2006 年 仪衰杖术与传番 06 第1期 Instrument Te le and 金属三维微结构加工技术的研究 吴英12,周兆英1,江永清3,向毅2,小野崇人4 (1清华大学精密测试技术及仪器国家氲点实验室,北京10004;2重庆科技学院重庆 3中电集团电子44所重庆4000;4.日本东北大学工学部机械知能系日本仙台 8579 摘要:三維微结构制作技术是MEMS加工的关键技术之一。现有的三维微细加工技术主要有利用SU-8等光刻胶形 成的以]C工艺为基础的珪三维微结构制作技术和以同步輻射X射线曝光为基础的LCA技术。但是,在传统的去胶液 中,SU-8光刻胶会膨胀变形,从而可能导致图形的失败。而LIGA技术需要昂贲的同步輻射光源和特制的LIGA掩模板 加工周期长。为此,基于反应离子深刻蚀技术,结合电镀工艺,提出了一种金属微结构的微加工制作方法,并进行了相应 的实验。结果表明,该方法不仅可以制造出深宽比为6的微型金属螺旋线圈,还可以为其他非珪三維微结构的加工提供 定的技术支持。 关键词:MEM;微加工;反应离子刻蚀;电镀;金属微结构 中图分类号:TH6文献标识码:A文章编号:1002-1841(2006)01-0008-02 Metal Microstructure Microfabrication Techniqu wU Ying ZHOU Zhao-ying JING Yong-qing, XIANG Yi, TAKAHITO Ono (1. State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Tsinghua University, Beijing 100084, china 2. Chongging University of Science and Technology, Chongqing 400050, China; 3. Chongqing Optoelectronic Research Institute Chongqing 400040, China; 4. Tohoku University, Sendai 980-8579, Japan Abstract: The fabrication technique of three- dimensional microstructure is important in the MEMS microfabrication technology. The main methods of are silicon three- dimensional microfabrcaiton combining the SU-8 photoresist and IC process and LIGA- type micro- abration. However, SU-8 microfabrciaon has limitation on the strip off process and the cost of lIGa- type is high. So, a new three tensional microfabrication technique for metal materials was developed from the silicon deep etching technique and electroplating tech nique. In the present research, a silicon mold with high aspect ratio microstructures was manufactu structures were fab- ricated using this mold. A successful development of this technique opens a altemative way for three dimensional microfabrication tech Words: MEMS; Microfabrication; RIE Etching: Electroplating; Metal Micro Structure 0引言 现有的三维微细加工技术主要有;以C工艺为基础的硅 微型机电系统( Micro Electromechanical System,MFMS)是在三维微结构制作技术,以同步辐射ⅹ射线曝光为基础的LGA 集成电路( Integrated Circuit,C)加工工艺的基础上发展起来的,技术及采用紫外光曝光的准LGA技术等。以LC工艺为基础的 及机械、电子材料等多门学科,具有体积小、可批量生产、性硅三维微结构制作技术利用SU-8系列负性胶可望形成深宽 能高、成本低等优点被认为是21世纪最有发展潜力的高科技比大、侧壁陡峭的微结构,但在传统的去胶液中,SU-8光刻胶 产业{。 会膨胀变形,从而可能导致图形的失败。而GA技术需要昂 MMS的制作主要基于两大技术:C技术和微机械加工技贵的同步辐射光源和特制的LGA掩模板加工周期长3。为 术其中基于传统的C技术,主要用于制作MMS中的信号处此,基于深刻蚀技术和金属电镀技术,提出利用感应耦合等离 和控制系统;而微机械加工技术则主要包括体微机械加工技子体(ICP: Inductively Coupled Plasm)刻蚀设备进行硅刻蚀,以 术、表面微机械加工技术、LGA技术准LGA技术、品片键合技此刻蚀后的高深宽比图形作为模具,进行电镀然后刻蚀去除 术和微机械组装技术等2。由于侧壁陡直深宽比大的微结构硅,从而得到金属三维微结构。该加工技术可望为非硅三维微 不仅可以提高微型器件的性能,而且还能增加微型器件的强加工工艺技术的研究提供一定的思路和支持。 度,防止因机械失效或应力集中产生的破坏因此,三维微结构1实验设计 的制作技术成为了MEMS加工的关键技术之一。 1IICP-RIE刻蚀技术 ICP-RE刻蚀技术主要用于进行硅的深层刻蚀4,该工艺 基金项目:重庆科委自然科学基金项目 收稿日期:2005 28收修改稿日期:2005-08-15 利用了感应耦合等离子体和侧壁钝化工艺( Sidewall Passivation2O06钲 第 1期 仪 表 技 术 与 传 感 器 Instrument Technique and Sensor 2o06 No．