三维微加工DEM技术研究
引言由微传感器、微执行器和微处理器组成的微型机电系统目前正逐渐成为欧州、美国、日本等发达国家争先投资开发的热点，它的成功将会象微电子那样给人类生活带来新的革命。微型机电系统的基础是微细加工技术，当前的研究主要是以硅基微加工技术为主，包括表面硅微加工技术和体硅微加工技术[1-4]。80年代德国开发出来的liga技术扩展了微机械的材料，利用该技术可加工塑料、陶瓷和金属等各种材料[5-7]。但liga技术需昂贵的同步辐射x射线光源和制造工艺复杂的x光掩模板，其加工周期长，价格昂贵。
由上海交通大学和北京大学开发出的dem技术克服了liga技术加工周期长，价格昂贵的缺点[8]。dem是英文deepetching，electroforming和microreplication的缩写，它综合了该技术的二个主要工艺——深层刻蚀、微电铸和微复制工艺。dem技术不需昂贵的同步辐射光源和特制的x光掩模板。利用感应耦合等离子体（icp：inductively coupled plasma）刻蚀设备进行高深宽比塑料或硅刻蚀后，从硅片上直接进行微电铸，得到金属模具后再进行微复制工艺，就可实现微机械器件的大批量生产。dem技术具有加工周期短、价格低廉等优点、无光刻胶与基板的粘结问题，与微电子技术的兼容性更好。目前我国在该技术领域处于*水平，已用该技术制造的微复制模具模压出高深宽比塑料微结构。该技术的开发成功，可望成为一项全新替代liga技术的非硅三维微加工技术。
1 dem技术工艺路线
dem技术设想用深层刻蚀工艺来代替liga技术中的同步辐射调光深层光刻工艺，然后进行后续的微电铸和微复制工艺。图1比较了dem技术与liga技术工艺路线。
国外近年来开发出了主要用于进行硅深层刻蚀技术的*硅刻蚀工艺（ase工艺：advanced sil-icon etching process）[9]，该工艺利用了感应裙合等离子体和侧壁钝化工艺等技术，可对硅材料进行高深宽比三维微加工，其加工厚度可达几百微米，侧壁垂直度为90°±03°，刻蚀速率每分钟可达2.5μm如用深层刻蚀出的硅微结构直接作为模具，由于硅本身较脆，在模压过程中很容易破碎，所以不能利用硅模具进行微结构器件的大批量生产。但可利用该模具对塑料进行小批量加工（小于10次）。图2为用硅作为微复制模具通过模压获得的塑料微齿轮模子的电镜照片。该微齿轮模子厚度为100μm，经过微电铸工艺后可得到金属微齿轮。
目前dem技术主要的工艺路线是先利用硅深层刻蚀工艺获得高深宽比硅微结构。然后通过微电铸工艺获得金属微复制模具，zui后应用微复制工艺进行微器件的批量生产。
图3给出了利用硅深层刻蚀工艺进行dem技术的工艺路线。首先在氧化过的低阻硅片（电阻率＜1ωcm）上溅射一层金属掩膜，利用紫外光刻和刻蚀工艺获得掩膜，然后利用英国sts公司生产的icp刻蚀机对硅进行深层刻蚀，再通过氧化和反应离子刻蚀对硅的侧壁进行绝缘保护。利用深层微电铸工艺进行金属镍电铸后，再用氢氧化钾将硅片腐蚀掉，获得由金属镍组成的微复制模具。利用该模具可对塑料进行模压加工，进行塑料产品的批量生产，或对模压后获得的塑料微结构再进行第二次微电铸，就可进行金属产品的批量生产。由于硅是半导体，该工艺的关键是要解决从硅上直接进行微电铸的技术难关。
2 结果与讨论
目前dem技术工艺路线已全部打通，已用该技术制造的微复制模具模压出了高深宽比塑料微结构。
图4是利用sts公司生产的icp刻蚀机刻出的高深宽比硅微齿轮电镜照片，齿轮厚度为100μm，分度圆直径为87μm，孔径为25μm，模数小于0.01。目前用精密机械加工技术能获得的齿轮zui小模数为0.04,且不能进行大量生产。
目前金属镍的电铸较为成熟，且镍具有一定的硬度和耐腐蚀性能，比较适合做为模具材料。图5为经过微电铸工艺获得的金属镍微复制模具金属微结构电镜照片，该微结构线宽分别为5、10、20和30μm，厚度为102μm，深宽比大于20。
微复制工艺主要有模压和注塑两种工艺，模压工艺加工周期较长（约10-20分钟），但材料更换方便，且能进行多层不同塑料的模压，适用于进行科学研究；注塑工艺加工周期短，zui低可缩至10秒以内，但材料更换困难，适用于进行批量生产。我们利用德国进口的模压设备对聚氯乙烯（pvc）、聚苯乙烯（ps）、聚甲基丙烯酸甲酯（pmk4a）、聚碳酸酯（pc）和聚甲醛（pom）等塑料进行了微复制工艺的研究，其中pvc和ps材料目前尚未见文献报道。图6是用模压工艺获得的pmma塑料微结构电镜照片，微结构高度为90μm，线宽为30μm。“sjtu”为上海交通大学的英文缩写。
