基于微压印成形的三维微电子机械系统制造新工艺

　　微电子机械系统(MEMS)加工技术主要包括硅微加工以及光刻、电铸、塑铸(LIGA)技术和精密机械加工技术,而硅微加工技术主要依照表面硅微加工技术和体硅微加工技术的主线发展.表面硅微加工技术的主要不足在于所能制作的薄层厚度十分有限,使其承载能力受到限制.体硅微加工技术中的湿法腐蚀工艺受到精度不高的局限,而干法刻蚀则存在着加工效率低和成本高的问题.LIGA技术的特点是可以制作高深宽比的三维微结构,但它需要昂贵的同步辐射X光光源和特制的X光掩膜板,而且与微电子工艺的兼容性较差.超精密机械加工技术能够制造出大尺寸和小公差器件,该技术在平面加工与简单回转面加工方面有一定优势,但在三维复杂曲面加工方面有一定局限性,并且难以与集成电路(IC)工艺兼容[1,2].

　　目前,MEMS技术已取得了很大进展,一些器件已实用化,但是在加工工艺方面仍存在以下问题:①加工精度和效率有待于提高;②由于加工产品的形状受到极大的限制,因此三维加工能力明显不足;③加工设备过于复杂和昂贵.为此,本文研究了MEMS制造的新工艺.

　　1　工艺原理

　　1.1　快速成型在MEMS中的应用

　　快速成型(RP)是一种数字化的降维制造技术,它把三维的复杂形体和结构离散为一个二维层片、一维丝线或零维点的集合,然后操纵材料单元定点堆积,自下而上地组成实体.基于传统RP技术的MEMS制造技术虽然解决了制造效率低、成本高、三维制造能力有限等问题,但仍然存在着精度不高和所使用的材料受限制等问题[3O5].

　　1.2　微压印光刻技术

　　为了突破现有光刻技术光学透镜极限的限制,微压印光刻技术是提出的几种被称为下一代光刻技术的其中之一,其工艺过程为:①采用电子束直写刻蚀技术在石英板上刻蚀出图形母板;②铺胶;③下压使模板与抗蚀剂薄膜接触并使底膜达到预定厚度;④紫外光照射使抗蚀剂发生固化聚合反应,模板上图形的反型将被复制在抗蚀剂表面;⑤在抗蚀剂的掩蔽下采用等离子刻蚀的方法刻蚀出设计的图形[6,7].

　　1.3　微压印成形三维MEMS器件的制造工艺

　　本文提出的工艺方法利用微压印光刻技术的高精度弥补了RP技术中精度不高的不足,同时结合RP技术很好地解决了MEMS制造中三维加工能力不足的问题.工艺过程如图1所示:①根据所要获取材料的不同选择合适的薄膜淀积方式,如采用化学气相沉积(CVD)、化学镀、蒸发淀积、溅射淀积等方式生成MEMS器件基材薄层,然后涂铺光刻胶(图1a);②压印使某一层的特征向抗蚀剂薄层上转移,合模后利用紫外光透射模板,使光固化材料薄层上的MEMS器件的某一层图案固化(图1b);③脱模后采用等离子体干法刻蚀工艺去除未被阻蚀胶覆盖的MEMS器件基材的薄层部分,然后清洗掉残余阻蚀胶,获得MEMS器件的某一层(图1c);④在已具有图案的MEMS器件基材薄层上涂铺结构支撑材料,通过化学机械抛光(CMP)来获得确定的薄层厚度(图1d、图1e);⑤重复上述工艺逐层叠加实现三维MEMS器件的制作,成型后加热去除低熔点结构的支撑材料,获得成品(图1f、图1g).