若干微电子机械系统研制及相关LIGA工艺研究

论文摘要

随着MEMS传感器芯片在物理、化学、生物和医学等方面的广泛应用,相应的微加工工艺成为当前微系统技术的一个研究热点。MEMS微加工技术涉及微电子、材料、物理（力学及流体力学等）、化学、生物、机械学诸多学科领域,是多学科相互交叉的产物。MEMS器件是采用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在整体设计下几乎同时制造出来,零件和系统是紧密结合在一起的,因此,开发MEMS器件需要采用新观念,在系统级上进行设计和制造。由于微系统器件在性能上对大深宽比微结构的需求,采用LIGA技术制作MEMS器件成为目前非常有潜力的一种加工方法。然而,MEMS与微电子制造工艺不同,它必须进行微机械所特有的三维加工,必须克服大深宽比对加工工艺带来的影响,有时还要求与集成电路工艺兼容。要解决好这一系列问题有一定的难度,研究人员需要不断努力,发展和完善MEMS制造技术。对于每个特定功能的MEMS器件,都需要单独设计一套与之对应的加工工艺流程,每一步工艺参数都需要重新摸索确定,以适应不同的微结构性能要求。为了对MEMS制造过程中微细加工工艺进行深入研究,总结分析MEMS微细加工技术的设计规则和具体的工艺规范,设计并制作出具有大深宽比结构的MEMS器件,同时进行相应的性能分析和评价,本论文主要开展了以下几个方面的工作:1.LIGA/UV-LIGA光刻工艺发展了X射线光刻中的掩模制作工艺,完善了硅基底开窗法制作高精度同步辐射掩模的方法;利用同步辐射X射线光刻技术和深紫外光刻技术制作大深宽比微结构;对紫外光刻工艺和SU-8厚胶工艺制作大高宽比结构进行工艺研究:采用了低温后烘的方法有效降低胶结构内应力,并运用兆声辅助的方法有效提高的大深宽比微结构的显影效率。2.Zn牺牲层技术发展完善了沉积厚层Zn牺牲层技术在LIGA/UV-LIGA工艺中的应用。对Zn牺牲层的电镀工艺,种子层对粘附性的影响,牺牲层的释放等工艺细节进行深入研究,将沉积厚层Zn牺牲层工艺发展为一种完善成熟的牺牲层技术;同时将LIGA技术和厚Zn牺牲层工艺引入武器安全系统中的引信设计和制造中,制作出基于平面结构形式的安全保险装置微结构。3.极限大深宽比微结构电铸对具有极限深宽比的微结构的深镀能力和均镀能力进行探索,分析了大深宽比微结构电铸工艺中的离子传质过程对金属离子沉积的影响;运用了兆声辅助的方法提高离子的传质扩散能力,以获得具有较大深宽比的微结构。4.纳米颗粒复合电镀利用纳米颗粒复合电镀工艺制作镍基复合微结构。为使纳米Al2O3颗粒较均匀地分散在微结构中,实验中搭建了低成本有效的小孔喷流场进行辅助电镀,并获得了分散效果较好纳米颗粒复合镀件;同时对纳米颗粒复合镀件进行了微机械性能的测试,相比于纯镍微结构,其硬度由HV0.2300增至HV0.2500,抗磨损率增强1倍,试验中还测试了微结构的抗压强度,其平均抗压强度约为960Mpa。这些结果表明,复合镀件在某些方面的微机械性能有着显著提高:论文中运用流体动力学有限元分析方法模拟复合电镀中的小孔喷射流场的分布,分析喷射流场对纳米颗粒分散的影响,表明喷流辅助电铸有助于纳米颗粒的分散和吸附沉积。5.微型加速度触发开关研制运用LIGA/UV-LIGA技术、微电铸以及Zn牺牲层技术,完成悬臂梁式和螺旋形加速度开关的研制。悬臂梁式微型加速度开关:采用了X射线深度光刻工艺,结合本论文开发的厚Zn牺牲层工艺,进行悬臂梁式微型加速度开关的制作。实验中分析了大深宽比微结构电铸所出现的缺陷,并对电铸成品率进行统计分析,在此基础上优化结构设计和工艺流程,获得具有大深宽比悬臂梁结构的微型加速度开关样品;并对微结构进行运动测试,结果表明,微结构的运动符合设计上的要求。螺旋形微型加速度开关:采用了深紫外光刻技术,结合SU-8厚胶工艺,进行微型螺旋形加速度开关的制作。对牺牲层材料的特性进行分析与实验,解决了微结构脱落的问题,通过工艺优化,得到了平整的微弹簧结构;并对微结构的开关工作阈值和弹性系数进行测试,开关阈值从1g～10g,在设计的低阈值工作范围,所测微结构弹性系数在140～200μN/nm范围,为所需的低刚度弹簧,满足设计者对系统低频响应的要求。6.毫米波矩形封闭加速通道研制运用UV-LIGA技术,结合SU-8多层对准紫外光刻和微电铸工艺,进行封闭复杂的内部空腔结构的微型毫米波加速通道的制作。对SU-8的多层光刻电铸工艺、SU-8热裂解去除,以及微结构内部空腔超声清洗等微细加工工艺进行了深入研究,并获得具有复杂的内部空腔结构的微型毫米波加速通道。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 微电子机械系统（MEMS）
• 1.1.1 MEMS简介
