微笔直写悬空微桥结构的关键技术研究.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 微笔直写悬空微桥结构的关键技术研究 姓名：周良文 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：曾晓雁 20080601 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 近年来，随着现代先进制造技术的迅速发展，各种各样的新工艺新材料不断涌 现，极大的推动了微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）制造技术 的研究和应用与目前主流的制造技术相比，直写技术具有无需掩膜、工艺简单、 柔性化程度高等优势，探索直写技术在 MEMS 元件制造领域的应用具有重大意义 悬空微桥结构是大多数 MEMS 元件的基础结构本文以微桥结构为制造对象， 选择由实验室自主合成的聚酰亚胺（PI）为牺牲层，商业厚膜金浆料（Au）为结构 层材料，提出了基于微笔直写成型工艺制备微桥结构的工艺流程，并分别对工艺流 程中微笔直写工艺、热处理工艺及刻蚀工艺进行了研究 微笔直写工艺中，通过系列实验探索了微桥尺寸的工艺控制规律，分析了微笔 直写工艺参数如直写速度、气体压力、笔头高度、直写次数和材料粘度等对微笔直 写 PI 层和 Au 层图形的厚度和宽度的影响。

结果表明，微桥尺寸可主要通过改变直 写速度和气体压力等参数进行调节，笔头高度的调节作用并不明显 热处理工艺中， Au 结构层的热处理温度必须小于 PI 牺牲层的玻璃化温度， 但又 要使结构层具有一定的强度使微桥结构能够站立实验证明，Au 结构层的热处理温 度在 250oC~350oC 为宜 刻蚀工艺中，采用氧等离子体干法刻蚀去除 PI 牺牲层，研究了氧流量、射频功 率以及微桥尺寸对刻蚀速率的影响规律 在 PI 层厚度为 5 µm， Au 层宽度为 200 µm， 射频功率为 250 W，氧流量为 2 L/min 时，典型的 PI 刻蚀速率约为 670 nm/min 通过优化工艺参数，成功制备了形貌较好的悬空微桥结构，桥长 200 µm 左右， 桥高为 7~13 µm， 桥厚在 10 µm 左右 实验结果表明， 采用微笔直写工艺制造 MEMS 元件具有可行性，本论文的工作为微笔直写工艺在 MEMS 元件制造领域的应用打下 了基础 关键词：关键词： 微笔 直写 MEMS 悬空微桥 聚酰亚胺 厚膜金浆 等离子体刻蚀 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract With the rapid development of modern advanced manufacturing technologies, various new methods and new materials come forth continuously, which drive the study and application in the areas of Micro-Electro-Mechanical Systems ( MEMS) fabrication. The direct-write technique is advantageous over the mainstream fabrication techniques for its maskless and simple process, as well as high flexibility. Therefore, the study of application of direct-write technique in the area of MEMS device fabrication is of great significance. In this dissertation, the essential structure for most MEMS devices, microbridge structure, was chosen as the research object. Using polyimide (PI) and gold (Au) paste as sacrificial layer and structural materials respectively, a novel process flow for fabrication of microbridge structures based on micropen direct-write technique was established. The micropen direct writing process, the heat treatment of structural layer and the etching process of polyimide sacrificial layer were discussed in detail. In the micropen direct writing process, the effects of direct writing velocity, gas pressure, the distance between the tip of the micropen to the substrate, the deposition times, as well as the viscosity of polyimide on the width and thickness of the deposited patterns were studied. According to the results, the dimension of microbridge could be adjusted by direct writing velocity and gas pressure mainly. The heat treatment temperature of structural layer must be below the glass temperature of polyimide sacrificial layer, but above the minimum temperature that make the microbridge stand. The experimental results showed that the appropriate temperature was between 250oC and 350oC. In the etching process, the oxygen plasma was applied to eliminate the polyimide sacrificial layer. The influences of O2 flow and power on the etch rate were analyzed based on experiments. Typically, the etch rate of polyimide was 670 nm/min when the polyimide strips were 5 µm in thickness and the gold strips were 200 µm in width, with 250 W of power and 2 L/min of O2 flow. Using the optimized processing parameters, the microbridge structures in good shape 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III were fabricated successfully when the microbridges were about 200 µm in length, 7~13 µm in Height and 10 µm in thickness. The results proved that applying the micropen direct-write technique to fabricate MEMS devices is of feasibility. Key words: Micropen Direct-Write MEMS microbridge Polyimide Gold paste Plasma etching 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密□ ，在_____年解密后适用本授权书 不保密□ （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1 绪 论 1.1 引言 引言 二十世纪末以来，以微电子技术和微细加工技术为基础，在微小型机械制造领 域开始了一场新革命。

传统机械构件如电机、齿轮、轴承和弹簧等开始微细化，通 过融合集成微电子技术和 LIGA 技术、微细特种加工技术等多种微加工技术，设计 和制造出微米量级内的微型机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS） ， 亦称微机械（日本：Micromachine）或微系统（欧洲：Microsystem） MEMS 是一种具有自感知、自检测、自执行等功能的微小型系统，拥有体积小、 执行精度高、可靠性高、能耗低、对环境影响小、灵敏性和工作效率高、制造成本 低等特点，主要在汽车电子、航空航天、生物工程和高频通信等领域应用广泛[1~3] 如同微电子技术在上世纪的作用一样， MEMS 技术将对 21 世纪的人类社会生产和生 活方式产生革命性影响，目前 MEMS 产业的迅速发展正好说明这一点对 MEMS 市场的相关预测表明[4]：2005 年，MEMS 元器件的市场规模是 53 亿美元，在 2010 年预测可以达到 100 亿美元，CAGR（年复合增长率）可达 13%，而 MEMS 系统到 2010 年其市场规模将达到 950 亿美元 MEMS 的制造实现依赖于微细加工技术，经过十几年的发展，已经开发出多种 微制造技术：① 以硅表面加工和体加工为主的硅微加工技术；② 利用 X 射线深层 光刻、电铸，可产生高深宽比结构的 LIGA 技术；③ 传统的超精密机械加工技术的 发展、微细电火花加工、超声波加工等特种微细加工技术等。

其中硅微加工技术和 LIGA 技术由于有集成电路制作工艺的多年发展基础，因此工艺较为成熟，所制作的 微结构精度高，在目前的微机械加工技术中居于主导地位然而，随着微制造领域 朝着柔性化、定制化、集成化、智能化的发展趋势，基于掩膜光刻工艺基础的硅微 加工技术、LIGA 技术由于工序复杂，制作周期长，柔性化程度低，。