UV-LIGA

毕业设计（论文）开题报告

题 目：基于UV-LIGA工艺的镍电极制备

院 （系） 电气学院自动化测试与控制系 专 业 光电信息工程 学 生 马日红 学 号 1070120204 班 号 0701202 指导教师 金鹏

开题报告日期 2011/3/25

哈尔滨工业大学教务处制

2005年9月

说 明

一、开题报告应包括下列主要内容：

1．课题来源及研究的目的和意义； 2．国内外在该方向的研究现状及分析； 3．主要研究内容；

4．研究方案及进度安排，预期达到的目标； 5．为完成课题已具备和所需的条件和经费；

6．预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施； 7．主要参考文献。 二、对开题报告的要求

1．开题报告的字数应在3000字以上；

2．阅读的主要参考文献应在10篇以上，其中外文资料应不少于三分之一。本学科的基础和专业课教材一般不应列为参考资料。 3．参考文献按在开题报告中出现的次序列出；

4．参考文献书写顺序：序号 作者.文章名.学术刊物名.年，卷（期）：引用起止页。 三、如学生首次开题报告未通过，需在一周内再进行一次。

四、开题报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在院（系）保存，以备检查。

指导教师评语：

指导教师签字： 检查日期：

目录

1课题来源及研究的目的和意义 .................................................................................... 4 2国内外在该方向的研究现状及分析 ............................................................................ 4 3主要研究内容 ................................................................................................................ 5 4研究方案及进度安排，预期达到的目标 .................................................................... 5 4.1研究方案 ................................................................................................................. 5

4.1.1田口算法（Taguchi Methods） ........................................................................................... 5 4.1.2UV-LIGA工艺 ....................................................................................................................... 8

4.2进度安排 ............................................................................................................... 11 4.3预期达到的目标 ................................................................................................... 11 5为完成课题已具备和所需的条件和经费 .................................................................. 11 6预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施 .................................. 11 7主要参考文献 .............................................................................................................. 12

1课题来源及研究的目的和意义

电火花成形加工是现代模具行业中不可或缺的一种重要加工手段。随着产品和模具的日趋精密和复杂，模具中需要电火花成形加工的部分也越来越多。一个大型复杂模具的电极数目往往可以达到上百个，电极设计的工作量要占全部模具设计土作量的20%一40%。因此，电火花电极的自动化和智能化设计对于缩短模具设计和制造周期，提高设计质量非常重要[2]。

在电火花加工中，蚀除下来的材料除一部分飞溅粘附在两极表面外，大部分将被抛入极间液体介质中，并迅速冷凝成极小球状微粒，成为电蚀产物的一个重要组成部分，它们分散在极间工作液中，是电火花加工的极间活跃因素，并直接参与极间介质的击穿放电过程，影响加工稳定性。电蚀产物对电火花加工稳定性的影响主要取决于电蚀产物动力稳定性和聚结不稳定性两方面。当动力稳定性占优势时，电蚀产物可以稳定地分散在极间工作液中，增大放电间隙，可以改善排屑条件和提高加工稳定性;反之，使放电通道不能在加工表面上顺利转移，引起短路或拉弧，严重影响加工稳定性

电火花加工高深宽比微细结构时，由于加工脉冲能量小，放电间隙小，极间工作液流动相当困难，所以电蚀产物聚结不稳定性占优势，电蚀产物很容易聚结使加工不稳定。因此，不能采用提高极间击穿电压和强迫冲油法来保证高深宽比微细结构加工的稳定性，有必要研究一种新的方法。

电火花加工中的电极。。。。

本课题的研究目的就是采用UV-LIGA工艺实现镍电极的制备，UV-LIGA技术是美国威斯康星大学Henry Guckel教授等人在1990年研究开发提出的[3]，UV-LIGA技术可以满足微系统对加工精度、集成度以及成本的要求，丰富充实了MEMS技术，当对微结构侧壁的垂直度要求不是很高时，它可以取代LIGA技术。利用UV-LIGA技术可以制成镍、铜、金、银、铁、铁镍合金等金属结构，而且制作方便，设备成本低[4]，对未来微结构的制作工艺有很重要的促进意义。

2国内外在该方向的研究现状及分析

电火花电极加工方法：机械车削，线切割XXX，微细加工(电铸)

