新型微机械加工为微器件开辟新应用领域

硅微机械加工被认为是能创造种类繁多的机电元件的一种加工手段。虽然硅基的微机械学在压力和加速度传感器的制造方面取得了巨大的成功，但很多其它类型的器件在实验室外取得成功却很有限。现在人们开发出了一种新型的微机械加工工艺，它基于金属材料而非硅材料，可望制成以前无法制造的新型微器件。EFAB是一种通过金属电镀来制造微器件结构的工艺，它可以实现传统的微机械加工无法制作的复杂的形状和结构。
EFAB工艺对各式各样的电气元件的开发来说极为理想，诸如继电器、电感器、滤波器、变压器和连接器等。这些器件用硅微机械加工很难制造，因为要用到复杂形状(线圈和绕组)或者高电导率金属(铜或金)。特别是对于RF器件来说，如果制造在硅衬底上将会出现令人无法接受的寄生损耗。相比之下，EFAB工艺采用了一种自动化的多层淀积方法来生成3维微结构，如带磁芯的绕组与线圈。EFAB工艺可以完成基于高导电性材料(如铜和金)的低损耗器件。此外，EFAB工艺在单台完全自动化的机器中即可完成，避开了硅基微制造中通常所需的一系列昂贵的半导体制造设备。


图1  EFAB工艺步骤图解


图2  EFAB工艺可以在同一衬底上制造类型多样的、具有复杂3D形状的微器件


图3  EFAB适合于制作种类繁多的微器件，如图中的高速变压器。该器件利用CAD数据生成，简化了设计过程。软件自动完成整个制造流程的模拟，无需进行工艺设计或开发

EFAB原理
EFAB工艺以一种自动化的电镀方式形成图形互相独立的多重金属层。从原理上来说，EFAB与立体光刻等快速原型制作技术类似，它把多层图形化的结构叠放起来实现几乎任意一种所需的几何结构。但与立体光刻不同，EFAB是一种批量化加工技术，适合于大批量制造具有完整功能的器件，而不仅仅是模型和原型机。另外，EFAB采用工程化材料，而且精度优于立体光刻。
EFAB 通过一种称为 Instant Masking的原位图形制作方法来定义材料层。Instant Mask由附在阳极面表面的图形化绝缘体(图1a)构成。Instant Masking在衬底上制作图形的过程较为简单：把掩膜贴放到衬底上，用电化淀积在绝缘体孔隙生长材料，然后从衬底上移开掩膜。结果，通过单步工艺快速完成了材料的淀积和图形化(图1b)。这一工艺比光刻法快得多，一天之内可以完成十多个甚至更多的结构层制作。相比之下，采用硅微机械加工只有3层结构的器件却要花费8周甚至更多的时间。
EFAB部件的每一层都由结构材料和保护材料(sacrificial material)两者构成。EFAB工艺制作的器件暂时嵌入到一块保护材料中，对结构材料起到临时支撑作用。在整个一层的表面上还可以不受限制地淀积另外的材料。于是，保护材料的使用就可以消除所有几何形状的限制，让某一层的结构材料悬空在前一层的结构材料之上——甚至从前一层断开。现在，这种几何自由度使各种分立的、互连部件组成的 “组件”实现单片化制造，免除了随后进行焊线或组装的步骤。
为了制造多层器件，可以用专门软件根据所期望的3维几何结构自动的确定各层截面的几何形状，生成包括器件特定截面形状的一层或多层Instant Mask。EFAB工艺由下列步骤组成，每一层都重复这些步骤。

整个工艺流程示于图1中。在图1a，第一层材料在衬底上形成图形。在图1b中，第二层材料以覆盖式淀积方式叠加到第一层材料上，这样，在未被第一层材料覆盖的地方就可以与衬底发生接触。随后，如图1c所示的那样，整个两层材料组成的结构被施以平面化，以保证精确的厚度和平坦度。对所有层都重复这一工艺后，图1d所示的嵌入多层结构再经腐蚀工艺后，就可以得到所期望的器件结构(图1e)。
EFAB工艺可保证的层厚范围是4~20mm。传统的平面化微加工器件由若干层只有几个微米厚的薄膜材料构成，而在EFAB工艺中，通过多层结构可以制造出尺寸大得多而且更坚固的器件。这对于要产生较大力量的执行器应用来说特别重要。EFAB可以用任何一种能实现电化淀积的金属或合金制作成各种结构，唯一的限制条件是伴随使用的牺牲金属材料必须能在各层形成之后被选择性的腐蚀掉。EFAB器件可以在各种衬底上制作，包括电介质衬底，从而形成电隔离的器件。图2示出在同一次制造流程中，在单个衬底上制作出的各式各样的微结构。以硅微机械技术加工不同种类的器件的话，则需要采用各种不同的、相互间不兼容的制造工艺。

EFAB的应用领域
EFAB适合于制作类型多样的微器件，特别适合于需要采用复杂3D结构和高导电性金属的应用。一个应用领域是RF元器件。EFAB可以用于制造高Q值电感、可变电容、滤波器和开关。采用3D工艺后，微带传输线可以为完全同轴微传输线所取代，以改善高频特性。种类多样的微同轴器件，如滤波器和分频器也可以制作出来。另外，EFAB工艺能在低温下完成，因此适合于这些器件与硅电路的片上集成，使得在单个芯片上制作出整个RF系统成为可能。
电磁器件是另一个应用领域。EFAB可以用于制作磁动执行器的铜绕组和坡莫合金磁芯，诸如微型螺线管、变压器、泵和阀等都有可能实现。另一个应用领域是高密度的电连接器，它的引脚密度极高，用传统的金属加工工艺无法实现(例如间距小于0.5mm)。EFAB技术则使得几何精度为mm级、大小为mm级的微型连接器制造成为可能。

结语
EFAB技术首次实现了基于3维CAD固体模型对具有完整功能的、几乎任意几何形状的微器件的制作。对于硅微机械加工技术来说，EFAB在需要采用金属器件的应用方面是良好的互补加工技术。我们可以预计，在硅微机械加工技术无法很好发挥其作用的应用中，EFAB工艺将大显身手，为我们带来各种各样新型的微器件。