CN114728370B - 激光辅助材料相变和喷出微加工工艺 - Google Patents

Abstract

一种激光微加工工艺，称为激光辅助材料相变和喷出(LAMPE)微加工，包括使用脉冲激光在一块材料的切割表面中切割特征，脉冲激光的强度、脉冲宽度以及脉冲频率被设置为熔化并喷射液体材料，且不使材料汽化，或者在硅的情况下，产生可喷射的氧化硅。通过使用高于正常电解抛光电势的电势并用稀酸溶液对切割表面进行电解抛光，从切割表面被去除毛刺。激光微加工层压板(MALL)的多层组装能够利用MEMS。在MALL工艺中，首先，使用LAMPE微加工工艺制造微机电系统(MEMS)的单独层。其次，将制造的微观结构层压板堆叠组装并粘合以制造MEM系统。MALL MEMS制造工艺能实现更大的材料截面和集成度、更大的设计灵活性、低成本制造、快速开发和集成封装。

Description

激光辅助材料相变和喷出微加工工艺

相关申请的交叉引用

本申请涉及2019年11月8日提交的美国临时专利申请号62/932914，并要求优先权。在此通过引用将申请62/932914的全部内容并入本申请。

技术领域

本发明一般涉及微机电系统(MEMS)领域，更具体涉及激光辅助微加工工艺。

背景技术

微机电系统(MEMS)在如医疗保健、消费电子产品、汽车及能源的领域中有着众多应用。然而，用于制造MEMS的基于光刻技术的微加工工艺的若干限制已极大地阻碍了新型MEMS装置的发展。首先，这些工艺需要使用昂贵的微加工工具，如光刻系统、掩模对准器、沉积以及蚀刻工具。此外，这些工艺具有一个漫长的工艺开发时间。与基于光刻技术的微加工工艺相关的装备产权和较长开发时间的高成本使得它们不适合研发和小批量MEMS生产。

其次，制造材料主要受到硅以及如氧化硅和氮化硅的相关材料的限制。在制造材料选择中的限制，限制了能够被设计和制造的多种MEM系统。例如，与静电/压电致动器相比，磁性MEMS可能具有明显的优势，例如高强度、极性以及长致动距离。然而，由于磁性材料与基于光刻技术的MEMS制造工艺不相容，制造磁性MEMS具有挑战性[1]。此外，由于制造材料的选择受到限制，MEMS装置的性能被折中。例如，尽管弹簧钢是制造MEMS的高性能微弹簧的最佳选择，但通常使用硅，因为弹簧钢与基于光刻技术的MEMS制造工艺不相容。

最后，在MEMS设计和制造期间，集成各种材料和相应的制造工艺通常是最困难的任务[2]。在基于光刻技术的制造工艺中，MEM系统通过连续沉积和图案化材料层以整体方式进行制造。使用独特的工艺沉积和图案化每个材料层，该材料层必须与之前沉积的材料相容。然而，由于材料不相容性、热约束(例如，聚合物零件不能够经受高温处理步骤，如LPCVD硅沉积)以及过渡结构的机械稳定性，集成这些工艺是困难的。总之，传统的基于光刻技术的MEMS制造工艺价格昂贵，制造材料的选择受限，且各种材料的集成具有挑战性。

激光微加工对传统微加工工艺来说是一种有吸引力的替代工艺。然而，激光微加工在MEMS制造中的应用已经被限制到钻孔[1]、[2]、铣削微沟槽[3]以及制造毫米级结构[3]-[5]。限制应用是由于激光微加工工艺的两个局限性。

首先，制造MEMS要求制造高纵横比(通常为10:1或更高)的微结构，具有较小的横向特征尺寸(通常为10μm及以下)。然而，激光微加工产生的结构具有低纵横比和大特征尺寸。因此，激光微加工的应用已经被限制到钻取直径约为40至50微米的低纵横比孔或图案表面。

