（机械电子工程专业论文）透皮微针阵列的工艺研究.pdf

摘要 微机电系统( m e m s ) 能够在传统仪器不能达到的微小空间中进行精密操作， 实现实时监测，因而在生物医学中有着广泛的应用，如精确药物注射、临床监测、 显微外科手术、微型植入系统等。可以说，m e m s 技术的出现给生物医学带来了 新的手段，微针阵列就是m e m s 技术在医学上的一个重要应用。微针阵列可广泛 用于生物医学测量，药物传送，微流体采样等领域，它具有尺寸小，强度高，用 材具有生物兼容性等特点，可以精确控制刺入的深度，从而减少刺入位置的损伤， 实现无痛的目的，为患者提供高效、安全的医疗手段，更符合医学研究人性化的 特点，给生物医学领域注入了极大的活力，因此具有十分重要的研究意义。 本硕士课题以用于药物传输为目的的微针阵列为对象，研究了微针阵列的主 要加工工艺微针尖的加工工艺、微针孔的加工工艺及微针尖和微针孔的套刻 工艺。其中微针尖的加工采用各向同性刻蚀技术，微针孔的加工采用各向异性深 度刻蚀技术，文中对这两种微加工技术做了详细的理论阐述和实验研究。 本文共由五章内容组成： 第一章，综述。本章主要从m e m s 及m e m s 加工技术的发展、微针在生化 医疗领域的研究进展和应用前景两方面介绍介绍了课题的研究背景和研究意义， 并提出了课题研究的内容和目标。 第二章，微针阵列的结构设计。通过对皮肤的结构特性和微针透皮给药机理 的阐述，参考国外文献中对微针阵列的研究，作者设计了两种不同结构的微针阵 列，并从应用和微加工技术两个方面考虑，设计了微针阵列的主要加工方案和工 序，以及提出了在工艺实验中需重点解决的问题。 第三章和第四章是关于微针阵列加工工艺的研究，是研究内容的主要部分。 内容主要研究了微针阵列加工的两种关键技术 f h n 0 3 腐蚀液刻蚀技术和 电感耦合等离子体刻蚀技术，并基于这两种工艺，研究微针的套刻工艺。研究以 兼具有高刻蚀速率与高刻蚀表面质量为工艺目标，从刻蚀机理出发，通过大量的 工艺实验总结出适合微针加工的工艺路线。这些基本工艺的研究，为硅基微器件 的加工提供了选择方案和实际经验曲线。 第五章，总结与展望。本章对微针阵列的结构设计和对微针阵列加工工艺的 研究取得的成果进行了全文总结，分析了加工工艺中存在的问题和研究工作的不 足，并提出了微针阵列的进一步研究方案。 【关键词】t 微机电系统( m e m s ) ；微针阵列；透皮给药系统；硅；各项同性； 湿法刻蚀；d i r e ；电感耦合等离子体 a b s t r a c t t h em i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) c a nd oa c c u r a t eo p e r a t i o na n d r e a l i z em o n i t o r i n gi n r e a lt i m ei nt h es m a l ls p a c et h a tt r a d i t i o n a li n s t r u m e n tc a l l t e n t e ri n t o ，t h e r e f o r et h e r ei se x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nb i o m e d i c i n e ，s u c ha st h ea c c u r a t e i n j e c t i o no fm e d i c i n e ，c l i n i c a lm o n i t o r i n g ，m i c r o - o p e r a t i o n ，m i c r o - p l a n t i n gs y s t e m e t c t h ea p p e a r a n c eo fm e m st e c h n o l o g yh a sb r o u g h tt h en e wm e a n st ob i o m e d i c i n e t h ea r r a yo ft h e m i c r o n e e d l ei sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o ni nm e d i c a ls c i e n c eo f m e m st e c h n o l o g y i tc a nb ee x t e n s i v e l yu s e d i ns u c hf i e l d sa sb i o m e d i c a l m e a s u r e m e n t ，t h ed e l i v e r yo fm e d i c i n ea n dt h es a m p l i n go f m i c r o - f l u i d i ti st h es m a l l s i z e ，h i g hi n t e n s i t y , a n d i t sm a t e r i a l sh a v e s u c hc h a r a c t e r i s t i c sa sb i o l o g i c a l l y c o m