微尺度制造 / 微制造 / 微机械加工 / MEMS

MICROMANUFACTURING, MICROSCALE MANUFACTURING, MICROFABRICATION or MICROMACHINING refers to our processes suitable for making tiny devices and products in the micron or microns of dimensions.有时微制造产品的整体尺寸可能更大，但我们仍然使用这个术语来指代所涉及的原理和过程。我们使用微制造方法制造以下类型的设备：

 

 

 

微电子器件：典型的例子是基于电气和电子原理的半导体芯片。

 

微机械设备：这些产品本质上是纯机械的，例如非常小的齿轮和铰链。

 

微机电设备：我们使用微制造技术以非常小的长度尺度组合机械、电气和电子元件。我们的大多数传感器都属于这一类。

 

微机电系统 (MEMS)：这些微机电设备还在一个产品中集成了集成电气系统。我们在这一类别中受欢迎的商业产品是 MEMS 加速度计、安全气囊传感器和数字微镜设备。

 

 

 

根据要制造的产品，我们部署以下主要微制造方法之一：

 

大块微加工：这是一种相对较旧的方法，它在单晶硅上使用与方向相关的蚀刻。体微加工方法基于向下蚀刻到表面，并在某些晶面、掺杂区域和可蚀刻薄膜上停止以形成所需的结构。我们能够使用批量微加工技术进行微制造的典型产品是：

 

- 小悬臂

 

- 硅中的 V 型凹槽，用于光纤的对齐和固定。

 

表面微加工：不幸的是，体微加工仅限于单晶材料，因为多晶材料不会使用湿蚀刻剂在不同方向上以不同的速率加工。因此，表面微加工作为批量微加工的替代品脱颖而出。使用 CVD 工艺将诸如磷硅玻璃之类的隔离层或牺牲层沉积到硅衬底上。一般而言，多晶硅、金属、金属合金、电介质的结构薄膜层沉积在间隔层上。使用干法蚀刻技术，对结构薄膜层进行图案化，并使用湿法蚀刻去除牺牲层，从而产生独立结构，例如悬臂梁。也有可能使用大块和表面微加工技术的组合将一些设计转化为产品。适用于使用上述两种技术组合进行微制造的典型产品：

 

- 亚毫米尺寸微型灯（0.1 毫米大小）

 

- 压力传感器

 

- 微型泵

 

- 微型电机

 

- 执行器

 

- 微流体流动装置

 

有时，为了获得高垂直结构，在水平方向对大型平面结构进行微制造，然后使用离心或探针微组装等技术将结构旋转或折叠到直立位置。然而，使用硅熔合和深度反应离子蚀刻可以在单晶硅中获得非常高的结构。深度反应离子蚀刻 (DRIE) 微制造工艺在两个单独的晶圆上进行，然后对齐和熔合以产生非常高的结构，否则这是不可能的。

 

 

 

LIGA 微制造工艺：LIGA 工艺结合了 X 射线光刻、电沉积、成型，通常包括以下步骤：

 

 

 

1. 数百微米厚的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 抗蚀剂层沉积在主基板上。

 

2. PMMA 是使用准直 X 射线显影的。

 

3. 金属被电沉积到主基板上。

 

4. PMMA 被剥离并保留独立的金属结构。

 

5.我们使用剩余的金属结构作为模具，进行塑料的注塑成型。

 

 

 

如果分析上述基本的五个步骤，使用 LIGA 微制造/微加工技术我们可以得到：

 

 

 

- 独立式金属结构

 

- 注塑成型塑料结构

 

- 使用注塑结构作为坯料，我们可以熔模铸造金属零件或注模陶瓷零件。

 

 

 

LIGA 微制造/微加工工艺既耗时又昂贵。然而，LIGA 微加工生产这些亚微米精密模具，可用于复制具有明显优势的所需结构。例如，LIGA 微制造可用于用稀土粉末制造非常坚固的微型磁体。稀土粉末与环氧树脂粘合剂混合并压入 PMMA 模具，在高压下固化，在强磁场下磁化，最后 PMMA 溶解，留下微小的强稀土磁体，这是塑料的奇迹之一微制造/微加工。我们还能够通过晶圆级扩散键合开发多级 MEMS 微制造/微加工技术。基本上，我们可以使用批量扩散键合和释放程序在 MEMS 设备中拥有悬垂的几何形状。例如，我们准备了两个 PMMA 图案化和电铸层，随后 PMMA 发布。接下来，晶圆与导向销面对面对齐，并在热压机中压合在一起。其中一个衬底上的牺牲层被蚀刻掉，这导致其中一层与另一层结合。我们也可以使用其他基于非 LIGA 的微制造技术来制造各种复杂的多层结构。

 

 

 

SOLID FREEFORM MICROFABRICATION 工艺：添加剂微制造用于快速原型制作。通过这种微加工方法可以获得复杂的 3D 结构，并且不会发生材料去除。微立体光刻工艺使用液体热固性聚合物、光引发剂和高度聚焦的激光源，直径小至 1 微米，层厚约 10 微米。然而，这种微制造技术仅限于非导电聚合物结构的生产。另一种微制造方法，即“即时掩膜”或也称为“电化学制造”或 EFAB，涉及使用光刻法生产弹性体掩膜。然后在电沉积浴中将掩模压靠在基材上，以使弹性体与基材一致并排除接触区域中的电镀溶液。未被掩蔽的区域被电沉积为掩膜的镜像。使用牺牲性填充物，对复杂的 3D 形状进行微加工。这种“即时掩蔽”微制造/微加工方法还可以生产悬垂、拱形等。