通过dem技术的初步研究，现在已获得了一些高深宽比的金属和塑料微结构，但其总体质量还需进一步提高。目前尚需解决的问题有：（1）在微电铸工艺中，由于硅是半导体，本身导电率不高，虽然选择了低阻硅片，并在硅片背面溅射了一层金属，但其电阻率与金属相比仍然很高，造成微电铸困难；（2）在深孔、深槽中，消耗掉的金属离子不能很快得到补充，使得电铸出的金属微结构中产生较多孔隙，在模压过程中模具易产生断裂。
3 dem技术产业化前景
近几年来，从世界范围来看，微机电系统的研究及其产业化发展很快，应用领域也从汽车、医疗领域逐渐向通讯、机械工程和过程自动化扩展。据国外的分析显示[10]，到2002年，微系统技术产品的产值将达到384．9亿美元。市场之大，很有可能成为一个新的经济增长点。
从技术研究现状来看，我国在该领域的技术水平与世界的差距并不大，但产业化目前还是零。因此，加快我国微型机电系统技术产品的产业化迫在眉睫。
目前我国微型机电系统技术产品的加工技术主要有两种：硅微加工技术和liga技术。但这两种加工技术在大规模用于微系统技术产品的制造上均有一定的难度。硅微加工技术成本高，而且只适用于硅材料，lliga技术虽然加工材料面广，高深宽比也优于其它加工技术，但liga加工技术在产业化方面受到设备方面极大的限制。
dem技术与硅微加工技术相比，其加工材料面广，既可加工硅材料也可以加工非硅材料，包括金属、塑料、陶瓷等，加工深度和深宽比等性能指标与硅微加工技术相同，但其塑料产品的价格只有硅微加工技术的l／100。dem技术与liga技术相比，可加工与liga技术相同的材料，虽然它的加工深度和深宽比不及liga技术，但大部分的mems产品并不需要如此高的深宽比和厚度，并且在性能接近的前提下，dkm技术有着*的产业化优势：价格低廉，加工周期短，可操作性强，与微电子技术兼容性更好。因此，dem技术在产业化方面可替代liga技术加工大部分微机电系统产品。dem加工技术的产业化将对我国微机电系统的产业化起到积极的推动作用。
4 结论
通过dem技术的初步研究，目前已用该技术制造的微复制模具模压出了高深宽比塑料微结构。证明该技术的工艺路线是切实可行的。dem技术充分利用了体硅微加工技术和liga技术的优点，解决了体硅微加工技术中只能加工硅材料的局限。与liga技术相比，该技术不需昂贵的同步辐射光源和特别的x光掩模板。其加工周期短，价格低廉，具有可操作性，与微电子技术的兼容性更好。该技术的开发成功，将对我国微型机电系统的产业化起很好的推动作用。
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1 dem技术工艺路线
dem技术设想用深层刻蚀工艺来代替liga技术中的同步辐射调光深层光刻工艺，然后进行后续的微电铸和微复制工艺。图1比较了dem技术与liga技术工艺路线。
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图3给出了利用硅深层刻蚀工艺进行dem技术的工艺路线。首先在氧化过的低阻硅片（电阻率＜1ωcm）上溅射一层金属掩膜，利用紫外光刻和刻蚀工艺获得掩膜，然后利用英国sts公司生产的icp刻蚀机对硅进行深层刻蚀，再通过氧化和反应离子刻蚀对硅的侧壁进行绝缘保护。利用深层微电铸工艺进行金属镍电铸后，再用氢氧化钾将硅片腐蚀掉，获得由金属镍组成的微复制模具。利用该模具可对塑料进行模压加工，进行塑料产品的批量生产，或对模压后获得的塑料微结构再进行第二次微电铸，就可进行金属产品的批量生产。由于硅是半导体，该工艺的关键是要解决从硅上直接进行微电铸的技术难关。
2 结果与讨论
目前dem技术工艺路线已全部打通，已用该技术制造的微复制模具模压出了高深宽比塑料微结构。
图4是利用sts公司生产的icp刻蚀机刻出的高深宽比硅微齿轮电镜照片，齿轮厚度为100μm，分度圆直径为87μm，孔径为25μm，模数小于0.01。目前用精密机械加工技术能获得的齿轮zui小模数为0.04,且不能进行大量生产。
目前金属镍的电铸较为成熟，且镍具有一定的硬度和耐腐蚀性能，比较适合做为模具材料。图5为经过微电铸工艺获得的金属镍微复制模具金属微结构电镜照片，该微结构线宽分别为5、10、20和30μm，厚度为102μm，深宽比大于20。
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4 结论
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