Микро- и нанообработка | Тонкая обработка МЭМС

1.6 Технология жертвенного слоя

Технология жертвенного слоя также известна как технология разделительного слоя. В технологии жертвенного слоя микрокомпонент формируется на кремниевой подложке методом химического осаждения из паровой фазы, разделительный слой добавляется в зазор вокруг компонента, и, наконец, разделительный слой удаляется путем растворения или травления для отделения микрокомпонента от подложки.

1.7 Эпитаксия

Эпитаксиальный рост является одним из наиболее важных инструментов в микрообработке. Он характеризуется тем, что эпитаксиальный слой может сохранять ту же кристаллическую ориентацию, что и подложка, что позволяет проводить различные поперечные и продольные распределения легирования и процессы травления эпитаксиального слоя для получения различных структур.

1.8 Технология LIGA и квази-LIGA

(1) Технология LIGA

Техника LIGA была впервые разработана Немецким исследовательским центром ядерной физики в Карлсруэ и признана новой техникой трехмерной микрофабрикации. Наиболее важным этапом является изготовление высокоточных масок, наиболее важным этапом является использование для литографии источников синхротронного излучения, которые генерируются электромагнитными ускорителями с длиной волны от 0,2 до 0,6 нм и позволяют получить высокую плотность энергии и высокий параллелизм.

Благодаря глубокой проникающей способности рентгеновских лучей, рентгеновская литография может создавать микромашины высотой до 1 мм с периферийными размерами в микронном или субмикронном диапазоне, диапазон размеров, который может быть достигнут только с помощью высокой энергии источников синхротронного излучения.

Для создания структур с кантилеверами была разработана технология LIGA с жертвенным слоем. Технология LIGA с жертвенным слоем является важным микромеханическим методом для изготовления микроприводов и микросенсоров, для изготовления микроструктур с кантилеверами и для соединения микроэлектронных схем.

Ограничениями метода LIGA являются необходимость использования синхротронных рентгеновских источников, длительное время обработки, сложность процесса, высокая стоимость и трудность создания микроструктур с изогнутыми поверхностями.

(2) Технология Quasi-LIGA

Технология LIGA имеет ряд уникальных преимуществ в виде широкого спектра обрабатываемых материалов и высокой точности, но ей также присущи некоторые недостатки, упомянутые выше. Для того чтобы преодолеть недостатки LIG-

Недостатки технологии процесса, международные исследования технологии квази-LIGA, такие как технология кремниевой квази-LIGA, УФ глубокая литография, УФ стереолитография, технология лазерной LIGA и т.д..

① Кремниевая квази-LIGA технология. Процесс глубокого травления вместо синхротронной рентгеновской глубокой литографии, с последующим микроэлектроформованием и

Процесс микрокопирования, который не требует дорогостоящих источников синхротронного излучения и специальных масочных пластин LIGA. Используя оборудование для травления с индуктивно-связанной плазмой (ICD: induc-tively coupled plasma) для травления пластика или кремния с высоким аспектным отношением, микроэлектрического литья непосредственно из кремниевых пластин, металлических форм и последующих процессов микрокопирования, можно добиться больших объемов производства микромеханических устройств. Эта технология позволяет изготавливать микроструктуры с высоким аспектным отношением в некремниевых материалах и обеспечивает лучшую совместимость с микроэлектронной технологией. Эта система характеризуется использованием SF6 в качестве основного травильного газа и не требует процессов последующей обработки. Эта технология травления с высоким аспектным отношением является большим шагом вперед в применении кремниевой микромеханики и позволяет изготавливать формовочные структуры с высоким аспектным отношением, которые ранее были возможны только при использовании технологии LIGA.

② Технология Laser LIGA. Эксимерные лазеры с длиной волны 193 нм используются для прямого аблирования фоторезистов ПММА вместо рентгеновской литографии. Поскольку эксимерный лазер требует регулярной замены рабочего газа, расход газа высок и требует частого обслуживания, что также может повлиять на производственный процесс. Твердотельный лазер YAG можно использовать для производства четырехчастотного дальнеультрафиолетового лазера через кристаллы KTP и BBO, чтобы избежать вышеупомянутых недостатков эксимерных лазеров, которые могут работать в течение длительных периодов времени и являются более стабильными и надежными.

1.9 Специальные методы микрофабрикации

(1) Микро-ЭДМ

Принцип микро-ЭДМ принципиально не отличается от принципа обычного ЭДМ. Ключом к микро ЭДМ является изготовление микро оси (электрод инструмента), питание микро разряда энергии, микро сервоподача электрода инструмента, определение состояния обработки, управление системой и процессом обработки. Поскольку микроэлектроды чрезвычайно трудно или невозможно изготовить, непрактично использовать традиционный метод EDM для микро 3D контурной обработки, поэтому люди начали исследовать использование электродов простой формы для EDM микро 3D контурной обработки с помощью фрезерования с ЧПУ. С применением технологии микро ЭДМ теперь можно обрабатывать микро валы диаметром 2,5 мкм и микро отверстия диаметром 5 мкм, а также изготавливать микро формы для автомобилей длиной 0,5 мм, шириной 0,2 мм и глубиной 0,2 мм. Можно производить микрошестерни диаметром 0,3 мм и модулем 0,1 мм.

