激光微细加工技术及其在MEMS微制造中的应用

　　1　MEMS及其微制造技术概述

　　微机电系统(MEMS)是微电子技术的延伸与拓宽,它不但具有信号处理能力,而且具有对外部世界的感知功能和执行功能,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)、芯片实验室(Lab on Chip),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辅助淀积(LCVD)、微细立体光刻[6、7]、电化学淀积等。上述各类技术的对比分析如表1所示[5]。

　　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。

　　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、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。