微系統(tǒng)及其加工方法的介紹

孔亞君

(南昌航空大學(xué)，江西 南昌 330063)

摘要：微細(xì)加工技作為現(xiàn)代加工技術(shù)的延伸，是二十一世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文介紹了微機(jī)電系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)，列舉了一些微機(jī)電系統(tǒng)中所涉及到的微細(xì)加工方法，并闡述了其發(fā)展及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：微機(jī)電系統(tǒng)微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)電微電子

微系統(tǒng)技術(shù)，最早被美國(guó)提出[1-2]，簡(jiǎn)稱MEMS(micro electro mechanical system)。微電系統(tǒng)是指微機(jī)械加工技術(shù)以及微電子技術(shù)(IC)的結(jié)合，能夠批量制作，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理，并且融合控制電路、接口、通訊等于一體微型系統(tǒng)。微系統(tǒng)開(kāi)辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，在21世紀(jì)的今天，伴隨著環(huán)保、醫(yī)藥、通訊等各個(gè)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，對(duì)于功能化、微型化的器件的需求量與日俱增，這其中就需要各種微加工方法的出現(xiàn)，否則制造不出微型器件，何談微系統(tǒng)。從上世紀(jì)60年代微系統(tǒng)的出現(xiàn)到如今，各種微細(xì)加工方法的出現(xiàn)逐步的完善了微系統(tǒng)領(lǐng)域，并且呈現(xiàn)了愈發(fā)進(jìn)步的趨勢(shì)。

1微系統(tǒng)的介紹

一般認(rèn)為，微電子機(jī)械系統(tǒng)通常指的是特征尺度大于1μm小于1nm，結(jié)合了電子和機(jī)械部件并用IC集成工藝加工的裝置。微機(jī)電系統(tǒng)是多種學(xué)科交叉融合具有戰(zhàn)略意義的前沿高技術(shù)，是未來(lái)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。微系統(tǒng)自八十年代末開(kāi)始受到世界各國(guó)的廣泛重視，主要的技術(shù)途徑有以下三類：一是以美國(guó)為代表的硅基微加工技術(shù)；二是以德國(guó)為代表發(fā)展起來(lái)的利用X射線深度光刻、微電鑄、微鑄塑的LIGA技術(shù)；三是以日本為代表發(fā)展起來(lái)的精密加工技術(shù)，如微細(xì)電火花EDM、超聲波加工[3]。

微系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下[4-6]：

(1)微型化。

主要表現(xiàn)在MEMS的體積小、質(zhì)量輕、功耗低、慣性小、諧振頻率高。例如，一個(gè)壓力成像器的微系統(tǒng)，整個(gè)膜片厚度只有10mm×10mm的面上含有1024個(gè)微型壓力傳感器。并且每個(gè)芯片尺寸為50μm×50μm。

(2)多樣化。

(3)能批量生產(chǎn)，復(fù)合MEMS的要求。

用硅微加工工藝可在同一硅片上同時(shí)制造出成百上千的微型機(jī)電裝置，大大降低成本。

(4)多學(xué)科交叉。

融合了物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥等多學(xué)科，并且集合了當(dāng)今許多尖端的科研成果，同時(shí)其它學(xué)科的發(fā)展進(jìn)步也能夠帶動(dòng)微系統(tǒng)的發(fā)展。

2 微細(xì)加工技術(shù)的介紹

(1)脈沖電流電解加工技術(shù)。

電解加工過(guò)程中，在工具陰極和工件陽(yáng)極之間保持較小間隙，電解液從間隙中流過(guò)，在間隙上施加脈沖電流，工件陽(yáng)極開(kāi)始溶解。溶解產(chǎn)物被流動(dòng)的電解液排出加工區(qū)。工具陰極向工件恒速進(jìn)給，以保持加工間隙的恒定，隨著工件不不斷進(jìn)給，最終在工件上將會(huì)形成與工具圖形近乎類似的形狀。圖1為該技術(shù)加工出的試樣[6]。

圖1　微電解加工出的試樣

(2)EFAB技術(shù)。

加工原理為[7]：利用3DCAD軟件將所要加工的圖形分解成許多跟光刻模具對(duì)應(yīng)的二維圖形。在此基礎(chǔ)之上用金屬材料制作一系列的光刻模具作為陽(yáng)極，并包封好。再利用電沉積的方法在按照光刻模具形貌的的情況下沉積出犧牲層金屬(后面需要溶解消除的金屬)跟所需金屬，進(jìn)過(guò)多次重復(fù)后，利用化學(xué)試劑溶劑在不損傷結(jié)構(gòu)金屬的情況下溶解掉之前電沉積的犧牲層金屬，在不損傷結(jié)構(gòu)金屬的情況下即能得到所需要的圖形。

(3)LIGA技術(shù)。

LIGA是把同步輻射X射線深層光刻、微電鑄和微復(fù)制工藝的集合。先利用同步輻射X射線光對(duì)光刻膠進(jìn)行深度光刻形成模腔后再用金屬電鑄得到微結(jié)構(gòu)，所得到的微結(jié)構(gòu)就可以作為母模板從而進(jìn)行微復(fù)制。該技術(shù)可以批量復(fù)制，而且加工精度高。圖2為L(zhǎng)IGA加工出的微型齒輪[8]。

圖2　硅微電容式加速度傳感器

(4)硅表面微加工技術(shù)。

硅表面微加工技術(shù)以硅作為襯底，利用腐蝕、沉積、光刻、刻蝕等工藝，在硅表面沉積多層圖形，最后再利用化學(xué)方法去除掉多余部分的方法[9]。該方法能與IC工藝很好的結(jié)合，工藝簡(jiǎn)單，并且能加工出厚度為微米級(jí)的器件。

3總結(jié)

微系統(tǒng)是集成電路IC工藝以及微加工工藝的結(jié)合，微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展無(wú)疑會(huì)促進(jìn)微系統(tǒng)的進(jìn)步，隨著人們對(duì)于微細(xì)加工技術(shù)的研究的不斷深入，未來(lái)將會(huì)有更多適合MEMS的微細(xì)加工技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，必將對(duì)我們的生活帶來(lái)深刻的影響。

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