一种轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构的制备方法与流程

本发明涉及一种金属微结构制造的技术领域，特别涉及一种轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构的制备方法。

背景技术：

在RF MEMS(射频微机电系统)中，为了满足功能、装配、集成化等方面的技术要求，很多元器件都需要具有斜面、自由曲面等三维微结构，特别是微同轴结构，目前已引起了大多数研究学者的关注。

由一根金属内导体和包围在其周围并与之共轴的空管状金属外导体构成的传输线称为同轴线。目前同轴线是常见的信号传输线，中心的铜芯用于传送高电平，其被绝缘材料包覆；绝缘材料为PE(聚乙烯)材质，主要用于提高抗干扰性能，防止水、氧的侵蚀；绝缘材料外面是与铜芯共轴的筒状金属薄层，它既作为传输回路的一根导线，传输低电平，又具有屏蔽作用，通常有3种结构——金属管状、铝塑料复合带纵包搭接、编织网与铝塑复合带纵包组合，其中金属管状的屏蔽性能最好。

微机械加工技术主要包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGA(即光刻、电铸和注塑的缩写)技术、准LIGA技术、晶片键合技术和微机械组装技术等。由于侧壁陡直、深宽比大的微结构不仅可以提高微型器件的性能，还能增加微型器件的强度，防止因机械失效或应力集中产生的破坏，因此，三维微结构的制作技术成为了MEMS(微机电系统)加工的关键技术之一。

现有3D-微同轴结构的加工制备工艺大都是利用光刻工艺多层叠加技术制备的矩形同轴微结构，但是此方法制备的微同轴结构粗糙度较大且侧壁垂直度较差，造成矩形同轴微结构作为微器件的连接器件时，微器件的集成度难以进一步提高，现有技术中还未见轴向与基底平行的圆形微同轴结构的制备方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种间接制备轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构的制备方法，制备的横向同轴微结构作为微器件的连接器件，有利于提高微器件的集成度。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构的制备方法，包括以下步骤：

在基底上表面涂覆释放层；

在所述释放层表面制备纵向圆形微同轴金属结构，得到轴向与基底垂直的圆形微同轴金属结构；

去除所述轴向与基底垂直的圆形微同轴金属结构中的释放层，使圆形微同轴金属结构与基底分离，圆形微同轴金属结构再横向与基底键合，得到轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构。

优选的，所述基底为硅基底或金属基底。

优选的，所述释放层的材质为聚二甲基硅氧烷、乙烯-醋酸乙烯共聚物或三元乙丙橡胶。

优选的，所述释放层的厚度为30～50nm。

优选的，所述纵向圆形微同轴金属结构包括实心圆柱形内导体、套设在所述实心圆柱形内导体外的圆环柱形外导体和设置在内外导体间的支撑体；所述支撑体的材质为聚四氟乙烯；所述圆环柱形外导体的外圆环上有一沿圆柱高度方向的矩形截面。

优选的，所述实心圆柱形内导体直径为40～80μm；所述圆环柱形外导体的内径为120～200μm；所述圆环柱形外导体的厚度为8～12μm；所述支撑体的厚度为20～60μm；所述矩形截面的宽度大于实心圆柱形内导体直径且小于圆环柱形外导体的内圆环直径。

优选的，所述释放层的去除包括：将所述轴向与基底垂直的圆形微同轴金属结构浸泡于挥发性溶剂中，溶解释放层。

优选的，所述挥发性溶剂为氯仿、二氯甲烷和甲苯中的一种或几种的混合物。

优选的，所述纵向圆形微同轴金属结构的制备方法包括以下步骤：

利用紫外光刻法在释放层上制备圆形微同轴金属结构的胶膜结构；

在所述胶膜结构内微电铸金属铸层，再去除胶膜结构，得到内外金属导体结构；

在所述内外金属导体结构内注塑支撑体，得到纵向圆形微同轴金属结构。

本发明提供了一种上述方案所述制备方法制备的轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构，包括基底和横向结合于基底上的圆形微同轴金属结构。

