高縱橫比MEMS制造技術(shù)的4種方法

深度反應(yīng)離子刻蝕或DRIE是一種相對(duì)較新的制造技術(shù)，已被MEMS社區(qū)廣泛采用。

下面我們來解讀高縱橫比MEMS制造技術(shù)的4種方法。

1、硅的深度反應(yīng)離子刻蝕

深度反應(yīng)離子刻蝕或DRIE是一種相對(duì)較新的制造技術(shù)，已被MEMS社區(qū)廣泛采用。這項(xiàng)技術(shù)可以在硅基板上執(zhí)行非常高的縱橫比蝕刻。蝕刻的孔的側(cè)壁幾乎是垂直的，并且蝕刻深度可以是進(jìn)入硅襯底的數(shù)百甚至數(shù)千微米。

下圖說明了如何完成深度反應(yīng)性離子蝕刻。該蝕刻是干式等離子體蝕刻，并使用高密度等離子體來交替蝕刻硅，并在側(cè)壁上沉積抗蝕刻聚合物層。硅的蝕刻使用SF6化學(xué)方法進(jìn)行，而抗蝕刻聚合物層在側(cè)壁上的沉積則使用C4F8化學(xué)方法。質(zhì)量流控制器在蝕刻期間在這兩種化學(xué)物質(zhì)之間來回交替。保護(hù)性聚合物層沉積在蝕刻坑的側(cè)壁和底部上，但是蝕刻的各向異性將蝕刻坑底部的聚合物去除的速度比從側(cè)壁去除聚合物的速度快。側(cè)壁不完美或光學(xué)上不光滑，如果在SEM檢查下放大了側(cè)壁，則在側(cè)壁上會(huì)看到典型的搓衣板或扇形花紋。大多數(shù)商用DRIE系統(tǒng)的蝕刻速率為每分鐘1-4微米。DRIE系統(tǒng)是單晶片工具。光刻膠可用作DRIE蝕刻的掩膜層。用光致抗蝕劑和氧化物的選擇性分別為約75∶1和150∶1。對(duì)于晶片穿透蝕刻，將需要相對(duì)較厚的光致抗蝕劑掩模層。蝕刻的長(zhǎng)寬比可以高達(dá)30：1，但實(shí)際上往往為15：1。由于系統(tǒng)中的負(fù)載效應(yīng)，工藝配方取決于暴露的硅量，與較小的裸露區(qū)域相比，具有較大的裸露區(qū)域的蝕刻速度要快得多。因此，必須經(jīng)常表征蝕刻的確切掩模特征和深度以獲得理想的結(jié)果。

深反應(yīng)離子蝕刻的工作原理圖

下圖是使用DRIE和晶片鍵合制造的MEMS部件的SEM。使用SOI晶片制造該器件，其中，通過操作晶片執(zhí)行背面蝕刻，停止在掩埋氧化物層上，并且在SOI器件層上執(zhí)行正面DRIE。然后去除掩埋的氧化物以釋放微結(jié)構(gòu)，使其自由移動(dòng)。

在SOI晶片上使用雙面DRIE蝕刻技術(shù)制造的MEMS器件的SEM

下圖是使用DRIE技術(shù)制造的硅微結(jié)構(gòu)的截面SEM?？梢钥闯?，蝕刻非常深入硅襯底，并且側(cè)壁幾乎是垂直的。

硅晶片橫截面的SEM，展示了可以使用DRIE技術(shù)制造的高縱橫比和深溝槽

2、玻璃的深反應(yīng)離子蝕刻

玻璃基板也可以以高深寬比深蝕刻到材料中，并且該技術(shù)已在MEMS制造中獲得普及。圖10顯示了使用該技術(shù)制成的玻璃結(jié)構(gòu)。高深寬比玻璃蝕刻的典型蝕刻速率為每分鐘250至500nm。取決于光致抗蝕劑的深度，金屬或多晶硅可以用作掩模。

