基于SU-8胶的UV-LIGA技术及其应用研究

上海交通大学博士后士学位论文基于SU-8胶的UV-LIGA技术及其应用研究姓名：刘景全申请学位级别：博士后士专业：电子科学与技术指导教师：蔡炳初2002.6.1第一章绪论机城与微电子的集成。

它产生较早，１９７１年ＣａｓｅＷｅｓｔｅｒｎＲｅｓｅｒｖｅ大学设计制造了集成硅压力传感器。

１９７７年Ｓｔａｎｄｆｏｒｄ大学发展了电容式压力微传感器。

ＰｅｔｅｒｓｅｎＫ在１９８２年发表的硅在机械构件中应用的综述论文丌创了ＭＥＭＳ纪元。

１９８７年ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣａｌｉｆｏｒｎｉａａｔＢｅｒｋｅｌｅｙ研制了转子直径为６０—１２０ｕｍ的硅静电马达，用硅微加工技术制作了三维可动的机电系统。

硅静电马达这一标志性的成果极大地推动了ＭＥＭＳ的发展，图１—４为Ｂｅｒｋｅｌｅｙ开发的静电马达与一根发丝的比较图。

图１—５为用硅平面工艺研制的微型加速度计，在汽车中用作安全气囊的触发装置。

它实现了微机械结构与电路的集成，包括一个多晶硅梳状结构的加速度传感器和在同一硅片上的信号处理电路。

此后产生了微陀螺、微泵（见图１．６）、微阀、微流量器件等ｌ””Ｉ。

图１－４Ｂｅｒｋｅｌｅｙ丌发的静电微马达图ｌ一５微型加速度计上海交通人学博十后研究Ｉ作报告图１－６利用体硅加工的微泵（２）ＭＯＥＭＳＭＯＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ．ｏｐｔｏ．ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）为微光机电系统。

自１９６９年ＳｔｅｗａｒｔＭｉｌｌｅｒ提出集成光学（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＯｐｔｉｃｓ）的概念以来，将光学系统集成在，靼～芯片上成了许多研究者的目标，光学器件之问通过光波导连接，这类似于连接电子器件之间的导线。

在过去的三十年，集成光学已经取得了令人嘱目的成果，但这些研究工作主要局限于两维平面光波导结构，仅能处理零维或一维的空间光信号，而不能处理两维的空间光信号如光学成像、图象处理等。

进入二十世纪九＿卜年代随着微机械加工技术特别是表砸微加工技术的发展，使制作新型光学元件成为可能，因此诞生了ＭＯＥＭＳ。

它是微机械、微电子和微光学相互结合的产物。

集成微光机电系统研究的目标是将微机械结构、微传感器、微执行器、微电子电路和微光学元件等集成在同一硅基片上，形成智能化的、具有多种功能的微系统。

目前集成光机电系统已越来越受到人们的重视，成为国际上的一个研究热点”２０］。

Ｆ图为比较有代表的几个微光机电系统。

图１．７带有微铰链的微镜第一章绪论图１—８数字微镜器件（ＤＭＤ）（３）ＲＦ—ＭＥＭＳ随着微电子技术的飞速发展，微系统的发展己逐步渗透到无线通讯领域。

采用微系统的产品，不仅可以实现大批量生产，而且具有价格便宜，体积小，质量轻，可靠性高等优点。

目前通讯工程中仍存在大量射频技术必不可少的片外分离单元，使系统占有较大的空间尺寸。

这些无源元件由于常规集成方法难以将它们集成在系统芯片中，从而影响了整机系统的进一步集成和性能的继续提高。

微系统技术与射频技术的结合带来了新的机遇。

这些射频装置进一步的发展趋势是减少体积和重量，降低功耗，提高可靠性和多功能化。

另外，现代射频通信系统容量很大，用户可以使用的带宽很窄，故射频装置需要采用频率选择性好的滤波器件和极为稳定的本机振荡器。

为了满足这些要求，射频元件应该集成化，同时电容、电感、振荡器和滤波器还应该具有足够高的品质因数（高Ｑ值），传输线（波导）、开关等在阻抗匹配、插入损耗和隔离度等方面应该满足一定的要求。

ＲＦ—ＭＥＭＳ就在这一背景下产生了［２１－２６Ｊ。

图１—９为一立体的微电感，图１．１０为ＲＦ开关。

图ｌ一９立体微电感上海交通大学博士后研究’１作报告图１．１０膜片式ＲＦ丌关（４）ＭＭＥＭＳＭＭＥＭＳ是Ｍｉｃｒｏ—ｍａｇｎｅｔｉｃ—ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ的缩写。

