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激光—微笔/微喷直写集成制造MEMS微结构关键技术研究

作　者: 曹宇
导　师: 曾晓雁
学　校: 华中科技大学
专　业: 物理电子学
关键词: 微笔微喷激光微熔覆直写微机电系统微结构微制造
分类号: TH166
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

近年来，伴随MEMS微制造领域向柔性化、定制化、集成化、智能化发展的潮流，基于“自由堆积／去除”原理的直写技术迅速崛起，成为备受关注和研究的新型微制造技术。面对机遇，开发具有自主知识产权的直写微制造技术与设备对提升我国在MEMS制造领域中的技术水平和核心竞争力具有十分重要的意义。本文在实验室自主研发的微笔／微喷直写沉积和激光微熔覆电子浆料工艺基础上，提出基于激光-微笔／微喷直写技术集成制造MEMS微结构的工艺路线，对相关的多功能直写集成制造工艺设备、基础材料体系和关键工艺过程进行了较系统的探索和讨论。采用微笔、微喷直写沉积和激光微熔覆工艺中的一种或几种工艺组合，分别在石英玻璃和Al₂O₃陶瓷基片上制作了MEMS器件单元微结构如信号电路、基础薄膜、叉指悬臂、三维薄壁墙及基础微型桥等，实证了激光-微笔／微喷直写集成制造MEMS微结构的现实可行性。主要研究成果总结如下：基于快速原型工艺集成和多功能快速原型制造系统的基本原理，设计和开发了一台多功能直写微制造系统，该系统集成了激光、微笔和微喷三种直写加工工具，具有柔性化、集成化、多功能、可扩展和开放性的特点。详细介绍了基于该加工系统的专用多功能直写加工CAD／CAM软件的设计思想、关键模块与算法，实现了激光微熔覆和微笔／微喷直写沉积工艺的协调控制和组合制造功能。基于对MEMS微结构材料性能要求和激光-微笔／微喷直写加工工艺兼容性要求的分析，设计了两种不同的牺牲层／结构层／基片材料体系和与之对应的加工工艺方案，包括：1)SOG／导体浆料／陶瓷基片材料体系。SOG牺牲层采用激光直写致密化和湿法化学腐蚀工艺制作，结构层的制作选用微笔／微喷直写沉积或激光微熔覆电子浆料工艺。2)聚酰亚胺／金导体浆料／石英玻璃基片材料体系，PI牺牲层采用微笔直写沉积和氧等离子体干法刻蚀工艺制作，结构层的制作采用微笔直写沉积电子浆料工艺。在设备和材料体系基础上，系统研究了基于激光-微笔／微喷直写工艺集成制造MEMS牺牲层、结构层及导电电极图形的工艺机理和质量控制规律，结果表明：（1）笔头内径、笔头与基片间距、驱动气压和直写速度是影响微笔直写沉积膜层线宽、膜厚及表面形貌的主要工艺因素。其中，笔头内径是微笔直写沉积线宽的决定性工艺因素，随着笔头内径的降低，所直写的线宽线性减小；为了减小沉积材料的“挤出胀大”效应，控制合适的微笔笔头与基片间距十分关键；而当材料流变学性质和微笔结构选定后，单位时间内微笔挤出材料的体积与驱动气压基本成线性关系，在驱动气压不过大的情形下，沉积膜层的线宽和膜厚随驱动气压增加而线性增大，随着直写速度的增加而减小。（2）雾化驱动气压、喷射沉积气压和喷嘴与基片间距是影响微喷直写沉积膜层线宽、膜厚及致密性的主要工艺因素。过大或过小的雾化驱动气压和喷射沉积气压都使得喷射沉积的导体浆料膜层松散，难以保证良好的导电性能。利用锥孔形微细喷嘴的气流汇聚效应，可以获得线宽小于喷嘴出口直径的浆料微结构。调节喷嘴与基片间距、喷射沉积气压是控制单道微喷直写沉积线宽的直接有效手段。（3）激光微熔覆电子浆料工艺过程本质上属于激光快速烧结机理，激光扫描速度和功率密度是预置电子浆料膜层经激光烧结时间和烧结温度的主要控制性工艺因素。其中，激光功率密度对熔池烧结温度的控制是决定性的，而扫描速度的影响较小。利用高斯光束能量分布特性和超声清洗工艺可以突破光斑尺寸对微熔覆线宽的限制。