本发明提供了一种轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构的制备方法，包括以下步骤：在基底上表面涂覆释放层；在所述释放层表面制备纵向圆形微同轴金属结构，得到轴向与基底垂直的圆形微同轴金属结构；去除所述轴向与基底垂直的圆形微同轴金属结构中的释放层，使圆形微同轴金属结构与基底分离，圆形微同轴金属结构再横向与基底键合，得到轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构。本发明提供的制备方法解决了现有微米级同轴结构制备中横向圆柱结构难以实现的问题，避免了目前三维结构多层工艺连续加工中面临的中心对准困难及侧壁粗糙度大等问题，制备得到的轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构作为微器件的连接器件，有利于提高微器件的集成度。实验结果表明，本发明提供的制备方法制备的轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构的侧壁粗糙度仅为30～50nm。

附图说明

图1a为本发明实施例制备金属种子层的流程图；

图1b为本发明实施例制备金属种子层的横截面图；

图2a为本发明实施例制备微同轴内外导体胶膜结构的流程图；

图2b为本发明实施例制备的微同轴内外导体胶膜结构的横截面图；

图3a为本发明实施例制备内外金属导体结构的流程图；

图3b为本发明实施例制备的内外金属导体结构的横截面图；

图4a为本发明实施例注塑支撑体后的纵截面图；

图4b为本发明实施例注塑支撑体后的横截面图；

图5为本发明实施例将纵向圆形微同轴结构与基底分离并横向键合到基底上的流程示意图；

图6a为第一掩膜版的结构示意图；

图6b为第二掩膜版的结构示意图；

图1～6中：1-硅基底，2-释放层，3-金属层，4-正光刻胶，5-遮光的正光刻胶胶膜结构，6-金属种子层，7-负性光刻胶，8-微同轴内外导体胶膜结构，9-金属铸层，10-内外金属导体结构，11-支撑体，12-圆形微同轴金属结构。

具体实施方式

本发明提供了一种轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构的制备方法，包括以下步骤：

在基底上表面涂覆释放层；

在所述释放层表面制备纵向圆形微同轴金属结构，得到轴向与基底垂直的圆形微同轴金属结构；

去除所述轴向与基底垂直的圆形微同轴金属结构中的释放层，使圆形微同轴金属结构与基底分离，圆形微同轴金属结构再横向与基底键合，得到轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构。

本发明在基底上表面涂覆释放层。在本发明中，所述基底优选为硅基底或金属基底；所述金属基底优选为铜基底；所述释放层的材质优选为聚二甲基硅氧烷、乙烯-醋酸乙烯共聚物或三元乙丙橡胶；所述释放层的厚度优选为30～50nm，更优选为35～45nm。

在本发明中，所述聚二甲基硅氧烷在常温下为无色透明的流体，优选与固化剂混合后进行涂覆；所述固化剂优选为苯甲酸钠和/或甲基四氢苯酐；所述聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比优选为4～8:1，更优选为5～6:1。

在本发明中，所述乙烯-醋酸乙烯共聚物优选为乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液，所述乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液的固含量优选为50～70％，更优选为55～65％；在本发明中，乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液可直接用于涂覆，涂覆后随着溶剂的挥发而固化成膜。

在本发明中，三元乙丙橡胶优选为三元乙丙橡胶乳液，所述三元乙丙橡胶乳液的固含量优选为50～70％，更优选为55～65％；三元乙丙橡胶乳液可直接用于涂覆，涂覆后随着溶剂的挥发而固化成膜。