但这一名词使用的频率不高。

常常有人将这一类系统归入ＭＥＭＳ中。

图１－１１为一立体微磁铁阵列。

图１－１２为上海交通大学研制的直径ｌｍｍ电磁微马达与一粒芝麻放在～起的照片。

利用这一微马达现已研制出微型减速器、微型直升飞机、微型车、以及微型光丌关等【”１。

图１－１１为一立体微磁铁阵列图１－１２电磁微马达（５）与热学量结合的微系统微系统与热学量结合，产生了微型火箭发动机和微型涡轮发动机等。

有人称之为ＰｏｗｅｒＭＥＭＳ。

图１－１３为宏观的涡轮发动机和采用微细加工方法制造的微型涡轮发动机（由ＭＩＴ研制）比较。

它可用于微小卫星的引力补偿和位置保持、姿态控制和轨道控制。

最近美国有人提出阵列式微型火箭发射微型航天器的设想。

发动机用８００只，推力重量比比航天飞机主发动机大２０倍。

整个微型涡轮发动机第一章绪论包括一个空气压缩机、涡轮机、燃烧室、燃料控制系统以及电启动马达［２８－３０ｌ。

＇０。

９００ｐａｒｔｓｌｎｌｅｔｄｌａ＝２．８ｍＡｌｒｔｌｏｗ＝１１００ｋｇ／ｓｅｃＷｅｉｇｈｔ＝１０ｔｏｎｓＴｈｒｕｓｔ＝４００。

０００Ｎｔ（５０ＭＷ）２ｐａｒｔｓＩｎｌｅｔｄｌａ＃２ｍｍＡｌｒｆｌｏｗ＝０。

４ｇ／ｓｅｃＷｅｉｇｈｔ＝ｌｇｒａｍＴｈｒｕｓｔ＝０。

１－０。

２Ｎｔ（１０一３０ｗａｔｔｓ）图ｌ—１３宏观的涡轮发动机和微型涡轮发动机比较（６）与声学量结合利用微细加工技术可以研制微型麦克，也可利用光刻技术来制插指电极实现声表面波器件（ＳＡＷ）。

下图为利用铰链技术研制的微麦克。

图ｌ－１４采用表面ａｎＴ技术研制的微麦克（７）与化学量结合（Ｂｉｏ—ＭＥＭＳ及化学传感器等）随着分子生物学的发展，人们已开始对所发现的已知基因进行功能研究。

另外上海交通人学博士Ｊ｜亓研究１：作报告与疾病相关的研究已从研究起因向探索发病机理方面转移。

因此在后基因时代，研究人员必须利用有效的硬件技术对庞大的ＤＮＡ信息以及蛋白质信息加以利用。

而在发展起来的各种技术中，发展最快和应用前景最好的是以生物芯片技术为基础的亲和结合分析、毛细管电泳分析法和质谱分析法。

采用生物芯片可进行生命科学和医学中所涉及的各种生物化学反应，从而达到对基因、抗原和活体细胞等进行测试分析的目的。

可以说生物芯片技术的出现将会给生命科学、医学、化学、新药开发、生物武器战争、食品和环境卫生等领域带来一场革命。

生物芯片是指运月】大规模集成电路光刻技术以及生物分子的自组装技术，在一个微小芯片上组装成千上万不同的ＤＮＡ或蛋白质的生物分子微阵列，实现以基因为主的分子信息大规模检测。

图１—１５为生物芯片的局部图。

图１．１６为一基于ＭＥＭＳ的定量给药系统‘３１’３３１。

图１．１５生物芯片的局部图图１．１６基于ＭＥＭＳ的定量给药系统（８）与多种物理和化学量等集成的器件（如Ｓｍａｒｔ．ｄｕｓｔ，ＳｅｎｓｏｒＷｅｂ等）当将集成的范围进一步扩大，可以构成更为复杂的微系统。

