微纳加工 | MEMS精细加工

1.6　牺牲层技术

牺牲层技术也叫分离层技术。牺牲层技术是在硅基板上,用化学气相沉积方法形成微型部件,在部件周围的空隙上添入分离层材料,最后,以溶解或刻蚀法去除分离层,使微型部件与基板分离,此技术也可以制造与基板略微连接的微机械。

1.7　外延技术

外延生长是微机械加工的重要手段之一,它的特点是生长的外延层能保持与衬底相同的晶向,因而在外延层上可以进行各种横向与纵向的掺杂分布与腐蚀加工,以制得各种结构。

1.8　LIGA及准LIGA技术

（1 ）LIGA技术

LIGA技术首先是由德国卡尔斯鲁厄核物理研究中心研究出来的,被公认为是一种全新的三维立体微细加工技术。LIGA技术用X射线进行光刻,能够制作出形状复杂的高纵横比的微机械,可加工的材料也比较广泛,可以是金属及其合金、陶瓷、塑料、聚合物等。LIGA技术中重要的一步是制作高精度的掩膜,最重要的一步是利用同步辐射源进行光刻,同步辐射源由电子磁加速器产生,波长为0.2～0.6nm,可产生高能量密度和高平行性的射线。

由于X射线的深穿透能力,X射线光刻可以制作出高度达1 mm的微机械,而周边尺寸仅在微米或亚微米范围内,这种尺寸范围的微机械只有利用同步辐射源的高能量才能实现。

为制造有悬臂的结构,又产生了牺牲层LIGA技术。牺牲层LIGA技术是一种重要的微机械制造方法,可以制作微驱动器和微传感器,并可制造出有悬臂的微结构,还可连接微电子电路。

LIGA技术的局限是必须采用同步辐射X射线光源,加工时间比较长,工艺过程复杂,价格昂贵,并且制造带有曲面的微结构较困难。

（2）准LIGA技术

LIGA技术具有加工材料广泛、精度高等一些独特的优点,但也有上述的一些缺陷。为克服LIG-

A工艺技术的缺陷,国际上出现了准LIGA技术的研究,如硅准LIGA技术、紫外线深层光刻技术、紫外线立体成形光刻技术、激光LIGA技术等。

①硅准LIGA技术。用深层刻蚀工艺代替同步辐射X射线深层光刻,然后进行后续的微电铸和

微复制工艺,不需要昂贵的同步辐射光源和特殊的LIGA掩膜板。利用感应耦合等离子体（ICD：induc-tively coupled plasma）刻蚀设备进行高深宽比塑料或硅刻蚀后,从硅片上直接进行微电铸,得到金属模具后,再进行微复制工艺,就可实现微机械器件的大批量生产。利用此技术既可制造非硅材料高深宽比的微结构,又有与微电子技术更好的兼容性。硅准LIGA技术的加工厚度可达几百微米,侧壁垂直度为90°±0.3°,刻蚀速率大于20μm／min。这一系统的工艺特点是以SF6为主要刻蚀气体,不需要后处理工艺。这种高深宽比的刻蚀技术将硅微机械工艺的应用向前推进了一大步,实现了以往要用LIGA技术才能制造的高深宽比模具结构。

②激光LIGA技术。采用193nm波长的准分子激光器直接消融光刻PMMA光刻胶来取代X射线光刻工序。由于准分子激光器需要定期更换工作气体,气体消耗大,并需要经常维护,同时会影响生产流程。可采用YAG固体激光器通过KTP和BBO晶体二次倍频产生四倍频远紫外激光以避免上述准分子激光器的缺陷。YAG固体激光器能够长期工作,并且光刻质量更加稳定可靠。

1.9　特种微细加工技术

（1 ）微细电火花加工

微细电火花加工的原理与普通电火花加工并无本质区别。实现微细电火花加工的关键在于微小轴（工具电极）的制作、微小能量放电电源、工具电极的微量伺服进给、加工状态检测、系统控制及加工工艺方法等。由于微小电极本身就极难甚至无法制作,所以利用传统的电火花成形加工方法进行微细三维轮廓加工是不现实的,于是人们开始探索使用简单形状的电极,借鉴数控铣削的方法进行微细三维轮廓的电火花加工。应用微细电火花加工技术,目前已可加工出直径2.5μm的微细轴和5μm的微细孔,可制作出长0.5 mm、宽0.2 mm、深0.2 mm的微型汽车模具,并用其制作出了微型汽车模型。可制作出直径为0.3 mm、模数为0.1 mm的微型齿轮。

