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[科普]幾種微納器件(MEMS)加工技術(shù)

07-04

1965 年,Intel公司創(chuàng)始人之一Gordon Moore 在整理數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的趨勢(shì):芯片集成的晶體管的數(shù)量每年增加一倍。他把這一現(xiàn)象發(fā)表在題為“Gramming More Compnents Onto Integrated Circuits”的報(bào)告中,這就是著名的摩爾定律。后來(lái)根據(jù)集成電路的實(shí)際開(kāi)展情況,在1975年IEEE電子組件大會(huì)上,Moore把“每年增加一倍”修改為“每?jī)赡暝黾右槐丁薄T诖嘶A(chǔ)上,Intel 首席執(zhí)行官David House又將時(shí)間周期改為18個(gè)月。現(xiàn)在一般把摩爾定律表述為“集成電路上可容納的晶體管數(shù)目,大約每隔18 個(gè)月便增加一倍”。

雖然摩爾定律最初是對(duì)集成電路開(kāi)展趨勢(shì)的歸納總結(jié),但自其提出后,隨著其預(yù)言不斷的取得驗(yàn)證,它反過(guò)來(lái)開(kāi)始牽引整個(gè)集成電路行業(yè)的開(kāi)展,引導(dǎo)著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期規(guī)劃和目標(biāo)設(shè)定。

在信息技術(shù)飛速開(kāi)展的今天,如果期望在固定空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能,就需要各種功能的微型化和集成化器件。

隨著微納制造技術(shù)的不斷開(kāi)展,已經(jīng)開(kāi)發(fā)了很多種微光學(xué)器件的制備方法,主要有紫外曝光技術(shù)、電子束曝光技術(shù)、納米壓印技術(shù)和聚焦離子束刻蝕技術(shù)等等。

這些微納制造技術(shù)在加工效率,加工精度,加工流程的復(fù)雜程度等方面存在比較大的差異。本部分將簡(jiǎn)單介紹現(xiàn)在主流的微納加工技術(shù)的加工能力以及各自的特點(diǎn)。

(1)紫外曝光技術(shù)

紫外曝光技術(shù)通常被稱(chēng)為光刻技術(shù),是現(xiàn)在制造大規(guī)模集成電路和半導(dǎo)體器件的核心技術(shù)。其基本組成包括了光源系統(tǒng),掩模板系統(tǒng),樣品工作臺(tái)和控制系統(tǒng)等。

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其中光源系統(tǒng)是紫外曝光設(shè)備中最重要的組成部分,決定了紫外曝光的精度。順利獲得特定的紫外波段曝光、顯影和刻蝕等工藝流程,將掩模板上制定的集成電路圖案刻寫(xiě)在硅基片上。

集成電路的結(jié)構(gòu)通常是多層的,后續(xù)曝光的圖形需要和前面已經(jīng)刻蝕的圖形對(duì)齊,這要求非常高的套刻精度。紫外曝光技術(shù)具有大面積加工、易操作、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn),半導(dǎo)體工藝和科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用。

然而紫外曝光技術(shù)難以制備任意復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu),需要多次曝光和刻蝕,并且掩模板制作過(guò)程繁瑣,導(dǎo)致加工周期變長(zhǎng),加工成本急劇上升。

(2)電子束曝光技術(shù)

電子束曝光技術(shù)是用電子束加工精細(xì)化結(jié)構(gòu)的技術(shù)。電子束質(zhì)量大,波長(zhǎng)很小,因此電子束曝光技術(shù)具有非常高的加工精度,加工分辨率通常為1nm到10 nm。

電子束曝光技術(shù)有著超高的精度并且無(wú)需掩模板,微光學(xué)器件加工中具有不可替代的作用。

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但因其高昂的價(jià)格和較慢的加工速度,無(wú)法大規(guī)模制造微光學(xué)器件。此外,在曝光過(guò)程中存在電子散射,鄰近效應(yīng)等復(fù)雜現(xiàn)象,這對(duì)設(shè)備前期調(diào)試和人員的操作培訓(xùn)有相對(duì)高的要求。

(3)納米壓印技術(shù)

前面介紹的紫外曝光技術(shù)和電子束曝光技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的加工,在小批量的生產(chǎn)中和科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用。然而由于其設(shè)備昂貴復(fù)雜,加工效率低,使其無(wú)法應(yīng)用在大批量生產(chǎn)中。

