國外深厚寬比微細結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的研究進展

國外深厚寬比微細結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的研究進展

0公眾深寬比的技術(shù)發(fā)展隨著微機械系統(tǒng)的發(fā)展，對微結(jié)構(gòu)的要求也越來越高。高度比薄結(jié)構(gòu)（harms）更重要。harms可以提高微設(shè)備的性能，如動能、頻率范圍、靈敏度和位移量。HARMS通常是指寬度為1~10μm,高度為10~500μm的微結(jié)構(gòu),深寬比一般在10∶1到100∶1之間。HARMS的深寬比不同于IC工藝和表面微加工中的深寬比,后者實質(zhì)上是平面或者低輪廓的結(jié)構(gòu)。同樣,HARMS也不同于普通體加工所得到的微結(jié)構(gòu),HARMS具有狹小間隙和垂直側(cè)壁的特征。由于HARMS在MEMS研究中的重要性,國際上從1995年開始,每兩年召開一次HARMST(HARMSTechnology)會議,第一次是在LIGA技術(shù)發(fā)源地—德國的Karlsruhe舉行的。從歷次會議論文可以看出:用于高深寬比微結(jié)構(gòu)制作的技術(shù)主要有LIGA、準LIGA(LIGA-LIKE,通常是UV-LIGA)和深層反應(yīng)離子刻蝕(deepreactiveionetching,DRIE)等,另外,還有結(jié)合基本微細加工工藝而不斷產(chǎn)生的新的HARMS技術(shù)。LIGA技術(shù)最早由德國人發(fā)明,可以用來得到深寬比超過100∶1的微結(jié)構(gòu),雖然該技術(shù)由于需要同步輻射光源和特制掩模板而花費昂貴,可由于它在制作HARMS方面獨特的優(yōu)勢,仍然在不斷地發(fā)展中?？紤]到工藝技術(shù)的經(jīng)濟性,發(fā)展了目前多采用SU-8光刻膠和紫外(UV)光源的HARMS制作技術(shù)——準LIGA技術(shù),這樣做的缺點是和LIGA技術(shù)相比,微結(jié)構(gòu)的分辨力和深寬比更低一些。還有一個研究的較多的實現(xiàn)HARMS的方法是采用DRIE進行硅的深層刻蝕得到高深寬比的結(jié)構(gòu),所得到的微結(jié)構(gòu)還可以作為注射成型(injectionmolding)或鑄塑成型的模具,用來制作金屬、塑料和陶瓷微結(jié)構(gòu)。1hart生長規(guī)律和研究方法規(guī)范使用的進展目前,對LIGA技術(shù)的研究已經(jīng)深入到具體每個技術(shù)環(huán)節(jié)(輻射源、掩模、曝光、顯影、電沉積、微復制等)的工藝優(yōu)化和提高上,目的是盡量減少制造成本,提高加工速度和加工準確度,擴大適用范圍,最終,實現(xiàn)LIGA技術(shù)的真正大規(guī)模商品化。在輻射源方面,Tan等人研究了儲存環(huán)能量不同的同步輻射源對顯影速度的影響,在其它條件均相同的情況下,儲存環(huán)能量最高的制得的樣品顯影速度最大,而且,在越大的曝光劑量下不同輻射源所對應(yīng)速度間的差別越明顯。在掩模研究方面,Iwamoto等人開發(fā)出了分別采用SOI襯底和SU-8膠作為隔膜的LIGA用掩模,前者具有容易制作、材料性能穩(wěn)定的優(yōu)點,后者則具有X射線穿透率高,隔膜平整、掩模易對齊等優(yōu)點。