IH工艺的发展及应用

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:557

孔祥东，张玉林，尹明

（山东大学控制学院电子束研究所，山东济南 250061）

摘要：介绍了ih系列立体光刻技术。使用该系列技术可以加工出具有高深宽比和复杂曲面的各种微结构，可以容易地加工出微可动部件、电子聚合物组合结构和不同聚合物的全聚合物结构，能较好地满足mems发展的需要。最后指出这种方法目前存在的缺陷。

关键词：ih工艺；立体光刻；抗蚀剂

中图分类号：tn305.7 文献标识码：a 文章编号：1671-4776（2003）11-0034-06

1引言

随着微机电系统在各个领域的广泛使用，需要精确产生复杂曲面和各种形状微结构的加工方法。目前用于微尺寸加工的主要技术为基于ic工艺的平面硅工艺和立体硅工艺、liga工艺和基于深层近紫外光刻技术的准liga工艺。这些工艺都有一个共同的缺陷——不能加工出任意曲面的立体构件，这给微机电系统的设计和功能实现带来了很大的障碍。为实现微结构的真三维加工，日本ikuta教授于1992年开发了一种新的微加工工艺—ih（integrated harden polymer stereo lithography——集成固化聚合物立体光刻）微立体光刻技术[1]，并在其后近10年的时间里相继开发出了基于ｉｈ的mass ih，super ih，hybrid ih和multi-polymer ih等一系列适合mems发展需要的新工艺，并使用这些工艺加工出了相应的微三维结构。本文对以上各工艺进行了较为详细地描述。

2 ih工艺[1]

ih立体光刻工艺是从宏观的立体光刻技术发展而来的，光刻的对象是液态紫外抗蚀剂，该抗蚀剂能够在紫外光的照射下产生固化现象。

为了得到紫外光聚合物的三维结构，首先需要加工出二维片状结构，称之为片状单元。这些片状单元可以很容易地通过cad系统得到。图1[1]表示了三维结构和片状单元之间的关系，即三维结构是由紫外线固化液体抗蚀剂形成的片状单元堆积而成的。使用ih工艺可以加工聚合物和金属等多种材料[1]。

ih工艺的加工设备主要有紫外光源、xyz工作台、安装在精密的x-y台上的抗蚀剂小容器、光闸、透镜和微机等，如图2[1]所示。光刻时，在计算机控制下，固定在ｚ台上的透明玻璃板下降到抗蚀剂中，使其保持与容器底平面一个分层厚度的距离，该厚度内充满了抗蚀剂；紫外光通过光闸、透镜以及透明玻璃板聚焦到液态抗蚀剂上，将抗蚀剂固化形成两维图形（即片状单元）；然后ｚ台、玻璃板和镜头轻轻提升，液态抗蚀剂又充满玻璃板和刚刚固化的抗蚀剂之间，重复该作图过程直到最终形成三维聚合物结构。用这种结构做模子进行电铸又可获得三维金属微结构。

ih设备的主要参数为：

光斑尺寸：5μm

位置精度：0.25μm（x/y向）

1.0μm（ｚ向）

最小硬化尺寸：5μm×5μm×3μm（xyz）

加工速度:30min

ih工艺主要具有如下优点[1]：

(1)不需掩模，并与cad／cam系统相连，具有极大的加工灵活性；(2)成型材料多样性，可以是聚合物也可以是金属；(3)设备简单、成本低、生产周期短；(4)理论上可以制作深宽比为任意值的复杂三维器件。

该工艺的分辨率当时仅为微米级，且由于微尺寸效应还存在以下难点[1]:

在微尺寸情况下，由于液态紫外聚合物粘性相对增大，形成的硬化微结构容易发生变形和破坏；已硬化的聚合物与透明板之间的粘结力使它们不易分离。解决上述问题的途径主要是减少紫外光束的光斑尺寸；优化光束的能量密度、扫描速度及焦深；改进加工设备[2]，减少聚合物的硬化单元尺寸等。

使用该技术，已加工出微型螺旋弹簧、聚合物弯曲管等三维微器件，如图3[1]所示。

3 mass ih工艺[2]

mass ih工艺是为了满足广泛用于微化学分析、生物医学应用和生物工艺学的微集成流体系统ｍｉｆｓ（ｍｉｃｒｏｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｆｌｕｉｄｓｙｓｔｅｍ）的需要，在ｉｈ工艺的基础上，通过使用微光导纤维阵列将单光束扫描换成多光束扫描而开发出的立体光刻工艺，它是ｉｋｕｔａ教授1996年提出的，这时ｉｈ工艺的最小分辨率已经达到2μm[2]。ｍａｓｓｉｈ