p a t i b i l i t ye t c i tc a nc o n t r o lt h ed e p t ho fe n t e r i n gi n t ot h es k i na c c u r a t e l y , t h u s r e d u c et h ed a m a g et ot h es k i na n dr e a l i z et h ep a i n l e s sp u r p o s e i to f f e r s t h e h i g h e f f i c i e n t s e c u r em e d i c a lm e a n st o p a t i e n t sa n da c c o r dw i t h t h eh u m a n i z e d c h a r a c t e r i s t i co fm e d i c a lr e s e a r c he v e nm o r e i th a sb r o u g h tg r e a tv i g o ri n t o b i o m e d i c a lf i e l da n di ti sv e r ym e a n i n g f u lt od os o m er e s e a r c h t h i sm a s t e r ss u b j e c tr e g a r d st h em i c r o n e e d l ea r r a yw h i c hi su s e di nf f a n s d e r m a ld r u gd e l i v e r ya st h er e s e a r c ht a r g e t t h em a i nf a b r i c a t i n gt e c h n o l o g yo ft h e m i c r o - n e e d i ea r r a yi ss t u d i e dw b s c hi n c l u d e st h ef a b r i c a t i n go f t h em i c r o n e e d l ep o i n t ， t h ef a b r i c a t i n go ft h em i c r o - n e e d l eh o l ea n dt h ec o o p e r a t i o no ff a b r i c a t i n gt h e m i c r o n e e d l eh o l ea n dt h em i c r o n e e d l ep o i n t t h ef a b r i c a t i n go ft h em i c r o n e e d l e p o i n ta d o p t si s o t r o p i ce t c h i n gt e c h n o l o g ya n dt h ef a b r i c a t i n go f t h em i c r o - n e e d l eh o l e a d o p t st h ed e e pe t c h i n gt e c h n o l o g y i tg i v e st h ed e t a i l e dt h e o r ye x p l a n a t i o na n dt h e s t u d yw i t l lt h ee x p e r i m e n tt ot h et w ok i n d so f f a b r i c a t et e c h n o l o g i e si nt h ea r t i c l e t h i st e x ti sm a d eu po f f i v ec h a p t e rc o n t e n t sa l t o g e t h e r c h a p t e ro n ei st h es u r v e y i ti n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dr e s e a r c h m e a n i n go f t h es u b j e c tf r o mt h ed e v e l o p m e n to fm e m s t e c h n o l o g ya n dt h er e s e a r c h d e v e l o p m e n to f t h em i c r o n e e d l ei nt h eb i o m e d i c a lf i e l d c h a p t e rt w oi st h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h ea r r a yo ft h em i c r o - n e e d l e t h et w o 虹n d so fm i c r o - n e e d l ea r r a y si nd i f f e r e n ts t r u c t u r eh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fs