微機械加工技術淺談

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1概述

微型機電系統（MEMS）是可以批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路，甚至外圍接口、通信電路和電源等于一體的微型器件或系統。其主要特點有：體積小，重量輕，耗能低、性能穩定；有利于大批量生產，降低生產成本；慣性小，諧振頻率高，響應時間短；集約高技術成果，附加值高等。微型機電系統體積小，能耗低，智能化程度高，其應用領域十分廣泛。例如：在生物醫療中“，智能藥丸”微型機械可通過口服或皮下注射進入人體，探測和清除人體內的癌細胞，此外還可用于視網膜手術，修補血管等。在工業領域，維修用的微型機械產品可以在狹窄空間和惡劣環境下進行診斷和修復工作。

2微機械加工技術

微型機電系統涉及許多關鍵技術，當一個系統的特征尺寸達到微米和納米量級時，將會產生許多新的問題。微機械加工技術是其中之一，它涉及微細加工技術、微型機械組裝和封裝技術、微系統的測試技術等。微細加工技術主要有半導體加工技術、LIGA技術、集成電路技術、特種加工技術、微細切削磨削加工、快速原型制造技術和鍵合技術。

2.1半導體加工技術

半導體加工技術即半導體表面和立體的微細加工，指在以硅為主要材料的基片上進行沉積、光刻與腐蝕的工藝過程。半導體加工技術使微型系統的制作具有低成本、大批量的潛力。1）光刻加工技術光刻加工可分為兩個階段，第一階段為原版制作，生成工作原版或工作掩膜，為光刻時的模板，第二階段為光刻。在制造大規模、超大規模集成電路等場合，需采用CAD技術，把集成電路設計與制版結合起來，即進行自動制版。2）體微機械加工技術體微機械加工是一種對硅襯低的某些部位用腐蝕技術有選擇地去除一部分以形成微型機械結構的工藝，常用的主要有濕法腐蝕和干法腐蝕兩種。濕法腐蝕是利用化學腐蝕的方法對硅片進行加工的技術，一般用各向同性化學腐蝕、各向異性化學腐蝕和電化學腐蝕。干法腐蝕是利用粒子轟擊時對材料的某些部位進行選擇性腐蝕的方法，即采用等離子體腐蝕、離子束和濺射腐蝕、反應離子束腐蝕等工藝來腐蝕多晶硅膜、氮化硅膜以形成微型機械結構。目前，隨著干法腐蝕技術的發展，已形成以干法為主，干、濕結合的刻蝕工藝。3）面微機械加工技術面微機械加工技術是在硅表面根據需要生成多層薄膜，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅、磷硅玻璃膜層，在硅平面上形成所需要的形狀，甚至是可動部件。該技術的優點是：在制造過程中所使用的材料和工藝與常規集成電路的生產有很強的兼容性，不必另外投資；再者，只要在制膜上略加改動，就可以用同樣的方法制造出大量的不同結構。其最大的優勢在于把機械結構和電子電路集成一起的能力，從而使微產品具有更好的性能和更高的穩定性。

2.2LIGA技術和準LIGA技術

LIGA技術是一種由半導體光刻工藝派生出來的，采用光刻方法一次生成三維空間微型機械構建的方法，該技術的機理由深層X射線光刻、電鑄成形及注塑成型三個工藝組成。它的主要工藝過程為：X光光刻掩膜版的制作、X光深光刻、光刻膠顯影、電鑄成形、塑模制作、塑模脫模成形等。具體過程為：先用聚乙-甲基丙烯酸等作光致抗蝕劑涂在基板上，再在基板上蓋上已刻好圖形的金屬掩膜，再用X射線使光刻膠層曝光、顯影，將未曝光部分溶解掉，制成抗蝕層的結構圖形，再在抗蝕層的結構圖形的間隙出鍍上鎳、銅或金等金屬至所需厚度，制成金屬膜，以此膜為母模注射塑料型芯，再將型芯電鍍成金屬構件。

2.3集成電路（IC）技術

這是一種發展十分迅速且較成熟的制作大規模電路的加工技術，在微型機械加工中使用較為普遍，是一種平面加工技術。但該技術的刻蝕深度只有數百納米，且只限于制作硅材料的零部件。

2.4超微型機械加工和電火花線切割加工

用小型精密金屬切削機床及電火花、線切割等加工方法，制作毫米級尺寸左右的微型機械零件，是一種三維實體加工技術，加工材料廣泛，但多是單件加工、單件裝配，費用較高。精密微細切削加工適合所有金屬材料、塑料及工程陶瓷，適合具有回轉表面的微型零件加工，如圓柱體，螺紋表面、溝槽、圓孔及平面加工，切削方式有車削、銑削、鉆削。精密微細磨削可用于硬脆材料的圓柱體表面、溝槽、切斷的加工。微細電火花加工是利用微型EMD電極對工件進行電火花加工，可以對金屬、聚晶金剛石、單晶硅等導體、半導體材料做垂直工件表面的孔、異形槽、成形表面的加工。微細電火花線切割加工也可以加工微細外圓表面，在工件的一側裝有線切割用的鉬絲，工件作回轉運動，鉬絲在走絲中對工件軸線做進給運動，完成對工件外圓的加工。

2.5鍵合技術

鍵合技術是一種把兩個固體部件在一定溫度與電壓下直接鍵合在一起的封裝技術，期間不用任何粘接劑，在鍵合過程中始終處于固相狀態。它可以是硅-玻璃靜電鍵合，也可以是硅-硅直接鍵合。它可以實現硅一體化微型機械結構，不存在界面失配問題，有利于提高器件性能。

3總結

微機械加工技術作為微型機電系統的關鍵技術，將隨MEMS的發展和應用而有一個大的發展。硅加工、LIGA加工和準LIGA加工向著制作更復雜、更高深比、適合各種要求的微結構，以及更易于和電路集成的方向發展。

作者：周大偉 單位：永城職業學院