Глава 1. Микросистемы

подготовки поверхностей, соединения поверхностей и термической обработки.

Этап подготовки поверхностей заключается в очистке поверхностей двух подложек для формирования гидрооксидного слоя. Поверхность подложки должна быть зеркально гладкой, шероховатость не

о

должна превышать 10 А. Это означает, что для получения требуемой гладкости при 4-х дюймовом диаметре подложки отклонения от плоскости должны быть меньше 5мкм (Stix, 1992). После такой подготовки подложки соединяются, выравниваются и сжимаются в центральной точке поверхности, при этом должна быть обеспечена чистота в технологической зоне. Соприкосновение двух гидрооксидных пленок на подложках приводит к установлению плотного контакта по всей поверхности кремниевых пластин. Последний этап прямого соединения - нагрев соединения от комнатной температуры до 1200 °С. Такая температурная обработка, проводимая при температурах выше 800 °С, увеличивает прочность соединений на порядок. Но следует помнить, что высокотемпературная обработка не подходит для металлизированных подложек. Прямые соединения используются в случаях, когда требуется обеспечивать высокую прочность изделий, но в ходе сплавления могут сильно уменьшиться геометрические размеры подложек, чего не происходит при применении анодного склеивания.

В настояш;ее время ведется разработка низкотемпературных методов прямого соединения.

1.3.4. Технология LIGA

Микросистемы часто состоят из сложных трехразмерных микроструктур (Larson, 1999). Для построения микроустройств с высоким коэффициентом формы (отношением высоты к ширине) и 3D структур были разработаны различные микротехнологии. Одной из таких технологий является технология LIGA.

Технология LIGA была разработана в начале восьмидесятых годов двадцатого столетия в Германии в исследовательском центре Karlsruhe. Она состоит из рентгеновской литографии для облучения маскировочного слоя, гальванопластики для формирования металлических частей и литья для производства пластиковых, металлических, керамических и комбинированных микроэлементов (Fujita, 1996). Схематично технология LIGA показана на рис. 1.4. Благодаря применению современных методов рентгеновской литографии можно реализовывать микроструктуры высотой до сотен микрон и даже до миллиметра, при этом поперечные размеры будут оставаться в пределах нескольких микрон.

1.3. Технология изготовления микросистем 39

рентгеновские лучи, генерируемые синхротроном

CTpyicrypa из резиста

(2)

подложка

(3) !б

металл, нанесенный гальваническим способом

инжекционные пластина отверстия для литья

трафарет

пластиковая отливка

оригинал

разделительный слой

скопированная структура

металл, нанесенный гальваническим способом

Рис. 1.4. Технология LIGA. Репродукция из книги G. Stix, 1992, Trends in micromechanics: micron machinations*, Scientific American (November 1992): 72-80, с разрешения Scientific American

Глава 1. Микросистемы

При помощи технологии LIGA стало возможно при построении сложных микросистем использовать различные материалы, позволяющие реализовывать датчики и приводы с высоким коэффициентом формы, обладающие электрическими, магнитными, пьезоэлектрическими, оптическими и изоляционными свойствами, чего нельзя было сделать методами объемной и поверхностной микрообработки кремния. Кроме того при объединении технологий защитных слоев и LIGA стало возможным построение современных микросистем с подвижными микроструктурами (рис. L5). Однако высокая стоимость производства микроустройств по технологии LIGA из-за цены рентгеновского оборудования тормозит процесс ее распространения. Другим недостатком LIGA процесса является то, что микрокомпоненты, изготовленные при его применении, не бывают в полной мере трехмерными, поскольку третье измерение всегда является зависимым. Для сложных современных микросистем необходимы 3D компоненты, обладающие достаточно большой толщиной, чего уровень LIGA технологии обеспечить не может, следовательно, для прогресса в области микроустройств требуется ее дальнейшее совершенствование.

1.3.5. Изготовление полимерных микросистем

При изготовлении полимерных микросистем используются два типа полимеров: полимеры для создания микроструктур и полимеры для создания защитных слоев. В качестве структурных полимеров обычно применяют полимеры, чувствительные к УФ излучению, в которых основными инградиентами являются уретановый акри-лат, эпоксидный акрилат и акриоксисилан. Структурные полимеры обладают отличной гибкостью, устойчивостью к грибкам, растворителям, воде и химическим реагентам, а также низкой вязкостью, что позволяет применять их в любых системах без дополнительных растворителей и предварительного подогрева для уменьшения вязкости. Эти полимеры также соответствуют всем нормативам по летучим органическим веществам.