k i na n dt h em e c h a n i s mo ft r a n s - d e r m a ld r u gd e l i v e r y b y c o n s u l t i n g t h es t u d yo i lt h ea r r a yo ft h em i c r o - n e e d l ei n f o r e i g nd o c u m e n t s c o n s i d e r i n gf o r mt h eu s ea n dt h em i c r o f a b r i c a t i n gt e c h n o l o g y , t h em a i nf a b r i c a t i o n p r o c e s so fa r r a yo ft h em i c r o - n e e d l ei sd e s i g n e da n di ti sp r o p o s e dt h a tt h ep r o b l e m n e e d i n gt ob es o l v e de s p e c i a l l yi nt h ef a b r i c a t i o ne x p e r i m e n t i 【 c h a p t e rt h r e ea n dc h a p t e rf o u r a r ea b o u tt h er e s e a r c ho ft h ef a b r i c a t i 0 1 1 t e c h n o l o g yo ft h em i c r o n e e d l ea r r a y , w h i c hi s am a i np a r to ft h er e s e a r c hc o n t e n t s t h et w ok i n d so fk e yf a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yo ft h em i c r o - n e e d l ea r r a yh a v eb e e n s t u d i e d ，w h i c ha r eh f - h n 0 3e t c h i n gt e c h n o l o g ya n dt h ei c pe t c h i n gt e c h n o l o g y w i t ht h eg o a lo fh i g he t c h i n gs p e e da n dh i g hs u r f a c eq u a l i t y , t h eo p t i m a lf a b r i c a t i o n r o u t ei ss u m m a r i z e db ys t u d y i n gt h em e c h a n i s mo fs i l i c o ne t c h i n ga n dd o i n gal a r g e n u m b e ro fe t c h i n ge x p e r i m e n t s t h e s eb a s i ct e c h n o l o g yr e s e a r c h e sh a v eo f f e r e dt h e c h o i c ea n dp r a c t i c a le x p e r i e n c ec u r v ef o rt h ef a b r i c a t i o no ft h em i c r o d e v i c et h a ti s m a d eo fs i l i c o n c h a p t e rf i v e s u m m a r i z ea n de x p e c t a t i o n t h ea c h i e v e m e n tm a d ei nt h e s t r u c t u r a ld e s i g no ft h em i c r o - n e e d l ea r r a y sa n di nt h es t u d yo ft h ef a b r i c a t i o n t e c h n o l o g yi ss u m m a r i z e df i o mt h ef u l lt e x t i th a v eb e e na n a l y z e dt h a tt h ep r o b l e m s e x i s t i n gi nf a b r i c a t i n gt e c h n o l o g ya n dd e f i c i e n c i e si nr e s e a r c hw o r k i th a sb e e n p r o p o s e dt h ef l l r t h e rr e s e a r c ha p p r o a c ho f t h ea r r a yo f t h em i c r o - n e e d l e k e y w o r d ：m e m s ；m i