CN106044702A - 一种刻蚀与表面增材复合加工装置及应用该装置进行硅基底贴片天线加工的方法 - Google Patents

一种刻蚀与表面增材复合加工装置及应用该装置进行硅基底贴片天线加工的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于加工高阻硅基底贴片天线的刻蚀与表面增材复合加工装置。其结构关系是，光刻机与表面增材加工机构固定在工作平台上，两者定位中心均在硅片台中心位置；工作台上的硅片台及控制系统结构集成于一体；表面增材加工机构的支架固定在硅片台及主体机架上，支架杆上有导轨滑块机构；表面增材加工机构喷头连接杆处有球铰链，配合导轨滑块机构改变中心喷头的X、Y和Z位置进行加工，也可使中心喷头避开光束，不影响光刻机工作。本发明以高阻硅基底微带天线为应用对象，集光刻、刻蚀和表面增材工艺于一体，提高制造效率；刻蚀和表面增材过程定位中心均在硅片台中心位置，保证定位精度，对体微加工和表面增材料复合加工有特别效用。

Description

一种刻蚀与表面增材复合加工装置及应用该装置进行硅基底 贴片天线加工的方法
技术领域
本发明涉及一种微机电系统加工领域，具体涉及一种刻蚀与表面增材复合加工装置及应用该装置进行高阻硅基底贴片天线加工的方法。
背景技术
利用MEMS技术制作的射频通信系统的微带天线，除了具有体积小、重量轻、成本低等优点外，还可以与发射和接收系统集成在一起，提高系统的稳定性和可靠性，易于大批量生产。采用高阻硅作为基底材料，在辐射贴片的正下方挖空气槽，来降低基底的复合介电常数，这样既保证了基底材料的低介电常数，又保证了集成性，同时实现了微带天线高效率，高增益，高功率。此过程，需在高阻硅基底表面进行光刻及大面积深槽刻蚀技术，需在光刻机上进行光刻，湿法刻蚀，去除设计形状的硅材料，以形成空腔。此过程无需移动硅工作台和掩模台，但在天线辐射表面的制造过程中，需使用增材工艺对高阻硅基底表面增加金属材料贴片。
目前在高阻硅基底微带天线加工过程中，会经过多次增减材料的过程，需在不同设备上反复多次重新定位，其误差的总和大，严重影响天线的电性能精度及加工效率。
表面增材加工机构承载能力强、刚度大、自重负荷比小、动态性能好。并行三自由度机械臂结构，重复定位精度高，支架的结构形式使其易于集成在其他设备中。
深槽刻蚀工艺需在光刻后进行湿法刻蚀。表面增加辐射贴片金属材料需在增材设备中进行，迄今为止，尚未有一种设备可以同时具备高效进行以上两种增减材料的复合精密加工。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有体微加工和表面增材加工时效率低的情况，从提高硅基底微带天线制作效率和精度的问题出发，提供一种刻蚀与表面增材复合加工装置及应用该装置进行硅基底贴片天线加工的方法。该装置采用光刻、湿法刻蚀和表面增材打印配合加工，制作高阻硅基底微带天线。该装置及其应用方法，保证了工具可以在同一装置内实现硅片上的增减材料加工，克服了离线制造必须二次安装的弊端，实现普通硅片及高阻硅基底微带天线的增减材料高效集成加工。
本发明通过将光刻机物镜主体、光刻物镜头、硅片加工台、表面增材加工机构、表面增材打印喷头其定位中心在工作台的同一中心轴线上，使其在实现光刻、刻蚀、硅材料表面增材的加工过程中，定位中心始终不变，所加工的硅片在硅片台上经过三角定位，确定定位位置，从而在加工中避免了反复定位的弊端，提高了硅材料表面增减加工的精度。将光刻、刻蚀的机构和表面增材打印机构集于一体，实现了在一个设备中，即可进行表面体微加工，又可进行表面增材的过程。提高了对于硅基底微带天线加工过程的工作集成度。
本发明中的表面增材加工机构在光刻、刻蚀加工过程时可通过表面增材加工机构杆接头滑块和球铰链运动使两杆拉至水平位置，一杆通过滑块和球铰链沿一根表面增材加工机构支架上提，使表面增材打印喷头部件移开中央工作区域，贴在表面增材加工机构支架处，表面增材加工机构的各杆件也避开加工区域，让光束通过。掩膜台可经电机驱动放置在硅片工作台上；光刻机物镜主体、光刻物镜头可调整与工作台的距离，进行光刻加工。在光刻结束后，掩膜台经电机驱动抬起，靠近表面增材加工机构支架处，从而不影响后续加工过程。
在进行表面增材料加工过程中，光刻物镜头可在机构起落支架上下调整位置，三个表面增材加工机构杆接头滑块同时滑动回到同一高度，使表面增材加工机构回到中央工作位置，即可根据工作需求，对天线硅材料表面进行增材加工，完成金属贴片的加工。在光刻及表面增材加工前，工作真空箱体由真空箱控制器将箱体抽成真空状态，保持工作箱内工作环境清洁。
