深度反應(yīng)離子刻蝕或DRIE是一種相對(duì)較新的制造技術(shù)，已被MEMS社區(qū)廣泛采用。

下面我們來(lái)解讀高縱橫比MEMS制造技術(shù)的4種方法。

1、硅的深度反應(yīng)離子刻蝕

深度反應(yīng)離子刻蝕或DRIE是一種相對(duì)較新的制造技術(shù)，已被MEMS社區(qū)廣泛采用。這項(xiàng)技術(shù)可以在硅基板上執(zhí)行非常高的縱橫比蝕刻。蝕刻的孔的側(cè)壁幾乎是垂直的，并且蝕刻深度可以是進(jìn)入硅襯底的數(shù)百甚至數(shù)千微米。

下圖說(shuō)明了如何完成深度反應(yīng)性離子蝕刻。該蝕刻是干式等離子體蝕刻，并使用高密度等離子體來(lái)交替蝕刻硅，并在側(cè)壁上沉積抗蝕刻聚合物層。硅的蝕刻使用SF6化學(xué)方法進(jìn)行，而抗蝕刻聚合物層在側(cè)壁上的沉積則使用C4F8化學(xué)方法。質(zhì)量流控制器在蝕刻期間在這兩種化學(xué)物質(zhì)之間來(lái)回交替。保護(hù)性聚合物層沉積在蝕刻坑的側(cè)壁和底部上，但是蝕刻的各向異性將蝕刻坑底部的聚合物去除的速度比從側(cè)壁去除聚合物的速度快。側(cè)壁不完美或光學(xué)上不光滑，如果在SEM檢查下放大了側(cè)壁，則在側(cè)壁上會(huì)看到典型的搓衣板或扇形花紋。大多數(shù)商用DRIE系統(tǒng)的蝕刻速率為每分鐘1-4微米。DRIE系統(tǒng)是單晶片工具。光刻膠可用作DRIE蝕刻的掩膜層。用光致抗蝕劑和氧化物的選擇性分別為約75∶1和150∶1。對(duì)于晶片穿透蝕刻，將需要相對(duì)較厚的光致抗蝕劑掩模層。蝕刻的長(zhǎng)寬比可以高達(dá)30：1，但實(shí)際上往往為15：1。由于系統(tǒng)中的負(fù)載效應(yīng)，工藝配方取決于暴露的硅量，與較小的裸露區(qū)域相比，具有較大的裸露區(qū)域的蝕刻速度要快得多。因此，必須經(jīng)常表征蝕刻的確切掩模特征和深度以獲得理想的結(jié)果。

深反應(yīng)離子蝕刻的工作原理圖

下圖是使用DRIE和晶片鍵合制造的MEMS部件的SEM。使用SOI晶片制造該器件，其中，通過(guò)操作晶片執(zhí)行背面蝕刻，停止在掩埋氧化物層上，并且在SOI器件層上執(zhí)行正面DRIE。然后去除掩埋的氧化物以釋放微結(jié)構(gòu)，使其自由移動(dòng)。

在SOI晶片上使用雙面DRIE蝕刻技術(shù)制造的MEMS器件的SEM

下圖是使用DRIE技術(shù)制造的硅微結(jié)構(gòu)的截面SEM。可以看出，蝕刻非常深入硅襯底，并且側(cè)壁幾乎是垂直的。

硅晶片橫截面的SEM，展示了可以使用DRIE技術(shù)制造的高縱橫比和深溝槽

2、玻璃的深反應(yīng)離子蝕刻

玻璃基板也可以以高深寬比深蝕刻到材料中，并且該技術(shù)已在MEMS制造中獲得普及。圖10顯示了使用該技術(shù)制成的玻璃結(jié)構(gòu)。高深寬比玻璃蝕刻的典型蝕刻速率為每分鐘250至500nm。取決于光致抗蝕劑的深度，金屬或多晶硅可以用作掩模。

