國(guó)外深厚寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的研究進(jìn)展

國(guó)外深厚寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的研究進(jìn)展

0公眾深寬比的技術(shù)發(fā)展隨著微機(jī)械系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)微結(jié)構(gòu)的要求也越來(lái)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(dòng)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(shí)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(guó)際上從1995年開(kāi)始,每?jī)赡暾匍_(kāi)一次HARMST(HARMSTechnology)會(huì)議,第一次是在LIGA技術(shù)發(fā)源地—德國(guó)的Karlsruhe舉行的。從歷次會(huì)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(zhǔn)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(xì)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(guó)人發(fā)明,可以用來(lái)得到深寬比超過(guò)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(fèi)昂貴,可由于它在制作HARMS方面獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),仍然在不斷地發(fā)展中。考慮到工藝技術(shù)的經(jīng)濟(jì)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(zhǔn)LIGA技術(shù),這樣做的缺點(diǎn)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(gè)研究的較多的實(shí)現(xiàn)HARMS的方法是采用DRIE進(jìn)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(lái)制作金屬、塑料和陶瓷微結(jié)構(gòu)。1hart生長(zhǎng)規(guī)律和研究方法規(guī)范使用的進(jìn)展目前,對(duì)LIGA技術(shù)的研究已經(jīng)深入到具體每個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)(輻射源、掩模、曝光、顯影、電沉積、微復(fù)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(zhǔn)確度,擴(kuò)大適用范圍,最終,實(shí)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(chǔ)存環(huán)能量不同的同步輻射源對(duì)顯影速度的影響,在其它條件均相同的情況下,儲(chǔ)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(duì)應(yīng)速度間的差別越明顯。在掩模研究方面,Iwamoto等人開(kāi)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(diǎn),后者則具有X射線穿透率高,隔膜平整、掩模易對(duì)齊等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)傾斜或簡(jiǎn)單曲面?zhèn)缺诘腍ARMS,而后者可以實(shí)現(xiàn)比前者更為復(fù)雜的HARMS。曝光和顯影是LIGA中的2個(gè)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(shí)間對(duì)掩?；缀穸确浅Ｃ舾?用1mm厚PMMA和100μm厚的Si掩?；?膠表面曝光劑量為10kJ/cm3,需要曝光時(shí)間10h,顯影時(shí)間1.8h,而采用專(zhuān)門(mén)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化,等厚度的PMMA完全曝光所需要的掩模基底厚度為30μm,在同樣的條件下,曝光時(shí)間為2.6h,而相應(yīng)的顯影時(shí)間增加為3.0h。Tan等人還詳細(xì)研究了X射線源能量、吸收劑量、顯影溫度、退火等因素對(duì)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(guò)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(duì)此進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型仿真分析,計(jì)算出來(lái)的顯影速度變化規(guī)律和前人試驗(yàn)結(jié)果一致,解釋了這種方法在顯影HARMS中起作用的具體機(jī)理。在電沉積方面,Griffiths等人對(duì)HARMS電沉積過(guò)程中的離子擴(kuò)散補(bǔ)充局限性及其影響做了理論上和試驗(yàn)上的分析,發(fā)現(xiàn)在高深寬比微金屬結(jié)構(gòu)的沉積過(guò)程中,離子的擴(kuò)散可能是深腔內(nèi)部的自然對(duì)流和浮力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)共同作用的結(jié)果,而和腔外的攪拌所引起的腔內(nèi)對(duì)流沒(méi)有關(guān)系,利用這個(gè)結(jié)果可能大大減少LIGA制作金屬微結(jié)構(gòu)電沉積的時(shí)間。為了實(shí)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(fù)制環(huán)節(jié)的作用所在,目前,多采用HotEmbossing和微注射成型來(lái)批量生產(chǎn)聚合物微結(jié)構(gòu),金屬結(jié)構(gòu)一般通過(guò)微細(xì)金屬粉末注射成型來(lái)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(xì)加工LIGA-LIKE技術(shù)也叫LIGA-TYPE技術(shù),就是包括和LIGA技術(shù)類(lèi)似的光刻、電沉積和鑄塑等幾個(gè)基本步驟的方法。為了降低制作成本,一般采用紫外光來(lái)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(chēng)UV-LIGA,目前,被廣泛用于制造各種微傳感器,微陀螺儀,微光學(xué)器件,微馬達(dá)等,近年來(lái),也大量采用波長(zhǎng)更短的深紫外光DUV和極紫外光源EUV進(jìn)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(jí)線圈和次級(jí)線圈都是電沉積得到,導(dǎo)電線圈的厚度較厚(30μm),導(dǎo)致很小的線圈電阻(1Ω),可用于DC/DC轉(zhuǎn)換器和信號(hào)隔離器中。將UV-LIGA和硅的體微細(xì)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(fù)雜的微細(xì)結(jié)構(gòu),可以制作金屬-硅復(fù)合結(jié)構(gòu)的MEMS器件。