详解MEMS的材料及制造加工技术

微机电系统有多种原材料和制造技术,根据应用、市场等性能需求的不同进行选择。

  微机电系统(Microelectromechanical  Systems,缩写为 MEMS)是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术,它的操作范围在微米范围内。微机电系统在日本被称作微机械(micromachines),在欧洲被称作微系统技术(Micro Systems Technology,MST)。

  微机电设备的尺寸通常在20微米到一毫米之间,它们内部通常包含一个微处理器和若干获取外界信息的微型传感器。微机电系统的加工技术由半导体加工技术改造而来,使其可以应用到实际当中,而后者一般用来制造电子设备。微机电系统有多种原材料和制造技术,根据应用、市场等性能需求的不同进行选择。


  一、MEMS的材料

  1、硅

  硅是用来制造集成电路的主要原材料。由于在电子工业中已经有许多实用硅制造极小的结构的经验,硅也是微机电系统非常常用的原材料。硅的物质特性也有一定的优点。单晶体的硅遵守胡克定律,几乎没有弹性滞后的现象,因此几乎不耗能,其运动特性非常可靠。此外硅不易折断,因此非常可靠,其使用周期可以达到上兆次。

  一般微机电系统的生产方式是在基质上堆积物质层,然后使用平板印刷和蚀刻的方法来让它形成各种需要的结构。

  2、高分子材料

  虽然电子工业对硅加工的经验是非常丰富和宝贵的,并提供了很大的经济性,但是纯的硅依然是非常昂贵的。高分子材料非常便宜,而且其性能各种各样。使用注射成形、压花、立体光固化成形等技术也可以使用高分子材料制造微机电系统,这样的系统尤其有利于微液体应用,比如可携测血设备等。

  3、金属

  金属也可以用来制造微机电系统。虽然比起硅来金属缺乏其良好的机械特性,但是在金属的适用范围内它非常可靠。


  二、MEMS加工技术

  ①、传统机械加工方法

  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。

  ②、硅基MEMS技术

  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。

  当前硅基微加工技术可分为体微加工技术、表面微加工技术。

  体微加工技术:

  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:

  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。


  ③、深层刻蚀技术

  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。

  LIGA技术与其它立体微加工技术相比有以下特点:

  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;

  用材广泛,金属、合金、陶瓷、玻璃和聚合物都可以作为LIGA的加工对象;

  与微电铸、铸塑巧妙结合可实现大批量复制生产,成本低。

  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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