MEMS加工技术是基于集成电路加工工艺发展起来的，因此，作为加工集成电路常用的材料----硅以及硅的化合物自然就成为最早应用于制造MEMS元件、机构及系统的材料。尽管成功制造出了许多基于硅的微元器件，但是材料的单一性在一定程度限制了MEMS技术及理论的应用。20世纪80年代由德国卡尔斯鲁厄核研究中心开发研究的LIGA技术弥补了这一缺陷，其拓展了制造MEMS的材料，各种金属、陶瓷以及聚合物也成为MEMS常用的材料。而在这些材料中，由于镍能耐烯酸和稀碱，硬度高，对环境有非常好的稳定性能，因此是LIGA技术微电铸首选的电铸材料[5]。目前国内外镍电极的制造方法，多数采用高孔率泡沫镍基体或纤维镍基体的涂膏法，也有采用改进的烧结镍基体的真空化学浸渍法[6]。经试验验证，基于特定工艺参数LIGA电镀镍的屈服极限和断裂极限均优于冶金学中的金属镍，这也可能使得基于LIGA电镀镍制造的微器件力学可靠性更高，这方面技术的成熟和应用将使人们在设计和制造方面获得更大的自由[7]。

对目前UV-LIGA工艺与镍电极的制备中存在的一些问题分析如下： 1、 本次课题中UV-LIGA技术主要用到的光刻胶是SU-8，国外部分研究机构对于SU-8

光刻工艺的研究开展较早，取得了很多重要的成果。相对而言，国内对于SU-8工艺的研究起步较晚，研究水平与国外还有很大差距。其中，以上海交通大学微纳米科学技术研究所、中科院等几家单位的研究较为突出。对此工艺的继续探索将非常有实际意义。

2、 随着MEMS技术的不断发展与MEMS器件的日益广泛的应用，MEMS技术对微电铸工艺的要求也越来越高[8]。MEMS器件必须适应各种恶劣的环境当外部环境发生剧烈变化时仍然能够正常工作。

3、 MEMS可靠性和应用研究是目前MEMS技术研究应该引起高度重视的方面。可靠性是MEMS器件（特别是用于安全和生物医学领域的）使用者最关心的问题之一。 4、 工艺和材料的标准化也是本课题要探讨的问题之一，一套参数的标准化将非常有助于一种工艺的推广与应用。最好能够实现用UV-LIGA工艺制备镍电极的一个标准优化工艺流程。

3主要研究内容

本课题所采用的UV-LIGA工艺主要由SU-8光刻工艺、微电铸加工以及塑料铸模三个步骤组成，具体的研究内容如下：

1、针对SU-8光刻工艺特点，通过实验手段，对比使用不同光刻工艺参数条件下的光刻工艺加工结果，确立SU-8光刻工艺的优化方法。

2、通过SU-8光刻工艺得到相应的光刻胶图形，如何利用微电铸工艺将光刻胶图形转移到金属材料上形成精确的微结构也是本课题的重点内容。 3、田口算法在实验过程中对实验结果的分析，这方面的内容有助于优化实验结果，也是一种对实验结果的判断标准。

4、对UV-LIGA工艺整套流程和田口算法的分析过程的熟悉与掌握。

4研究方案及进度安排，预期达到的目标

4.1研究方案

4.1.1田口算法（Taguchi Methods）

田口玄一博士是著名的质量专家，他以预防为主、正本清源的哲学方法运思，把数理统计、经济学应用到质量管理工程中，发展出独特的质量控制技术---田口算法，从而形成自己的质量哲学，即质量不是靠检验得出来的，也不是靠控制生产过程得来的：质量，就是把顾客的质量要求分解转化成设计参数、形成预期目标值，最终生产出低成本且性能稳定可靠的物美价廉的产品。简单地说，也就是在产品最初的开发设计阶段，通过围绕所设置的目标值选择设计参数，并经过实验最低限度减少变异从而把质量构建到产品中，使所生产的全部产品具有相同的、稳定的质量，极大地减少损失和成本[9]。

