国外深厚宽比微细结构制造技术的研究进展

国外深厚宽比微细结构制造技术的研究进展

0公众深宽比的技术发展随着微机械系统的发展，对微结构的要求也越来越高。高度比薄结构（harms）更重要。harms可以提高微设备的性能，如动能、频率范围、灵敏度和位移量。HARMS通常是指宽度为1~10μm,高度为10~500μm的微结构,深宽比一般在10∶1到100∶1之间。HARMS的深宽比不同于IC工艺和表面微加工中的深宽比,后者实质上是平面或者低轮廓的结构。同样,HARMS也不同于普通体加工所得到的微结构,HARMS具有狭小间隙和垂直侧壁的特征。由于HARMS在MEMS研究中的重要性,国际上从1995年开始,每两年召开一次HARMST(HARMSTechnology)会议,第一次是在LIGA技术发源地—德国的Karlsruhe举行的。从历次会议论文可以看出:用于高深宽比微结构制作的技术主要有LIGA、准LIGA(LIGA-LIKE,通常是UV-LIGA)和深层反应离子刻蚀(deepreactiveionetching,DRIE)等,另外,还有结合基本微细加工工艺而不断产生的新的HARMS技术。LIGA技术最早由德国人发明,可以用来得到深宽比超过100∶1的微结构,虽然该技术由于需要同步辐射光源和特制掩模板而花费昂贵,可由于它在制作HARMS方面独特的优势,仍然在不断地发展中。考虑到工艺技术的经济性,发展了目前多采用SU-8光刻胶和紫外(UV)光源的HARMS制作技术——准LIGA技术,这样做的缺点是和LIGA技术相比,微结构的分辨力和深宽比更低一些。还有一个研究的较多的实现HARMS的方法是采用DRIE进行硅的深层刻蚀得到高深宽比的结构,所得到的微结构还可以作为注射成型(injectionmolding)或铸塑成型的模具,用来制作金属、塑料和陶瓷微结构。1hart生长规律和研究方法规范使用的进展目前,对LIGA技术的研究已经深入到具体每个技术环节(辐射源、掩模、曝光、显影、电沉积、微复制等)的工艺优化和提高上,目的是尽量减少制造成本,提高加工速度和加工准确度,扩大适用范围,最终,实现LIGA技术的真正大规模商品化。在辐射源方面,Tan等人研究了储存环能量不同的同步辐射源对显影速度的影响,在其它条件均相同的情况下,储存环能量最高的制得的样品显影速度最大,而且,在越大的曝光剂量下不同辐射源所对应速度间的差别越明显。在掩模研究方面,Iwamoto等人开发出了分别采用SOI衬底和SU-8胶作为隔膜的LIGA用掩模,前者具有容易制作、材料性能稳定的优点,后者则具有X射线穿透率高,隔膜平整、掩模易对齐等优点。Tabata等人发明了采用单一掩模的M2LIGA(movingmaskLIGA)和采用多掩模的M3LIGA(multiplemovingmaskLIGA)技术,前者可以实现倾斜或简单曲面侧壁的HARMS,而后者可以实现比前者更为复杂的HARMS。曝光和显影是LIGA中的2个重要环节,直接关系到微结构的质量好坏。Griffiths等人发现曝光时间对掩模基底厚度非常敏感,用1mm厚PMMA和100μm厚的Si掩模基底,胶表面曝光剂量为10kJ/cm3,需要曝光时间10h,显影时间1.8h,而采用专门的数学模型进行优化,等厚度的PMMA完全曝光所需要的掩模基底厚度为30μm,在同样的条件下,曝光时间为2.6h,而相应的显影时间增加为3.0h。Tan等人还详细研究了X射线源能量、吸收剂量、显影温度、退火等因素对显影速度的影响,发现显影温度的影响是最显著的。另外,在显影过程中,采用高频声波搅拌辅助显影的方法,可以大大提高显影速度,还可以提高显影质量。Nilson等人对此进行了数学模型仿真分析,计算出来的显影速度变化规律和前人试验结果一致,解释了这种方法在显影HARMS中起作用的具体机理。