激光微细加工技术及其在MEMS微制造中的应用 (1)

图? 图’ 激光 !"#$ 技术与牺牲层技术结合制作的 %& 加速度计
无支撑层工艺与传统工艺对比及其应用示意
Байду номын сангаас
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结语
!
激光微细立体光刻及其应用
激光微细立体光刻技术 是将先进的快速成形技
［(］
激光微细加工技术在同基于 "< 工艺的微细加工 技术相比， 表现出对 *9*) 微细加工材料、 生产批量、 微结构几何自由度等方面有广泛的生产柔性， 以及准 分子激光以其高空间分辨率和冷加工特性在 *9*) 材 料制备、 激光 !"#$、 微流体全分析系统、 微光学构件以 及 *9*) 封装等微制造领域得到了广泛的重视与研 究。 参
・ C ・ 万方数据
［&］
)*+ 工业与平板显示器等。
图’
采用动态掩膜制作 的微流体通道
图&
采用动态工件制作 的微光学表面
!
激光 "#$% 技术及其应用
它是德文光 ,-./ 是德国学者发明的微制造技术， 刻 （ ,0123456708） 、 电铸 （.69:6;3735<=;4） 、 模铸 （/>735<=;4）
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［@］ 术 用准分子激光深层刻蚀代替 ? 射线光刻， 从而避 开了高精密的 ? 射线掩膜制作、 套刻对准等技术难
题， 同时激光光源的经济性和使用的广泛性大大优于 同步辐射 ? 光源， 从而大大降低 ,-./ 工艺的制造成 本， 使 ,-./ 技术得以广泛应用。尽管激光 ,-./ 技术 在加工微构件高径比方面比 ? 射线差， 但对于一般的 微构件加工完全可以接受。此外， 激光 ,-./ 工艺不 而是 “直写” 刻蚀， 象 ? 射线光刻需要化学腐蚀显影， 因而没有化学腐蚀的横向浸润腐蚀影响， 加工边缘陡 直， 精度高， 光刻性能优于同步 ? 射线光刻。激光 ,-% ./ 技术与 ? 射线 ,-./ 技术的对比见表 ’。
图$ 准分子激光微强 加工系统原理图
的缩写， 主要包括三个工艺： 深层同步辐射软 ? 射线 光刻、 电铸成型及铸塑。它最大的特点是能制作高径 比很大的塑料、 金属、 陶瓷的三维微结构， 广泛应用于 微型机械、 微光学器件制作、 装配和内连技术、 光纤技 术、 微 传 感 技 术、 医 学 和 生 物 工 程 方 面。从 而 成 为 美、 欧等国 !"!# 极其重要的一种微制造技术。目前， 已有运用 ,-./ 技术批量生产微构件商品销售。 缺 ,-./ 技术具有优越的微结构制造性能的同时， 点同 样 突 出， 同 步 ? 射 线 价 格 昂 贵。激 光 ,-./ 技
!"!# 主要微制造技术对比
精度 B B B C （B） C B B C B 高宽比 粗糙度 B B C B C B B B B B B B B B C C B C B B 几何自 由度 B C B B B B B B C C 材料范围 金属、 聚合物、 陶瓷 金属、 聚合物 金属、 聚合物、 陶瓷 聚合物 金属、 半导体、 陶瓷 金属、 半导体 非铁金属、 聚合物
关键词： 激光微细加工
微机电系统
激光 $%&’ 微细立体光刻
微制造
(
!"!# 及其微制造技术概述
微机电系统 （!"!#） 是微电子技术的延伸与拓宽，
［=］ 上述各类技术的对比分析如表 7 所示 。
表(
技术 289) 技术 刻蚀技术 准分子 激光 微细立 体光刻 微细电 火化 2$?’ 金刚石 精密切削 最小尺寸 B B B C （B） C （B） C B B B
表& 激光 "#$% 技术与 ’ 射线 "#$% 技术对比
? 射线 ,-./ 掩膜类型 微结构形态 横向精度 高宽比 生产类型 铬掩膜、 中间掩膜、 动态掩膜 准三维微结构 数百纳米 大于 $AA 批量生产 激光 ,-./ 无掩膜 （仅需可变孔） 接近三维结构 几个微米 小于 $A 快速成形、 批量生产
激光微细加工技术及其在 !"!# 微制造中的应用
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潘开林!"
陈子辰"
傅建中!