同样在生产同规格的产品，为什么有些厂商的良品率就是比较高？同样是在生产同类型的产品，为什么有些人的产品性能以及寿命就是比较好，而成本又比较低呢？这就引出了实验设计这块内容。实验设计是一种安排实验和分析实验数据的数理统计方法;试验设计主要对试验进行合理安排，以较小的试验规模(试验次数)、较短的试验周期和较低的试验成本，获得理想的试验结果和正确的结论。实验设计是在20世纪20年代由

英国学者费舍尔（R.A.Fisher）率先提出的，经过将近一个世纪的发展，实验设计的方法也丰富起来，例如试误法、一次一因子实验法、全因子实验法、田口方法等。而本次课题要用到的田口方法是一种方便有效的试验方法，现在已在全世界范围内推广并创造了一个又一个的企业神话。

这里我通过一个经典实例介绍这种方法：

在1953年，日本一个中等规模的瓷砖制造公司，花了200万元，从西德买来一座新的隧道，窑本身有80公尺长，窑内有一部搬运平台车，上面堆着几层瓷砖，沿着轨道缓慢移动，让瓷砖承受烧烤。问题是，这些瓷砖尺寸大小变异，他们发现外层瓷砖，有50%以上超出规格，内层则正好符合规格。引起瓷砖尺寸的变异，很明显地在制程中存在一个杂音因素。解决问题，使得温度分布均匀，需要重新设计整个窑，需要额外再花50万元，投资相当大。

下图为改善前的瓷砖尺寸图（红色曲线）：

内部瓷砖 外层瓷砖 （尺寸大小有变异） 上限 尺寸大小 下限 外部瓷砖 内部瓷砖

改善前

下面给出两个水准的方案： 控制因素 A:石灰石量 B:某添加物粗细度 C:蜡石量 D:蜡石种类 E:原材料加料量 F:浪费料回收量 G:长石量

田口算法中直交表的应用： 水准一（新案） 5% 细 43% 新案组合 1300公斤 0% 0% 水准二（现行） 1% 粗 53% 现行组合 1200公斤 4% 5% L8直交表 A B C D E 石 粗 蜡 蜡 加 F G 浪 长 每百件 A B C D E F G 灰 细 石 石 度 量 量 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 8 1 1 1 1 1 2 1 2 2 1 2 1 2 2 2 2 回应表 石 料 种 量 类 4 5 新 现 新 现 新 现 新 现 1300 1200 1300 1200 1200 1300 1200 1300 费 石 尺寸缺 回 量 陷数 收 6 7 0 4 4 0 0 4 4 0 0 5 5 0 5 0 0 5 16 17 12 6 6 68 42 26 1 1 2 2 2 2 1 1 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 2 1 1 2 5 5 5 5 1 1 1 1 细 细 粗 粗 细 细 粗 粗 43 43 53 53 53 53 43 43 要素 A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2

不良总数 51/400 142 107 86 101 92 76 117 不良百分比 12.75 35.50 26.75 21.50 25.25 23.00 19.00 29.25 要素 E1 E2 F1 F2 G1 G2 合计 不良总数 122 71 54 139 132 61 193 不良百分比 30.50 17075 13.50 34.75 33.00 15.25 24.12 最佳条件确认：

由于缺陷是愈小愈好，所以依此选出的最佳条件为:A1B2C2D1E2F1G2。将预期的缺陷数和“确认实验”的结果作比较。但事实上厂商选的是A1B2C1D1F1G2，主要原因是C（蜡石）因素的价格很贵，但改善的效果又不大，所以选C1（蜡石含量为43%）。

下图为改善后的瓷砖尺寸图（蓝色曲线）：

内部瓷砖 外层瓷砖 （尺寸大小有变异） 上限 尺寸大小

下限 外部瓷砖 内部瓷砖

4.1.2UV-LIGA工艺

UV-LIGA工艺是在LIGA技术上发展起来的一种准LIGA技术，由于LIGA技术需要昂贵的同步辐射光源，所以近几年发展了准LIGA技术，即在微米级分辨率前提下，将常规的近紫外光和激光扩展应用到厚层光刻胶的成形，从而大大降低了加工设备的投资。UV-LIGA实际上是用近紫外光刻蚀来取代LIGA技术中的同步辐射X射线深层刻蚀，采用这种工艺不需要制作X光掩模板，紫外光光源的经济性和使用的广泛性又大大优于同步辐射X光光源，从而可以大大降低LIGA工艺的制作成本[10]。

