激光微细加工技术及其在MEMS微制造中的应用讲解

1、SpecialReports 2002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LaserMicromachi ningan dItsApplicati onin theMicrofabricati ono fMEMS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。表1 MEMS主要微制造技术对比 技术LIGA1 ME

2、MS及其微制造技术概述微机电系统(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+ +-(+)

3、+-+高宽比粗糙度+-+-+-+-+ +几何自 由度+-+-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

4、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 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。

5、(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ME

6、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声光岁制器II衰去器II掩膜V七显微物镜05乙戶工祚台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0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(A

7、bformung)，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

8、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

9、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

10、、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

11、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SpecialReports 2002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4if(b>?D :川谨唯计的袒丸催需构O综述此外,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O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LIG

12、A、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.Excimerlasermicrofabricatio nan dmicromachi nin g,Pro2ceedi ngsofSPIE2000,40882 lsamuMiyamoto,ToshihikoOoieetc.LaserPrecisio nMicrofabricaio ninJapa n.Proceed in gsofSPIE2000,40883 NadeemH.Rizivi,PhilT.Rumsby,MalcolmC.Gower.NewDevelopme nts

13、an dApplicatio nsi ntheProductio no f3DMicro-structuresbyLaserMicro-ma2chi nin g.Proceedi ngsofSPIE1999,38984Gle nnO gura,BoGu.ReviewofLaserMicromachi ninginCon tractMa nu fac2turi ng.SPIE199 8,32744 Heere n,P.-H.etc.Microstructuri ngofsilico nbyelectro-dischargemachi n2in g(EDM)- partn :application

14、,SensorsandActuators,A61,1997.6Laure nceBeluze,ArmaudBertscha ndPhilippeRe naud.Microstere2 olithography:a newprocesstobuildcomplex3Dobjects.SPIE1999,36807 lkuta,K.,Maruo,S.a ndKojima,S.Newmicrostereolithogaphyfor freelymovable3Dmicrostructure,Proc.oflEEEI nternatio nalWorkshop on MicroElectroMe cha

15、nicalSystem(MEMS ' 98),1998.8 M.Abraham,J.Arnold,W.Ehrfeld,K.Hesch,etc.Laser-LIGA:ACostSavi ngProcessforFlexibleProductio nofMicrostructures,Proceedi ngsofSPIE1995,2639 4激光微细立体光刻及其应用激光微细立体光刻技术 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，

16、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：一是精度较低。目前基于快速成型 的叩左MEMS微细加工技术的最高水平方向的精度在1卩右，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