c r o - n e e d l ea r r a y ；t r a n s - d e r m a ld r u gd e l i v e r ys y s t e m ；s i l i c o n ； i s o t r o p i ce t c h i n g ；w e te t c h i n g ；d i r e ；i c p i i i 浙江大学硕士学位论文 第一章综述 1 1 微型机械电子系统 微机电系统( m i c r oe l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 指微型化的器件或器 件组合，把电子功能与机械的、光学的或者其他的功能相结合的综合集成系统， 采用微型结构( 包括集成微电子、微传感器和微执行器) ，使之能在极小的空间内 达到智能化的功效。微机电系统是一门多学科交叉的新兴学科，它涉及精密机械、 微电子、材料、微细加工、系统与控制等技术学科和物理、化学、力学、生物学 等若干基础学科，是目前最具发展潜力及前瞻性的前沿性科学研究领域 1 1 1 3 】。 1 1 1 微机电系统的定义与特征 现阶段各国对m e m s 还没有统一明确的定义，但对m e m s 可从结构和工艺两 个不同角度来认识：从组成元素来看，m e m s 是包括了微型机械构件、各种微型 传感器、微型驱动器、微型执行器以及信号处理和控制电路、各种接口和微型电 源于一体的，用于在微小空间实现智能化作业的微型系统；而从加工的角度出发， 则m e m s 又可以被定义为：用于专门的m s t ( m i c r os y s t e mt e c l l l l o l o g y ) 技术完 成机械、电子、光学和其他功能元件的有机集成1 4 】。 矿 传执 口 p 感 行 寸 器 器 化学r 叶一 感测量 图i 1m e m s 系统的典型模型 控制量 图-系统的典型模型 微小尺度是微机电系统的重要特征。在贝尔实验室中，一台微型机械在震动 2 0 万次后仍未破损，其重要原因也就在于这个“微“字上。毕肖普所言：，微型机 械所具特点，能使其可靠性强义紧固耐用。”他解释说：“一只小小的苍蝇从墙上 浙江大学硕士学位论文 摔到地面上是决不会受伤的，但要是一头大象摔下来的话，情况就截然不同，它 毫无疑问会受伤。”恤 微机电系统另一个基本特征是系统集成，单独的微机械器件或单独的微传感 器都不是完整的微机电系统。典型的微机电系统是由微机械( 执行器) 、微电子 ( 控制器) 和微传感器组成的多功能集成系统。它与外部的联系通常是通过电、 光、磁或其它非接触方式进行能量供应、信号传输和控制。图i - 1 表示了m e m s 系统的典型模型【l 】 3 1 。 m e m s 的主要特点可归结为【6 】。【8 】： 1 ) 微型化：m e m s 器件体积小、重量轻，功耗低、精度高，惯性小、谐振 频率高、响应时间短，省材料、省能源、省空间、符合环保。 2 ) 集成化：可把多个功能不同的传感器或执行器集成于一体，或形成微传 感器阵列、微执行器阵列，甚至把许多功能的器件集成起来，形成复杂的微系统 综合集成度高、附加值高，具有多种能量( 力、热、声、磁及化学、生物能 等) 的转化和传输等功能。 3 ) 性能稳定，可靠性高。由于微系统的体积很小，几乎不受热膨胀、噪 音和挠曲等因素的影响，具有很强的抗干扰性，可在较差的环境下稳定工作。 4 ) 适于大批量生产：通过i c 等工艺可批量生产，成本低，性能一致性好， 便于产业化。 5 ) 多学科交叉：集约了机械、电子、材料、信息与自动控制、物理、化学 和生物等多学科发展出的尖端成果，具有多学科交叉、多技术融合的特点，并且 为上述学科的进一步研究和发展提供了有力的工具。 m e m s 技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能 的元件和系统，开辟一个全新的科学技术领域和产业。它们不仅可以降低机电系 统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务，例如尖端直径 为5 岍的微型镊子可以夹起一个红细胞，3 m m 大小的能够开动的小汽车，可以 在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等等，而且可以嵌入到大系统中，把自动化、 智能化、可靠性提高到一个新的水平1 3 。 1 1 2 微机电的发展历程 1 9 5 9 年，美国物理学家、诺贝尔获得者r f e y n m a m 提出微型机械的设想。1 9 6 2 年，微小机械的先驱硅微压力传感器问世，其主要技术基础是硅膜、压敏电 阻和体硅腐蚀工艺9 1 。到了1 9 7 0 年代中期，利用该技术制造结合机械和电子组件 的多类别半导体传感器开发成功。1 9 8 0 年后，和该技术相关的研究，如雨后春笋 般地被提出，而研究内容也不局限于传感器，还包含一些复杂的机构与组件，如 浙江大学硕士学位论文 微泵、微阀、微齿轮、微马达、微型夹钳等。1 9 8 7 年美国u cb e r k e l e y 大学大学 研制出t 6 0 “m1 2 0 i _ u n 的硅静电电机。主要技术基于硅表面牺牲层腐工艺和静 电驱动，引起国际学术界的轰动，使人们看到了电路与执行部件集成制作的可能 性 1 0 】。