本发明对涂覆的具体方法没有特殊要求，使用本领域的常规涂覆方法即可，优选使用涂布机进行涂覆。

在基底上表面涂覆释放层后，本发明在所述释放层表面制备纵向圆形微同轴金属结构，得到轴向与基底垂直的圆形微同轴金属结构。在本发明中，所述纵向圆形微同轴金属结构优选包括实心圆柱形内导体、套设在所述实心圆柱形内导体外的圆环柱形外导体和设置在内外导体间的支撑体；所述圆环柱形外导体的外圆环上优选有一沿圆柱高度方向的矩形截面。在本发明中，所述支撑体优选为聚四氟乙烯；所述支撑体的厚度优选为20～60μm，更优选为25～40μm。在本发明中，所述实心圆柱形内导体与所述圆环柱形外导体间隔设置；所述实心圆柱形内导体直径优选为40～80μm，更优选为50～70μm；所述圆环柱形外导体的内径优选为120～200μm，更优选为150～180μm；所述圆环柱形外导体的厚度优选为8～12μm，更优选为10μm；所述矩形截面的宽度优选大于实心圆柱形内导体直径且小于圆环柱形外导体的内圆环直径。

在本发明中，所述纵向圆形微同轴金属结构的制备方法优选包括以下步骤：

利用紫外光刻法在释放层上制备圆形微同轴金属结构的胶膜结构；

在所述圆形微同轴金属结构的胶膜结构内微电铸金属铸层，再去除胶膜结构，得到内外金属导体结构；

在所述内外金属导体结构内注塑支撑体，得到纵向圆形微同轴金属结构。

本发明利用紫外光刻法在释放层上制备圆形微同轴金属结构的胶膜结构，优选包括以下步骤：

在释放层上依次真空溅射金属层、涂覆正性光刻胶，得到第二基底；

将所述第二基底置于第一掩膜版下进行第一紫外曝光，得到遮光的正光刻胶胶膜结构，第一紫外曝光后进行第一显影，第一显影后去除遮光的正光刻胶胶膜结构，得到金属种子层；

在所述金属种子层上涂覆负性光刻胶，得到第三基底；

将所述第三基底置于第二掩膜版下进行第二紫外曝光，第二紫外曝光后进行第二显影，得到微同轴内外导体的胶膜结构。

本发明在释放层上依次真空溅射金属层、涂覆正性光刻胶，得到第二基底。在本发明中，为表述方便，将包含释放层、金属层和正性光刻胶的基底称为第二基底。

在本发明中，所述金属层的材质优选为铜、镍或金；所述金属层的厚度优选为30～50nm，更优选为35～45nm。本发明对真空溅射的具体方法没有特殊要求，使用本领域常规的真空溅射方法即可；

在本发明中，所述正性光刻胶的干膜厚度优选为50～80nm，更优选为60～70nm；本发明对正性光刻胶的种类没有特殊要求，使用本领域常规的正性光刻胶即可，优选为RZJ-304正性光刻胶。

得到第二基底后，本发明将第二基底置于第一掩膜版下进行第一紫外曝光。在本发明中，所述第一掩膜版优选为玻璃材质；所述第一掩膜版的厚度优选为2mm～4mm，更优选为3mm；所述第一掩膜版包括遮光部分和和与所述遮光部分互补的透光部分，所述透光部分包括中心的圆形以及与该圆形同心的圆环，所述圆环的外圆周上有一条沿圆周方向的直线段；所述透光部分的尺寸与上述纵向圆形微同轴金属结构的尺寸一致，在此不再赘述；所述遮光部分表面镀铬；所述紫外曝光的紫外光波长优选为365～400nm，更优选为370～390nm。

所述第一紫外曝光后，本发明将得到的产品进行第一显影。在本发明中，所述第一显影用显影液优选为四甲基氢氧化铵显影液；所述第一显影优选为静态浸渍显影；所述显影的时间优选为10～60s，更优选为30～40s；所述显影的温度优选为18～40℃，更优选为20～25℃。

所述第一显影后，本发明去除所得产品中遮光的正光刻胶胶膜结构，得到金属种子层。本发明优选使用去胶剂去除正光刻胶；本发明对去胶剂的具体种类没有特殊要求，使用本领域常规的去胶剂即可，优选为美国MicroChem公司的PG去胶剂。

