高纵横比MEMS制造技术的4种方法

深度反应离子刻蚀或DRIE是一种相对较新的制造技术，已被MEMS社区广泛采用。

下面我们来解读高纵横比MEMS制造技术的4种方法。

1、硅的深度反应离子刻蚀

深度反应离子刻蚀或DRIE是一种相对较新的制造技术，已被MEMS社区广泛采用。这项技术可以在硅基板上执行非常高的纵横比蚀刻。蚀刻的孔的侧壁几乎是垂直的，并且蚀刻深度可以是进入硅衬底的数百甚至数千微米。

下图说明了如何完成深度反应性离子蚀刻。该蚀刻是干式等离子体蚀刻，并使用高密度等离子体来交替蚀刻硅，并在侧壁上沉积抗蚀刻聚合物层。硅的蚀刻使用SF6化学方法进行，而抗蚀刻聚合物层在侧壁上的沉积则使用C4F8化学方法。质量流控制器在蚀刻期间在这两种化学物质之间来回交替。保护性聚合物层沉积在蚀刻坑的侧壁和底部上，但是蚀刻的各向异性将蚀刻坑底部的聚合物去除的速度比从侧壁去除聚合物的速度快。侧壁不完美或光学上不光滑，如果在SEM检查下放大了侧壁，则在侧壁上会看到典型的搓衣板或扇形花纹。大多数商用DRIE系统的蚀刻速率为每分钟1-4微米。DRIE系统是单晶片工具。光刻胶可用作DRIE蚀刻的掩膜层。用光致抗蚀剂和氧化物的选择性分别为约75∶1和150∶1。对于晶片穿透蚀刻，将需要相对较厚的光致抗蚀剂掩模层。蚀刻的长宽比可以高达30：1，但实际上往往为15：1。由于系统中的负载效应，工艺配方取决于暴露的硅量，与较小的裸露区域相比，具有较大的裸露区域的蚀刻速度要快得多。因此，必须经常表征蚀刻的确切掩模特征和深度以获得理想的结果。

深反应离子蚀刻的工作原理图

下图是使用DRIE和晶片键合制造的MEMS部件的SEM。使用SOI晶片制造该器件，其中，通过操作晶片执行背面蚀刻，停止在掩埋氧化物层上，并且在SOI器件层上执行正面DRIE。然后去除掩埋的氧化物以释放微结构，使其自由移动。

在SOI晶片上使用双面DRIE蚀刻技术制造的MEMS器件的SEM

下图是使用DRIE技术制造的硅微结构的截面SEM。可以看出，蚀刻非常深入硅衬底，并且侧壁几乎是垂直的。

硅晶片横截面的SEM，展示了可以使用DRIE技术制造的高纵横比和深沟槽

2、玻璃的深反应离子蚀刻

玻璃基板也可以以高深宽比深蚀刻到材料中，并且该技术已在MEMS制造中获得普及。图10显示了使用该技术制成的玻璃结构。高深宽比玻璃蚀刻的典型蚀刻速率为每分钟250至500nm。取决于光致抗蚀剂的深度，金属或多晶硅可以用作掩模。

高纵横比结构的SEM蚀刻到由MNX制造的玻璃基板中

3、利加

另一种流行的高长径比微加工技术称为LIGA，这是德国的缩写，意为“LIthographieGalvanoformungAdformung”。这主要是基于非硅的技术，需要使用同步加速器产生的X射线辐射。基本过程在下图中概述，并从将X射线辐射敏感的PMMA浇铸到合适的基材上开始。特殊的X射线掩模用于使用X射线选择性曝光PMMA层。然后开发出PMMA，并将其定义为极其光滑且几乎完美垂直的侧壁。而且，X射线辐射进入PMMA层的穿透深度非常深，并允许通过非常厚的PMMA层进行曝光，最大可达1mm以上。

LIGA工艺中制造高深宽比MEMS器件的步骤说明

发展之后图案化的PMMA充当聚合物模具，并放置在电镀浴中，并且将镍电镀到PMMA的开放区域中。然后去除PMMA，从而保留金属微结构。

采用LIGA技术制成的高长宽比高的齿轮

由于LIGA需要特殊的掩模和同步辐射（X射线）辐射源进行曝光，因此此过程的成本相对较高。降低此过程制成的微加工零件成本的一种方法变型是将制造的金属零件（步骤5）重新用作工具插件，以将工具的形状压印到聚合物层中（步骤3），然后将金属电镀到聚合物模具中（步骤4）并移除聚合物模具（步骤5）。显然，此步骤顺序使每次制造零件时都不需要同步辐射源，从而显着降低了工艺成本。该过程的尺寸控制非常好，并且在刀片磨损之前可以多次使用。

4、热压花

在聚合物材料中复制深高纵横比结构的过程是，使用LIGA或类似技术制造金属工具嵌件，然后将工具嵌件图案压印到聚合物基材中，然后将其用作零件。使用适当的制造方法（以黑色阴影线表示）将倒模制成模具嵌件。将模具插件放入热压花系统中，该系统包括一个可在其中抽真空的腔室。将基材和聚合物加热到聚合物材料的玻璃化转变温度Tg以上，并将模具插件压入聚合物基材中。真空对于聚合物如实地复制模具嵌件中的特征至关重要，因为否则空气会被截留在两个表面之间，从而导致特征变形。

创建微型设备的热压花过程示意图。（由CNRI的MNX提供）

使用过程中热压花平台的照片

随后，将基板冷却至聚合物材料的玻璃化转变温度以下，并施加力以使基板脱模。如图15所示，热压花可以成功地复制复杂的，深的和高长宽比的特征。通过非常好的尺寸控制，此过程可以将印记压印到数百微米深的聚合物中。该方法的优点是，与使用其他技术制造的相同结构相比，单个聚合物部件的成本可以非常低。由于压倒性的成本优势和出色的性能，

将塑料基板和模具插件加热到塑料Tg上方，在腔室上抽真空。施加力以压花塑料基材。冷却塑料基板和模具插件以达到脱模温度，并施加力进行脱模。

下图在MNX上使用热压印技术在塑料基板上制成的各种小型测试结构的SEM。塑料微结构的高度接近300微米，最小的特征直径约为25微米。