LIGA/UV-LIGA電鍍加工|MEMS器件芯片

　　微系統(tǒng)（Microsystem,歐洲慣用詞）、微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System,MEMS,美國慣用詞）和微機械（Micromachine,日本慣用詞）能夠?qū)⑽鞲衅?、微?zhí)行器、信號處理、控制電路、微能源、熱管理及各種形式的接口，通過綜合設(shè)計形成多功能于一體的集成器件或系統(tǒng)。MEMS作為智能微系統(tǒng)實現(xiàn)的五大構(gòu)成要素之一，被認為是狹義上的微系統(tǒng)技術(shù)，本質(zhì)上是一種實現(xiàn)單一或多類用途的綜合性前沿技術(shù)，涉及微電子學(xué)、信息學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)、流體力學(xué)、自動控制、材料科學(xué)等多學(xué)科交叉。MEMS 技術(shù)制備的器件具有微型化、集成化、穩(wěn)定性高、可批量生產(chǎn)等特點，在信息、生物、汽車、軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，對保持技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢具有重要意義。

　　隨著 MEMS 技術(shù)中的金屬微結(jié)構(gòu)器件應(yīng)用需求和加工難度的不斷增加，電鍍已經(jīng)發(fā)展為 MEMS 器件實現(xiàn)工藝中不可缺少的一種。電鍍工藝不再限于作為表面防護層應(yīng)用，而是通過微區(qū)電鍍來制備MEMS 所需的特定金屬機械微結(jié)構(gòu)、功能微結(jié)構(gòu)、互聯(lián)微結(jié)構(gòu)及散熱微結(jié)構(gòu)等。MEMS 技術(shù)中的電鍍工藝與傳統(tǒng)電鍍過程最大的不同點在于，往往需要伴隨以晶圓為載體的輔助工藝步驟，如種子層制備、光刻、腐蝕、研磨拋光、激光修調(diào)、多層堆疊等加工步驟，工藝方法相對更加復(fù)雜。

　　LIGA/UV-LIGA工藝

　　LIGA 是德文“光刻、電鑄和注塑”的縮寫，也是最早的以電鑄結(jié)構(gòu)為主的 MEMS 加工技術(shù)。LIGA工藝過程包括 X 光同步輻射光刻、電鑄制模和注模復(fù)制步驟，工藝步驟流程。光刻需要在導(dǎo)電襯底上涂厚光刻膠，一般用甲基丙烯酸甲酯（PMMA），它的化學(xué)特性是經(jīng) X 射線照射后可以被顯影劑溶解。制膜要利用電鍍微結(jié)構(gòu)的方法在導(dǎo)電襯底上沉積金屬，為了不引起微結(jié)構(gòu)的變形，LIGA電鍍過程要求沉積的金屬具有最小的應(yīng)力，且在開模的過程中不會發(fā)生粘連導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)損壞，一般的可用電鍍材料包括金、銅、鎳以及鎳合金等。電鍍得到的金屬微結(jié)構(gòu)模型稱為型芯，注膜復(fù)制工藝就是通過型芯大批量生產(chǎn)微型器件，成型的主要方法包括注射成型和熱膜壓印兩種。由于 X 射線有非常高的平行度和極強的輻射強度，使得 LIGA 技術(shù)能夠制造出深寬比達到 500、厚度從數(shù)百微米到毫米級別、側(cè)壁光滑且平行度偏差在亞微米范圍內(nèi)的三維體結(jié)構(gòu)，這是其它微制造技術(shù)無法實現(xiàn)的。此外，采用 LIGA技術(shù)結(jié)合多掩模套刻、掩模板線性移動、傾斜承片臺、背面傾斜光刻等措施，還能制造含有疊狀、斜面、曲面等結(jié)構(gòu)特征的三維微小元器件。

