引言由微傳感器、微執(zhí)行器和微處理器組成的微型機(jī)電系統(tǒng)目前正逐漸成為歐州、美國、日本等發(fā)達(dá)國家爭先投資開發(fā)的熱點，它的成功將會象微電子那樣給人類生活帶來新的革命。微型機(jī)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)是微細(xì)加工技術(shù)，當(dāng)前的研究主要是以硅基微加工技術(shù)為主，包括表面硅微加工技術(shù)和體硅微加工技術(shù)[1-4]。80年代德國開發(fā)出來的liga技術(shù)擴(kuò)展了微機(jī)械的材料，利用該技術(shù)可加工塑料、陶瓷和金屬等各種材料[5-7]。但liga技術(shù)需昂貴的同步輻射x射線光源和制造工藝復(fù)雜的x光掩模板，其加工周期長，價格昂貴。
由上海交通大學(xué)和北京大學(xué)開發(fā)出的dem技術(shù)克服了liga技術(shù)加工周期長，價格昂貴的缺點[8]。dem是英文deepetching，electroforming和microreplication的縮寫，它綜合了該技術(shù)的二個主要工藝——深層刻蝕、微電鑄和微復(fù)制工藝。dem技術(shù)不需昂貴的同步輻射光源和特制的x光掩模板。利用感應(yīng)耦合等離子體（icp：inductively coupled plasma）刻蝕設(shè)備進(jìn)行高深寬比塑料或硅刻蝕后，從硅片上直接進(jìn)行微電鑄，得到金屬模具后再進(jìn)行微復(fù)制工藝，就可實現(xiàn)微機(jī)械器件的大批量生產(chǎn)。dem技術(shù)具有加工周期短、價格低廉等優(yōu)點、無光刻膠與基板的粘結(jié)問題，與微電子技術(shù)的兼容性更好。目前我國在該技術(shù)領(lǐng)域處于*水平，已用該技術(shù)制造的微復(fù)制模具模壓出高深寬比塑料微結(jié)構(gòu)。該技術(shù)的開發(fā)成功，可望成為一項全新替代liga技術(shù)的非硅三維微加工技術(shù)。
1 dem技術(shù)工藝路線
dem技術(shù)設(shè)想用深層刻蝕工藝來代替liga技術(shù)中的同步輻射調(diào)光深層光刻工藝，然后進(jìn)行后續(xù)的微電鑄和微復(fù)制工藝。圖1比較了dem技術(shù)與liga技術(shù)工藝路線。
國外近年來開發(fā)出了主要用于進(jìn)行硅深層刻蝕技術(shù)的*硅刻蝕工藝（ase工藝：advanced sil-icon etching process）[9]，該工藝?yán)昧烁袘?yīng)裙合等離子體和側(cè)壁鈍化工藝等技術(shù)，可對硅材料進(jìn)行高深寬比三維微加工，其加工厚度可達(dá)幾百微米，側(cè)壁垂直度為90°±03°，刻蝕速率每分鐘可達(dá)2.5μm如用深層刻蝕出的硅微結(jié)構(gòu)直接作為模具，由于硅本身較脆，在模壓過程中很容易破碎，所以不能利用硅模具進(jìn)行微結(jié)構(gòu)器件的大批量生產(chǎn)。但可利用該模具對塑料進(jìn)行小批量加工（小于10次）。圖2為用硅作為微復(fù)制模具通過模壓獲得的塑料微齒輪模子的電鏡照片。該微齒輪模子厚度為100μm，經(jīng)過微電鑄工藝后可得到金屬微齒輪。
目前dem技術(shù)主要的工藝路線是先利用硅深層刻蝕工藝獲得高深寬比硅微結(jié)構(gòu)。然后通過微電鑄工藝獲得金屬微復(fù)制模具，zui后應(yīng)用微復(fù)制工藝進(jìn)行微器件的批量生產(chǎn)。
圖3給出了利用硅深層刻蝕工藝進(jìn)行dem技術(shù)的工藝路線。首先在氧化過的低阻硅片（電阻率＜1ωcm）上濺射一層金屬掩膜，利用紫外光刻和刻蝕工藝獲得掩膜，然后利用英國sts公司生產(chǎn)的icp刻蝕機(jī)對硅進(jìn)行深層刻蝕，再通過氧化和反應(yīng)離子刻蝕對硅的側(cè)壁進(jìn)行絕緣保護(hù)。利用深層微電鑄工藝進(jìn)行金屬鎳電鑄后，再用氫氧化鉀將硅片腐蝕掉，獲得由金屬鎳組成的微復(fù)制模具。利用該模具可對塑料進(jìn)行模壓加工，進(jìn)行塑料產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，或?qū)δ汉螳@得的塑料微結(jié)構(gòu)再進(jìn)行第二次微電鑄，就可進(jìn)行金屬產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。由于硅是半導(dǎo)體，該工藝的關(guān)鍵是要解決從硅上直接進(jìn)行微電鑄的技術(shù)難關(guān)。
2 結(jié)果與討論
目前dem技術(shù)工藝路線已全部打通，已用該技術(shù)制造的微復(fù)制模具模壓出了高深寬比塑料微結(jié)構(gòu)。
圖4是利用sts公司生產(chǎn)的icp刻蝕機(jī)刻出的高深寬比硅微齒輪電鏡照片，齒輪厚度為100μm，分度圓直徑為87μm，孔徑為25μm，模數(shù)小于0.01。目前用精密機(jī)械加工技術(shù)能獲得的齒輪zui小模數(shù)為0.04,且不能進(jìn)行大量生產(chǎn)。
目前金屬鎳的電鑄較為成熟，且鎳具有一定的硬度和耐腐蝕性能，比較適合做為模具材料。圖5為經(jīng)過微電鑄工藝獲得的金屬鎳微復(fù)制模具金屬微結(jié)構(gòu)電鏡照片，該微結(jié)構(gòu)線寬分別為5、10、20和30μm，厚度為102μm，深寬比大于20。
