MEMS加工技术介绍

点击次数:   更新时间:2020-08-19 04:18     作者:im电竞

  传统机械加工方法指利用大机器制造小机器,再利用小机器制造微机器。可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置,例如微型机械手、微型工作台等。

  传统机械加工方法以日本为代表,日本研究MEMS的重点是超精密机械加工,因此他们更多的是将传统机械加工进行微型化。

  此加工方法可以分为两大类:超精密机械加工及特种微细加工。超精密机械加工以金属为加工对象,用硬度高于加工对象的工具,将对象材料进行切削加工,所得的三维结构尺寸可在0.01mm以下。此技术包括钻石刀具微切削加工、微钻孔加工、微铣削加工及微磨削与研磨加工等。

  特种微细加工技术是通过加工能量的直接作用,实现小至逐个分子或原子的切削加工。特种加工是利用电能、热能、光能、声能及化学能等能量形式。常用的加工方法有:电火花加工、超声波加工、电子束加工、激光加工、离子束加工和电解加工等。超精密机械加工和特种微细加工技术的加工精度已达微米、亚微米级,可以批量制作模数仅为0.02左右的齿轮等微机械元件,以及其它加工方法无法制造的复杂微结构器件。

  以美国为代表的硅基MEMS技术是利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工,形成硅基MEMS器件。这种方法可与传统的IC工艺兼容,并适合廉价批量生产,已成为目前的硅基MEMS技术主流。

  体微加工技术是对硅的衬底进行加工的技术。一般采用各向异性化学腐蚀,利用单晶硅的不同晶向的腐蚀速率存在各向异性的特点而进行腐蚀,来制作不同的微机械结构或微机械零件,其主要特点是硅的腐蚀速率和硅的晶向、搀杂浓度及外加电位有关。

  另一种常用技术为电化学腐蚀,现已发展为电化学自停止腐蚀,它主要用于硅的腐蚀以制备薄面均匀的硅膜。利用此技术可以制造出MEMS的精密三维结构。

  体微加工技术主要通过对硅的深腐蚀和硅片的整体键合来实现,能够将几何尺寸控制在微米级。由于各向异性化学腐蚀可以对大硅片进行,使得MEMS器件可以高精度地批量生产,同时又消除了研磨加工所带来的残余机械应力,提高了MEMS器件的稳定性和成品率。

  表面微加工技术是在硅片正面上形成薄膜并按一定要求对薄膜进行加工形成微结构的技术,全部加工仅涉及到硅片正面的薄膜。是在20世纪80年代由美国加州大学Berkeley分校开发出来的,它以多晶硅为结构层,二氧化硅为牺牲层。表面微加工技术与集成电路技术最为相似,其主要特点是在“薄膜+淀积”的基础上,利用光刻、腐蚀等IC常用工艺制备微机械结构,最终利用选择腐蚀技术释放结构单元,获得可动的二维或三维结构。

  用这种技术可以淀积二氧化硅膜、氮化硅膜和多晶硅膜;用蒸发镀膜和溅射镀膜可以制备铝、钨、钛、镍等金属膜;薄膜的加工一般采用光刻技术,如紫外线光刻、X射线光刻、电子束光刻和离子束光刻。通过光刻将设计好的微机械结构图转移到硅片上,再用等离子体腐蚀、反应离子腐蚀等工艺来腐蚀多晶硅膜、氧化硅膜以及各种金属膜,以形成微机械结构。

  这一技术避免了体微加工所要求的双面对准、背面腐蚀等问题,与集成电路的工艺兼容,且工艺成熟,可以在单个直径为几十毫米的单晶硅基片上批量生成数百个MEMS装置。

  深层刻蚀技术指深层反应离子向硅芯片内部刻蚀,刻蚀到芯片内部的一个牺牲层,并在刻蚀完成后被腐蚀掉,这样本来埋在芯片内部的结构就可以自由运动。

  深层刻蚀技术属于微机械加工方法LIGA的一种,LIGA方法是指采用同步X射线深层光刻、微电铸制模和注塑复制等主要工艺步骤组成的一种综合性微机械加工技术。

  利用LIGA技术可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料,得到大深宽比的精细结构,其加工深度可达几百微米。

  可制作高度达数百至1000μm,深宽比可大于200,侧壁平行偏离在亚微米范围内的三维立体微结构;

  对微结构的横向形状没有限制,横向尺寸可以小到0.5μm,精度可达0.1μm;

  LIGA的主要工艺步骤如下:在经过X光掩模制版和X光深度光刻后,进行微电铸,制造出微复制模具,并用它来进行微复制工艺和二次微电铸,再利用微铸塑技术进行微器件的大批量生产。

  由于LIGA所要求的同步X射线源比较昂贵,所以在LIGA的基础上产生了准LIGA技术,它是用紫外光源代替同步X射线源,虽然不能达到LIGA加工的工艺性能,但也能满足微细加工中的许多要求。而由上海交通大学和北京大学联合开发、具有独立知识产权的DEM技术,也是LIGA技术中的一种。该技术采用感应耦合等离子体深层刻蚀工艺来代替同步辐射X光深层光刻,然后进行常规的微电铸和微复制工艺,该技术因不需要昂贵的同步辐射X光源和特制的X光掩摸板而具有广泛的应用前景。

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