1 9 8 8 年，来m i t 、b e r k e l e y 、s t a n f o r d 、a t & t 和n s f 的1 5 名科学家提出 了“小机器、大机遇”的呼吁”【1 1 】。11 9 9 3 年美国a d i 公司采用硅表面牺牲层技术成 功地将微型加速器计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着m e m s 技术 商品化的开端【1 2 】【”】。1 9 9 6 年，德国美因兹技术研究所( i m m ) 采用l i g a 技术制作 的5 m m 微电机“使世界上最小的直升机腾空而起”。此后，m e m s 技术发展迅速， 特别是深槽刻蚀技术出现后，围绕该技术发展了多种新型加工工艺。 图1 0 1 德国i m m 公司利用l 1 g a 技术 制作的微型直升机 图1 2t i 公司研制的的数字微镜 器件( d m d ) 目前部分m e m s 器件已经产业化，如微型加速度计、微型压力传感器、数字 微镜器件( d m d ) 、喷墨打印机的微喷嘴、生物芯片等，并且应用领域十分广泛 【l3 【”j 。近年来国际上m e m s 的专利数正呈指数规律增长，说明m e m s 技术全面 发展和产业快速起步的阶段已经到来。 回顾m e m s 发展进程，国外发展m e m s 的特点有如下4 个方面。 a 国家高度重视。基于m e m s 的重要性，美、欧、日等国家都高度重视。 从1 9 9 7 年到2 0 0 1 年，仅美国d a r p a ( 美国国防部先进研究计划署) 每年投入的 研究经费就达7 0 0 0 万美元。日本通产省自1 9 9 1 年度始实施为期l o 年总投资2 5 0 亿日元的“微型机械技术”大型研究开发计划。1 9 9 3 年起欧盟将各国研究机构组 织起来进行m e m s 的联合研究，推出了e u r o p r a c t i c e 和n e x u s 计划，从 科研和产业化两个方面推进m e m s 的发展。 b 企业介入、市场牵引。在m e m s 发展初期，美国就重视牵引研究主体 大学与企业的结合。例如在m e m s 的重点研究单位u cb e r k e l e y 成立的b s a c ( b e r k e l e ys e n s o ra n d a c t u a t o rc e n t e r ) 就由多所大学和企业组成。 c 重点领域明确。美国在发展初期确定军事应用为其主要方向，侧重以惯性 器件为代表的m e m s 传感器的研究；日本重点发展进入工业狭窄空间的微机器 人、进入人体狭窄空间的医疗微系统和微工厂。欧洲则重点发展i x t a s ( m i c r ot o t a l a n a l y s i ss y s t e m ，全微分析系统) 或l o c ( l a bo nc h i p ，芯片实验室1 。 浙江大学硕士学位论文 d 重视基础技术的建设。十分重视设计、材料、加工、封装、测试等技术的 发展。美国除在研究单位建立独立的a l t o 实验室外，还特别建立了专门为研究服 务的加工基地，如m c n c 、s a n d i a 国家实验室等。德国也建立了b o s c h 实验室。 我国m e m s 的研究始于2 0 世纪9 0 年代初，得到了科技部、教育部、中国科学 院、国家自然科学基金委的重大支持。经过1 0 多年的发展，已形成4 0 多个单位的 5 0 多个研究小组，在多种微型传感器、微型执行器和若干微系统样机等方面已取 得一定的研究成果。如：上海交通大学研制的电磁微型电机，直径l m m ，重量 3 8 9 ，最大转速微为2 5 0 0 0 r m ，调速范围5 0 ：1 ，最大输出力矩2 8 u n t o ，并以此 研制出目前世界上最小的微型直升机；上海冶金所开发成功的“静电悬浮技术”， 用较小的电感实现了至今最大物体的悬浮。广东工业大学开发的电磁式微型机器 人，能作直径为1 2 2 0 m m 的管道里爬行及检测。复旦大学电子工程系研制的“正 交符合梁压阻微机械陀螺”，不需要真空封装，还可以克服小电容检测的困难， 制成的器件能再常压环境下工作，在大气中器角速度灵敏度为0 2 2 v 度，秒；清华 大学研制的“微型光波导陀螺”，将环形谐振器、耦合器、声光移频器、光源和探 测器组装在一块基片上，有可能成为新一代的高精度陀螺。电子部十三所研究的 “微型热对流加速度计”利用装有其他的密闭腔体中的热对流，测量其在加速度影 响下的变化量。 尽管已有不少成果，但与发达国家相比，我国m e m s 科技的水平还有相当大 的差距，主要体现在研究成果的质量、性价比和商品化等方面。 图卜3 上海交通大学研制的直径l m m 微电机与微型直升机 图卜4 浙江大学研制的应用于微流控系统的m i c r od p i v 技术 浙江大学硕士学位论文 1 1 3 微机电系统基础性研究“6 3 当尺寸缩小到一定范围时，学多物理现象将与宏观世界有很大差别， 一些 常规理论将作修正。目前，m e m s 的研究主要还是依赖经验和反复试探，完整 的微观尺寸下的理论体系尚为建立，这已经严重地阻碍了m e m s 技术的进一步 发展。因此微观尺寸下的基础性研究显得尤为重要。 