高縱橫比結(jié)構(gòu)的SEM蝕刻到由MNX制造的玻璃基板中

3、利加

另一種流行的高長(zhǎng)徑比微加工技術(shù)稱為L(zhǎng)IGA，這是德國(guó)的縮寫(xiě)，意為“LIthographieGalvanoformungAdformung”。這主要是基于非硅的技術(shù)，需要使用同步加速器產(chǎn)生的X射線輻射。基本過(guò)程在下圖中概述，并從將X射線輻射敏感的PMMA澆鑄到合適的基材上開(kāi)始。特殊的X射線掩模用于使用X射線選擇性曝光PMMA層。然后開(kāi)發(fā)出PMMA，并將其定義為極其光滑且?guī)缀跬昝来怪钡膫?cè)壁。而且，X射線輻射進(jìn)入PMMA層的穿透深度非常深，并允許通過(guò)非常厚的PMMA層進(jìn)行曝光，最大可達(dá)1mm以上。

LIGA工藝中制造高深寬比MEMS器件的步驟說(shuō)明

發(fā)展之后圖案化的PMMA充當(dāng)聚合物模具，并放置在電鍍?cè)≈校⑶覍㈡囯婂兊絇MMA的開(kāi)放區(qū)域中。然后去除PMMA，從而保留金屬微結(jié)構(gòu)。

采用LIGA技術(shù)制成的高長(zhǎng)寬比高的齒輪

由于LIGA需要特殊的掩模和同步輻射（X射線）輻射源進(jìn)行曝光，因此此過(guò)程的成本相對(duì)較高。降低此過(guò)程制成的微加工零件成本的一種方法變型是將制造的金屬零件（步驟5）重新用作工具插件，以將工具的形狀壓印到聚合物層中（步驟3），然后將金屬電鍍到聚合物模具中（步驟4）并移除聚合物模具（步驟5）。顯然，此步驟順序使每次制造零件時(shí)都不需要同步輻射源，從而顯著降低了工藝成本。該過(guò)程的尺寸控制非常好，并且在刀片磨損之前可以多次使用。

4、熱壓花

在聚合物材料中復(fù)制深高縱橫比結(jié)構(gòu)的過(guò)程是，使用LIGA或類似技術(shù)制造金屬工具嵌件，然后將工具嵌件圖案壓印到聚合物基材中，然后將其用作零件。使用適當(dāng)?shù)闹圃旆椒ǎㄒ院谏幱熬€表示）將倒模制成模具嵌件。將模具插件放入熱壓花系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括一個(gè)可在其中抽真空的腔室。將基材和聚合物加熱到聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以上，并將模具插件壓入聚合物基材中。真空對(duì)于聚合物如實(shí)地復(fù)制模具嵌件中的特征至關(guān)重要，因?yàn)榉駝t空氣會(huì)被截留在兩個(gè)表面之間，從而導(dǎo)致特征變形。

創(chuàng)建微型設(shè)備的熱壓花過(guò)程示意圖。（由CNRI的MNX提供）

使用過(guò)程中熱壓花平臺(tái)的照片

隨后，將基板冷卻至聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，并施加力以使基板脫模。如圖15所示，熱壓花可以成功地復(fù)制復(fù)雜的，深的和高長(zhǎng)寬比的特征。通過(guò)非常好的尺寸控制，此過(guò)程可以將印記壓印到數(shù)百微米深的聚合物中。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，與使用其他技術(shù)制造的相同結(jié)構(gòu)相比，單個(gè)聚合物部件的成本可以非常低。由于壓倒性的成本優(yōu)勢(shì)和出色的性能，

將塑料基板和模具插件加熱到塑料Tg上方，在腔室上抽真空。施加力以壓花塑料基材。冷卻塑料基板和模具插件以達(dá)到脫模溫度，并施加力進(jìn)行脫模。

下圖在MNX上使用熱壓印技術(shù)在塑料基板上制成的各種小型測(cè)試結(jié)構(gòu)的SEM。塑料微結(jié)構(gòu)的高度接近300微米，最小的特征直徑約為25微米。

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