得到金属种子层后，本发明在所述金属种子层上涂覆负性光刻胶，得到第三基底。在本发明中，为表述方便，将涂覆有负性光刻胶的基底称为第三基底。本发明对负性光刻胶的种类没有特殊要求，优选为SU-8负性光刻胶；所述负性光刻胶的干膜厚度优选为300～500μm，更优选为350～450μm。

得到第三基底后，本发明将第三基底置于第二掩膜版下进行第二紫外曝光。在本发明中，所述第二掩膜版的材质和厚度与第一掩膜版相同，在此不再赘述；所述第二掩膜版包括遮光部分和与所述遮光部分互补的透光部分；所述遮光部分的形状和尺寸与第一掩膜版的透光部分相同，在此不再赘述；所述遮光部分镀铬；

本发明对第一紫外曝光和第二紫外曝光的具体操作方法没有特殊要求，使用本领域常规的紫外曝光方法即可。

所述第二紫外曝光后，本发明将得到的产品进行第二显影，得到微同轴内外导体的胶膜结构。在本发明中，所述第二显影用的显影液以及显影操作与第一显影的技术方案相同，在此不再赘述。

得到圆形微同轴金属结构的胶膜结构后，本发明在圆形微同轴金属结构的胶膜结构内微电铸金属铸层，再去除圆形微同轴金属结构的胶膜结构，得到内外金属导体结构。在本发明中，所述金属铸层的材质与金属种子层一致，在此不再赘述；所述金属铸层的厚度优选为300～500μm，更优选为350～450μm；所述微电铸的温度优选为30～60℃，更优选为40～50℃。

本发明优选使用去胶剂去除圆形微同轴金属结构的胶膜结构；本发明对去胶剂的具体种类没有特殊要求，使用本领域常规的去胶剂即可，优选为PG去胶剂。

得到内外金属导体结构后，本发明在所述内外金属导体结构中内导体和外导体之间注塑支撑体，得到纵向圆形微同轴金属结构。在本发明中，所述支撑体的种类与上述技术方案所述材质一致，在此不再赘述；本发明对注塑的具体操作方法没有特殊要求，使用本领域常规的注塑方法即可。

得到轴向与基底垂直的圆形微同轴金属结构后，本发明去除所述轴向与基底垂直的圆形微同轴金属结构中的释放层，使圆形微同轴金属结构与基底分离。在本发明中，所述释放层的去除优选包括以下步骤：将所述轴向与基底垂直的圆形微同轴金属结构浸泡于挥发性溶剂中，溶解释放层。在本发明中，所述挥发性溶剂优选为氯仿、二氯甲烷和甲苯中的一种或几种的混合物；所述浸泡的时间优选为5～10min，更优选为6～8min；所述浸泡的温度优选为室温，无需进行加热和降温。

圆形微同轴金属结构与基底分离后，本发明将圆形微同轴金属结构与基底横向键合，得到轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构。在本发明中，所述键合优选为金属键合，本发明对金属键合的具体操作方法没有特殊要求，使用本领域常规的金属键合方法即可，优选包括以下步骤：

利用离子束轰击或等离子体辐射法对基底和圆形微同轴金属结构的矩形截面进行活化；

将圆形微同轴金属结构的矩形截面与基底横向贴合。

在本发明中，所述活化的时间优选为30～60s，更优选为40～50s；所述基底为硅基底时，本发明还包括在活化之前在硅基底表面溅射金属层的步骤；所述金属层的厚度优选为30～50nm，更优选为35～45nm；所述金属层的材质优选为铜、镍或金。本发明利用离子束轰击或等离子体辐射使待键合片表面的氧化物和污渍得到清除，获得新鲜的洁净表面，同时使得键合表面生成活跃的、不完整的化学键，键合界面接触后，极其不稳定的化学键开始自发反应形成牢固的化学键。

本发明利用释放层的可剥离性，首先制备纵向的圆形微同轴金属结构，再将圆形微同轴金属结构分离后横向键合到基底上，利用金属键合的方式将圆形微同轴金属结构横向与基底牢固的结合，得到一种轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构，解决了现有微米级同轴结构制备中横向圆柱结构难以实现的难题。