Kim等人制作了可用于大位移制動(dòng)裝置的高深寬比梳狀制動(dòng)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(guò)UV-LIGA制得,尺寸為15μm(寬)×14μm(高)×500μm(長(zhǎng))。另外,結(jié)合犧牲層技術(shù),UV-LIGA還可以制作可移動(dòng)的三維高深寬比微細(xì)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(dú)立測(cè)量3個(gè)軸向的加速度,中間的懸臂振動(dòng)塊通過(guò)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(duì)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(guó)際上應(yīng)用較多的是由IBM公司開(kāi)發(fā)的一種負(fù)性光刻膠SU-8,它對(duì)紫外線具有低光光學(xué)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(diǎn),這些缺點(diǎn)直接關(guān)系到在制作高深寬比結(jié)構(gòu)時(shí)的圖形準(zhǔn)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(guò)優(yōu)化前烘和后烘的時(shí)間及溫度、調(diào)節(jié)曝光參數(shù)(時(shí)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(jìn)硅蝕刻(advancedsiliconetching,ASE)技術(shù),一般都基于電磁耦合等離子體(inductivelycoupledplasma,ICP)對(duì)硅進(jìn)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(kuò)張的超音速Navier微噴嘴,最小尺寸平均為19~35μm,在常溫下試驗(yàn)獲得了3.5馬赫的氣流速度。利用DRIE加工,刻蝕深度可以達(dá)到幾百微米甚至毫米級(jí),對(duì)刻蝕深度的控制可以通過(guò)事先鋪在Si下面的SiO2層或者Boron阻蝕層來(lái)實(shí)現(xiàn)。德國(guó)的Bosch公司開(kāi)發(fā)的DRIE技術(shù)深寬比可以高達(dá)90∶1,刻蝕率超過(guò)10μm/min,而且,側(cè)壁的粗糙度可以低達(dá)10nm,側(cè)壁的垂直度為90°±0.3°,特別適合對(duì)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Α５?和LIGA-LIKE技術(shù)相比,DRIE的設(shè)備比較昂貴,一般需要50萬(wàn)美元以上?？蒲腥藛T除了對(duì)Si進(jìn)行DRIE研究之外,還進(jìn)行了對(duì)耐熱玻璃、石英、PZT和SiC等材料的DRIE研究,研制了用于復(fù)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(fù)制模具,可以制得幾百微米高,深寬比大于20的微細(xì)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(dòng)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(guò)化學(xué)去除掉這些氧化物就可以釋放得到可移動(dòng)結(jié)構(gòu)。對(duì)于具有多個(gè)平面的復(fù)雜MEMS,可以采用鋪設(shè)多個(gè)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(kāi)刻蝕完畢的Si結(jié)構(gòu)依次排列對(duì)齊,進(jìn)行硅熔化結(jié)合,也制作了具有多個(gè)平面的復(fù)雜微細(xì)MEMS,如,微閥、高靈敏加速度計(jì)、多層微流體MEMS等。4基于微膠囊的力光機(jī)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(kāi)發(fā)出來(lái)的新的HARMS技術(shù)。Cohen等人開(kāi)發(fā)的EFAB(electrochemicalFABrication)技術(shù)是一種實(shí)體自由制造技術(shù),采用一種“實(shí)時(shí)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(fù)雜的真正的三維高深寬比微細(xì)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(jì)性。Grigoras在電化學(xué)定向刻蝕Si微細(xì)溝槽時(shí)發(fā)現(xiàn)采用在襯底背面加一定功率鹵素?zé)粽彰鞯姆椒?可以促進(jìn)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(guò)有規(guī)律地定時(shí)改變鹵素?zé)舻恼彰鲝?qiáng)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(xiàng)技術(shù)可望在一定程度上取代和補(bǔ)充DRIE。VanKan等開(kāi)發(fā)了利用高能粒子束—質(zhì)子束—進(jìn)行光刻的技術(shù)(protonbeamlithography),不需要掩模,直接利用幾百萬(wàn)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(xiě)技術(shù),由于不需要掩模,可以用來(lái)制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu),通過(guò)很精確地控制質(zhì)子束的強(qiáng)度,可以得到很光滑的、側(cè)壁很垂直的確定深度的微細(xì)結(jié)構(gòu)。Gmur等人復(fù)合UV-LIGA技術(shù)和Si等離子刻蝕工藝開(kāi)發(fā)了SIGA技術(shù),具有高分辨力、高精度、和Si半導(dǎo)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(diǎn),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(dǎo)液態(tài)樹(shù)脂的聚合反應(yīng),逐層固化,可以制作非常復(fù)雜的三維微細(xì)聚合物結(jié)構(gòu),另外,結(jié)合厚膠UV光刻,直接在其他微細(xì)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行立體光固化加工,消除了對(duì)分離部件進(jìn)行微裝配來(lái)實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)這一環(huán)節(jié)。Hunter等人發(fā)明了局部電化學(xué)沉積(localizedelectrochemicaldeposition,LECD)技術(shù),通過(guò)可移動(dòng)的微細(xì)電極在空間緩慢移動(dòng),誘導(dǎo)金屬離子按指定的方向電沉積生長(zhǎng),形成空間三維微細(xì)結(jié)構(gòu),Yeo等人利用旋轉(zhuǎn)電極進(jìn)行LECD試驗(yàn),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(xì)結(jié)構(gòu)。Gmur等人利用納秒級(jí)超短脈沖進(jìn)行電化學(xué)微細(xì)加工,由于雙電層離子補(bǔ)充所需有限時(shí)間和兩電極間距離呈線性變化,在納秒間