其次，激光微加工零件在加工零件周围会产生微毛刺和碎屑。这些缺陷约为几十微米，使得这些激光微加工零件不适合MEMS制造。从精密的MEMS微结构零件上消除这些微毛刺是具有挑战性的。由于MEMS结构的脆弱性，超声波和物理擦洗等方法不适用于MEMS结构。蚀刻工艺通常会导致MEM结构与毛刺一起溶解，因为毛刺的大小与MEMS零件的大小相同。由于这些原因，激光微加工工艺已经被主要用以制造刚性零件，如图案化表面、孔以及沟槽，在这些零件中，物理擦洗或超声波能够被利用以去除毛刺。

具有激光微加工工艺生产高纵横比和小横向特征的微加工零件将是极其有利的。具有电去毛刺工艺来去除激光微加工零件中的毛刺，从而生产出与传统微加工工艺(如深度反应离子蚀刻(DRIE))相当的清洁零件，也将是有利的。

发明内容

本发明涉及一种被称为激光辅助材料相变和喷射(LAMPE)微加工的激光微加工工艺。此外，本发明涉及一种新的MEMS制造工艺，称为激光微加工层压板的多层组装(MALL)，以制造MEMS。在MALL工艺中，首先，使用LAMPE微加工工艺制造微机电系统(MEMS)的单独层。其次，将制造的微观结构层压板堆叠组装并粘合以制造MEM系统。MALL MEMS制造工艺能实现更大的材料截面和集成度、更大的设计灵活性、低成本制造、快速开发和集成封装。

本发明的目的是一种激光微加工工艺，称为激光辅助材料相变和喷出(LAMPE)微加工工艺，以产生纵横比高达10:1的亚衍射极限的横向特征。这种特性在以前使用传统的激光微加工工艺时不能被实现。

本发明的另一个目的是一种电去毛刺工艺，用于去除LAMPE微加工或激光微加工金属零件上的微毛刺。这些微毛刺是由于在激光微加工期间熔融金属固化且形成的，阻碍了这些零件在微机电系统(MEMS)制造中的应用。所公开的工艺及其应用去除了这些毛刺，并生产出适用于MEMS制造的清洁零件，这些清洁零件与使用传统深度反应离子蚀刻(DRIE)工艺生产的零件相当。进一步公开了一种电去毛刺工艺对使用微铣削工艺生产的金属零件去除毛刺的应用，从而，也能实现它们在MEMS制造中的应用。

本发明的另一个目的是LAMPE工艺用于硅微加工的应用，以快速地产生小横向特征和高纵横比(10:1)特征。在这个工艺中，激光被用以氧化硅(诱导相变)，并且新形成的颗粒状氧化硅被使用部分汽化硅产生的压力去除。

本发明的另一个目的是LAMPE工艺用于金刚石微加工的应用，以产生衍射极限的横向特征和超高纵横比特征。该工艺因此能够被利用以制造用于微机电系统(MEMS)的金刚石零件。

本发明的另一个目的是一种新的MEMS制造工艺，称为激光微加工层压板的多层组装(MALL)，以制造MEMS。在这个工艺中，首先，使用LAMPE微机械加工制造MEMS的单独层。其次，使用电去毛刺工艺从LAMPE微加工零件去除微毛刺。再次，将各个层堆叠组装并粘合以制造MEMS。通常，使用可选的第四步骤溶解牺牲层，以在MEMS中创建独立的微结构。对于不需要小特征和高纵横比的MEMS，能够使用传统的激光微加工工艺结合电去毛刺工艺来制造MEMS层。

本发明的另一个目的是一种利用MALL用于小批量制造MEMS的辊对辊MEMS制造工艺。在这个工艺中，同时使用激光微加工制造MEMS的单独层。使用成套辊，这些层被组合在一起并粘合以形成MEMS。

本发明的另一个目的是用于生成LAMPE微加工工艺所用的刀具路径的后处理器。这个后处理器生成包含所需工艺变量及其设定值的刀具路径程序，以确保LAMPE微加工。

本发明的另一个目的是用于LAMPE微加工以制造超薄金属箔(厚度小于10微米)的工艺以及它们在MEMS制造中的应用。在这个工艺中，水溶性膜被用作一种电沉积金属的基板膜。金属基板膜经过激光微加工和层压，水溶性膜被去除以制造MEMS。