为了保证熔池内有机物的充分烧蚀以及玻璃粘结相的完全熔化、下渗并润湿基片，激光微熔覆电子浆料工艺应采用较小的扫描速度。当扫描速度大于5mm／s时，由于玻璃粘结相熔化和下渗润湿基片不完全，使得膜层与基片间附着强度很低，不能满足实际应用要求。由于扫描速度过快，残留有机物在熔池存在时间内不能完全烧蚀气化，在熔池开始冷却凝固时将可能发生有机物蒸气波沸腾-爆破现象，导致浆料膜层内部气泡和表面爆破孔洞缺陷。最后，基于激光-微笔直写集成制造了一种跨桥式RF MEMS静电驱动可变电容结构。电学性能测试表明：从0至38V驱动电压下，该跨桥式静电驱动可变电容的电容量从0．1705pF增加到0．1919pF，调节范围为12．55％，在1GHz下Q值为20。虽然加工尺寸精度、电学性能目前还不及传统MEMS制造工艺高，但由于激光-微笔／微喷直写沉积集成制造技术具有版图设计柔性化、工艺兼容性强、材料选择范围广泛等突出特性，该技术在MEMS单元结构制造和元器件封装领域有较好的工程应用潜力。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-34
  1.1 引言  11-12
  1.2 直写微制造技术  12-17
  1.3 直写技术制造MEMS微结构  17-27
  1.4 激光-微笔/微喷直写集成制造技术  27-31
  1.5 课题来源、研究目标、理论依据、创新性和技术路线  31-33
  1.6 本章小结  33-34
2 多功能直写微制造系统设计  34-49
  2.1 引言  34
  2.2 多功能直写微制造系统设计原理  34-37
  2.3 多功能直写微制造系统的硬件结构  37-40
  2.4 多功能直写加工CAD/CAM控制软件的设计  40-48
  2.5 本章小结  48-49
3 材料体系与工艺方案设计  49-65
  3.1 引言  49
  3.2 材料体系与工艺方案  49-52
  3.3 加工工艺原理分析  52-58
  3.4 材料准备与性能分析  58-64
  3.5 本章小结  64-65
4 牺牲层工艺与机理分析  65-82
  4.1 引言  65
  4.2 SOG牺牲层工艺  65-71
  4.3 聚酰亚胺牺牲层工艺  71-80
  4.4 本章小结  80-82
5 结构层工艺与机理分析  82-99
  5.1 引言  82
  5.2 基于微笔直写沉积工艺制作微结构  82-92
  5.3 基于微喷直写沉积工艺制作三维微结构  92-97
  5.4 本章小结  97-99
6 基于激光微熔覆电子浆料工艺制作电极图形  99-120
  6.1 引言  99
  6.2 基于激光微熔覆电子浆料工艺制作电极图形  99-101
  6.3 激光与电子浆料相互作用机理的唯象模型  101-107
  6.4 激光微熔覆电子浆料功能膜层质量的工艺控制规律  107-118
  6.5 本章小结  118-120
7 激光-微笔直写集成制造静电驱动可变电容结构  120-129
  7.1 引言  120
  7.2 跨桥式可变电容结构设计与分析  120-123
  7.3 制造工艺与结果分析  123-126
  7.4 激光-微笔/微喷直写集成制造技术的应用前景  126-128
  7.5 本章小结  128-129
8 全文总结与展望  129-132
  8.1 本文主要结论  129-131
  8.2 问题与展望  131-132
致谢  132-133
参考文献  133-142
附录1 攻读博士学位期间发表论文和申请专利  142

激光—微笔/微喷直写集成制造MEMS微结构关键技术研究

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