在电沉积方面,Griffiths等人对HARMS电沉积过程中的离子扩散补充局限性及其影响做了理论上和试验上的分析,发现在高深宽比微金属结构的沉积过程中,离子的扩散可能是深腔内部的自然对流和浮力驱动的流动共同作用的结果,而和腔外的搅拌所引起的腔内对流没有关系,利用这个结果可能大大减少LIGA制作金属微结构电沉积的时间。为了实现LIGA技术的产业化,需要大规模的制造,这也是LIGA技术中微复制环节的作用所在,目前,多采用HotEmbossing和微注射成型来批量生产聚合物微结构,金属结构一般通过微细金属粉末注射成型来制作,而陶瓷结构常采用纳米陶瓷粒子加聚合物粘结剂混合烧结制得。2uv-liga和硅的体微细加工LIGA-LIKE技术也叫LIGA-TYPE技术,就是包括和LIGA技术类似的光刻、电沉积和铸塑等几个基本步骤的方法。为了降低制作成本,一般采用紫外光来取代需要昂贵设备的同步辐射X射线作曝光光源,所以,通常称UV-LIGA,目前,被广泛用于制造各种微传感器,微陀螺仪,微光学器件,微马达等,近年来,也大量采用波长更短的深紫外光DUV和极紫外光源EUV进行HARMS的研究。Liakopoulos等人利用UV-LIGA技术在硅衬底上制作了微变压器,方形铁镍磁心、初级线圈和次级线圈都是电沉积得到,导电线圈的厚度较厚(30μm),导致很小的线圈电阻(1Ω),可用于DC/DC转换器和信号隔离器中。将UV-LIGA和硅的体微细加工等技术结合,可以制作单一的表面硅加工或体硅加工所不能制得的更加复杂的微细结构,可以制作金属-硅复合结构的MEMS器件。Kim等人制作了可用于大位移制动装置的高深宽比梳状制动器,其中,梳状电极采用(110)硅各向异性腐蚀得到,梳齿宽度为18μm,电极深宽比约为57,振荡块两端的金属Au弹簧结构通过UV-LIGA制得,尺寸为15μm(宽)×14μm(高)×500μm(长)。另外,结合牺牲层技术,UV-LIGA还可以制作可移动的三维高深宽比微细结构。Qu等人利用UV-LIGA研制了三维加速度传感器,可以独立测量3个轴向的加速度,中间的悬臂振动块通过腐蚀去除Ti牺牲层制得,传感器结构高度为30μm,深宽比约为10∶1。为了尽量减少光刻胶对光的吸收而使胶的曝光厚度尽量增加,从而获得高深宽比的微结构以提高微器件性能,研究人员一直在寻求新的高性能光刻胶。目前,国际上应用较多的是由IBM公司开发的一种负性光刻胶SU-8,它对紫外线具有低光光学吸收特性,具有高深宽比,被广泛应用于厚膜和超厚膜微结构中。但是,SU-8光刻胶存在高内应力和难以显影去除等缺点,这些缺点直接关系到在制作高深宽比结构时的图形准确度和曝光、热烘处理等具体工艺条件密切相关。Chang等人通过优化前烘和后烘的时间及温度、调节曝光参数(时间、剂量等)、采用应力屏障和C形蚀刻孔等方法获得具有低应力和高深宽比的SU-8胶层。3sidrie技术深层反应离子刻蚀技术是一种各相异性高深宽比刻蚀技术,属于干法蚀刻,也叫先进硅蚀刻(advancedsiliconetching,ASE)技术,一般都基于电磁耦合等离子体(inductivelycoupledplasma,ICP)对硅进行深层加工。和其他Si的体微加工相比,DRIE技术不依赖于衬底晶向,有着更大的加工自由空间。Bayt等人采用DRIE技术制作了壁面轮廓先收缩,后扩张的超音速Navier微喷嘴,最小尺寸平均为19~35μm,在常温下试验获得了3.5马赫的气流速度。利用DRIE加工,刻蚀深度可以达到几百微米甚至毫米级,对刻蚀深度的控制可以通过事先铺在Si下面的SiO2层或者Boron阻蚀层来实现。