体微加工技术在MEMS中的应用

    微系统技术兴起于20世纪80年代后期,一般可定义为由微米和纳米加工技术制作而成的,融机、电、光、磁以及其他相关技术群为一体的,可以活动和控制的微工程系统。人们常称为微机电系统(MEMS)或微系统技术(MST)^[1]。它是以微传感器、微执行器、微信号处理电路以及外部环境接口为基本模块组成的、自动性能高的、可以活动和控制的、机电合一的微机械装置。其基本特点是体积小、质量轻、功耗低。可广泛应用在航空航天、生物医学、精密仪器、信息科学、通讯、环境保护、军事等领域,如今已经成为欧洲、美国、日本等发达国家争先投资开发的热点。它的成功将给人类生活带来新的革命。微机电系统的基础是由微电子加工技术发展过来的微结构加工技术,包括表面微加工技术和体微加工技术。其中体微加工技术是MEMS中微传感器、微执行器制造中最重要的加工技术。本文主要介绍了三种体微加工技术:以加工金属、聚合物以及陶瓷为主的LIGA技术、先进硅刻蚀技术(ASE)和石英晶体深槽湿法刻蚀技术。

    1　LIGA技术

    LIGA是德文Lithographie,Galvanoformung,Abformung 3个词,即光刻、电铸及注塑的缩写。LIGA技术是一种基于X-射线光刻技术的体微加工工艺。用它可加工出高度为数百乃至数千微米,而宽度只有1μm、形状精度达亚微米级的三维结构。它可加工各种金属、合金、陶瓷、塑料及聚合物等材料。LIGA技术自从20世纪80年代初由德国卡尔斯鲁尔原子研究中心开发而成后,发展非常迅速,在德国、美国、日本都广泛开展了该技术领域的研究,已开发和制造出微齿轮、各种微过滤器、微加速度传感器、微陀螺仪、微型涡轮、微马达和微光谱仪等多种微结构器件。

    LIGA技术的典型工艺过程如图1所示^[2]。包括X-射线同步辐射光刻、金属电铸及注塑成型3个过程。

    1.1　X-射线光刻

    LIGA技术的核心工艺是X-射线同步辐射光刻,只有刻蚀出较理想的抗蚀剂图形,才能保证后续工艺的质量。图1(a)、(b)描述了X-射线光刻的形成:首先在衬底上淀积聚合物抗蚀剂层,厚度约10～1 000μm;再用同步X-射线辐射曝光,把掩模版上的图案传递到抗蚀剂层中;最后用化学腐蚀法(显影)刻蚀掉曝光了的抗蚀剂层,就形成了电镀用的初级聚合物结构。

    在X-射线光刻中,制作X-射线掩模版是最重要的一个步骤。LIGA工艺的掩模版要求有高的吸收性和较薄的金属薄片载体。目前一般是在2μm厚的钛薄片上镀上10μm厚的金作为X-射线掩模版。在X-射线光刻中使用的抗蚀剂一般是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),常被直接聚合在基底金属板上。