激光微细加工技术及其在MEMS微制造中的应用

1、SpecialReports2002年第3期综述激光微细加工技术及其在MEMS微制造中的应用LaserMicromachiningandItsApplicationintheMicrofabricationofMEMS潘开林陈子辰傅建中(浙江大学生产工程研究所桂林电子工业学院)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LIGA1所示5。表1MEMS主要微制造技术对比技术LIGA1MEMS及其微制造技术概述微机电系

2、统(ME,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。MEMS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MEMS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。MEMS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(uTAS)、芯最小尺寸+-(+)-(+)+精度+-(+)+-+高宽比粗糙度+-+-+-+-+几何自由度+-+-

3、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、聚合物技术准分子激光微细立体光刻微细电火化LCVD金刚石片实验室(LabonChip),与光学集成形成微光机电系统(MOEMS)等。MEMS是从微电子技术发展而来,其微制造技术注: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MEMS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

4、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MEMS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MEMS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LIGA、激光微细立体光刻等,下面分别加以介绍。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MEMS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MEMS微制造技术。(1)LIGA技术LIGA和准LIGA技术最大的特点是可制出高径比很大的微构件,但缺

5、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14、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7辅助淀积(LCVD)、微细立体光刻6、电化学淀积等。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、5综述SpecialReports2002年第3期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MEMS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

6、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;PCB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,它是德文光(Galvanoformung)、模铸(Abformung),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

7、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MEMS极其重要的一种微制造技术。目前,美、欧等国已有运用LIGA技术批量生产微构件商品销售。LIGA技术具有优越的微结构制造性能的同时,缺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,

8、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)动态掩膜或工件点同样突出,同步X射线价格昂贵。激光LIGA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LIGA工艺的制造成本,使LIGA技术得以广泛应用。尽管激光LIGA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LIGA工艺不象

9、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LIGA技术与X射线LIGA技术的对比见表2。表2激光LIGA技术与X射线LIGA技术对比X射线LIGA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、MOEMS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

10、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、6激光LIGA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、动态掩膜无掩膜(仅需可变孔)准三维微结构数百纳米大于100批量生产接近三维结构几个微米小于10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MEMS系统,采用一般的微细加工方法工艺复杂,且难以保障SpecialReports2002年第3期其性能。采用激光LIGA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3D加速度传感器,如图4。综述此外,激光光源以及

11、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。图5无支撑层工艺与传统工艺对比及其应用示意图4激光LIGA技术与牺牲层技术结合制作的3D加速度计5IC工艺的微细加工MEMS微细加工材料、生产批量、,以及准分子激光以其高空间分辨率和冷加工特性在MEMS材料制备、激光LIGA、微流体全分析系统、微光学构件以及MEMS封装等微制造领域得到了广泛的重视与研究。参考文献1MalcolmGower.Excimerlasermicrofabricationandmicromachining,Pro2ceedingsofSPIE2000,40882IsamuMiyamoto,Tos

12、hihikoOoieetc.LaserPrecisionMicrofabricaioninJapan.ProceedingsofSPIE2000,4088andApplicationsintheProductionof3DMicro-structuresbyLaserMicro-ma2chining.ProceedingsofSPIE1999,38985Heeren,P.-H.etc.Microstructuringofsiliconbyelectro-dischargemachin2ing(EDM)-part:application,SensorsandActuators,A61,1997.

13、6LaurenceBeluze,ArmaudBertschandPhilippeRenaud.Microstere2olithography:anewprocesstobuildcomplex3Dobjects.SPIE1999,36807Ikuta,K.,Maruo,S.andKojima,S.Newmicrostereolithogaphyforfreelymovable3Dmicrostructure,Proc.ofIEEEInternationalWorkshoponMicroElectroMechanicalSystem(MEMS98),1998.8M.Abraham,J.Arnol

14、d,W.Ehrfeld,K.Hesch,etc.Laser-LIGA:ACostSavingProcessforFlexibleProductionofMicrostructures,ProceedingsofSPIE1995,26394激光微细立体光刻及其应用激光微细立体光刻技术6术主要是立体光刻(SLA)工艺,故,称为微细立体光刻(或uSL)。同其他微细加工技术相比,微细立体光刻技术最大的特点是不受MEMS器件或系统结构形状的限制,可以加工包含自由曲面在内的任意三维结构。此外,该技术还有加工时间短、成本低、加工过程自动化等优点,为MEMS批量化生产创造了有利条件。该技术的局限性在于两方面:

15、一是精度较低。目前基于快速成型的m左MEMS微细加工技术的最高水平方向的精度在1右,垂直方向的精度大约在3m左右,显然这一精度无法同基于IC的硅微细加工工艺相比。二是使用材料受到一定的限制。目前的树脂材料在电性能、机械性能、热性能方面与硅材料相比有一定的差距。由于激光微细立体光刻技术的固有优势,得到了大力研究与开发。近年来,在提高精度与效率方面有如下发展方向:(1)以面曝光代替点曝光,从而进一步缩短加工时间,提高生产效率;(2)在材料方面,研究开发出更高分辨率的光固化树脂,如已研究开发出的双光近红外光聚合树脂,为高精度制造奠定了良好基础;(3)在工艺方面,研究开发无需任何支撑结构或牺牲层的工艺7,以及与平面微细加工工艺的集成,从而进一步简化工艺,提高加工精度与