本发明有益效果是：克服了单一的光刻机不能进行增材料的实现过程，该机构集光刻、刻蚀、表面增材工艺于一体，硅片工作台和掩模台固定，不采用传统平面电机驱动，结构简化，极大降低了光刻机成本，适合结合平面增材，刻蚀后硅片翻转进行表面增材打印，完成贴片过程。在多次重复增减材料加工过程中，保持工作定位不变，减少反复定位所引起的误差，提高精度，将材料的增减过程集于一体化制造，提高效率，对需体微加工结合表面增材复合加工制造技术的硅基微机电系统制造有特别效果。
附图说明：
图1为一种刻蚀与表面增材复合加工装置主视图；
图2为一种刻蚀与表面增材复合加工装置左视图；
图3为一种刻蚀与表面增材复合加工装置俯视图；
图4为一种刻蚀与表面增材复合加工装置对高阻硅基底贴片天线进行光刻时局部放大图；
图5为一种刻蚀与表面增材复合加工装置对高阻硅基底贴片天线进行湿法刻蚀时局部放大图。
图6为一种刻蚀与表面增材复合加工装置对高阻硅基底贴片天线进行表面金属增材打印局部放大图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明装置由地基1、工作台支架2、工作台3为基底支撑固定，工作台3是装置其他工作部件的安装集体，通过工作台支架2支撑并隔离外界震动。真空箱体4固定在地基1上将其他工作部件罩住，通过真空箱控制器5对内部工作空间进行真空化，真空化过程在光刻加工之前和湿法刻蚀之后进行，对工作空间的环境进行清理和维护。
硅片加工台22、硅片控制台23机器加工操作台25位于机构工作区域中央；表面增材加工机构支撑架15以工作台3为中心，固定在工作台3三个端点，表面增材加工机构起落控制滑块16在表面增材加工机构支撑架15上可竖直滑动，表面增材加工机构喷头连接杆件的连接处有球铰链18，可使表面增材加工机构17运动，使表面增材打印喷头支架19、表面增材打印喷头20在工作区域自由移动。
加工部件高硅片21定位在硅片加工台22上，其下为硅片控制台23，机器加工操作台25，在硅片加工台22上有散热孔7，以在加工过程中对加工台进行散热；掩膜台10通过旋转支架9固定在硅片加工台22一边处，由驱动电机8驱动旋转支架9，从而控制掩膜台10起落。光刻机物镜头11安装在光刻机物镜主体12上，通过机构起落支架14使其上下可以移动。硅片加工台22、加工部件高阻硅片21、光刻机物镜头11、表面增材打印喷头20的定位中心均在同一轴线上，以保证定位的精确。
加工过程为，将加工部件高阻硅片21固定于硅片加工台22上，先进行光刻加工。首先，通过真空箱控制器5对内部工作空间进行真空化处理，此后将掩膜台10放落至硅片加工台22上；如图4所示，左边和后方的表面增材加工机构起落控制滑块16在表面增材加工机构支撑架15上向下运动，右边的表面增材加工机构起落控制滑块沿右边的表面增材加工机构支撑架向上运动，表面增材加工机构17的各杆由球铰链18的约束控制使其运动，其中两杆水平拉直，另外一杆接近竖直，此时，喷头支架19、表面增材打印喷头20移至右侧机构起落支架14的一杆处，从而使喷头支架19、表面增材打印喷头20离开中央工作区域，可使光刻机物镜头11的光源无干扰的射到掩膜台10上，从而对硅片进行光刻加工。
如图5所示，光刻结束后对高阻硅片进行刻蚀加工，此时，掩膜台10由驱动电机8驱动旋转支架9将其抬起，靠至机构起落支架14处，从而离开中央工作区域，开始对高阻硅片进行湿法刻蚀。刻蚀结束后通过真空箱控制器5对内部工作空间进行清理。
如图6所示，刻蚀加工结束后，需对高阻硅片进行表面增材处理，实现高阻硅天线贴片的加工。此时，光刻机物镜头11、光刻机物镜主体12由机构起落支架14控制，向上移动，远离工作区域；左边和后方的表面增材加工机构起落控制滑块16在表面增材加工机构支撑架15上向上运动，右边的表面增材加工机构起落控制滑块沿右边的表面增材加工机构支撑架向下运动，表面增材加工机构起落控制滑块移动至同一高度，此时，喷头支架19、表面增材打印喷头20被移动到中央工作区域中轴线处，以三个电机来共同控制表面增材打印喷头在X、Y、Z三个方向的运动，再以一电机控制贴片打印材料的供给，即可对高阻硅基片进行表面增材加工。
通过以上方式，可对普通硅片和高阻硅片在刻蚀减材加工的基础上，重复多次进行表面增材料的加工过程。加工过程中，各机构的定位中心始终保持不变，可一次性制作多个高阻硅基底微带天线，提高加工效率；装备的发明设计可使普通硅和高阻硅的体微加工和表面增材加工均在本发明设备上同时进行，避免了离线加工二次定位引起的多次误差，提高设备的加工效率，保证了微小结构的加工精度。

