激光-微筆-微噴直寫集成制造MEMS微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來，伴隨MEMS 微制造領(lǐng)域向柔性化、定制化、集成化、智能化發(fā)展的潮流，基于“自由堆積/去除”原理的直寫技術(shù)迅速崛起，成為備受關(guān)注和研究的新型微制造技術(shù)。面對機(jī)遇，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的直寫微制造技術(shù)與設(shè)備對提升我國在MEMS制造領(lǐng)域中的技術(shù)水平和核心競爭力具有十分重要的意義。
　　 本文在實驗室自主研發(fā)的微筆/微噴直寫沉積和激光微熔覆電子漿料工藝基礎(chǔ)上，提出基于激光-微筆/微噴直寫技術(shù)集成制造MEMS 微結(jié)構(gòu)的工藝路線，對

2、相關(guān)的多功能直寫集成制造工藝設(shè)備、基礎(chǔ)材料體系和關(guān)鍵工藝過程進(jìn)行了較系統(tǒng)的探索和討論。采用微筆、微噴直寫沉積和激光微熔覆工藝中的一種或幾種工藝組合，分別在石英玻璃和Al2O3 陶瓷基片上制作了MEMS 器件單元微結(jié)構(gòu)如信號電路、基礎(chǔ)薄膜、叉指懸臂、三維薄壁墻及基礎(chǔ)微型橋等，實證了激光-微筆/微噴直寫集成制造MEMS 微結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實可行性。主要研究成果總結(jié)如下：
　　 基于快速原型工藝集成和多功能快速原型制造系統(tǒng)的基本原理，設(shè)計和開

3、發(fā)了一臺多功能直寫微制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了激光、微筆和微噴三種直寫加工工具，具有柔性化、集成化、多功能、可擴(kuò)展和開放性的特點。詳細(xì)介紹了基于該加工系統(tǒng)的專用多功能直寫加工CAD/CAM軟件的設(shè)計思想、關(guān)鍵模塊與算法，實現(xiàn)了激光微熔覆和微筆/微噴直寫沉積工藝的協(xié)調(diào)控制和組合制造功能。
　　 基于對MEMS 微結(jié)構(gòu)材料性能要求和激光-微筆/微噴直寫加工工藝兼容性要求的分析，設(shè)計了兩種不同的犧牲層/結(jié)構(gòu)層/基片材料體系和與之對應(yīng)的加工

4、工藝方案，包括：1）SOG/導(dǎo)體漿料/陶瓷基片材料體系。SOG 犧牲層采用激光直寫致密化和濕法化學(xué)腐蝕工藝制作，結(jié)構(gòu)層的制作選用微筆/微噴直寫沉積或激光微熔覆電子漿料工藝。2）聚酰亞胺/金導(dǎo)體漿料/石英玻璃基片材料體系，PI 犧牲層采用微筆直寫沉積和氧等離子體干法刻蝕工藝制作，結(jié)構(gòu)層的制作采用微筆直寫沉積電子漿料工藝。
　　 在設(shè)備和材料體系基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了基于激光-微筆/微噴直寫工藝集成制造MEMS 犧牲層、結(jié)構(gòu)層及導(dǎo)電電極

5、圖形的工藝機(jī)理和質(zhì)量控制規(guī)律，結(jié)果表明：
　　 (1)筆頭內(nèi)徑、筆頭與基片間距、驅(qū)動氣壓和直寫速度是影響微筆直寫沉積膜層線寬、膜厚及表面形貌的主要工藝因素。其中，筆頭內(nèi)徑是微筆直寫沉積線寬的決定性工藝因素，隨著筆頭內(nèi)徑的降低，所直寫的線寬線性減小；為了減小沉積材料的“擠出脹大”效應(yīng)，控制合適的微筆筆頭與基片間距十分關(guān)鍵；而當(dāng)材料流變學(xué)性質(zhì)和微筆結(jié)構(gòu)選定后，單位時間內(nèi)微筆擠出材料的體積與驅(qū)動氣壓基本成線性關(guān)系，在驅(qū)動氣壓不過大的情

6、形下，沉積膜層的線寬和膜厚隨驅(qū)動氣壓增加而線性增大，隨著直寫速度的增加而減小。
　　 (2)霧化驅(qū)動氣壓、噴射沉積氣壓和噴嘴與基片間距是影響微噴直寫沉積膜層線寬、膜厚及致密性的主要工藝因素。過大或過小的霧化驅(qū)動氣壓和噴射沉積氣壓都使得噴射沉積的導(dǎo)體漿料膜層松散，難以保證良好的導(dǎo)電性能。利用錐孔形微細(xì)噴嘴的氣流匯聚效應(yīng)，可以獲得線寬小于噴嘴出口直徑的漿料微結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)噴嘴與基片間距、噴射沉積氣壓是控制單道微噴直寫沉積線寬的直接有效手

7、段。
　　 (3)激光微熔覆電子漿料工藝過程本質(zhì)上屬于激光快速燒結(jié)機(jī)理，激光掃描速度和功率密度是預(yù)置電子漿料膜層經(jīng)激光燒結(jié)時間和燒結(jié)溫度的主要控制性工藝因素。其中，激光功率密度對熔池?zé)Y(jié)溫度的控制是決定性的，而掃描速度的影響較小。利用高斯光束能量分布特性和超聲清洗工藝可以突破光斑尺寸對微熔覆線寬的限制。為了保證熔池內(nèi)有機(jī)物的充分燒蝕以及玻璃粘結(jié)相的完全熔化、下滲并潤濕基片，激光微熔覆電子漿料工藝應(yīng)采用較小的掃描速度。當(dāng)掃描速度大

8、于5mm/s時，由于玻璃粘結(jié)相熔化和下滲潤濕基片不完全，使得膜層與基片間附著強(qiáng)度很低，不能滿足實際應(yīng)用要求。由于掃描速度過快，殘留有機(jī)物在熔池存在時間內(nèi)不能完全燒蝕氣化，在熔池開始冷卻凝固時將可能發(fā)生有機(jī)物蒸氣波沸騰-爆破現(xiàn)象，導(dǎo)致漿料膜層內(nèi)部氣泡和表面爆破孔洞缺陷。
　　 最后，基于激光-微筆直寫集成制造了一種跨橋式RF MEMS 靜電驅(qū)動可變電容結(jié)構(gòu)。電學(xué)性能測試表明：從0 至38V 驅(qū)動電壓下，該跨橋式靜電驅(qū)動可變電容的電