[发明专利]用于喷砂微加工的PDMS掩膜微结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种PDMS微掩膜成型加工技术，具体地说就是一种制备脆性材料喷砂微加工时用到的柔性掩模微结构的批量制造方法。

背景技术

喷砂工艺是一种传统的机械加工工艺，主要用于对脆性材料(如玻璃、陶瓷等)的表面进行加工。它将喷砂砂材通过压缩空气进行加速，沿设定的方向准确撞击待加工材料的表面，进而产生刻蚀效果。由于喷砂工艺是将砂材直接撞击在待加工材料的表面，因此可以将砂材在加速过程中产生的动能高效率地转化为刻蚀的能量，故喷砂工艺的刻蚀速率很高。同时，现在多数的喷砂机可以将砂材循环使用，故喷砂工艺的成本很低。

用于微加工的喷砂工艺可以在脆性材料表面一次性加工出上千个微型结构，是一种低成本、高效率、具有准确方向性的加工方法。利用喷砂工艺对脆性材料进行微结构化成型加工，需要在脆性材料的表面预先制备图形化的掩膜结构，以使裸露在表面的部分被喷砂刻蚀的同时，其余部分由于受到掩膜材料的保护而得以保留，从而形成待刻蚀材料的三维微结构。在上述工艺流程中，图形化掩膜微结构是决定喷砂微加工效果的关键。

与待刻蚀材料的脆性相反，用于喷砂工艺的掩膜材料必须具有良好的柔韧性，同时为了得到具有较高精度的掩膜图形，掩膜材料必须拥有可满足集成制造要求的图形化加工工艺。回顾喷砂刻蚀技术发展历程，掩膜材料主要经历了以下几个发展进程：从早期用激光等方法加工成型的金属板，过渡到电镀成型的铜掩膜，再进一步开发出目前公认最合适的柔性PDMS掩膜。

PDMS不仅是一种柔韧性很好的聚合物，而且与大部分脆性材料都有比较好的结合力。PDMS所形成的掩膜微结构在喷砂刻蚀过程中具有更高的稳定性，所以PDMS更适合作为喷砂刻蚀的掩膜材料。因此，就材料本身的特性而言，PDMS是目前用于喷砂微加工工艺中最好的掩膜材料。

但是作为掩膜材料，PDMS并非没有缺点。因为PDMS化学性质非常稳定，无法通过湿法刻蚀对其进行图形化，同时为了得到一定厚度的PDMS结构，干法刻蚀也很有难度，因此，开发与集成制造工艺体系兼容的PDMS掩膜微结构成型技术成为研究的重点。A.Sayah等人在“Elastomer mask for powder blasting microfabrication”(用以微制造喷砂技术的柔性掩膜版，《Sensors and Actuators》，2005年125卷第84-90页)一文中提出了一种用SU-8胶结合PDMS形成喷砂工艺中的掩膜微结构的方法。其具体流程是：通过光刻的方法形成SU-8图形；将PDMS覆盖整个表面，填满光刻胶形成图形的空隙；然后用锋利的刀片沿着SU-8胶的表面刮过，反复操作就可以将SU-8胶上的PDMS完全去除干净，再经过固化处理、喷砂刻蚀掉SU-8胶微结构之后，PDMS结构可以保留下来，即形成PDMS掩膜微结构。该工艺作为制备PDMS掩膜微结构的典型方法，一直延用至今。

但是，在实际操作之后发现此工艺存在如下两方面的问题：由于PDMS前躯体是非常粘稠的胶状物质，在此情况下用机械刮除的方法对兼有SU-8胶微结构和PDMS结构的表面进行处理，刮掉的PDMS量是非常难以控制的。一方面非常容易出现PDMS粘连在刀片表面的情况，就单个掩膜图形而言，在刮削的瞬间极有可能发生边缘的缺失和破坏的情况，虽然此时PDMS仍然具有流动性，一段时间之后，PDMS的结构还是会恢复一定的平坦度，但对于整个掩膜微结构的所有图形而言，刮的过程中的随机性会导致形成的PDMS掩膜图形高度上的不一致。PDMS材料本身还具有高耐刻蚀性，这将最终导致刻蚀工艺的重复性低；另一方面，PDMS前躯体与SU-8胶有良好的粘附性，微尺度下可以流动的PDMS前躯体根本无法准确区分SU-8胶微结构的侧壁和上表面，即使其上表面被刮除干净，也容易被再次覆盖，使得PDMS微结构的边缘不规则，无法得到高精度的掩膜图案。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于喷砂微加工的PDMS掩膜微结构的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，首先通过光刻在基片表面形成SU-8胶微结构图案；然后在整个基片范围内覆盖上新配制的PDMS前躯体，抽真空释放微结构间隙封闭的气泡，使PDMS前躯体填满SU-8胶微结构所形成的空隙；之后将整个基片加热使前躯体聚合固化形成填充并包覆SU-8结构的PDMS层；再通过精密切削/研磨等减薄加工，去除SU-8微结构以上部位的PDMS；接着通过喷砂处理，将SU-8胶去除，留下与SU-8微结构互补的PDMS微结构，作为脆性基片喷砂刻蚀的掩膜。

本发明具体包括以下的加工步骤：