德国的Bosch公司开发的DRIE技术深宽比可以高达90∶1,刻蚀率超过10μm/min,而且,侧壁的粗糙度可以低达10nm,侧壁的垂直度为90°±0.3°,特别适合对轮廓精度要求很高的高深宽比微结构的制造,更重要的是,基于Si的DRIE技术可以直接和现有IC工艺兼容性好,结合SOI(silicononinsulator)衬底技术,在各种MEMS和MOEMS的制造方面有着很好的发展潜力。但是,和LIGA-LIKE技术相比,DRIE的设备比较昂贵,一般需要50万美元以上。科研人员除了对Si进行DRIE研究之外,还进行了对耐热玻璃、石英、PZT和SiC等材料的DRIE研究,研制了用于复合超声变换器的高深宽比PZT微柱阵列和多通道石英微量天平等。Chen等人利用ICPDRIE取代LIGA技术中的同步辐射源和特制掩模板,然后,在刻蚀后硅片上直接电铸成型微复制模具,可以制得几百微米高,深宽比大于20的微细结构,适用于陶瓷、塑料和金属材料。另外,为了制作可移动微结构,通常结合使用SOI衬底,把用作阻蚀层的氧化物铺在Si下面,通过化学去除掉这些氧化物就可以释放得到可移动结构。对于具有多个平面的复杂MEMS,可以采用铺设多个可去除阻蚀层,待蚀刻完毕后逐一除掉这些阻蚀层的方法得到。VanDrieenhuizen等人采用SFB(siliconfusionbonding)和DRIE结合的办法,将分开刻蚀完毕的Si结构依次排列对齐,进行硅熔化结合,也制作了具有多个平面的复杂微细MEMS,如,微阀、高灵敏加速度计、多层微流体MEMS等。4基于微胶囊的力光机械微刻技术除了上面介绍的几种主要HARMS技术之外,还有很多不断开发出来的新的HARMS技术。Cohen等人开发的EFAB(electrochemicalFABrication)技术是一种实体自由制造技术,采用一种“实时掩模”的高速选择性电沉积方法,顺序沉积上不同大小的金属层,可以直接快速批量生产很复杂的真正的三维高深宽比微细金属结构,和其他微系统制造技术相比具有很好的经济性。Grigoras在电化学定向刻蚀Si微细沟槽时发现采用在衬底背面加一定功率卤素灯照明的方法,可以促进刻蚀的定向发生,最终,可以获得几百微米深的微槽,而且,通过有规律地定时改变卤素灯的照明强度,可以获得沟槽宽度随着刻蚀深度的变化呈规律性变化的结果,这项技术可望在一定程度上取代和补充DRIE。VanKan等开发了利用高能粒子束—质子束—进行光刻的技术(protonbeamlithography),不需要掩模,直接利用几百万MeV能量的质子束和基体(PMMA或SU-8)产生反应,是唯一一种制造高深宽比三维微结构的直接刻写技术,由于不需要掩模,可以用来制造复杂的三维结构,通过很精确地控制质子束的强度,可以得到很光滑的、侧壁很垂直的确定深度的微细结构。Gmur等人复合UV-LIGA技术和Si等离子刻蚀工艺开发了SIGA技术,具有高分辨力、高精度、和Si半导体技术工艺相互兼容、结构自由、可制作不同材料微结构等优点,但不能获得高的结构,而且,在高度方向上精度有限。Bertsch等人研究了一种新型微制作技术—立体光固化微加工技术,基于光诱导液态树脂的聚合反应,逐层固化,可以制作非常复杂的三维微细聚合物结构,另外,结合厚胶UV光刻,直接在其他微细结构上进行立体光固化加工,消除了对分离部件进行微装配来实现微系统这一环节。Hunter等人发明了局部电化学沉积(localizedelectrochemicaldeposition,LECD)技术,通过可移动的微细电极在空间缓慢移动,诱导金属离子按指定的方向电沉积生长,形成空间三维微细结构,Yeo等人利用旋转电极进行LECD试验,发现生成的Ni微柱体中有环形横截面,表明LECD有可能制作中空微细结构。Gmur等人利用纳秒级超短脉冲进行电化学微细加工,由于双电层离子补充所需有限时间和两电极间距离呈线性变化,在纳秒间