1 尺寸效应和表面效应 尺寸效应研究已有较长的时间。力的尺度效应和表面效应说明，在宏观领域 作用微小的力和现象，在微观领域可能起着重要的作用。在微小尺寸领域，与特 征体积成比例的惯性力、电磁力等的作用相对增大；随着尺寸的减小，表面积与 体积之比相对增大，表面力学、表面物理效应将起主导作用。尺寸效应的研究将 有助于m e m s 的创新。 2 微流体力学 微流体现象与宏观规律有相当的差别，有的规律需要进行较大的补充和修 正。例如：微细通道内流动是否还符合n a v i e r - s t r o k e s 方程；微小装置中流体流 体驱动机制可用表面张力和粘性力，其阻力特性也有所不同、微小装置中流体的 相变点( 饱和压力和温度) 不再是常常数，而随尺度减小而降低；微细管道固液 界面的微观物理化学特性所产生的化学效应，如电泳、电渗，对微流体的力学行 为有重要影响。 3 力学和热力学基础 微观领域中的力学和热力学问题的基础研究可分为两大类，类是当物体尺 寸缩小至与粒子运行的平均自由程同一数量级时，则介质连续性等宏观假定不再 成立；另一类，虽然连续介质等宏观假定仍然成立，但由于物体尺度的微小化， 各种作用力的相对重要性产生了逆转，从而导致了宏观规律的变化。 在微型光机电系统研究中主要需考虑的是第二类情况，其具体特性是：材料 的失效模式，不仅与材料的本征关系相关，而且与材料的微结构有关；很大，从 而传热效率很高；界面、表面特征更加显著。 需发展介于宏观与微观之间的研究方法，例如宏观力学、宏微观热力学等。 此外还应注意电磁、机械、力学和热学相结合的交叉学科研究方法。 4 微机械特性和徽摩擦学 微结构材料机构特性中的弹性模量、泊松比、疲劳极限、强度，以及内应力 和内部缺陷的研究和数据库的建立引起了人们的重视，有些力学量需要重新作出 浙江大学硕士学位论文 科学的表述。微观摩擦力学包括纳米摩擦行为及其控制研究、薄膜润滑与超滑技 术研究、微观表面形貌与表面力学、表面物理效应研究、微磨损和微观表面改性 研究。 1 1 4 微机电系统的材料与工艺 1 基本材料与功能材料 m e m s 涉及的材料很多，包括常规材料和多种新型材料。主要有硅材料、 玻璃、陶瓷材料、金属材料、磁致伸缩材料、各种塑料、形状记忆合金、硅橡胶 等等。在这些材料中，单晶硅和其他硅材料为主导材料。硅有优良的机械性能、 物理方面的各向异性、完美的弹性性能和半导体材料特有的压阻效应等，这些优 点适用于微型构件。微机械的加工方法大多由半导体工艺发展而来，因此集成电 路和微结构工艺相兼容，而集成电路工艺已相当成熟，所以硅材料再微结构材料 的主导地位是必然的 玻璃材料是微机电，尤其是微光机电中使用较多的一种透明基体材质。尤其 在毛细管电泳芯片、d n a 芯片等需要光学检测的特殊场合，对材质的光学性能 及表面质量提出了很高的要求。目前各种类型的玻璃材料在m o e m s 及生物芯 片中得到了大量的应用。玻璃材料具有良好的微加工性能，同时散热性、透光性 和绝缘性均良好，而且管道内壁特性易于处理，是目前生物芯片、微流控芯片使 用最多的一种材料。 压电陶瓷材料也是一种m e m s 常用的功能材料，利用其固有的压电效应可 以用于加工微执行器，如在微泵的设计中采用压电陶瓷作为泵的执行驱动机构， 当施加一定频率的电压时，该机构就会实现同频率的弯曲和回复运动，驱动泵腔 内介质流动。同时，压电陶瓷的可控性好，只要控制激励电压和频率就可以精确 的控制泵的流量。 磁致伸缩材料是近年来新兴的特种功能材料，其应用领域非常广泛，从有源 减震、燃料喷射系统、液体和阀门控制、微定位和机械致动器、振子和声纳，它 对潜艇、精密控制系统和机器人等高技术的发展都有重要的意义。因此非常适合 制造微驱动器、微执行器，且磁致伸缩的可控性也已量化，所以能应用于对控制 精度有要求的部件。 形状记忆合金( s m a ) 在m e m s 中的应用也日益广泛，其原理是合金在一定 临界温度下改变形状，然后加热至临界温度之上，它们将“记住，原始的形状并重 新显现出来a 这一效应可用来产生运动或力，因此也是制造微执行器的重要材料 之一。此外，还有很多新型材料有待于开饭利用，这也是m e m s 具有巨大潜力 的一个方面。 浙江大学硕士学位论文 2 徽加工工艺 m e m s j j i q 工技术主要有从半导体加工工艺中发展起来的硅平面工艺和体硅 工艺。八十年代中期以后利用x 射线、电铸及注塑的l i g a ( 德文l i t h o g r a p h g a l v a n f o r m u n g u n d a b f o r m u g 简写) 技术诞生，形成了m e m s j j i i 工的另一个体系。 m e m s 的封装技术也很重要。从现有的常用工艺看，m e m s 加工工艺大体可以分 为如下几种【1 7 _ 【2 0 1 ： ( 1 ) 体硅徽机械加工 体硅加工技术是为制造微三维结构而发展起来的，即按照设计图形有选择性 的去除硅衬底，形成微机械结构。它是m e m s 技术中最成熟的，已广泛应用于硅 微加速器、硅微压力传感器的制造中。 体硅微机械；b n q - 技术的关键技术是刻蚀，它包括湿法刻蚀和干法刻蚀两种。 湿法刻蚀得到的微机械结构厚度可以达数百微米，具有较高的机械灵敏度，但该 方法与集成电路工艺不兼容，难以与集成电路进行集成，且存在难以准确控制横 向尺寸精度及器件尺寸较大等缺点。