Tabata等人發(fā)明了采用單一掩模的M2LIGA(movingmaskLIGA)和采用多掩模的M3LIGA(multiplemovingmaskLIGA)技術(shù),前者可以實現(xiàn)傾斜或簡單曲面?zhèn)缺诘腍ARMS,而后者可以實現(xiàn)比前者更為復雜的HARMS。曝光和顯影是LIGA中的2個重要環(huán)節(jié),直接關(guān)系到微結(jié)構(gòu)的質(zhì)量好壞。Griffiths等人發(fā)現(xiàn)曝光時間對掩?；缀穸确浅Ｃ舾?用1mm厚PMMA和100μm厚的Si掩模基底,膠表面曝光劑量為10kJ/cm3,需要曝光時間10h,顯影時間1.8h,而采用專門的數(shù)學模型進行優(yōu)化,等厚度的PMMA完全曝光所需要的掩?；缀穸葹?0μm,在同樣的條件下,曝光時間為2.6h,而相應(yīng)的顯影時間增加為3.0h。Tan等人還詳細研究了X射線源能量、吸收劑量、顯影溫度、退火等因素對顯影速度的影響,發(fā)現(xiàn)顯影溫度的影響是最顯著的。另外,在顯影過程中,采用高頻聲波攪拌輔助顯影的方法,可以大大提高顯影速度,還可以提高顯影質(zhì)量。Nilson等人對此進行了數(shù)學模型仿真分析,計算出來的顯影速度變化規(guī)律和前人試驗結(jié)果一致,解釋了這種方法在顯影HARMS中起作用的具體機理。在電沉積方面,Griffiths等人對HARMS電沉積過程中的離子擴散補充局限性及其影響做了理論上和試驗上的分析,發(fā)現(xiàn)在高深寬比微金屬結(jié)構(gòu)的沉積過程中,離子的擴散可能是深腔內(nèi)部的自然對流和浮力驅(qū)動的流動共同作用的結(jié)果,而和腔外的攪拌所引起的腔內(nèi)對流沒有關(guān)系,利用這個結(jié)果可能大大減少LIGA制作金屬微結(jié)構(gòu)電沉積的時間。為了實現(xiàn)LIGA技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化,需要大規(guī)模的制造,這也是LIGA技術(shù)中微復制環(huán)節(jié)的作用所在,目前,多采用HotEmbossing和微注射成型來批量生產(chǎn)聚合物微結(jié)構(gòu),金屬結(jié)構(gòu)一般通過微細金屬粉末注射成型來制作,而陶瓷結(jié)構(gòu)常采用納米陶瓷粒子加聚合物粘結(jié)劑混合燒結(jié)制得。2uv-liga和硅的體微細加工LIGA-LIKE技術(shù)也叫LIGA-TYPE技術(shù),就是包括和LIGA技術(shù)類似的光刻、電沉積和鑄塑等幾個基本步驟的方法。為了降低制作成本,一般采用紫外光來取代需要昂貴設(shè)備的同步輻射X射線作曝光光源,所以,通常稱UV-LIGA,目前,被廣泛用于制造各種微傳感器,微陀螺儀,微光學器件,微馬達等,近年來,也大量采用波長更短的深紫外光DUV和極紫外光源EUV進行HARMS的研究。Liakopoulos等人利用UV-LIGA技術(shù)在硅襯底上制作了微變壓器,方形鐵鎳磁心、初級線圈和次級線圈都是電沉積得到,導電線圈的厚度較厚(30μm),導致很小的線圈電阻(1Ω),可用于DC/DC轉(zhuǎn)換器和信號隔離器中。將UV-LIGA和硅的體微細加工等技術(shù)結(jié)合,可以制作單一的表面硅加工或體硅加工所不能制得的更加復雜的微細結(jié)構(gòu),可以制作金屬-硅復合結(jié)構(gòu)的MEMS器件。