1 金属三维微结构加工技术的研 究 吴 英 ，-，周兆英 ，江永清0，向 毅 ，小野崇人 (1．清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084；2．重庆科技学院，重庆 400050； 3．中电集团电子 44所，重庆 400040；4．日本东北大学工学部机械知能系，日本 仙台 980—8579 摘要：三维微结构制作技术是 MEMS加工的关键技术之一。现有的三维微细加工技术主要有利用 SU一8等光刻胶形 成的以 IC工艺为基础的硅三维微结构制作技术和以阔 步辐射 x射线曝光为基础的 LIGA技术。但是，在传统的去胶液 中，SU一8光刺胶会膨胀变形，从而可能导致图形的失败。而 LIGA技术需要昂贵的同步辐射光源和特制的 LIGA掩模板， 加工周期长。为此，基于反应 离子深刻蚀技术，结合电镀工艺，提 出了一种金属微结构的微加工制作方法，并进行 了相应 的实验。结果表明，该方法不仅可以制造出深宽比为 6的微型金属螺旋线圈，还可以为其他非硅三维微结构的加工提供 一 定的技术支持。 关键词：MEMS；微加工；反应 离子刻蚀 ；电镀 ；金属微结构 中圈分类号 ：TH16 文献标识码 ：A 文章编号 ：1002—1841(2o06)0l一0008—02 M etalM icrostructureM icrofabrication Technique WUYi ，ZHOUZhao-ying，JINGYong-qlng3，XIANGyi2，TAKAHITOono4 (1-StateKeyI rofPl'e~ OllneasumnentTechnologyandInstruments，T~agh,,-University，BI蛳ng100084，China； 2．a嘲 Unive~ tyofScienceandTechnology，Chongqing400050，China；3．ChongqmgO0toelectronlcResearchInslitute， Chong~ing400O40，China；4．TehokuUm、，e商 姆，Send~J980—8579，Japan Abstract．Thefabrication techniqueofthree—dimem ionalmicrostructureisimportantintheMEMSmiemfabricationtechnology．Th e mainmethodsofaresiliconthree—dimensionalmicmfabrcaitoncombiningtheSU一8photoresistandICprocessandLIGA—typemicro￾fabrcation．However，SU一8micmfabrciannhaslimitationonthestripofprocessandthecOStofLIGA—typeishigh．So，anewthree— dimensionalmi crofabficationtechniqueformetalmaterialswasdevelopedfrom thesiliconde印 etchingtechniqueandelectroplatingtech￾niqu e．In thepresentresearch，asiliconmoldwithhighaspectratiomi crostructureswasmanufacturedan dmetalmi crostructureswerefab— ricatedusingthismold．ASuccess~ developmentofthistechniqueopensaalternativewayforthreedimensionalmicrofabricationtech￾niqu es． KeyWords：MEMS；Micmfabricafion；RIE Etching；Electroplating；MetalMicroStructure 0 引言 微型机电系统(MicroElectromeehanicalSystem，MEMS)是在 集成电路(IntegratedCircuit，IC)]JBII艺的基础上发展起来的， 涉及机械、电子、材料等多门学科，具有体积小、可批量生产、性 能高、成本低等优点，被认为是 21世纪最有发展潜力的高科技 产业[。 MEMS的制作主要基于两大技术 ：Ic技术和微机械IJn-c技 术，其中基于传统的 Ic技术 ，主要用于制作 MEMS中的信号处 理和控制系统；而微机械加工技术则主要包括体微机械加工技 术、表面微机械加工技术、LIGA技术、准 LIGA技术、晶片键合技 术和微机械组装技术等【2_。由于侧壁陡直、深宽比大的微结构 不仅可以提高微型器件的性能，而且还能增加微型器件的强 度，防止因机械失效或应力集中产生的破坏，因此，三维微结构 的制作技术成为了 MEMS加工的关键技术之一。 基金项 目：重庆科委 自然科学基金项 目 收稿 Et期：2005—06—28 收修改稿Et期：2005—08—15 现有的三维微细加工技术主要有 ：以 lc工艺为基础 的硅 三维微结构制作技术 ，以同步辐射 x射线曝光为基础的 LIGA 技术及采用紫外光曝光的准 LIGA技术等。以 Ic工艺为基础的 硅三维微结构制作技术利用 su一8系列负性胶可望形成深宽 比大、侧壁陡峭的微结构 ，但在传统的去胶液中，sU一8光刻胶 会膨胀变形，从而可能导致图形的失败。而 LIGA技术需要昂 贵的同步辐射光源和特制的 [JGA掩模板 ，加 [周期长 J。为 此 ，基于深刻蚀技术和金属电镀技术，提出利用感应耦合等离 子体(ICP：InducfivelvCoupledPlasma)刻蚀设备进行硅刻蚀，以 此刻蚀后的高深宽比图形作为模具，进行电镀，然后刻蚀去除 硅，从而得到金属三维微结构。该加工技术可望为非硅三维微 加工工艺技术的研究提供一定的思路和支持。 1 实验设计 1．1 IcP—RIE刻蚀技术 ICP—RIE刻蚀技术主要用于进行硅的深层刻蚀_4J，该工艺 利用了感应耦合等离子体和侧壁钝化工艺(SidewallPassivation 维普资讯 http://www.cqvip.com