激光微细加工技术及其在MEMS微制造中的应用讲解

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LaserMicromachiningandItsApplicationintheMicrofabricationofMEMS

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LIGA1所示[5]。

表1MEMS主要微制造技术对比

技术

LIGA

1MEMS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

+++--(+)++-+

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。

(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[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

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、

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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,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