　　由于 LIGA 技術(shù)需要極其昂貴的 X射線光源和制作復(fù)雜的掩模板，其工藝成本非常高，限制了該技術(shù)在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。于是出現(xiàn)了一類應(yīng)用低成本光刻光源和掩模的制造工藝，這種新的加工技術(shù)制造性能與 LIGA 技術(shù)相當，通稱為準 LIGA 技術(shù)或 LIGA-like技術(shù)。其中，使用紫外光源對光刻膠曝光的 UV-LIGA 技術(shù)是一種成本和步驟都相對簡單的工藝，最常用的是采用SU-8 負型膠代替 PMMA 正膠作為光敏材料，可以減少曝光時間并提高加工效率。通常加工厚度可達 0.5 mm 以上，深寬比達 20︰1 以上，側(cè)壁陡直、表面平整，是最為常用的 MEMS加工工藝之一。

　　金屬微結(jié)構(gòu)

　　金屬微結(jié)構(gòu)能夠作為微系統(tǒng)組成的傳動裝置、支撐結(jié)構(gòu)、減震結(jié)構(gòu)、執(zhí)行器等進行使用。UV-LIGA 技術(shù)主要針對深寬比要求相對高且結(jié)構(gòu)相對簡單的金屬微結(jié)構(gòu)，如高深寬比的齒輪、支撐架、微管等。目前報道的 UV-LIGA工藝中已知的最大的深寬比可以達到 190︰1 以上，該結(jié)果由美國路易斯安那大學(xué)通過使用 Cargille 折射率匹配液進行 SU-8 光刻間隙補償方法后得到。

　　慣性傳感器

　　慣性傳感器是 MEMS 技術(shù)中的一大類代表性應(yīng)用，MEMS 慣性傳感器主要包括 MEMS 陀螺儀、MEMS 加速度計、慣性開關(guān)等典型產(chǎn)品，集成化、低功耗、低成本的 MEMS 慣性傳感器主要滿足民用消費需求，高性能、特殊應(yīng)用環(huán)境下的 MEMS 傳感器主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。利用體工藝或表面微加工工藝制造慣性傳感器往往需要昂貴的設(shè)備，除光刻設(shè)備以外，DRIE、陽極鍵合、氣相沉積等設(shè)備都是十分常用的。而以電鍍技術(shù)為主體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的 MEMS 慣性傳感器主要采用紫外線光刻和電鑄設(shè)備，如 UV-LIGA 技術(shù)可以用來制備陀螺、加速度計、慣性開關(guān)等。

　　射頻器件

　　電鍍工藝在制備 MEMS 射頻器件方面有著先天的技術(shù)優(yōu)勢，尤其是以電鍍銅、金等具有高電導(dǎo)率金屬為主體結(jié)構(gòu)的射頻器件。

　　散熱微結(jié)構(gòu)

　　MEMS 器件組成的微系統(tǒng)具有集成度高、微小型化、功能強大等特點，但同時該結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)散熱性能有很高的要求，尤其是伴隨著 GaN 等三代半導(dǎo)體材料的逐步應(yīng)用，導(dǎo)致系統(tǒng)的散熱密度和散熱難度急劇增大，具體體現(xiàn)為高面熱流度、高體熱流密度和熱堆疊。降低系統(tǒng)工作時器件的溫度，是有效提升器件使用壽命的方法。電鍍技術(shù)能夠沉積高導(dǎo)熱的金屬銅作為通道體結(jié)構(gòu)或輔助結(jié)構(gòu)，形成特有的微型散熱片結(jié)構(gòu)。

　　總結(jié)

　　電鍍工藝有著其它微加工技術(shù)不具備的典型優(yōu)勢。其一，電鍍工藝是一種典型增材加工方法，能夠采用類似于多層堆疊的加法模式，較容易形成三維器件結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜金屬微器件制備提供了良好途徑；其二，電鍍工藝不需要昂貴的真空環(huán)境設(shè)備，尤其是以電鍍銅和電鍍鎳為主的器件應(yīng)用，是潛力極大的低成本、批量化加工方法。

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