高縱橫比結(jié)構(gòu)的SEM蝕刻到由MNX制造的玻璃基板中

3、利加

另一種流行的高長(zhǎng)徑比微加工技術(shù)稱為L(zhǎng)IGA，這是德國(guó)的縮寫，意為“LIthographieGalvanoformungAdformung”。這主要是基于非硅的技術(shù)，需要使用同步加速器產(chǎn)生的X射線輻射?；具^程在下圖中概述，并從將X射線輻射敏感的PMMA澆鑄到合適的基材上開始。特殊的X射線掩模用于使用X射線選擇性曝光PMMA層。然后開發(fā)出PMMA，并將其定義為極其光滑且?guī)缀跬昝来怪钡膫?cè)壁。而且，X射線輻射進(jìn)入PMMA層的穿透深度非常深，并允許通過非常厚的PMMA層進(jìn)行曝光，最大可達(dá)1mm以上。

LIGA工藝中制造高深寬比MEMS器件的步驟說明

發(fā)展之后圖案化的PMMA充當(dāng)聚合物模具，并放置在電鍍?cè)≈?，并且將鎳電鍍到PMMA的開放區(qū)域中。然后去除PMMA，從而保留金屬微結(jié)構(gòu)。

采用LIGA技術(shù)制成的高長(zhǎng)寬比高的齒輪

由于LIGA需要特殊的掩模和同步輻射（X射線）輻射源進(jìn)行曝光，因此此過程的成本相對(duì)較高。降低此過程制成的微加工零件成本的一種方法變型是將制造的金屬零件（步驟5）重新用作工具插件，以將工具的形狀壓印到聚合物層中（步驟3），然后將金屬電鍍到聚合物模具中（步驟4）并移除聚合物模具（步驟5）。顯然，此步驟順序使每次制造零件時(shí)都不需要同步輻射源，從而顯著降低了工藝成本。該過程的尺寸控制非常好，并且在刀片磨損之前可以多次使用。

4、熱壓花

在聚合物材料中復(fù)制深高縱橫比結(jié)構(gòu)的過程是，使用LIGA或類似技術(shù)制造金屬工具嵌件，然后將工具嵌件圖案壓印到聚合物基材中，然后將其用作零件。使用適當(dāng)?shù)闹圃旆椒ǎㄒ院谏幱熬€表示）將倒模制成模具嵌件。將模具插件放入熱壓花系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括一個(gè)可在其中抽真空的腔室。將基材和聚合物加熱到聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以上，并將模具插件壓入聚合物基材中。真空對(duì)于聚合物如實(shí)地復(fù)制模具嵌件中的特征至關(guān)重要，因?yàn)榉駝t空氣會(huì)被截留在兩個(gè)表面之間，從而導(dǎo)致特征變形。

創(chuàng)建微型設(shè)備的熱壓花過程示意圖。（由CNRI的MNX提供）

使用過程中熱壓花平臺(tái)的照片

隨后，將基板冷卻至聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，并施加力以使基板脫模。如圖15所示，熱壓花可以成功地復(fù)制復(fù)雜的，深的和高長(zhǎng)寬比的特征。通過非常好的尺寸控制，此過程可以將印記壓印到數(shù)百微米深的聚合物中。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，與使用其他技術(shù)制造的相同結(jié)構(gòu)相比，單個(gè)聚合物部件的成本可以非常低。由于壓倒性的成本優(yōu)勢(shì)和出色的性能，

將塑料基板和模具插件加熱到塑料Tg上方，在腔室上抽真空。施加力以壓花塑料基材。冷卻塑料基板和模具插件以達(dá)到脫模溫度，并施加力進(jìn)行脫模。

下圖在MNX上使用熱壓印技術(shù)在塑料基板上制成的各種小型測(cè)試結(jié)構(gòu)的SEM。塑料微結(jié)構(gòu)的高度接近300微米，最小的特征直徑約為25微米。