下面结合实施例对本发明提供的轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构的制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

a)制备金属种子层：如图1a～1b所示，在硅基底上涂覆厚度50nm的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜作为释放层，在释放层上真空溅射厚度50nm的铜金属层，在铜金属层上涂覆厚度50nm的正性光刻胶；将涂覆正性光刻胶的硅基片置于第一掩膜版下用波长为365nm的紫外光曝光，所述第一掩膜版为玻璃材质、厚度为3mm的镀铬掩膜版，第一掩膜版上刻有透光部分(透光部分包括中心的圆形以及与该圆形同心的圆环，其余部分为遮光部分所述圆环的外圆周上具有一段直线段，其中内部实心圆的直径为40μm，外部圆环的内圆直径为120μm，圆环厚度为20μm，直线段长度为50μm)；将曝光后的硅基片浸没在四甲基氢氧化铵显影液中显影，然后用PG去胶剂去除正光刻胶，即获得所需金属种子层；

b)制备微同轴内外导体胶膜结构：如图2a～2b所示，在金属种子层6上涂覆一层厚度为400um的SU-8负性光刻胶，；将涂覆负性光刻胶的硅基底在第二掩膜版下进行紫外光曝光，第二掩膜版为玻璃材质、厚度为3mm，包括遮光部分和透光部分遮光部分的形状和尺寸与第一掩膜版透光部分相同；将曝光后的硅基底在四甲基氢氧化铵显影液中显影，获得微同轴内外导体胶膜结构；

c)制备内外金属导体结构：如图3a～3b所示，将微同轴内外导体胶膜结构置于电铸液中在32.2℃的电铸温度下进行微电铸铜，得到电铸铜；用PG去胶剂去除胶膜结构，得到内外金属导体结构，控制电铸铜厚度为400um，其中电铸液的组分包括9080g无水硫酸铜、1283ml硫酸、4ml盐酸和76g十二水硫酸铝钾；

d)制备纵向圆形微同轴金属结构：如图4a～4b所示，在内外金属导体结构内注塑支撑体，所述支撑体为聚四氟乙烯，得到纵向圆形微同轴金属结构；

e)将轴向与基底垂直的圆形微同轴金属结构浸泡于氯仿中，使释放层溶解，将圆形金属微同轴结构在无尘手套箱内从硅基片上揭下并横向键合到新的硅基片上，即获得轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构。

按照GB/T 1031-2009《表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值》中的方法对所得轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构的侧壁粗糙度进行检测，可得其侧壁粗糙度为30.5nm。

实施例2

a)制备金属种子层：如图1a～1b所示，在硅基底上涂覆厚度30nm的聚二甲基硅氧烷薄膜作为释放层，在释放层上真空溅射厚度30nm的铜金属层，在铜金属层上涂覆厚度30nm的正性光刻胶；将涂覆正性光刻胶的硅基片置于第一掩膜版下用波长为365nm的紫外光曝光，所述第一掩膜版为玻璃材质、厚度为3mm的镀铬掩膜版，第一掩膜版上刻有透光部分(透光部分包括中心的圆形以及与该圆形同心的圆环，其余部分为遮光部分所述圆环的外圆周上具有一段直线段，其中内部实心圆的直径为80μm，外部圆环的内圆直径为120μm，圆环厚度为20μm，直线段长度为100μm)；将曝光后的硅基片浸没在四甲基氢氧化铵显影液中显影，然后用PG去胶剂去除正光刻胶，即获得所需金属种子层；

b)制备微同轴内外导体胶膜结构：如图2a～2b所示，在金属种子层上涂覆一层厚度为500um的SU-8负性光刻胶；将涂覆负性光刻胶的硅基底在第二掩膜版下进行紫外光曝光，第二掩膜版为玻璃材质、厚度为3mm，包括遮光部分和透光部分遮光部分的形状和尺寸与第一掩膜版透光部分相同；将曝光后的硅基底在四甲基氢氧化铵显影液中显影，获得微同轴内外导体胶膜结构；