(2) Микротонкая электролитическая обработка

Электролитическая обработка - это технология производства, которая использует принцип электрохимического растворения металлического анода для удаления материала в форме ионного растворения, что делает электролитическую обработку возможной для микрофабрикации. Необходимость большого зазора при обработке является одним из основных факторов, ограничивающих точность электролитической обработки. Если бы зазор при обработке можно было значительно уменьшить, точность обработки значительно повысилась бы, и возможность микрофабрикации с использованием электролиза увеличилась бы. Уменьшая напряжение обработки и концентрацию электролита, зазор обработки успешно контролируется до менее чем 10 мкм. Использование микроподачи и металлических микротрубчатых электродов было использовано для получения никеля толщиной 0,2 мм.В пластине было обработано небольшое отверстие 0,17 мм.

Электролитическая обработка также используется при чистовой обработке тонких деталей валов. По аналогии с EDM шлифованием микропроволочных электродов, в качестве катода используется подвижная металлическая проволока, а электролит распыляется между анодным валом и катодной проволокой для создания электрохимической микрокоррозии на поверхности вала. Этот метод позволил добиться хороших результатов при полировке небольших валов диаметром в десятки микрон.

Диапазон размеров, задействованных в электролитической микрофабрикации, намного больше, чем крошечные размеры, достижимые при микрофабрикации кремния и технологии LIGA.

(3) Микротонкая ультразвуковая обработка

В связи с широким использованием в микромеханике твердых и хрупких материалов, таких как кристаллический кремний, оптическое стекло и инженерная керамика, высокоточная трехмерная микрофабрикация твердых и хрупких материалов стала важной темой исследований. В настоящее время основными методами обработки твердых и хрупких материалов являются литография, электроэрозионная обработка, электролитическая обработка, лазерная обработка и ультразвуковая обработка. По сравнению с EDM, электролитической обработки, лазерной обработки, ультразвуковая обработка не зависит от электропроводности материала и нет теплофизического эффекта; по сравнению с литографией, и может обрабатывать большое соотношение глубины к ширине трехмерной структуры, что определяет ультразвуковой обработки в керамике, полупроводникового кремния и других неметаллических твердых и хрупких материалов обработки имеет преимущество

Момент.

Микроультразвук имеет те же принципы и характеристики, что и обычный ультразвук, за исключением малого размера процесса. Поскольку амплитуда, необходимая для обычного ультразвука, обычно составляет от 0,01 до 0,1 мм, деформация пьезоэлектричества или магнитострикции очень мала (от 0,005 до 0,01 мм), поэтому амплитуда должна быть увеличена за счет толстого верхнего и тонкого нижнего амплитудного стержня. Для тонкого ультразвука амплитуды пьезоэлектричества или магнитострикции уже достаточны для микрофабрик, поэтому амплитудный стержень не требуется.

Используя технологию ультразвуковой микрофабрикации, в инженерных керамических материалах с помощью вибрации заготовки были обработаны микроотверстия с минимальным диаметром 5 мкм.

(4) Микрофабрикация с помощью лазера

В отличие от традиционных специальных процессов, лазерное формование заключается не в удалении материала, а в его добавлении. В зависимости от обрабатываемого материала и механизма, лазерное формование может быть разделено на различные типы, такие как светоотверждаемое формование, селективное лазерное спекание и послойное твердое формование.

Светоотверждаемое формование основано на жидкой светочувствительной смоле. Источник света дальнего ультрафиолетового диапазона фокусируется и облучает поверхность жидкой смолы, а открытая область отверждается. С помощью светового отверждения можно получить микроструктуры в диапазоне от 10 мкм до 1 мм. Для решения проблемы серийного производства можно использовать прецизионные волоконно-оптические решетки для получения большого количества микроструктур за один раз:

(i) точность глубины ограничена толщиной уложенных слоев; (ii) влияние размерных эффектов (вязкость жидкой фоточувствительной смолы, поверхностное натяжение); (iii) влияние микроструктурной деформации и т.д.

дляДля устранения этих эффектов появился новый метод лазерного формования.

Сфокусированный лазерный луч сканируется в трех измерениях в ванне со смолой, и смола отверждается только при превышении порога воздействия в фокальной точке, что позволяет создавать свободно перемещаемые микроструктуры. Преимуществами этой технологии являются:

(1) Точность глубины и периферии определяется размером точки фокусировки лазера, и точность выше 1 мкм в трех измерениях; (2) Не требуется никаких опорных частей или масок; (3) Влияние вязкости смолы и поверхностного натяжения исключено, поскольку в резервуаре с жидкой светочувствительной смолой нет движущихся частей.

(5) Прецизионная гальванопластика

Электроформование отверстий отличается от метода резки тем, что создается сердцевина отверстия, затем вокруг нее выращивается гальванический металл и, наконец, сердцевина удаляется или растворяется. Для случаев, которые не могут быть достигнуты обычной механической обработкой с удалением, таких как чрезвычайно тонкие отверстия и заготовки с высокими требованиями к шероховатости внутренней поверхности или заготовки с особой формой поперечного сечения, может быть использовано электроформование.

Для сердечников в основном используются алюминиевые сплавы, которые растворяются в растворе гидроксида натрия, а никель остается неповрежденным, и с ним можно смело работать. Для изготовления особо тонких алюминиевых сердечников, которые трудно резать, вместо них можно использовать латунь, но только при условии применения подходящей жидкости, которая не разъедает поверхность никеля, но быстро растворяет латунь.

Независимо от формы отверстия, его размерная точность и шероховатость поверхности определяются качеством сердечника, поэтому независимо от того, насколько тонким является отверстие, до тех пор, пока вы можете использовать определенный метод обработки для создания сердечника, вы можете использовать метод гальванопластики для обработки отверстия.