【摘 要】
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金属微柱阵列结构具有比表面积大、电化学特性好以及储能性能好等优点,在诸多工业领域有着广泛的应用。微电铸工艺具有加工精度高、可批量生产等优点,已成为金属微柱阵列的主要制作方法之一。本文对一款宽度为50μm、深宽比为6的方形铜微柱阵列进行制作,针对光刻胶去除困难以及微柱与基底结合力差等问题,提出采用可溶解去除的THB光刻胶以及化学刻蚀增强结合力的方法进行微柱阵列的制作。首先探索了THB光刻胶的工艺参数
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（2020YFB2009002）； 国家自然科学基金（51975103）；
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金属微柱阵列结构具有比表面积大、电化学特性好以及储能性能好等优点,在诸多工业领域有着广泛的应用。微电铸工艺具有加工精度高、可批量生产等优点,已成为金属微柱阵列的主要制作方法之一。本文对一款宽度为50μm、深宽比为6的方形铜微柱阵列进行制作,针对光刻胶去除困难以及微柱与基底结合力差等问题,提出采用可溶解去除的THB光刻胶以及化学刻蚀增强结合力的方法进行微柱阵列的制作。首先探索了THB光刻胶的工艺参数,之后重点研究了化学刻蚀增强微柱与基底结合力的方法,最后进行了铜微柱阵列的制作实验。本文具体研究内容如下:（1）针对SU-8胶去胶后出现高深宽比铜微柱断裂以及柱间光刻胶无法完全去除的问题,提出采用可溶解去胶的THB-151N光刻胶对其进行制作。为获得厚度均匀可控、尺寸精度好的光刻胶母模,本文对THB-151N光刻胶的匀胶参数、前烘工艺、曝光参数以及显影参数等进行了探索,并使用优选后的工艺参数完成了边长为50μm、深宽比为2的铜微柱阵列结构的预制作。（2）针对宽度小、深宽比高的金属微柱阵列结构与基底结合力差的问题,提出采用酸性氯化铜溶液对基底进行化学刻蚀以增大铸层结合面积的方法。开展了界面结合力定性测量实验,实验结果表明,相比于无前处理,化学刻蚀后微柱的脱落率由92.6%降低至2.8%,铸层与基底间的结合强度有了较大的提高,验证了该方法的有效性。（3）为研究不同实验参数对刻蚀后侧蚀量的影响规律,开展了酸性氯化铜溶液的化学刻蚀实验,实验结果表明:随着Cu Cl2浓度的增加,侧蚀量逐渐减小;随着HCl含量的增加,侧蚀量逐渐增大;随着温度的增加,侧蚀量逐渐增大,但增长速率逐渐减小;随着刻蚀时间的增长,侧蚀量逐渐增大。（4）为优选刻蚀参数并对其他宽度的微柱在不同刻蚀条件的刻蚀结果进行预测,采用元胞自动机算法对微柱结构化学刻蚀过程进行了仿真计算。建立了仿真模型,设计了刻蚀元胞规则,并使用实验结果修正了仿真参数。随后使用50μm微柱结构对模型进行了验证,实验结果与仿真结果的相对误差小于10%,验证了该模型的准确性。（5）基于上述研究成果,采用微电铸工艺完成了一款高度为300μm,长宽为50μm×50μm的铜微柱阵列的制作,去胶后微柱未出现从基底脱落的问题。最终制作得到微柱顶部边长均值为56.7μm,平均高度为302.4μm,均符合铜微柱阵列的制作要求。
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