• 1.1.2 MEMS应用领域
• 1.1.3 MEMS发展及研究现状
• 1.2 MEMS微加工技术及应用
• 1.2.1 MEMS微加工技术简介
• 1.2.2 LIGA/UV-LIGA技术及优缺点
• 1.2.3 X射线及深紫外光刻技术
• 1.2.4 牺牲层技术
• 1.2.5 微电铸及复合电镀技术
• 1.3 MEMS设计规则及工艺规范
• 1.3.1 MEMS设计规则
• 1.3.2 MEMS工艺规范
• 1.3.3 微加工工艺要考虑的重要问题
• 1.4 本文完成的主要工作
• 1.4.1 惯性安全系统微结构制作
• 1.4.2 纳米颗粒复合电镀微结构制作
• 1.4.3 微型悬臂梁加速度触发开关研制
• 1.4.4 微型螺旋形加速度触发开关研制
• 1.4.5 微型毫米波矩形加速通道研制
• 参考文献
• 第二章 同步辐射光刻及深紫外光刻研究
• 2.1 同步辐射在LIGA中的应用
• 2.1.1 合肥国家同步辐射光源
• 2.1.2 北京同步辐射装置
• 2.2 X射线掩模制作
• 2.2.1 X射线掩模的特性
• 2.2.2 硅基底开窗法制作同步辐射掩模
• 2.3 X射线深度光刻
• 2.3.1 PMMA样品制备
• 2.3.2 X射线深度光刻工艺
• 2.3.3 PMMA显影工艺
• 2.4 深紫外光刻
• 2.4.1 SU-8光刻胶的应用
• 2.4.2 深紫外光刻工艺
• 2.4.3 SU-8工艺研究
• 参考文献
• 第三章 ZN牺牲层技术
• 3.1 牺牲层技术及应用
• 3.1.1 牺牲层技术简介
• 3.1.2 牺牲层材料的选择
• 3.1.3 锌（Zn）牺牲层技术的应用
• 3.2 厚ZN牺牲层技术
• 3.2.1 厚Zn牺牲层制备
• 3.2.2 硅基底种子层选择
• 3.2.3 厚Zn牺牲层释放
• 3.3 牺牲层技术制作惯性安全系统微结构
• 3.3.1 用于引信的惯性安全系统微结构
• 3.3.2 惯性安全系统微结构制作工艺
• 3.3.4 微弹簧拉伸实验及拉力测试
• 参考文献
• 第四章 微电铸及纳米颗粒复合电镀研究
• 4.1 微电铸工艺
• 4.1.1 微电铸基本原理
• 4.1.2 大深宽比结构精密电铸特性
• 4.1.3 NSRL微电铸工艺
• 4.1.4 极限大深宽比结构微电铸工艺研究
• 4.2 纳米颗粒复合电镀
• 4.2.1 纳米颗粒复合微电铸原理
• 2O₃颗粒分散效果的因素'>4.2.2 影响纳米Al₂O₃颗粒分散效果的因素
• 4.2.3 纳米颗粒复合电镀微结构的制作工艺
• 2O₃颗粒复合微电镀结果及性能测试'>4.2.4 Ni/纳米Al₂O₃颗粒复合微电镀结果及性能测试
• 4.2.5 复合电镀喷射流场的有限元分析
• 4.2.5.1 高度非线性流体力学的湍流模型
• 4.2.5.2 通用有限元分析工具简介
• 4.2.5.3 复合电镀中的喷射流场模型
• 4.2.5.4 复合电镀喷射流场模拟结果及分析
• 参考文献
• 第五章 微型加速度触发开关研制
• 5.1 微型加速度触发开关简介
• 5.1.1 微型加速度触发开关
• 5.1.2 微型加速度开关研究现状
• 5.2 微型悬臂梁加速度开关制作
• 5.2.1 微型悬臂梁加速度开关工作原理
• 5.2.2 微型悬臂梁加速度开关制作工艺
• 5.2.3 悬臂梁电铸缺陷分析及优化设计
• 5.2.4 大深宽比微结构电铸成品率统计
• 5.2.5 微型悬臂梁加速度开关的运动测试
• 5.3 微型螺旋形加速度开关制作
• 5.3.1 微型螺旋形加速度开关工作原理
• 5.3.2 微型螺旋形加速度开关制作工艺
• 5.3.3 制作工艺讨论及优化
• 5.3.4 弹性微结构性能测试
• 参考文献
• 第六章 微型毫米波加速通道研制
• 6.1 微型毫米波加速装置
• 6.1.1 毫米波及应用
• 6.1.2 微型毫米波加速装置研究进展
• 6.2 微型毫米波矩形加速通道制作
• 6.2.1 微型通道结构及掩模设计
• 6.2.2 微型毫米波加速通道制作工艺
• 6.2.3 制作工艺优化
• 6.3 微型通道制作结果及讨论
• 6.3.1 多层SU-8对准光刻工艺
• 6.3.2 SU-8热裂解去胶及退火工艺
• 6.3.3 内部微结构超声清洗
• 参考文献
• 论文总结
• 附录
• 附录1:金电镀液配置
• 附录2:PMMA片材与基底的粘合剂配置
• 附录3:PMMA显影液（GG显影液）配方
• 附录4:牺牲层Zn电镀液配置及工艺参数
• 附录5:氨基磺酸镍体系电镀液配置及工艺参数
• 附录6:铜芯微结构电铸工艺参数
• 附录7:实验中使用的主要仪器规格型号
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
• 致谢