В таблице 1.1 (Varadan, Jiang, Varadan, 2001) приведены основные физические, химические, термические и механические свойства структурных полимеров, применяемых для изготовления микросистем. Приведенные структурные полимеры могут использоваться в качестве основы для построения многофункциональных полимеров, рассматриваемых далее.

1.3. Технология изготовленил микросистем 41

(1) нанесение адгезионного и гальванического слоев

(2) формирование этих слоев

(3) формирование защитного слоя

Травильный раствор

М М М I

Травильный раствор

кремниевая подложка с изоляционным слоем

лаковое защитное покрытие

лаковое защитное покрытие

(4) формирование структуры из резиста и применение излучения синхротрона

i м ы м

(5) удаление облученнег

резиста

(6) формирование микроструктуры гальваническим способом

(7) удаление резиста

и селективное травление защитного слоя

микрорельсы

маска для рентгеновского излучения

свободноподвешеиный микроэлемент

Рис. 1.5. Объединение LIGA технологии с методом изготовления защитно- го слоя. Репродукция из книги J.Mohr et al., 1991, Herstellung

von beweglichen mikrostrukturen mit dem LIGA-verfahren , KfK-Nachrihten, Jahrgang 23, Forschungszentrum Karlsruhe 2-3: 110-117, с разрешения Forschungszentrum Kaxlsruhe

Глава 1. Микросистемы

Таблица 1.1. Основные свойства полимеров

* - фунт на квадратный дюйм Для применения в трехмерных микросистемах используемые полимеры должны обладать электрической проводимостью и, по возможности, пьезоэлектрическими и ферроэлектрическими свойствами. Они должны также обеспечивать:

(1) химическое и физическое взаимодействие между функциональным полимером и нанокерамикой,

(2) высокую адгезию на границах между функциональным полимером и электропроводящими полимерными слоями,

(3) соответствующий модуль упругости, позволяющий выдержи- вать требуемые деформации,

(4) отличную общую формоустойчивость, допускающую локальную подвижность,

(5) присоединение нанокерамики и/или проводящих фаз и формирование однородного слоя покрытия,

(6) временную стабильность.

Кроме того такие полимеры под действием электрического поля довольно сильно растягиваются и поэтому могут использоваться в

1.3. Технология изготовления микросистем

микроприводах, например, в микронасосах. Большинство полимеров являются совместимыми с биологическими тканями, что может пригодиться при разработке многих медицинских приборов. Возможны и другие варианты применения полимеров, например, в имплантируемых медицинских системах, химических и биологических инструментах, для подачи жидкостей в двигатели и накачивания смазочно-охлаждающей эмульсии и охладителя в системы охлаждения электронных компонентов. В качестве защитных полимеров обычно используется акриловая смола, которая на 50% состоит из диоксида кремния, модифицированного Crystal Violet (Varadan, Jiang, Varadan, 2001). Эта композиция является чувствительной к УФ излучению и может быть растворена при 80 ° С при помощи каустической соды в концентрации 2 моля на литр. В принципе этот процесс напоминает поверхностную технологию обработки кремния. Однако он позволяет формировать трехмерные структуры.

1.3.6. 3D технология изготовления микросистем

Для изготовления трехмерных микроструктур было разработано несколько новых методов. Среди них наиболее яркими являются микротехнологии несвязанных форм.

Большинство 3D микроэлементов, построенных при помощи микротехноло- i . . i

u Ц-р

гии несвязанных форм, выполнены в ви- i -г

де слоевых структур (рис. 1.6). Суще- i i

ствуют следующие технологии несвязан- i -f

ных форм: микростереолитография (Iku- i i,

ta, Hirowatari, 1993), электрохимический i i

метод (EFAB, Cohen et al, 1999), ми- , I I

крофотогальванопластика (Takagi, Nakajima, 1993), пространственная гальва- c. 1.6. Микротехнология нопластика (Taylor et al, 1994), литье- ес з= ь1х форм, исполь-

тт.. зуемая для изготовления 3D

вое прессование (Xia, Whiteside, 1998), структур

локальное .электрохимическое осаждение

(Madden, Hunter, 1996) и т. д. Для построения сложных трехмерных структур при помощи этих технологий используются следующие материалы: полимеры, керамика, металл и др. В принципе, в этих методах изготовления 3D микросистем могут применяться и другие современные материалы.

Другой подход к построению трехмерных микросистемных устройств заключается в объединении существующих технологий, таких как микрообработка кремния, LIGA-процесс, прецизионная ме-