Kim等人制作了可用于大位移制動裝置的高深寬比梳狀制動器,其中,梳狀電極采用(110)硅各向異性腐蝕得到,梳齒寬度為18μm,電極深寬比約為57,振蕩塊兩端的金屬Au彈簧結(jié)構(gòu)通過UV-LIGA制得,尺寸為15μm(寬)×14μm(高)×500μm(長)。另外,結(jié)合犧牲層技術(shù),UV-LIGA還可以制作可移動的三維高深寬比微細結(jié)構(gòu)。Qu等人利用UV-LIGA研制了三維加速度傳感器,可以獨立測量3個軸向的加速度,中間的懸臂振動塊通過腐蝕去除Ti犧牲層制得,傳感器結(jié)構(gòu)高度為30μm,深寬比約為10∶1。為了盡量減少光刻膠對光的吸收而使膠的曝光厚度盡量增加,從而獲得高深寬比的微結(jié)構(gòu)以提高微器件性能,研究人員一直在尋求新的高性能光刻膠。目前,國際上應(yīng)用較多的是由IBM公司開發(fā)的一種負性光刻膠SU-8,它對紫外線具有低光光學吸收特性,具有高深寬比,被廣泛應(yīng)用于厚膜和超厚膜微結(jié)構(gòu)中。但是,SU-8光刻膠存在高內(nèi)應(yīng)力和難以顯影去除等缺點,這些缺點直接關(guān)系到在制作高深寬比結(jié)構(gòu)時的圖形準確度和曝光、熱烘處理等具體工藝條件密切相關(guān)。Chang等人通過優(yōu)化前烘和后烘的時間及溫度、調(diào)節(jié)曝光參數(shù)(時間、劑量等)、采用應(yīng)力屏障和C形蝕刻孔等方法獲得具有低應(yīng)力和高深寬比的SU-8膠層。3sidrie技術(shù)深層反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)是一種各相異性高深寬比刻蝕技術(shù),屬于干法蝕刻,也叫先進硅蝕刻(advancedsiliconetching,ASE)技術(shù),一般都基于電磁耦合等離子體(inductivelycoupledplasma,ICP)對硅進行深層加工。和其他Si的體微加工相比,DRIE技術(shù)不依賴于襯底晶向,有著更大的加工自由空間。Bayt等人采用DRIE技術(shù)制作了壁面輪廓先收縮,后擴張的超音速Navier微噴嘴,最小尺寸平均為19~35μm,在常溫下試驗獲得了3.5馬赫的氣流速度。利用DRIE加工,刻蝕深度可以達到幾百微米甚至毫米級,對刻蝕深度的控制可以通過事先鋪在Si下面的SiO2層或者Boron阻蝕層來實現(xiàn)。德國的Bosch公司開發(fā)的DRIE技術(shù)深寬比可以高達90∶1,刻蝕率超過10μm/min,而且,側(cè)壁的粗糙度可以低達10nm,側(cè)壁的垂直度為90°±0.3°,特別適合對輪廓精度要求很高的高深寬比微結(jié)構(gòu)的制造,更重要的是,基于Si的DRIE技術(shù)可以直接和現(xiàn)有IC工藝兼容性好,結(jié)合SOI(silicononinsulator)襯底技術(shù),在各種MEMS和MOEMS的制造方面有著很好的發(fā)展?jié)摿?。但?和LIGA-LIKE技術(shù)相比,DRIE的設(shè)備比較昂貴,一般需要50萬美元以上?？蒲腥藛T除了對Si進行DRIE研究之外,還進行了對耐熱玻璃、石英、PZT和SiC等材料的DRIE研究,研制了用于復合超聲變換器的高深寬比PZT微柱陣列和多通道石英微量天平等。Chen等人利用ICPDRIE取代LIGA技術(shù)中的同步輻射源和特制掩模板,然后,在刻蝕后硅片上直接電鑄成型微復制模具,可以制得幾百微米高,深寬比大于20的微細結(jié)構(gòu),適用于陶瓷、塑料和金屬材料。另外,為了制作可移動微結(jié)構(gòu),通常結(jié)合使用SOI襯底,把用作阻蝕層的氧化物鋪在Si下面,通過化學去除掉這些氧化物就可以釋放得到可移動結(jié)構(gòu)。