激光微细加工技术及其在MEMS微制造中的应用

激光微细加工技术及其在M EMS微制造中的应用La ser Micromachining and I ts Application in the Microfabrication of MEMS

潘开林①②　陈子辰②　傅建中①

(①浙江大学生产工程研究所　②桂林电子工业学院)

摘　要:文章综述了当前MEMS各类微制造技术,阐述了各种激光微细加工技术的原理、特点,主要包括准分子激光微细加工技术、激光LIGA技术、激光微细立体光刻技术等,以及它们在MEMS微制造中的应用。

关键词:激光微细加工　微机电系统　激光LIGA　微细立体光刻　微制造

1　MEMS及其微制造技术概述

微机电系统(ME MS)是微电子技术的延伸与拓宽,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。ME MS器件与系统未来将成为多个领域的核心,其作用与以CPU为代表的集成电路构成当今电子系统的核心一样。鉴于ME MS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。ME MS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(DNA芯片)、生物芯片(Bio-Chip),分析化学领域的微全流体分析系统(uT AS)、芯片实验室(Lab on Chip),与光学集成形成微光机电系统(MOE MS)等。

ME MS是从微电子技术发展而来,其微制造技术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ME MS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ME MS微制造技术。

(1)LIG A技术　LIG A和准LIG A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。

(2)材料去除加工技术　这类技术主要包括准分子激光微细加工[1～4]、微细电火花加工[5]、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。

(3)材料淀积加工技术　这类技术主要包括激光辅助淀积(LC VD)、微细立体光刻[6、7]、电化学淀积等。

上述各类技术的对比分析如表1所示[5]。

表1　MEMS主要微制造技术对比

技术最小尺寸精度高宽比粗糙度

几何自

由度

材料范围LIG A

技术

++++++++

金属、聚合物、

陶瓷

刻蚀技术+-+-+-金属、聚合物

准分子

激光

-(+)-+--+

金属、聚合物、

陶瓷

微细立

体光刻

-(+)-(+)++-++聚合物

微细电

火化

+++++++

金属、半导体、

陶瓷LCVD++-++-+金属、半导体

金刚石

精密切削

+++++--

非铁金属、

聚合物

注:表中++、+、-、--分别表示很好、好、较差、很差,+-表示不同应用条件下的相对效果,括号内的“+”表示最新研究有所进展。

在目前ME MS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ME MS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ME MS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LIG A、激光微细立体光刻等,下面分别加以介绍。

2　准分子激光直写微细加工及其在MEMS中的应用

准分子激光以其高分辨率、光子能量大、冷加工、

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5

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制造技术与机床

2002年第3期

Special R eports综　述

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ME MS 微细加工技术。其加工系统原理如图1。

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X-Y

工作平台的相对运动以及Z 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;光束匀图1　准分子激光微强

化器使激光光强分布均匀化;显

加工系统原理图

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[3]。

(1)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。

(2)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、MOE MS 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2与图3所示。

(3)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(M ),因此必须精确控制掩膜的运动位移是工件的M 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、PC B 工业与平板显示器等

。

图2　采用动态掩膜制作 图3　采用动态工件制作

的微流体通道

的微光学表面

3　激光LIGA 技术及其应用

LIG A 是德国学者发明的微制造技术,它是德文光刻(Lithografie )、电铸(G alvanoformung )、模铸(Abformung )

的缩写,主要包括三个工艺:深层同步辐射软X 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ME MS 极其重要的一种微制造技术。目前,美、欧等国已有运用LIG A 技术批量生产微构件商品销售。

LIG A 技术具有优越的微结构制造性能的同时,缺

点同样突出,同步X 射线价格昂贵。激光LIG A 技术[8]用准分子激光深层刻蚀代替X 射线光刻,从而避开了高精密的X 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X 光源,从而大大降低LIG A 工艺的制造成本,使LIG A 技术得以广泛应用。尽管激光LIG A 技术在加工微构件高径比方面比X 射线差,但对于一般的微构件加工完全可以接受。此外,激光LIG A 工艺不象X 射线光刻需要化学腐蚀显影,而是“直写”刻蚀,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X 射线光刻。激光LIG A 技术与X 射线LIG A 技术的对比见表2。

表2　激光LIG A 技术与X 射线LIG A 技术对比

X 射线LIG A

激光LIG A

掩膜类型铬掩膜、中间掩膜、动态掩膜无掩膜(仅需可变孔)

微结构形态准三维微结构接近三维结构横向精度数百纳米几个微米高宽比大于100小于10生产类型

批量生产

快速成形、批量生产

3D 加速度传感器是一种结构相当复杂的ME MS

系统,采用一般的微细加工方法工艺复杂,且难以保障

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6・综　述Special R eports 制造技术与机床

2002年第3期