微復(fù)制工藝主要有模壓和注塑兩種工藝，模壓工藝加工周期較長（約10-20分鐘），但材料更換方便，且能進(jìn)行多層不同塑料的模壓，適用于進(jìn)行科學(xué)研究；注塑工藝加工周期短，zui低可縮至10秒以內(nèi)，但材料更換困難，適用于進(jìn)行批量生產(chǎn)。我們利用德國進(jìn)口的模壓設(shè)備對聚氯乙烯（pvc）、聚苯乙烯（ps）、聚甲基丙烯酸甲酯（pmk4a）、聚碳酸酯（pc）和聚甲醛（pom）等塑料進(jìn)行了微復(fù)制工藝的研究，其中pvc和ps材料目前尚未見文獻(xiàn)報道。圖6是用模壓工藝獲得的pmma塑料微結(jié)構(gòu)電鏡照片，微結(jié)構(gòu)高度為90μm，線寬為30μm。“sjtu”為上海交通大學(xué)的英文縮寫。
通過dem技術(shù)的初步研究，現(xiàn)在已獲得了一些高深寬比的金屬和塑料微結(jié)構(gòu)，但其總體質(zhì)量還需進(jìn)一步提高。目前尚需解決的問題有：（1）在微電鑄工藝中，由于硅是半導(dǎo)體，本身導(dǎo)電率不高，雖然選擇了低阻硅片，并在硅片背面濺射了一層金屬，但其電阻率與金屬相比仍然很高，造成微電鑄困難；（2）在深孔、深槽中，消耗掉的金屬離子不能很快得到補充，使得電鑄出的金屬微結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較多孔隙，在模壓過程中模具易產(chǎn)生斷裂。
3 dem技術(shù)產(chǎn)業(yè)化前景
近幾年來，從世界范圍來看，微機(jī)電系統(tǒng)的研究及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展很快，應(yīng)用領(lǐng)域也從汽車、醫(yī)療領(lǐng)域逐漸向通訊、機(jī)械工程和過程自動化擴(kuò)展。據(jù)國外的分析顯示[10]，到2002年，微系統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)品的產(chǎn)值將達(dá)到384．9億美元。市場之大，很有可能成為一個新的經(jīng)濟(jì)增長點。
從技術(shù)研究現(xiàn)狀來看，我國在該領(lǐng)域的技術(shù)水平與世界的差距并不大，但產(chǎn)業(yè)化目前還是零。因此，加快我國微型機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫。
目前我國微型機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)品的加工技術(shù)主要有兩種：硅微加工技術(shù)和liga技術(shù)。但這兩種加工技術(shù)在大規(guī)模用于微系統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)品的制造上均有一定的難度。硅微加工技術(shù)成本高，而且只適用于硅材料，lliga技術(shù)雖然加工材料面廣，高深寬比也優(yōu)于其它加工技術(shù)，但liga加工技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化方面受到設(shè)備方面極大的限制。
dem技術(shù)與硅微加工技術(shù)相比，其加工材料面廣，既可加工硅材料也可以加工非硅材料，包括金屬、塑料、陶瓷等，加工深度和深寬比等性能指標(biāo)與硅微加工技術(shù)相同，但其塑料產(chǎn)品的價格只有硅微加工技術(shù)的l／100。dem技術(shù)與liga技術(shù)相比，可加工與liga技術(shù)相同的材料，雖然它的加工深度和深寬比不及l(fā)iga技術(shù)，但大部分的mems產(chǎn)品并不需要如此高的深寬比和厚度，并且在性能接近的前提下，dkm技術(shù)有著*的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢：價格低廉，加工周期短，可操作性強，與微電子技術(shù)兼容性更好。因此，dem技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化方面可替代liga技術(shù)加工大部分微機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)品。dem加工技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化將對我國微機(jī)電系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化起到積極的推動作用。
4 結(jié)論
通過dem技術(shù)的初步研究，目前已用該技術(shù)制造的微復(fù)制模具模壓出了高深寬比塑料微結(jié)構(gòu)。證明該技術(shù)的工藝路線是切實可行的。dem技術(shù)充分利用了體硅微加工技術(shù)和liga技術(shù)的優(yōu)點，解決了體硅微加工技術(shù)中只能加工硅材料的局限。與liga技術(shù)相比，該技術(shù)不需昂貴的同步輻射光源和特別的x光掩模板。其加工周期短，價格低廉，具有可操作性，與微電子技術(shù)的兼容性更好。該技術(shù)的開發(fā)成功，將對我國微型機(jī)電系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化起很好的推動作用。