AZ4903光刻胶在微电机定子绕组制作中的应用

微电机作为微电子机械系统(MEMS)的核心器件和驱动源,对整个系统的性能起着举足轻重的作用。有关微电机的研究一直是MEMS研究的热点之一。使用寿命短和输出力矩小[1,2]等缺点一直是阻碍微电机实现实用化、市场化的主要瓶颈,也成为微电机研究的重要内容。其中,输出力矩小主要是由于电机结构以及当前利用微机械工艺制作的微电机绕组线圈厚度小造成的。可见,提高电机的输出力矩不但要考虑其结构,还要设法提高线圈厚度。

本文提出了一种利用微机械体硅及LIGA(德文Lithographie, Galvanoformung, Abfomung的缩写)工艺制作具有单定子双转子结构的电磁型平面微电机的方法。为提高其输出力矩,定子绕组采用双面结构,制作中采用AZ4903光刻胶来增加绕组线圈的厚度,从而减小绕组的阻值,增加电机的输出力矩。由于AZ4903属于厚胶,制作过程中线条陡直度、光滑性及光刻、显影等工艺条件的选择一直是该工艺需要解决的问题。国内外虽然有一些利用该系列光刻胶制作MEMS器件的相关介绍[3 6],但在详细制作工艺条件方面还未见报道。

1　电机结构及其制作工艺

1.1　电机结构

图1是该电机的结构简图,由图可知,该电机采用了单定子双转子的平面结构,转子对称分布于定子两侧,从而增加了电机的输出力矩。转子采用铝铁硼永磁材料轴向充磁得到,定子绕组(图2)双面排布,呈辐射状均布于硅基底上,正、反两面通过过线孔连接。这种连接方式从结构上解决了轴向电机单边拉力的问题。平面结构保证了定子线圈的电流密度大,散热性好,提高了电机的工作效率。

1.2　定子绕组制作工艺

电机定子绕组制作工艺流程如图3所示。首先,取一片洁净、干燥的硅片(图3a),对其进行氧化处理(图3b)后对硅片甩胶、光刻、显影,得到图3c所示的过线孔窗口,然后利用ICP工艺对硅片干法刻蚀,得到绕组的过线孔(图3d)。再通过双面溅射铜(图3e)、双面甩胶、双面光刻(图3f)、双面电铸等工艺,得到定子绕组(图3g),再通过去胶(图3h)、去除种子层的铜膜等工艺,得到完整的定子绕组线圈(图3i)。

由上述工艺流程可知,AZ4903的光刻效果对定子绕组的厚度、侧壁陡直度、线条边缘的平滑度等有着较大影响。工艺条件的选取是非常重要的。

2　理想工艺条件的确定

定子绕组制作过程中AZ4903工艺条件的研究包括甩胶、前烘、光刻、显影等。

2.1　甩胶过程中转速与胶膜厚度关系的确定

胶膜厚度是微机械工艺中一个非常重要的参数,其数值直接影响后面的前烘及光刻、显影时间的选择。AZ4903工艺条件的摸索是在MA6/BA6匀胶机上完成的。在甩胶时间为20 s的情况下,通过实验,得到一系列与转速对应的胶膜厚度的数据如图4所示。由图4看出,在1×103～5×103r/min常用转速范围内,转速与胶膜厚度基本上为线性关系,在低于1×103r/min时,厚度变化较大,呈非线性关系。依据最小二乘法得到在1×103～5×103r/min范围内甩胶速度与胶膜厚度线性关系方程为