c)制备内外金属导体结构：如图3a～3b所示，将微同轴内外导体胶膜结构置于电铸液中在45℃的电铸温度下进行微电铸铜，得到电铸铜；用PG去胶剂去除胶膜结构，得到内外金属导体结构，控制电铸铜厚度为500um，其中电铸液的组分包括9080g无水硫酸铜、1283ml硫酸、4ml盐酸和76g十二水硫酸铝钾；

d)制备纵向圆形微同轴金属结构：如图4a～4b所示，在内外金属导体结构内注塑聚四氟乙烯，得到纵向圆形微同轴金属结构；

e)将轴向与基底垂直的圆形微同轴金属结构浸泡于二氯甲烷中，使释放层溶解，将圆形金属微同轴结构在无尘手套箱内从硅基片上揭下并横向键合到新的硅基片上，即获得轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构。

按照GB/T 1031-2009《表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值》中的方法对所得轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构的侧壁粗糙度进行检测，可得其侧壁粗糙度为32.1nm。

实施例3

a)制备金属种子层：如图1a～1b所示，在铜基底上涂覆厚度40nm的聚二甲基硅氧烷薄膜作为释放层，在释放层上真空溅射厚度40nm的镍金属层，在镍金属层上涂覆厚度30nm的正性光刻胶；将涂覆正性光刻胶的硅基片置于第一掩膜版下用波长为365nm的紫外光曝光，所述第一掩膜版为玻璃材质、厚度为3mm的镀铬掩膜版，第一掩膜版上刻有透光部分(透光部分包括中心的圆形以及与该圆形同心的圆环，其余部分为遮光部分所述圆环的外圆周上具有一段直线段，其中内部实心圆的直径为60μm，外部圆环的内圆直径为140μm，圆环厚度为20μm，直线段长度为80μm)；将曝光后的硅基片浸没在四甲基氢氧化铵显影液中显影，然后用PG去胶剂去除正光刻胶，即获得所需金属种子层；

b)制备微同轴内外导体胶膜结构：如图2a～2b所示，在金属种子层上涂覆一层厚度为400um的SU-8负性光刻胶，；将涂覆负性光刻胶的硅基底在第二掩膜版下进行紫外光曝光，第二掩膜版为玻璃材质、厚度为3mm，包括遮光部分和透光部分遮光部分的形状和尺寸与第一掩膜版透光部分相同；将曝光后的硅基底在四甲基氢氧化铵显影液中显影，获得微同轴内外导体胶膜结构；

c)制备内外金属导体结构：如图3a～3b所示，将微同轴内外导体胶膜结构置于电铸液中在45℃的电铸温度下进行微电铸镍，得到电铸镍；用PG去胶剂去除胶膜结构，得到内外金属导体结构，控制电铸镍厚度为400um，其中电铸液的组分包括氨基磺酸镍120～160g/L，氯化镍3～5g/L，硼酸30～35g/L。

d)制备纵向圆形微同轴金属结构：如图4a～4b所示，在内外金属导体结构内注塑聚四氟乙烯，得到纵向圆形微同轴金属结构；

e)将轴向与基底垂直的圆形微同轴金属结构浸泡于甲苯中，使释放层溶解，将圆形金属微同轴结构在无尘手套箱内从硅基片上揭下并横向键合到新的硅基片上，即获得轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构。

按照GB/T 1031-2009《表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值》中的方法对所得轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构的侧壁粗糙度进行检测，可得其侧壁粗糙度为48.5nm。

根据以上实施例可知，本发明提供的制备方法解决了现有微米级同轴结构制备中横向圆柱结构难以实现的问题，制备得到的轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构侧壁粗糙度小，且由于是横向同轴结构，无需考虑侧壁垂直度的问题，将本发明制备的轴向与基底平行的圆形微同轴金属结构应用于微器件的连接，有利于提高微器件的集成度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。