为了克服湿法化学腐蚀的缺点，采用干法刻 蚀技术已经成为微机械加工技术的主流。干法刻蚀主要采用物理法( 溅射、离子 铣) 和化学等离子刻蚀( 反应离子刻蚀) ，适用于各向异性及各向同性刻蚀。选 择合适的掩膜板可得到深刻比大、图形准确的三维结构。 图1 5 体硅工艺的流程图 近几年来，随着集成电路工艺的发展，出现了许多刻蚀速率很高、各向异性 好的反应离子刻蚀技术，成为制作高深宽比结构的有力工具。美国密执安大学开 发的电子回旋共振( e l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a n c e ， i u e ) 的反应离子刻蚀技术，可 以刻蚀出深度4 0 肛m 、宽度只有2 眦1 的深沟结构；a i c 砒e l c o m p t e c h 公司开发的一 浙江大学硕士学位论文 种射频感应耦合( r f i c ) 技术，腐蚀速率可以达到6 帅i n 以上，硅和二氧化硅的 腐蚀速率比为1 5 0 ：1 ，硅和光刻胶的腐蚀速率比为5 0 ：1 。由于在腐蚀过程中侧 面保持有一层薄的二氧化硅，所以刻蚀的各向异性很好。在刻蚀深度达到3 0 0 9 m 时，比值仍可大于1 5 ：1 ；s u r f a c et e c h n o l o g ys y s t e m ( s t s ) 公司开发的感应耦合等 离子源的反应离子刻蚀系统，用光刻胶作为掩模，在做等离子刻蚀时，光刻胶在 侧壁的聚合可以对侧壁进行钝化，刻蚀深度可达至u s o o i t m ，即可以刻穿整个硅版。 深反应离子刻蚀与硅熔合键合技术结合起来的新加工工艺，把体硅工艺的坚固性 和三维成型能力与一般集成电路制造工艺的设计灵活性和兼容性结合起来。应用 这种技术，制作成的叉指式振动陀螺，刻蚀的硅层厚度为2 8 1 m a ，沟宽仅有1 5 啪， 结构性好，灵敏度高。 ( 2 ) 表面硅微机械加工工艺 表面硅微机械加工技术是另一种重要的微机械加工技术，其基本概念来自2 0 世纪6 0 年代n a t h a n s o n 等人提出的金属膜加工工艺。与体硅微机械加工不同，表 面硅微机械加工不对硅衬底本身进行加工，而是以硅片为基体，通过多层膜淀积 和图形加工制各三维微机械结构，器件的结构部分由淀积的薄膜层加工而成。其 基本思路为：首先在衬底上淀积牺牲层材料，并利用光刻，刻蚀形成定的图形， 然后淀积结构层材料并光刻出所需要的图形，最后再将支撑结构层的牺牲层材料 腐蚀掉，这样就形成了悬浮的可动的微机械结构部件。因此表面硅微机械加工技 术最关键的是薄膜淀积技术，主要有低压化学气相淀积( l p c v d ) 、常压化学 气相淀积( a p c v d ) 、等离子体增强化学气相淀积( p e c v d ) 和分子束淀积等 方法。常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属等，常用的牺 牲层材料主要有氧化硅、多晶硅、光刻胶等。 绝缘层牺牲层 ( a ) 牺牲层制各 结构层 微结构 ( b ) 结构层制各 ( c ) 去除牺牲层 图1 - 6 表面硅微加工原理 浙江大学硕士学位论文 利用表面硅微机械加工技术可以制作微型齿轮和静电微型电机、微型传感器 等微机械元件和器件。这项技术的重要优点就是与常规集成电路可兼容，所加工 的器件就是利用标准集成电路薄膜淀积和图形成形技术来制作的。表面硅微机械 元件可以很方便地制作在已经完成的电路上。它的另一个有点是器件可以做得很 小，比体硅微机械加工技术制作的器件要小得多，且不影响器件性能。但表面硅 微机械加工是一种平面加工工艺，因此对机械设计有局限性。首先薄膜厚度方向 的尺寸受到工艺限制，其次器件横向尺寸的选择受到薄膜机械性能，尤其是残余 应力的影响，此外目前i c 设备淀积微机械厚膜效率较低，这些都一定程度上制约 了表面硅微机械加工的应用范围。 ( 3 ) l i g a 技术与准l i g a 技术 l i g a 技术由德国卡尔斯鲁厄( k a r ls r u h e ) 原子能研究所在2 0 世纪8 0 年代初 开发成功的，是l i t h o g r a p ho a l v a n f o r m u n g 和a b f o r m u g - 一- - 个德文单词的缩写，即 光刻、电铸和注塑。该技术综合了三项主要工艺：x 光深层光刻工艺、微电铸工 艺和微复制工艺。首先利用同步辐射x 光对光刻胶进行深层光刻，形成大深宽 比的光刻胶微结构，然后采用电铸工艺制成金属微结构模具，再采用注模复制 工艺批量铸造多种材料的微结构产品，如图1 7 所示。 l i g a i 艺基本流程图准u g a 工艺基本流程国 图l - 7l i g a 与准l 1 g a 技术工艺流程 该技术的优点是能够制造较大深宽比的三维精细结构，获得的微结构除了具 有大深刻比之外，还具有侧壁陡峭、表面平整的特点，结构厚度可达几百甚至上 千微米。该技术同时扩展了微机械的材料，可以加工有机高分子材料、各种金属 和陶瓷，并且可以利用微复制工艺进行微器件的大批量生产。 