微细加工的方法与工艺

微细加工是指加工尺度为微米级范围的加工方式，是MEMS发展的重要基础。由于微细加工起源于半导体制造工艺，因此，迄今为止，硅微细加工仍在微细加工中占有重要的位置，其加工方式十分丰富，主要包含了微细机械加工、各种现代特种加工、高能束加工等方式，而微机械制造过程又往往是多种加工方式的组合。目前，常用的有以下加工方法。

1.超微机械加工

超微机械加工是指用精密金属切削和电火花、线切割等加工方法，制作毫米级尺寸以下的微机械零件，是一种三维实体加工技术，多是单件加工，单件装配，费用较高。微细切削加工适合所有金属、塑料及工程陶瓷材料，主要切削方式有车削、铣削、钻削等。

当利用精密微细磨削外圆表面时，高速钢材料的最小直径可达20μm，长度1.2 mm；硬质合金直径达25μm，长度0.27 mm；石英玻璃直径达200μm，长度0.61 mm。精密磨削急需解决的问题是：进给精度的控制、在线观察测量及微型砂轮的整形。

微细电火花加工是利用微型电极对工件进行电火花加工，可以对金属、聚晶金刚石、单晶硅等导体、半导体材料做垂直工件表面的孔、槽、异形成形表面的加工。微细电火花线切割加工也可以加工微细外圆表面。工件作回转运动，在工件的一侧装有线切割用的钼丝，钼丝在走丝中对工件放电并沿工件轴线作进给运动，完成对工件外圆的加工。

由于切削力的存在，一般认为切削加工不适于微型机械的加工，但超精密微细切削已成功地制作出尺寸在10～100μm的微小三维构件。日本FANUC公司开发的能进行车、铣、磨和电火花加工的多功能微型超精密加工机床，其数控系统的最小设定单位为1 nm。

目前，微细切削加工存在的主要困难是各类微型刀具的制造、刀具的安装、加工基准的转换、定位等。利用聚焦离子束可加工出直径在φ22～φ100μm的微小高速钢铣刀，该铣刀在PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）材料上能加工出壁厚约为8μm，高度为62μm的螺旋槽。

2.光刻加工

半导体加工技术的核心是光刻，又称光刻蚀加工或刻蚀加工，简称刻蚀。1958年左右，光刻技术在半导体器件制造中首次得到成功应用，研制成平面型晶体管，从而推动了集成电路的飞速发展。数十年以来，集成技术不断微小型化，其中光刻技术发挥了重要作用。目前可以实现小于1μm线宽的加工，集成度大大提高，已经能制成包含百万个甚至千万个元器件的集成电路芯片。

光刻加工是用照相复印的方法将光刻掩模上的图形印刷在涂有光致抗蚀剂的薄膜或基材表面，然后进行选择性腐蚀，刻蚀出规定的图形。所用的基材有各种金属、半导体和其他介质材料。光致抗蚀剂俗称光刻胶或感光剂，是一种经光照后能发生交联、分解或聚合等光学反应的高分子溶液。

光刻的基本过程如图2-63所示。首先设计制作出光掩膜板，掩膜的基本功能是当光束照在掩膜上时，图形区和非图形区对光有不同的吸收和透过能力，图2-63（a）中1为光掩膜板。理想的情况是图形区可让光完全透射过去，而非图形区则将光完全吸收；或与之完全相反。加工时，先在基板上沉积成膜材料，涂感光胶并进行曝光，如图2-63（a）所示。然后，进行显影，结果如图2-63（b）所示。感光胶同掩膜类似，有正胶和反胶之分。曝光部分溶解而光线未照射到的部分保留的感光胶称为正胶；曝光部分保留而光线未照射到的部分显影溶解的感光胶称为负胶。利用显影的感光胶图形作为刻蚀掩膜，就可以使其下面的材料受刻蚀，将掩膜保护的部分保留下来，如图2-63（c）所示。有选择地溶解、除去基板上沉积的成膜材料甚至基板材料，再去除刻蚀掩膜层即可得到所期望加工的结构。

图2-63　光刻基本过程

1—光掩膜板；2—感光胶；3—加工层；4—基板

光掩膜制造技术、曝光技术和刻蚀技术是组成光刻技术的关键技术。

（1）光刻掩膜制作

掩膜制造技术起源于光刻，而后在其发展中逐渐独立于光刻技术。

（2）曝光技术

目前，微机械光刻采用的曝光技术主要有电子束曝光技术、离子束曝光技术、X射线曝光技术、远紫外曝光技术和紫外准分子激光曝光技术等。其中，离子束曝光技术的分辨率最高，可达0.01μm；电子束曝光技术代表了最成熟的亚微米级曝光技术；而紫外准分子激光曝光技术则具有最佳的经济性，成为近年来发展速度极快且实用性较强的曝光技术，已在大批量生产中保持主导地位，其极限分辨率为0.2μm。

（3）刻蚀加工技术

刻蚀技术是一类可以独立于光刻的微型机械关键的成形技术。刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀。

湿法刻蚀是用化学腐蚀液对硅基片进行刻蚀，主要有等向性刻蚀和结晶异向性刻蚀之分。等向性刻蚀是硅在所有的晶向方向以相同的速度进行刻蚀；结晶异向性刻蚀则是使硅在不同的晶面、以不同的速度进行刻蚀。等向性刻蚀的缺点是在刻蚀图形时容易产生塌边现象，以至刻蚀图形的最小线宽受到限制。但积极利用这种侧面刻蚀的牺牲层刻蚀却是制作复杂的立体形状的有效方法。如图2-64所示，先将一层绝缘层淀积在硅基底上；然后在其上再淀积一层氧牺牲层，厚度一般为1～2μm；接着在氧化物层上制圆孔形模并刻蚀，用于连接可动层和绝缘层；淀积一层聚苯乙烯层，厚度为1～2μm，然后制模；最后整个放入腐蚀液中溶解氧化物层，留下一个可动结构，并连接于基底预定部位。(www.xing528.com)

