金属三维微结构加工技术的研究

　　0　引言

　　微型机电系统(Micro Electromechanical System, MEMS)是在集成电路(Integrated Circuit, IC)加工工艺的基础上发展起来的,涉及机械、电子、材料等多门学科,具有体积小、可批量生产、性能高、成本低等优点,被认为是21世纪最有发展潜力的高科技产业^[1]。

　　MEMS的制作主要基于两大技术:IC技术和微机械加工技术,其中基于传统的IC技术,主要用于制作MEMS中的信号处理和控制系统;而微机械加工技术则主要包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGA技术、准LIGA技术、晶片键合技术和微机械组装技术等^[2]。由于侧壁陡直、深宽比大的微结构不仅可以提高微型器件的性能,而且还能增加微型器件的强度,防止因机械失效或应力集中产生的破坏,因此,三维微结构的制作技术成为了MEMS加工的关键技术之一。

　　现有的三维微细加工技术主要有:以IC工艺为基础的硅三维微结构制作技术,以同步辐射X射线曝光为基础的LIGA技术及采用紫外光曝光的准LIGA技术等。以IC工艺为基础的硅三维微结构制作技术利用SU-8系列负性胶可望形成深宽比大、侧壁陡峭的微结构,但在传统的去胶液中,SU-8光刻胶会膨胀变形,从而可能导致图形的失败。而LIGA技术需要昂贵的同步辐射光源和特制的LIGA掩模板,加工周期长^[3]。为此,基于深刻蚀技术和金属电镀技术,提出利用感应耦合等离子体(ICP: Inductively Coupled Plasma)刻蚀设备进行硅刻蚀,以此刻蚀后的高深宽比图形作为模具,进行电镀,然后刻蚀去除硅,从而得到金属三维微结构。该加工技术可望为非硅三维微加工工艺技术的研究提供一定的思路和支持。

　　1　实验设计

　　1.1　ICP-RIE刻蚀技术

　　ICP-RIE刻蚀技术主要用于进行硅的深层刻蚀^[4],该工艺利用了感应耦合等离子体和侧壁钝化工艺(Sidewall PassivationProcess)等技术,可对硅材料进行高深宽比三维微加工,其加工厚度可达几百μm,侧壁垂直度为90°±0·3°,刻蚀速率每min可达2·5μm.在OFPR800 30 CP的正胶掩膜下,其深宽比可达10:1,而用SiO₂作掩膜,其深宽比可达20:1。

　　ICP-RIE刻蚀有两个主要过程:离子辅助的干法化学刻蚀和聚合物淀积。SF₆分解成为中性的氟分子和离子。氟分子通过扩散刻蚀硅,氟离子在等离子鞘的加速下到达沟道的底部,并去除聚合物,C₄F₈的化学变换形成了保护层。

　　DRIE的化学反应过程描述如下:

　　式(1)代表了SF₆的分解。S_xF_y离子去掉底部形成的聚合物。式(3)描述了碳氟聚合物的离子化,式(4)表示CF_x转化成为腐蚀阻挡层CF₂。不能被离子去掉的聚合物层将被氟分子刻蚀掉。