图１—１７为Ｂｅｒｋｅｌｅｙ第一章绪论研制的智能灰尘（Ｓｍａｒｔ—ｄｕｓｔ），它集微传感器、微处理器、微发射器和微接收器于…体。

这是一个真『Ｆ意义上的微系统【３４】。

图１．１７基于ＭＥＭＳ的智能灰尘（９）基于微系统的应用系统。

要区分微系统及其应用系统，不要混淆起来。

应用系统可以是较大的系统。

它应用了微制造技术、微型器件或微系统。

如微型机器人、微型飞行器（ＭＡＶ）和微卫星等１３５１。

下图为一微卫星的结构图。

图１－１８基于微系统的微卫星集成和微型化是微系统的主要特征。

而且其集成的含义更广泛，不仅指同一Ｊｎ能器件量上的集成，而且还指多种功能器件的集成。

从ＭＥＭＳ、ＭＯＥＭＳ、ＲＦ…ＭＥＭＳ这些概念的产生也能发现这一特点，我们可以相信按照这～发展规律会ｍ现更多的集成系统。

我们在关注微系统技术向各领域渗透的同时，不要忘记集上海交通大学博十后研究Ｉ：作报告１．２．２三维加工技术三维的微结构在微系统中有着重要的应用，如微型传感器、微型致动器、微型毪行器、非球面微光学镜头的加工、三维管道等。

三维微细加工主要有Ｓｔｅｐ—Ｂｙ．Ｓｔｅｐ、准分子激光加工、ＬＩＧＡ、ｕＶ－－ＬＩＧＡ、体硅加工技术、ＤＲＩＥ等。

Ｓｔｅｐ—Ｂｙ．Ｓｔｅｐ方法的实质是用一系列平面来逼近曲面，曲面精度取决于逼近平ｆ爵的多少，它主要是对光刻胶一层一层曝光来实现的，图１．１９为一个５ｕ厚由１０００层构成的复杂曲面结构。

这一方法有其独到之处，可实现许多复杂的结构，但其【艺过于冗长。

准分子激光三维加工主要是利用逐点来逼近曲面，它的加工方法主要有激光烧灼和单束激光通过调整光强来控制曝光深度，但这两种方法的控制精度不高。

目前最成功的例子是发表在Ｎａｔｕｒｅ上由大阪大学研制的纳米牛，是山两束光在光刻胶内交差点处固化实现的，纳米牛只有～个红细胞大小，其定位精度为１２０ｎｍ，图１—２０为纳米牛的照片。

这一技术丌发成功为加工复杂曲面结构提供了新技术【３６１。

另外也有利用微单元堆成所需的结构。

这～工艺非常复杂，其工作量大且控ｔｉ０精度高，但这一技术在制造纳米级的微小复杂结构是不可替代的。

图１．２１为采用这一技术研制的分子马达。

图１—１９Ｓｔｅｐ－－Ｂｙ－－Ｓｔｅｐ方法实现的复杂曲面图ｌ一２０纳米牛（图中刻度线长度为２ｕ）第一章绪论图１．２１分子马达目前高深宽比的三维结构研究取得了很大的进展。

国际上专门成立了学会ＨＡＲＭＳＴ（ＨｉｇｈＡｓｐｅｃｔＲａｔｉｏＭｉｃｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）来探讨这～技术的进展，每年举办一次国际会议。

这种结构不具有复杂的曲面，其侧壁由直线构成，端面为任意曲线。

具有上述特征的三维结构在微系统中占很大比例，而且有很大的用处，如加速度传感器、微直齿轮、微棱镜等。

高深宽比是这一技术的主要指标。

｜】前有多种技术可以用于微系统中高深宽比加工。

如反应离子刻蚀和感应耦合等离子体可获得数十微米，甚至数百微米深度的台阶。

但它们主要针对于硅材料。

对１：非硅材料的加工。

ＬＩＧＡ技术被认为是可得到最佳高深宽比的微加工技术，加工宽度为几微米到上千微米，且可实现微器件的批量生产。

是ｘ光深度光刻、微电铸和微复制三种工艺的有机结合渺５０Ｊ。

但ＬＩＧＡ需要昂贵的同步辐射光源和特制的掩模板。

多种基于ＬＩＧＡ技术同样设计思想的高深宽比微加工方法先后被提出并得到重视。

有一种观点甚至认为，高深宽比微结构加工的重大商业机会首先出现在低成本的准ＬＩＧＡ加工领域。

目前最具实用价值的是ＵＶｏＬＩＧＡ技术。

§１．３本文的主要研究内容微型化和集成化是当今高科技发展的～个重要趋势。

如何使非电子系统集成一体已成为系统集成化和微型化的关键。

微系统技术可以有效将电子系统和非电Ｆ系统集成在一起，构成具有信息获耿、处理和执行等功能的微系统。

微细加工技术是实现微系统的手段。

目前较常用的微细加工技术主要有：硅表面加工技术、体硅加工技术、高深宽ｔｋＤｎＩ技术、组装与键合技术等。

高深宽比（深宽比大于１０）的微结构有许多重要的用途，如微飞行器（ＭＡＶ）、高Ｑ值微电容和微电感、微加速度计、微齿轮等。