干法刻蚀是在气体中利用等离子体取代化学腐蚀液，把基体暴露在电离的气体中，气体中的离子与基体原子间的物理和化学作用，进行刻蚀加工的方法。与离子刻蚀相比，使用同样厚的掩膜可实现较深的刻蚀加工。用微波产生高密度的等离子体，刻蚀速度可达15μm/min。

就湿法和干法比较而言，湿法的腐蚀速率快，各向异性好、成本低，但较难控制腐蚀深度。干法的腐蚀虽然速度慢、成本高，但能精确控制腐蚀深度。对要求精密、刻蚀深度浅的最好用干法刻蚀工艺；对要求各向异性大、腐蚀深度很深的则最好采用湿法腐蚀工艺。

图2-64　牺牲层技术

3.LIGA技术与准LIGA技术

图2-65　LIGA法工艺过程

LIGA是一种使用X射线的深度光刻与电铸相结合，实现深宽比大的微细构造的成形方法。LIGA是德文的平版印刷术（Lithographie）、电铸成形（Galvanoformung）和注塑（Abformung）的缩写。该工艺是在20世纪80年代初，由德国卡尔斯鲁厄核原子能研究中心，为提取铀-235研制微型喷嘴结构的过程中产生的，是一种全新的三维主体微细加工技术。

LIGA的加工过程如图2-65所示：①将PMMA等X射线感光材料，以期望的厚度（0.1～1mm）涂在金属基板上；②深层同步辐射X射线光刻，把从同步辐射源放射出的具有短波长和很高平行度的X射线作为曝光光源，在光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体；③电铸成形，用曝光蚀刻的图形实体作为电铸用胎膜，用电沉积方法在胎膜上沉积金属，以形成金属微结构零件；④注射，将电铸制成的金属微结构作为注射成形的模具，即能加工出所需的微型零件。

由于X射线的平行度很高，使微细图形的感光聚焦深度远比光刻法为深，一般可达25倍以上，刻蚀厚度较大，制出的零件有较强的实用性。另外，X射线的波长极短，小于1 nm，使断面的表面粗糙度最小能达Ra 0.01μm。此外，用此法除可制造树脂类零件外，也可在精密成形的树脂零件基础上再电铸得到金属或陶瓷材料的零件，例如应用LIGA法制作出直径为130μm、厚度为150μm的微型涡轮；制作厚度为150μm、焦距为500μm的柱面微型透镜时，可获得非常光滑的表面。

LIGA技术在制作很厚的微机械结构方面有着独特的优点，是一般常规的微电子工艺无法替代的，它极大地扩大了微结构的加工能力，使得原来难以实现的微机械能够制造出来。但缺点是它所要求的同步辐射源比较昂贵、稀少，致使应用受到限制，难以普及。后来出现了所谓的准LIGA技术，它是用紫外光源代替同步辐射源，虽然不具备和LIGA技术相当的深度或宽深比。但是，它涉及的是常规的设备和加工技术，这些技术更容易实现，如图2-66（a）所示，为利用准LIGA技术制作的微齿轮模具型腔；图2-66（b）所示为通过注射得到镍微齿轮。

图2-66　准LIGA技术应用

（a）微齿轮模具型腔；（b）镍微齿轮（每层厚200μm）

4.封接技术

封接技术在微机械加工中也占有重要位置，封接的目的是将分开制作的微机械部件在使用黏结剂的情况下连接在一起，封在壳中使其满足使用要求。封接技术影响到整个微系统的功能和尺寸，可以说是微机械系统的关键技术。常用的封接技术有反应封接、淀积密封膜和键合技术。反应封接是将多晶硅结构与硅基片通过氧化封接在一起。淀积密封膜是用化学气相淀积法在构件与衬底之间淀积密封材料。键合技术是一种把两个固体部件在一定的温度与电压下直接键合在一起的封装技术，其间不用任何黏结剂，在键合过程中始终处于固相状态。键合技术可分为硅-硅直接键合和静电键合两种，硅-硅直接键合是将两个经过磨抛的平坦硅面在高温下依靠原子的力量直接键合在一起形成一个整体；静电键合主要用于硅与玻璃之间的键合，在400℃温度下，将硅与玻璃之间加上电压产生静电引力而使两者结合成一体。它可实现硅一体化微型机械结构，不存在界面失配问题，有利于提高器件性能。

为了提高微系统的集成度，一些新的工艺方法如自动焊接、倒装焊接也得到了广泛的应用。

5.分子装配技术

图2-67　用原子写成的汉字

20世纪80年代初发明的扫描隧道显微镜（STM，Scanning Tunneling Microscope）以及后来在STM基础上派生出的原子力显微镜（AFM，Atomic Force Microscope），使观察分子、原子的结构从宏观进入了微观世界。STM和AFM具有0.01 nm的分辨率，是目前世界上精度最高的表面形貌观测仪。利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可以按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械，这是一种纳米级微加工技术，是一种从物质的微观角度来构造、制作微机械的工艺方法。美国的IBM公司用STM操纵35个氙原子，在镍板上拼出了“IBM”三个字母；中国科学院化学研究所用原子摆成我国的地图；日本用原子拼成了“Peace”一词。1993年Eigler等在铜Cu（111）表面上成功地移动了101个吸附的铁原子，写成中文的“原子”两个字，如图2-67所示，这是首次用原子写成的汉字，也是最小的汉字。有理由相信，STM技术将会在微细加工方面有更大的突破。