最后，本发明的目的是LAMPE微加工工艺在绝缘体上的硅(SOI)基板上制造MEMS的应用。在这个过程中，首先，使用LAMPE微加工在SOI晶片中使装置层图案化。其次，使用氢氟酸(HF)蚀刻将埋置的氧化物溶解，以创建独立的MEMS结构。

附图说明

现将涉及说明本发明特征的几个图。

图1A描绘了LAMPE微加工工艺的示意图，说明了高纵横比结构的制造。

图1B是突出描绘板材熔化区域的图像。熔化的材料向下喷出。

图2A-2B描绘了PLA和LAMPE微加工中产生的横向特征尺寸(FS)的比较。这些零件已使用电去毛刺工艺进行清洁。(A)脉冲激光烧蚀(PLA)微加工中产生的横向特征。(B)LAMPE微加工中产生的横向特征。

图3描绘了使用LAMPE微加工制造的坑，以证实能够实现的最小特征尺寸。这个洞的直径是5μm。

图4A-4B描绘了LAMPE微加工坑的电去毛刺。(A)电去毛刺前。(B)电去毛刺后。

图5A-5F描绘了不同间距的脉冲曝光，以确认材料熔化和喷出。(A)&(B)间距＝20μm、(C)&(D)间距＝10μm、(E)&(F)节距＝5μm。

图6A-6B描绘了使用LAMPE微加工的高纵横比微加工。(A)使用LAMPE微加工在100μm厚的铜板上制造10μm宽的微缝。(B)描绘微狭缝尺寸的放大图像。

图7描绘了LAMPE微加工铜板背面的SEM图像，SEM图像描绘了再固化的熔体喷射。

图8是现有技术中铜在磷酸中的极化曲线图。它描绘了用于电去毛刺工艺的极化曲线的区域。

图9A-9B描绘了LAMPE微加工零件的电去毛刺，以去除微毛刺。(A)电去毛刺前。(B)电去毛刺后。

图10A-10B描绘了使用LAMPE微加工制造的高纵横比叉指梳齿。(A)描绘了叉指梳齿的低倍图像。(B)描绘了纵横比为10:1的叉指梳齿的放大图像。横向特征尺寸为10μm。

图11A-11B描绘了使用20ns的长激光脉冲对硅进行脉冲激光烧蚀(PLA)。(A)通过5.6μJ脉冲产生的烧蚀轮廓。坑的直径为9.51μm，深度为3.29μm。(B)通过56μJ脉冲产生的烧蚀轮廓。坑的直径为18.6μm，深度为6.8μm。

图12描绘了激光辅助氧化硅的横截面图像。能够看出，激光辅助氧化能够显著增加有效光学穿透深度。

图13描绘了确认氧化硅的光学显微镜图像。插图中描绘的能量色散x射线光谱(EDS)图像进一步证实了氧化硅的存在。在放大框中的较浅阴影区域是氧化硅，其余区域是硅。

图14A-14B描绘了对硅使用LAMPE微加工制造的高纵横比微结构的示例。(A)描绘制造的叉指结构的低倍图像。(B)描绘梳齿之间距离的高倍图像。

图15A-15B和图16描绘了多层组件的示意图。

图17A-17B描绘了梳齿驱动致动器的示意图。描绘了设计参数。

图18A-18B描绘了对铜使用LAMPE微加工制造梳状驱动装置层：(A)光学显微镜图像描绘了LAMPE微加工零件中存在的微毛刺。(B)放大图像描绘了梳齿之间存在微毛刺。这些毛刺导致两组梳齿之间短路。