而納米壓印技術(shù)的出現(xiàn)正是為解決大規(guī)模制造問(wèn)題,并且憑借其高效率、低成本和大面積制備的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了曝光技術(shù)的缺點(diǎn)。

納米壓印技術(shù)的原理是將制備好的模板放置在聚合物材料上,然后順利獲得紫外光或者熱固化等方式,形成和模板一樣的結(jié)構(gòu),加工精度可達(dá)5 nm,被廣泛應(yīng)用于微光學(xué)器件,生物芯片,傳感器和超密度存儲(chǔ)等領(lǐng)域。

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納米壓印的不足之處在于只能在大而平整的表面制造二維結(jié)構(gòu),無(wú)法制作復(fù)雜三維結(jié)構(gòu),并且只能加工熱塑料和光刻膠等有機(jī)聚合物材料,無(wú)法對(duì)硬質(zhì)材料進(jìn)行加工。

(4)聚焦離子束刻蝕技術(shù)

聚焦離子束刻蝕技術(shù)是在裝有液態(tài)離子源的離子柱頂端加上一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng),導(dǎo)引出帶有正電荷的離子,順利獲得離子柱中可控的偏轉(zhuǎn)裝置,將高能離子束聚焦到目標(biāo)樣品的表面,順利獲得精確控制離子束的掃描,能實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的高精度加工。聚焦離子束具有非常高的精確度和靈敏度,并且?guī)缀鯖](méi)有鄰近效應(yīng),可以加工復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu)。

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但是聚焦離子束刻蝕技術(shù)制備微結(jié)構(gòu)的尺寸受到加工時(shí)間的限制,同時(shí)刻蝕深度和離子源的使用壽命,也是非常重要的影響因素。

(5)飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)

飛秒激光直寫(xiě)光刻技術(shù)是一種利用曝光強(qiáng)度可控的激光束對(duì)抗蝕劑施加變劑量曝光,并在顯影后得到具有期望形貌微結(jié)構(gòu)的 3D 光刻技術(shù)。該技術(shù)可以順利獲得計(jì)算機(jī)對(duì)激光的曝光位置與曝光強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)字化控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)光刻膠的變劑量曝光,因此具有很高的制造靈活性。下圖為傳統(tǒng)的激光直寫(xiě)光刻設(shè)備的工作原理示意圖。

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激光器出射激光,經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光束的光強(qiáng)和通光量進(jìn)行調(diào)控。最后,物鏡將光斑匯聚到光刻膠上表面。計(jì)算機(jī)同時(shí)對(duì)激光器的出射激光功率以及二維移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制,從而控制激光束的曝光能量和位置。最后,對(duì)經(jīng)過(guò)數(shù)字化曝光的光刻膠顯影,即可得到具有期望形貌的3D微結(jié)構(gòu)。

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由于微納器件功能越來(lái)越多樣化,結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,市場(chǎng)需求量大,迫切需要一種能同時(shí)滿足低成本、高效率,可以大規(guī)模生產(chǎn)的三維微納制造技術(shù)。

而由上面介紹的幾種常見(jiàn)的微納制造技術(shù)可知,納米壓印技術(shù)以其高效率、低成本的特點(diǎn),可以用于大規(guī)模的生產(chǎn)中,但是只適用于二維微納結(jié)構(gòu)的制備,對(duì)于制備三維微納結(jié)構(gòu)無(wú)能為力。

紫外曝光技術(shù)、電子束曝光技術(shù)以及聚焦離子束刻蝕技術(shù)雖然可以順利獲得多次曝光和刻蝕的方法制造三維微納結(jié)構(gòu),但是這會(huì)導(dǎo)致工藝復(fù)雜,耗費(fèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),導(dǎo)致成本過(guò)高。而飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)具有低成本,高精度,高效率的優(yōu)勢(shì),并且可以輕松實(shí)現(xiàn)三維微納結(jié)構(gòu)的制備,恰好同時(shí)滿足了現(xiàn)在微光學(xué)器件所需要的制備條件,這極大的促進(jìn)了微光學(xué)器件的開(kāi)展和應(yīng)用場(chǎng)景。

參考文獻(xiàn):

(1)黃軼 飛秒激光直寫(xiě)微光學(xué)器件及其光學(xué)特性研究[D].

(2)欒世奕 基于3D光刻技術(shù)的多功能微透鏡陣列制造及研究[D].

(3)陳力 基于激光誘導(dǎo)法的玻璃通孔制備技術(shù)及無(wú)源器件集成研究[D].

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