Claims (8)

1.一种刻蚀与表面增材复合加工装置及应用该装置进行硅基底贴片天线加工的方法，它是由地基(1)、工作台支架(2)、工作台(3)、真空箱体(4)、真空箱控制器(5)、机器工作箱(6)、散热孔(7)、驱动电机(8)、旋转支架(9)、掩膜台(10)、光刻机物镜头(11)、光刻机物镜主体(12)、固定支架(13)、机构起落支架(14)、表面增材加工机构支撑杆(15)、起落控制滑块(16)、表面增材加工机构(17)、球铰链(18)、表面增材打印喷头支架(19)、表面增材打印喷头(20)、加工部件高阻硅片(21)、硅片加工台(22)、硅片控制台(23)、表面增材机构支撑杆基座、(24)机器加工操作台(25)、操作台控制器(26)组合而成。
2.根据权利要求1所述的一种刻蚀与表面增材复合加工装置及应用该装置进行硅基底贴片天线加工的方法，其特征是光刻机物镜主体(12)、光刻机物镜头(11)、硅片加工台(23)、掩膜台(10)、表面增材加工机构(17)、表面喷头支架(19)、表面增材打印喷头(20)其定位中心在同一中心轴线上。
3.根据权利要求1所述的一种刻蚀与表面增材复合加工装置及应用该装置进行硅基底贴片天线加工的方法，其特征是在对加工部件高硅片(21)进行光刻加工及刻蚀加工时，表面增材加工机构(17)可由起落控制滑块(16)、球铰链(18)使其两杆拉至水平，一杆上提，将表面增材打印喷头支架(19)、表面增材打印喷头(20)移开中央工作区域，贴在表面增材加工机构支撑杆(15)处。
4.根据权利要求1所述的一种刻蚀与表面增材复合加工装置及应用该装置进行硅基底贴片天线加工的方法，其特征是表面增材加工机构(17)侧移，将表面增材喷头支架(19)、表面增材打印喷头(20)移至非工作区域时，光刻机物镜主体(11)、光刻机物镜头(10)的光束可完全作用在硅片加工台(22)对加工部件高硅片(21)进行光刻及刻蚀加工。高阻硅片(21)光刻过程中，硅片加工台(22)和掩模台(10)不需要平面移动定位。
5.根据权利要求1所述的一种刻蚀与表面增材复合加工装置及应用该装置进行硅基底贴片天线加工的方法，其特征是光刻机物镜主体(12)、光刻机物镜头(11)可在机构起落支架(14)上上下移动，退至非工作区域，表面增材加工机构(17)由可由起落控制滑块(16)、球铰链(18)移动使将表面增材打印喷头(20)移至中央工作区域，对加工部件高硅片(21)进行表面增材加工。
6.根据权利要求1所述的一种刻蚀与表面增材复合加工装置及应用该装置进行硅基底贴片天线加工的方法，其特征是加工部件高硅片(21)时进行增减材料加工过程中定位位置始终不变，在硅片加工台(22)上固定。
7.根据权利要求1所述的一种刻蚀与表面增材复合加工装置及应用该装置进行硅基底贴 片天线加工的方法，其特征是真空箱体(4)在光刻加工前及刻蚀加工后经真空箱控制器(5)将其内抽成真空状态。在光刻加工时，驱动电机(8)驱动旋转支架(9)将掩膜台(10)放下至硅片加工台(22)，在刻蚀及表面增材时将掩膜台(10)抬起靠近表面增材加工机构支撑杆(15)，不影响刻蚀及表面增材。
8.根据权利要求1所述的一种刻蚀与表面增材复合加工装置及应用该装置进行硅基底贴片天线加工的方法，其应用过程是是：将加工部件高阻硅硅片(21)固定于硅片加工台(22)上定位，表面增材加工机构(17)两杆拉至水平，一杆上提，将表面增材打印喷头支架(19)、表面增材打印喷头(20)移开中央工作区域，贴在表面增材加工机构支撑杆(15)处，光刻机物镜主体(12)、光刻机物镜头(11)定位进行光刻，再湿法刻蚀硅片至指定深度，翻转硅片，光刻机物镜主体(12)、光刻机物镜头(11)上移至非工作区域，表面增材加工机构(17)三杆通过起落控制滑块(16)、球铰链(18)沿表面增材加工机构支架(15)移动，将表面增材打印喷头(20)定位于中央工作区域，进行表面增材加工制造天线贴片。
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