).MEMS：A practical guide to design,analysis,and applications[M].William Andrew Publishing,2006,853-899.