本课题所采用的光刻胶是现在MEMS领域里比较流行的SU-8光刻胶，这种胶可以涂敷得很厚，可达几百甚至上千微米，是一种极有前途的光刻胶，利用UV- LIGA技术可以制成镍、铜、金、银、铁、铁镍合金等金属结构，厚度能够达到几百个微米。

SU-8光刻工艺大体上分为9步，分为:基片表面预处理、涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、坚膜、图形转移、去胶等。

1.基片表面预处理

基片表面预处理的作用主要是去除基片表面的各种污迹与氧化物以保证基片表面绝对洁净，并且是基片表面绝对干燥，只有基片表面干燥，光刻胶才能很好的附着于基片之上。有时还需要根据需要在基片表面涂覆一层化学增附剂，增强基片表面与胶层之间的浸润特性，进而增加基片表面与光刻胶的附着力，防止光刻胶膜脱落。

2.涂胶

在基片表面上涂胶通常使用甩胶的方法，即在基底硅片的中央部分滴光刻胶，通过旋转基片的方法，使得当旋转所产生的离心力与胶膜表面张力达到平衡状态时光刻胶即可均匀地涂敷在基片的表面。甩胶过程中要严格控制转速、时间等参数，因为在其它参数不变的情况下，转速与时间参数决定了光刻胶的膜厚与胶膜均匀性。

3.前烘

前烘是光刻工艺中的一道关键工序。前烘最主要的作用是蒸发掉光刻胶中的有机溶剂成分，增大光引发剂在光刻胶中的比例，使基片表面的光刻胶固化。前烘工艺参数的选取，对光刻胶的溶剂挥发量和光刻胶的粘附特性、曝光特性、显影特性以及线宽的精确控制都有较大的影响。其中，前烘时间与前烘温度是需要控制的两个主要的参数。

4.曝光

曝光是光刻工艺中最关键的工序，它将直接影响到SU-8光刻工艺最终结果的分辨率以及深宽比的大小。下图为曝光工艺原理示意图。

5.后烘

后烘的目的是为了使曝光后的光刻胶层曝光区域发生充分的交联反应，以便显影后能得到高质量的微结构图形。后烘温度应控制在70-95摄氏度之间，随温度的升高，图形开裂程度逐渐减弱，8 0摄氏度以上就可以达到较好的效果。后烘时间则应根据光刻胶的厚度及曝光时间来控制，光刻胶越厚，曝光时间短时，后烘的时间应长，这样可使交联变得充分，开裂也会越少。但超过一定的时间限度，作用也不明显了。

6.显影

显影步骤是使用有机溶剂将光刻胶层中未曝光的部分予以去除的步骤，曝光工艺中充分接受光照的光刻胶区域在后烘过程中会发生充分的交联反应，产生致密的交联网络，当曝光十后烘工艺参数控制的比较好的话该交联网络具有足够的强度与固化结构，不溶于显影液;而未曝光的光刻胶区域则很容易溶十显影液之中而去除，这样，经过显影之后掩模版的图形就可以准确地转移至光刻胶膜之上。

7.坚膜

坚膜又称为硬烘烤，就是通过加温烘烤使得胶膜能更牢固的粘附在基板表面之上，而且可以增加光刻胶层的抗刻蚀能力。坚膜工艺可以根据需要加以使用，如果光刻胶已具有足够的粘附力也可略去坚膜步骤。坚膜步骤通常会增加后续光刻胶去除时的难度。

8.图形转移

图形转移的目的是使光刻胶图形结构转移至被加工材料之上，一般来说，光刻胶不作为机械结构使用，光刻工艺加工的对象主要是硅、金属等材料。在UV-LIGA工艺中，图形转移将以电铸的形式完成，以光刻胶图形结构为芯膜实施电铸，最终将生成光刻胶图形结构的反图形的金属结构。