l i g a 技术需要昂贵的同步辐射x 光光源和特制的x 光掩模板，与微电子工艺 的兼容性较差， 因此各国都在研究能够取代同步辐射x 光光刻工艺的所谓准 l i g a 技术， 诸如d e m 、u v l i g a 、l a s e r - l i g a 技术等， 同时设法改善与微电 浙江大学硕士学位论文 子工艺的兼容性。u v l i g a 技术和l a s e r - l i g a 技术是分别采用厚胶紫外光刻和准 分子激光刻蚀工艺取代同步辐射x 光光刻工艺。d e m 技术是英文d e e p e t c h i n g 、 e l e c t r o f o r m i n g 、m i c r o r e p l i c a t i o n 三个词的缩写， 是我国上海交通大学和北京 大学首先开发出来的。它吸收了硅体微加工技术和l i g a 技术的优点，采用深刻 蚀工艺来取代同步辐射x 光光刻工艺，对硅片或塑料进行刻蚀后，直接进行微 电铸，得到金属模具， 再进行微复制工艺。d e m 技术克服了硅体微加工技术 只能加工硅材料的局限， 又不像l i g a 技术那样需要用同步辐射光源和x 光掩模 板，其加工厚度可达几百微米，且侧壁陡直，与微电子工艺的兼容性也得到了 改善。 准l i g a 技术是把常规i c i 艺( 如近紫外光刻) 扩展应用于厚抗腐蚀的光刻 中，可以保持接近于l i g a i 艺的分辨率，与l i g a 技术相比虽然加工的深宽比有 所下降，但加工费用却大幅下降，是一种较为经济的微加工技术。整个工艺过程 与l i g a 类似。 ( 4 ) 其他微机械加工技术 由上述可见，体硅机械加工技术、表面微机械加工技术和l i g a 技术都是微 机械加工技术的重要组成部分。近年来，随着微机电技术的发展，涌现出批新 工艺新方法。 溶解硅片技术 美国密执安大学提出了一种称为溶解硅片工艺( d i s s o l v e d w a f e r p r o c e s s ) 。 该技术采用各向异性刻蚀的浓硼自停止腐蚀技术，工艺简单，可控性很好，灵活 性高。但该技术与集成电路的兼容性不好。因此，在上述技术的基础上又利用电 化学腐蚀的自停止效应开发出了种可以和电路集成的技术，即所谓的有源溶解 硅片工艺( a c t i v ed i s s o l v e dw a f e rp r o c e s s ，简称a d w p ) 。该技术电路制作在轻 掺杂的p 型区，从而解决了微机械部件与电路的兼容性问题。 无掩膜腐蚀技术 采用传统的各向异性刻蚀技术进行微机械结构加工时，每一次“掩膜淀积一 掩膜光刻一腐蚀”的过程只能产生一个结构层面。若要求实现有更多层面的结构 时，就要多次重复“掩膜淀积一掩膜光刻一腐蚀”的过程。上海复旦大学提出的无 掩膜腐蚀技术，可以在一次复合光刻掩膜的基础上，通过接连的掩膜腐蚀和无掩 膜腐蚀来形成多个不同深度的结构层次，因此突破了现有刻蚀技术在加工上的局 限性。 激光束加工技术 激光器将高能量密度的激光聚焦后照射到工件表面，光能被吸收瞬间时转化 为热能，从而引起材料的局部熔化和气化。根据增加能量密度的高低，可以实现 浙江大学硕士学位论文 打小孑l 、微孑l 、精密切削、加工精微防伪标记、激光微调、动平衡、打字、焊接 和表面热处理等。 电子束加工技术 电子束是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高( 1 0 6 1 0 9 w c m 2 ) 的电 子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在很短的时间( 几分之一微 秒) 内，其能量的大部分转变成热能，使被冲击部分的工件材料达到几千以上 的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走，由于电子束能够及 其微细的聚焦，甚至能聚集n 0 1 i m a ，因此a n t 面积很小，主要用于打孔、刻槽、 焊接、镀膜和光刻等领域。 微细电火花加工技术 通常电火花加工是在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电 产生瞬时、局部高温来溶化和气化金属的，加工过程中工具与工件间没有宏观切 削力，只要控制精微的单个脉冲放电能量，配合精密微量进给就可以实现极微细 的金属材料的去除加工，可加工微细的轴、孔、窄缝、平面空间曲面等，目前在 由微米级加工精度向亚微米级加工努力。 此外还有微细超声加工技术、离子束加工、多孔硅牺牲层技术、隧道式近场 放电加工、微细电解加工、约束刻蚀剂层( c e l t ) 技术等等。 ( 5 ) 键台技术【2 l 】田 制作一个复杂的微系统，首先需要按结构、材料和微加工工艺的不同，分别 在不同的基片上执行微加工，然后将这些基片紧密地结合在一起，形成一个完整 的微系统。键合技术就是一种结合工艺，它是通过化学键和物理作用将硅片与硅 片、硅片与玻璃或其他材料紧密地结合起来，不用任何粘合剂，即可对微结构进 行支撑和保护，又可实现微结构之间或微结构与电路之间的电学连接。 硅硅键台 两片硅片通过高温处理可直接键合在一起，中间不需要任何粘结剂，也不需 要外加电场，工艺简单，这种技术称为热键合技术、硅硅直接键合( s d b ) 技 术、也称硅熔融键合( s f b ) 技术。根据b a c k l u n d 等的观点，在室温下由范德瓦尔 斯力将两片基片表面吸