（!浙江大学生产工程研究所 摘
"桂林电子工业学院）
阐述了各种激光微细加工技术的原理、 特点， 主要包括准 要： 文章综述了当前 !"!# 各类微制造技术， 分子激光微细加工技术、 激光 $%&’ 技术、 激光微细立体光刻技术等， 以及它们在 !"!# 微制造中 的应用。
它不但具有信号处理能力， 而且具有对外部世界的感 知功能和执行功能， 在此基础上可开发出高度智能、 高 功能密度的新型系统。!"!# 器件与系统未来将成为 多个领域的核心， 其作用与以 $%& 为代表的集成电路 构成当今电子系统的核心一样。鉴于 !"!# 技术的重 要技术经济潜力和战略地位， 引起了世界各国的高度 重视。!"!# 主要是美国学者的称谓， 在日本称为微 机械， 在欧洲称为微系统。此外， 微技术在不同的学科 与应用领域， 还有类似的不同的专业或行业术语， 如生 物技术领域的基因芯片 （ ’() 芯片） 、 生物芯片 （ *+,， 分析化学领域的微全流体分析系统 （ 01)#） 、 芯 $.+/） 片实验室 （ 234 ,5 $.+/） ， 与光学集成形成微光机电系 统 （!6"!#） 等。 其微制造技术 !"!# 是从微电子技术发展而来， 主要沿用微电子加工技术与设备。微电子加工技术与 设备价格昂贵， 适合批量生产。由于微电子工艺是平 面工艺， 在加工 !"!# 三维结构方面有一定的难度。 目前， 通过与其它学科的交叉渗透， 已研究开发出以下 一些特定的 !"!# 微制造技术。 （7） 289) 技术 289) 和准 289) 技术最大的特点 是可制出高径比很大的微构件， 但缺点同样突出， 成本 高。 材料去除加工技术 这类技术主要包括准分 （:） ［7 ; <］ ［=］ 子激光微细加工 、 微细电火花加工 、 以牺牲层技 术为代表的硅表面微细加工、 以腐蚀技术为主体的体 硅加工技术、 电子束铣、 聚焦离子束铣等。 材料淀积加工技术 这类技术主要包括激光 （>） ［@、 A］ 辅助淀积 （ 2$?’） 、 微细立体光刻 、 电化学淀积等。
&B 加速度传感器是一种结构相当复杂的 !"!# 系统， 采用一般的微细加工方法工艺复杂， 且难以保障
其性能。采用激光 !"#$ 技术与牺牲层技术相结合的 方法， 只需简单的工艺就能可靠地制作出 %& 加速度 传感器， 如图 ’。
此外， 激光光源以及光学系统性能的改进与提高， 都为激光微细立体光刻技术的推广应用创造了有利条 件。
) 准分子激光直写微细加工及其在 !"!# 中 的应用
准分子激光以其高分辨率、 光子能量大、 冷加工、
・ = ・
直写加工特性以及对加工材料广泛的适应性使其成为 一种重要的 !"!# 微细加工技术。其加工系统原理如 图 $。 在准分子激光微细加工系统中， 大多采用掩膜投 影加工， 也可以不用掩膜， 直接利用聚焦光斑刻蚀工件 材料， 综合激光光束扫描运动与 !% " 工作平台的相对 运动以及 # 方向的微进给， 实现 三维微结构加工， 其原理与快速 成型制造系统类似。一般的光 束处理与调整环节包括准分子 激光器、 声光调制器、 衰减器、 光 束匀化器与显微物镜等。声光 调制器控制准分子激光的通断； 衰减器调节激光束能量； 光束匀 化器使激光光强分布均匀化； 显 微物镜用于光束聚焦。 为了满足不同的加工批量与结构形状需求， 按在 加工过程中掩膜与工件 （工作台） 之间的相对关系可以 将准分子激光微细加工系统分为三类 。 （$） 静态掩膜与工件 在该模式加工过程中， 掩膜与工件都保持静止。 加工的微结构小而简单， 或由规则的几何形状重复构 成。该方法主要用来加工微细孔。对于其它复杂形状 的微结构， 只要在掩膜上激光光束区包含该图形， 则可 以加工。严格地说， 该方法只能加工平面结构， 无法加 工真正意义上的三维微结构。该方法有两种改进加工 模式： 一是当基本的图形单元加工完成后， 工件在水平 方向运动一定位置， 重复加工掩膜图形； 二是当某一掩 膜图形加工完成后， 更换另一掩膜， 直到所有掩膜加工 完毕。 （’） 动态掩膜或工件 在该模式加工过程中， 掩膜或工件有一方在运动。 通过精确控制在深度方向的能量梯度 （脉冲数不同） ， 从而可以制作斜面结构。该加工特性使其在微流体器 件、 !("!# 制作方面具有广泛的用途。采用动态掩膜 制作微流体通道与动态工件制作微光学的应用实例如 图 ’ 与图 & 所示。 （&） 动态掩膜与工件 （同步） 在该模式加工过程中， 掩膜与工件保持同步运动， 因而该模式又称为同步扫描。由于掩膜投影有一定的 缩小倍数 （ $） ， 因此必须精确控制掩膜的运动位移是 工件的 $ 倍。该加工模式主要用于前述加工模式无 法达到的较大图形的加工， 主要应用领域为图形印刷、
万方数据
好、 较差、 很差， 注： 表中 B B 、 B、 C、 C C 分别表示很好、 B C 表示不同 应用条件下的相对效果， 括号内的 “B” 表示最新研究有所进展。
在目前 !"!# 微细加工技术的研究与应用中， 激 光微细加工技术得到了广泛的关注与研究。激光微细 加工制造商宣称激光微细加工技术具有： 非接触工艺、 有选择性加工、 热影响区域小、 高精度与高重复率、 高 的零件尺寸与形状的加工柔性等优点。 实际上， 激光微细加工技术最大的特点是 “直写” 加工， 简化了工艺， 实现了 !"!# 的快速原型制造。此 外， 该方法没有诸如腐蚀等方法带来的环境污染问题， 可谓 “绿色制造” 。 在 !"!# 微制造中主要采用的激光微细加工技术 有： 激光直写微细加工、 激光 289)、 激光微细立体光刻 等， 下面分别加以介绍。