图19A-19B描绘了LAMPE微机械梳齿驱动结构的电去毛刺，以去除梳齿之间的微毛刺。(A)电去毛刺前。(B)电去毛刺后，描绘了干净的梳齿驱动的梳齿。

图20描绘了使用LAMPE微机械加工制造的梳状驱动器的层。铜层用于装置，氧化铝层用于基板层。

图21A-21B描绘了(A)梳齿驱动致动器的组装和粘合层。(B)该装置使用激光切割从层压层上切割下来。

图22描绘了制造的梳齿驱动致动器的SEM图像。

图23A-23B描绘了所制造的梳齿驱动致动器的特征。(A)静电梳齿之间的距离为10μm。(B)微横梁的宽度为20μm。

图24A-24B描绘了在硅中使用激光微加工制造2.5D结构：(A)使用激光微加工图案化的氮化硅掩模层。(B)KOH各向异性蚀刻以制造2.5D结构。

图25A-25B描绘了使用微铣削和电去毛刺制造2.5D结构。(A)使用微铣削和电去毛刺工艺制造方形凹槽。使用这种方法能够制作小到100μm的特征尺寸。(B)微铣削方法能够高度控制凹槽深度。该图描绘了深度为5μm、10μm和15μm的所制凹槽。

图26描绘了使用刚性框架操纵和激光微加工超薄金属箔。首先，在刚性框架中对窗口进行微加工。其次，在该框架上层压10μm薄的金属箔。最后，进行激光微加工以形成微结构。

图27描绘了独立结构和使用12.5μm厚粘合剂层制造的基板之间的12.5μm间隙。

图28描绘了聚焦激光束的强度分布。束斑直径为I₀＝21.2MW/cm²。

图29描绘了MALL MEMS制造工艺的流程图。

图30描绘了单独MEMS层的制造。

图31描绘了根据层材料确定LAMPE微加工工艺的流程图。

图32描绘了使用LAMPE微机械加工制造金属层的流程图。

图33描绘了在对硅的微加工中使用LAMPE的流程图。

图34A-34D描绘了(A)使用对准销对离散板材进行微组装。(B)对准销插入对准孔内。(C)对准销和对准孔之间的空隙。(D)已对准的对准标记的SEM图像，描绘了对准精度降至2μm。插图描绘了标记对准的黑光光学图像。

为了帮助理解本发明，已经提供了一些图示。本发明的范围不限于图中所示。

具体实施方式

1激光辅助材料相变与喷出(LAMPE)微加工

1.1说明

使用金属实现MEMS制造是有利的，因为金属提供了广泛的机械和电气性能。此外，这些性能能够通过合金化工艺来调节。使用金属制造MEM系统的能力为MEMS设计提供了新的范式。此外，用于MEMS制造的金属箔成本低，且易于使用滚压成型工艺制造[61]。不幸的是，现有的湿法和干法蚀刻工艺是各向同性的，不适合制造用于制造MEMS所需的高纵横比微结构。

在宏观层面上，激光被广泛用于切割金属板材。在这个过程中，激光用来熔化金属，高压空气喷射用来喷出熔化的材料。然而，由于激光微加工结构的易损性质，高压喷射不能在微尺度上使用。因此，激光微细加工利用汽化去除材料。然而，汽化工艺通常会导致低纵横比微加工。

在利用汽化的脉冲激光烧蚀微加工中，低纵横比是由几个原因造成的。首先，在烧蚀工艺中，汽化的材料在烧蚀区域上方产生等离子体。这种等离子体会吸收激光，从而减少能够用于烧蚀的能量。随着烧蚀坑深度的增加，等离子体对激光的吸收变得显著，对靶可用的激光能量不再足以加工材料。这种现象限制了使用PLA激光微加工工艺能够实现的最大微加工深度。

此外，纵横比取决于对材料的光学穿透深度。对于金属，吸收系数α>10⁵cm^-1[55]，光学穿透深度1/α为约几纳米。因此，对于典型的激光，激光能量被限制在表面上非常薄的层中，激光充当表面热源。由于各向同性热传导，金属的表面加热在各个方向上产生相等的温度梯度，从而导致烧蚀轮廓的纵横比约为1:1。然而，在高斯强度激光的特殊情况下，由于高斯光束中心的高强度，这种分布导致烧蚀轮廓的深度大于宽度。