（2）微细电解加工

电解加工是一种利用金属阳极电化学溶解原理来去除材料的制造技术,材料去除是以离子溶解的形式进行的,这种微去除技术使得电解加工具有微细加工的可能。需采用较大的加工间隙是电解加工精度受到限制的重要因素之一,如果能大幅度减小加工间隙,加工精度就会显著提高,利用电解进行微细加工的可能性也将增大。有人通过降低加工电压和电解液浓度,成功地将加工间隙控制在10μm以下。采用微动进给和金属微管电极,在0.2mm的镍板上加工出了0.17mm的小孔。

另外,电解加工也用在微细轴类零件的光整加工中。采用类似微细线电极电火花磨削的方式,用一个运动的金属丝作为阴极,在阳极轴和阴极丝之间喷电解液,使轴表面产生电化学微腐蚀。这种方法在直径数十微米小轴的抛光中取得了较好的工艺效果。

电解微细加工所涉及的尺寸范围要远大于硅微加工及LIGA技术所能达到的微小尺寸。

（3）微细超声加工

随着晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应用,硬脆材料的高精度三维微细加工技术已成为一个重要的研究课题。目前可用于硬脆材料加工的方法主要有光刻加工、电火花加工、电解加工、激光加工和超声加工等。超声加工与电火花加工、电解加工、激光加工相比,既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用；与光刻加工相比,又可加工出高深宽比的三维结构,这决定了超声加工在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面有优

势。

微细超声加工除了加工尺寸微小外,与传统超声加工有相同的原理和特征。由于传统超声加工所需振幅一般在0.01 ～0.1 mm之间,而压电或磁致伸缩的变形量很小（0.005～0.01 mm）,因此必须通过一个上粗下细的变幅杆将振幅扩大。而对于微细超声加工、压电或磁致伸缩产生的振幅已能满足微细加工的要求,因而不需要变幅杆。

利用超声微细加工技术,用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为5μm的微孔。

（4）微细激光成形加工

与传统的特种加工方式不同,激光成形加工不是将材料去除,而是通过材料添加的方法实现成形加工。根据加工材料和机理的不同,激光成形加工可以分为光固化成形、选择性激光烧结成形、分层实体造型等多种类型。

光固化成形以液态光敏树脂为原料,远紫外光源经聚焦后照射在液态树脂表面,曝光区域发生固化,通过计算机选择控制固化区域并进行层层堆积可得所需微结构。采用光固化成形可以获得10μm～1 mm范围的微型结构。为解决批量制作的问题,可以采用精密光纤阵列,一次可以制造大量微结构影响激光成形加工精度的因素有：

①深度精度受所铺层厚的限制；②受尺寸效应（液态光敏树脂粘度、表面张力）的影响；③微结构变形的影响等。

为消除这些影响,又出现了一种新的激光成形方法。

在树脂槽内,将聚焦的激光束在三维空间内进行扫描,只有在焦点处超过曝光阈值时,树脂才发生固化,能制造出可自由移动的微结构。这种技术的优点有：

①深度和周边精度由激光聚焦点的大小决定,在三维空间内精度高于1μm；②不需要任何支撑件,也不需要掩膜；③消除了树脂粘度和表面张力的影响,因为在液态光敏树脂槽中没有移动件。

（5）精密电铸

电铸制孔与切削方法制孔不同,首先要求制造出孔的型芯,然后在其周围生长起电铸金属,最后再把型芯抽出或溶解掉。对于用传统的去除加工无法达到的场合,例如极微细的孔以及内表面粗糙度要求很高的工件或截面形状特殊的工件,可以采用电铸加工。

型芯材料大多采用铝合金,铝合金溶于氢氧化钠的溶液,而镍不受损坏,可以放心地作业。制造特别微细的铝质型芯时,切削很困难,可以改用黄铜制作型芯,但需要使用恰当的、不会使镍表面腐蚀而又能使黄铜迅速溶解的液体。

不论什么形状的孔,其尺寸精度和表面粗糙度都由芯子的质量决定,因此无论多么微细的孔,只要能用某种加工方法制造出芯子,就能用电铸方法加工出孔来。