9.去胶

经过图形转移步骤以后，SU-8光刻胶即完成使命，需要从基板上将其清除，以得到想要的目标结构。UV-LIGA工艺中，SU-8光刻胶的精确去除是整个工艺中的关键一环，SU-8光刻胶非常难以去除，这是SU-8光刻胶的一大致命缺点，也是目前世界范围内函待解决的难题之一。SU-8光刻胶有着非常好的化学稳定性，一般有机溶剂对其都不起作用。目前SU-8光刻工艺中较为常用的去胶方法主要是在温度为600摄氏度的高温条件下使SU-8光刻胶灰化，但这种方法将会在一定程度上对微细结构产生破坏作用，而低温条件下的SU-8精确脱模目前尚无可行的办法。

下图为基于SU-8光刻胶的UV-LIGA工艺流程图：

UV-LIGA工艺在较大的深宽比、较好的侧壁垂直度及胶膜的稳定性、金属微结构的形成等方面有不少困难:厚光刻胶的实现、陡直侧壁的实现、提高胶膜的稳定性、镀金属层结构、SU-8胶的去除等等。

UV-LIGA技术可满足微系统对加工精度、集成度以及成本的要求，丰富并充实了MEMS技术，当对微结构侧壁的垂直度要求不是很高时，它可取代LIGA技术。另外，以前采用表面微机械加工技术制作的微结构，大多可用UV-LIGA技术制作而成。因而 ,UV-LIGA技术的应用前景十分诱人。目前，利用UV-LIGA技术可做出多种微结构和微执行器，可应用于各行各业中。

4.2进度安排

2011.03.01-2011.03.25根据毕业设计任务要求，开展资料搜集和基本知识学习，完成开题报告工作；

2011.03.25-2011.04.15 完成基于田口算法的对SU-8光刻胶实验的实验设计； 2011.04.16-2011.05.15 采用微电铸工艺进行图形的转移； 2011.05.16-2011.05.31 实现镍电极的制备过程 2011.06.01-2011.07.02 整理文档，撰写论文，准备答辩

4.3预期达到的目标

在课题结束时，制成结构深宽比为5:1，结构高度超过200um的微型镍电极阵列，并掌握基于SU-8光刻胶的UV-LIGA的全套流程。

5为完成课题已具备和所需的条件和经费

已具备条件： 巴克超声波清洗机一台

阿修罗实验室超纯水机一台

欧迈电热板一个，亿阳远红外数显鼓风干燥箱一台 平面喷涂系统一套

凯美特KW-4A旋涂机一台

中国科学院光电技术研究所大面积紫外光刻机一台 掩膜板一个

永新NJF-120A光学显微镜一台 SU-8光刻胶

SU-8光刻胶显影液 无水乙醇 丙酮

硅片10片

所需条件： 硅片40片

玻璃片10片 防毒面具2套 防毒口罩20套

6预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施

（1）理论知识的匮乏：田口算法方面、光刻工艺理论方面、光刻胶的性能与运用方面。

解决措施：花时间努力学习这方面的知识，深化自己的理论知识储备。

（2）实验仪器的使用：对光刻工艺过程的不熟悉可能会影响实验进度。

解决措施；多下实验室，多动手，多向师兄请教问题。

7主要参考文献

[1]余国华，张士杰，陈帮华，王正伟.我国镉镍蓄电池的电极制造技术与发展.电源技术，1998

[2]袁安保，张鉴清，曹楚南.镍电极研究进展.电源技术，2001

[3]DANIEL H,MEHRAN M.Contact physics of gold microcontacts for MEMS switches[J].IEEE Trans Component and packing Tech,1999,22(3) [4]李雄.UV-LIGA技术光刻工艺的研究.华中科技大学，2004

[5]伊福廷.LIGA技术研究.北京：中国科学院高能物理研究所,2000 [6]谭玲生，汪继强.MH/NI电池的开发现状与展望[J].电源技术,1997

[7] 余国彬，姚汉民，胡松，陈兴俊.深紫外深度光刻蚀在LIGA工艺中的应用.MEMS 器件与技术，2002

[8] Che-Chih Tsao, Emanuel Sachs. Photo-Electroforming: 3-D Geometry andMaterials Flexibility in a MEMS Fabrication Process. Journal of Microelectromechanical Systems. 1999, 8(2) [9]李联伟.田口算法实战培训，2007

[10] A.Locheletal. Magnetically driven microstructures fabricated with multiplayer electroplating. Sensors and actuators, 1995

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4c2r.html