對于具有多個平面的復雜MEMS,可以采用鋪設(shè)多個可去除阻蝕層,待蝕刻完畢后逐一除掉這些阻蝕層的方法得到。VanDrieenhuizen等人采用SFB(siliconfusionbonding)和DRIE結(jié)合的辦法,將分開刻蝕完畢的Si結(jié)構(gòu)依次排列對齊,進行硅熔化結(jié)合,也制作了具有多個平面的復雜微細MEMS,如,微閥、高靈敏加速度計、多層微流體MEMS等。4基于微膠囊的力光機械微刻技術(shù)除了上面介紹的幾種主要HARMS技術(shù)之外,還有很多不斷開發(fā)出來的新的HARMS技術(shù)。Cohen等人開發(fā)的EFAB(electrochemicalFABrication)技術(shù)是一種實體自由制造技術(shù),采用一種“實時掩模”的高速選擇性電沉積方法,順序沉積上不同大小的金屬層,可以直接快速批量生產(chǎn)很復雜的真正的三維高深寬比微細金屬結(jié)構(gòu),和其他微系統(tǒng)制造技術(shù)相比具有很好的經(jīng)濟性。Grigoras在電化學定向刻蝕Si微細溝槽時發(fā)現(xiàn)采用在襯底背面加一定功率鹵素燈照明的方法,可以促進刻蝕的定向發(fā)生,最終,可以獲得幾百微米深的微槽,而且,通過有規(guī)律地定時改變鹵素燈的照明強度,可以獲得溝槽寬度隨著刻蝕深度的變化呈規(guī)律性變化的結(jié)果,這項技術(shù)可望在一定程度上取代和補充DRIE。VanKan等開發(fā)了利用高能粒子束—質(zhì)子束—進行光刻的技術(shù)(protonbeamlithography),不需要掩模,直接利用幾百萬MeV能量的質(zhì)子束和基體(PMMA或SU-8)產(chǎn)生反應(yīng),是唯一一種制造高深寬比三維微結(jié)構(gòu)的直接刻寫技術(shù),由于不需要掩模,可以用來制造復雜的三維結(jié)構(gòu),通過很精確地控制質(zhì)子束的強度,可以得到很光滑的、側(cè)壁很垂直的確定深度的微細結(jié)構(gòu)。Gmur等人復合UV-LIGA技術(shù)和Si等離子刻蝕工藝開發(fā)了SIGA技術(shù),具有高分辨力、高精度、和Si半導體技術(shù)工藝相互兼容、結(jié)構(gòu)自由、可制作不同材料微結(jié)構(gòu)等優(yōu)點,但不能獲得高的結(jié)構(gòu),而且,在高度方向上精度有限。Bertsch等人研究了一種新型微制作技術(shù)—立體光固化微加工技術(shù),基于光誘導液態(tài)樹脂的聚合反應(yīng),逐層固化,可以制作非常復雜的三維微細聚合物結(jié)構(gòu),另外,結(jié)合厚膠UV光刻,直接在其他微細結(jié)構(gòu)上進行立體光固化加工,消除了對分離部件進行微裝配來實現(xiàn)微系統(tǒng)這一環(huán)節(jié)。Hunter等人發(fā)明了局部電化學沉積(localizedelectrochemicaldeposition,LECD)技術(shù),通過可移動的微細電極在空間緩慢移動,誘導金屬離子按指定的方向電沉積生長,形成空間三維微細結(jié)構(gòu),Yeo等人利用旋轉(zhuǎn)電極進行LECD試驗,發(fā)現(xiàn)生成的Ni微柱體中有環(huán)形橫截面,表明LECD有可能制作中空微細結(jié)構(gòu)。Gmur等人利用納秒級超短脈沖進行電化學微細加工,由于雙電層離子補充所需有限時間和兩電極間距離呈線性變化,在納秒間