摘要

針對目前MEMS工藝里由于微電鑄鑄層內應力導致的金屬微結構與基底容易脫離的問題和不足，提出一種借助盲孔填充技術制備微電極陣列的方法。選擇KMPR作為膠模材料，首先通過UV-LIGA工藝制備出180μm厚的陣列孔縫膠模結構，然后在膠模表面濺射Cu種子層，優化電鑄工藝參數：電鑄前采用真空潤濕的方法排出孔縫內氣泡，電鑄液中加速劑與抑制劑濃度分別為4×10??mol/L和24×10??mol/L，電流密度為1 A/dm2，在孔縫內電鑄銅，并在膠模表面電鑄出銅基底，最后獲得了高180μm、線寬200μm的兩種柱狀金屬微電極陣列。試驗結果表明，盲孔填充技術是一種低成本、安全的制作金屬微電極陣列的方法。

微細電極陣列是指由多個微電極組合在一起形成的外觀單一的電極，它具備微電極的全部優點，并且極大地提高了電流強度，具有更高的穩態電流，更短的響應時間。微電極陣列的優良特性使其具有較好的應用前景，已廣泛應用于微細加工和生命科學領域。目前，制作微細陣列電極的方法有：LIGA技術、微細電火花加工技術、UV-LIGA技術等。LIGA技術由于加工成本過高，使得其逐漸被一些技術相當而成本較低的準LIGA技術所替代；蘇州含光微納科技有限公司通過微細電火花加工技術制備出高深寬比微細陣列電極，然而其加工工序過于繁瑣，加工效率與精度都較差，難以用于生產實踐；清華大學的劉改紅等通過電鑄工藝結合UV-LIGA技術制作了微電極陣列，然而電沉積過程中相鄰電極間會相互影響形成孔縫，較大程度降低了微電極陣列的性能；南京航空航天大學胡洋洋等通過電解置樁輔助去除SU-8膠的方法，并結合UV-LIGA技術制作了微細陣列電極，該方法很大程度上減小了去膠時產生的應力使得金屬微結構與基底分離的概率，但SU-8的使用還是增加了實際加工的難度，而且在電解置樁時電壓與電解時間不易控制，膠模容易脫落。

盡管SU-8目前在MEMS領域里應用非常廣泛，但在電鑄之后，各種化學、機械以及高溫去除SU-8的方法都不可避免地會對電鑄微結構產生不同程度的影響，德國Alpha Plasma的SU-8微波等離子體去膠機，可以利用氟基氣體與SU-8的化學反應，實現去除SU-8的功能，SU-8去膠速率驗收指標為1μm/min，當用于超厚結構時很明顯太過耗費時間，這些缺點使得SU-8膠作為電鑄模具的發展越來越艱難。本文使用的膠模材料是一種負性光刻膠，是由日本Kayaku公司和美國MicroChem公司提供的KMPR光刻膠，KMPR可以用傳統的堿性溶液(TMAH&KOH)顯影，相較于SU-8最大的優點是光刻后的KMPR在Remover PG中極易去除而且不會影響電鑄結構。

合理選擇KMPR膠制作膠模，借助盲孔填充技術，并結合UV-LIGA工藝反向制作出微電極陣列及其金屬基底，既克服了去膠的難題，又巧妙地利用了金屬結構容易脫落的缺點。

1盲孔填充技術

現給出了一種盲孔填充工藝，盲孔填充技術主要是應用于TSV(through silicon via)互連的一種電鑄填孔技術，電鑄填盲孔的技術有三種：等壁生長、V型生長和自底向上生長。圖1所示為其生長機理。

圖1電鑄生長機理

圖1中h為盲孔內部最低點厚度，h'為基底與膠模的厚度總和。盲孔填充效果的主要表征為電鑄的填充率Filling Ratio，其表達式為：

Filling Ratio=h/h'×100%(1)

式(1)中，等壁生長過程中，由于各部位沉積速率相近，孔內縫隙深寬比逐漸增加，容易造成頂部提前封口、孔內空洞的現象；V型生長是通過調節電鑄液中添加劑的比例，以達到"孔底加速，孔口及側壁抑制"的效果；自底向上生長即為完全抑制表面及側壁金屬沉積，是V型生長的極限狀態，傳統的自底向上工藝是在通孔一端的種子層上直接沉積金屬，而孔內壁及外表面沒有沉積種子層。

盲孔填充的關鍵在于電鑄液中添加劑的比例，實驗證明在基于硫酸銅的電鑄工藝里，當加速劑與抑制劑的含量分別為4×10??mol/L和24×10??mol/L時，可以實現近似自底向上生長，保證了孔內完全填充。