厚金属显微结构的提升技术

引言

本文涉及一种能够在金属基底上制备厚金属微结构的方法。这种金属微结构可以用作分辨样品来表征各种微分析技术，例如X射线荧光(XRF)或X射线光电子能谱(XPS)。此外，图案化的样品可以用作阳极来表征微型CT系统的X射线管的聚焦特性。考虑到标准剥离技术是为厚度至多为几百纳米的结构设计的，所以我们必须改进剥离技术，使其能够用于制备空间分辨率为几微米的非常厚的金属层。

英思特在SU-8掩蔽层下使用了一薄层PMMA，以保证光致抗蚀剂能够正确剥离。我们通过热蒸发沉积厚铝层，以确定金属层厚度作为所需曝光线宽的函数的相关性。最终剥离过程在丙酮超声波浴中进行。通常，这种技术可用于在微米分辨率下蒸发沉积几微米厚的各种材料。

实验与讨论

剥离技术是制备平面微结构的附加方法(材料不一定是金属)。它使用抗蚀剂的牺牲层，制备了所需的图案，该图案通常通过某种光刻技术曝光(图1)。我们通常使用两层抗蚀剂来获得合适的边缘形状。选择抗蚀剂组合，使得底部抗蚀剂层比顶部抗蚀剂层显影得更快。为了达到这种效果，可以使用不同分子量的相同类型的抗蚀剂或使用特殊的LOR(剥离抗蚀剂)作为底层。

图1：金属沉积后的剥离技术

英思特调整了典型的剥离技术，特别是因为非典型的衬底和所需的微结构(分辨率和厚度)。整个过程的工艺步骤如图2所示。

图2：用于厚金属显微结构制备的调整剥离工艺

由于应用所需的热性能和机械性能，其基底是由铜制成的直径为15毫米、厚度为3毫米的圆盘。为了实现高分辨率和高质量微结构边缘，我们需要对衬底表面进行金刚石研磨，以提供最佳的表面质量(粗糙度为10nm RMS)。

PMMA薄层(200nm)需要用作底层来执行剥离，它不符合我们对工艺纯度的要求，而且200℃的烘烤温度对铜表面也没有好处。PMMA层在热板上于130℃烘烤10分钟(图2a)，将SU-8光致抗蚀剂直接涂覆在PMMA层上(厚度为13-14μm)。它在100℃下在热板上软烤3.5分钟(图2b)。

最终应用所需的金属是铝，它被热蒸发在基底表面上，进行层沉积。层沉积分几个步骤进行，以防止样品过热和结构熔化。

将涂覆的样品放入丙酮浴中并放置48小时。然后将样品放入干净的丙酮超声波浴中，以除去粘附在样品上的可能的金属残留物，最后用氮气吹干。

在铝沉积过程中，我们观察到铝厚度与暴露线宽的强烈相关性(图3)。

图3：两次沉积时间内铝层厚度随线宽的关系

英思特研究发现，对于低宽度的线，增加沉积时间对增加金属厚度没有太大帮助。然而，随着时间的推移，它将导致完全覆盖暴露的结构，从而不能正确地进行剥离。

结论

英思特通过调整了剥离工艺，以使用SU-8光致抗蚀剂和PMMA抗蚀剂作为底层。它主要用于几微米厚的金属微结构。还展示出了与曝光图案的线宽相关的热蒸发材料厚度的限制。该工艺保证了所得微结构的高纯度。当使用适当的等离子体来清洁显影的结构时，它可以与基底材料和金属微结构材料的各种组合一起使用。