最后，材料汽化也会导致烧蚀区域周围出现大熔池。这种熔化的材料被高压逸出的蒸汽移动，从而增加了烧蚀区域的宽度。

1.2LAMPE微加工

本发明涉及一种激光微机械材料板材的新工艺，以形成显著超过材料的光学穿透深度和热扩散长度的高纵横比结构。该工艺利用激光辅助的材料相变和喷出(LAMPE)工艺以实现高纵横比，同时仍保持小横向特征。在这个过程中，低能量激光功率首先用于在材料中诱导相变，然后利用材料的部分汽化在激光-材料界面处形成的蒸汽气泡产生的压力喷出改变后的材料。

喷出的液态金属在LAMPE微加工零件的边缘再固化。然后，能够使用本文公开的电去毛刺工艺去除这些再固化的液态金属毛刺。该工艺利用尖锐毛刺和边缘的高电流密度，选择性地电化学蚀刻毛刺，而不会显著影响LAMPE微加工零件的尺寸。必须注意的是，对于不需要具有小横向特征的高纵横比结构的MEM系统，传统的脉冲激光烧蚀(PLA)微加工结合电去毛刺工艺能够用于MALL MEMS制造。在第1.5.1节中描述了电去毛刺工艺。结果表明，LAMPE微加工工艺能够用于制造小于衍射极限光斑尺寸的横向特征尺寸，以及远远超过激光束的光学穿透深度的超深结构。

需要仔细设置激光功率，以实现激光辅助材料相变和喷出工艺。低于该水平的激光功率不会使材料部分汽化，也不会进行喷出。高于该水平的激光功率将产生较大的熔池和完全汽化，从而增加特征尺寸。

LAMPE微加工能够用于多种材料，如金属、硅以及金刚石。在金属板材的LAMPE微加工中，首先，使用激光束熔化(即诱导相变)材料，然后通过板材的背面喷出液相金属；因此，形成的特征小到衍射极限的光斑大小，深到聚焦光束的瑞利长度。利用汽化去除材料的传统激光微加工无法实现如此小的尺寸和高纵横比。

同样，在硅的LAMPE微加工中，低能量激光脉冲用于氧化硅(即诱导相变)。新形成的氧化硅传输激光(由于其低吸收系数)，导致新形成氧化硅下方的硅进一步氧化，从而使氧化远远超出硅的光学穿透深度。形成的氧化硅呈颗粒状，并利用材料部分汽化在激光-材料界面形成的蒸汽气泡产生的压力，通过晶片的背面喷出。

同样，在金刚石的LAMPE微加工中，首先，使用激光将金刚石转化为石墨(即诱导相变)，然后通过将石墨氧化为二氧化碳来去除新形成的石墨。利用LAMPE微加工金刚石，实现了对金刚石的高纵横比加工。

使用LAMPE微加工工艺，能够制造横向特征小至1μm且纵横比达到20:1的无毛刺零件。这些特征与使用传统的基于光刻技术的微制造工艺如深度反应离子蚀刻(DRIE)产生的特征相当。LAMPE微加工工艺能够使材料的横向特征尺寸小于光束的衍射极限光斑尺寸，并且作为瑞利长度的纵横比远远超过材料的光学穿透深度。

与激光烧蚀微加工相比，LAMPE微加工工艺有若干优点。首先，LAMPE微加工所需的激光功率明显低于使用汽化的激光微加工所需的功率。低功率要求是因为熔化焓小于汽化焓。此外，图1A-1B所示的蒸汽等离子体的缺失导致没有激光吸收，整个激光功率能够用于材料加工。其次，熔融过程中施加在材料上的热冲击和机械冲击小于汽化过程中施加在材料上的热冲击和机械冲击。因此，LAMPE微加工中的热影响区(HAZ)小于产生汽化的HAZ。

1.3PLA和LAMPE微加工之间的差异

利用脉冲激光烧蚀的传统激光微加工与LAMPE微加工工艺的区别如下：

1.在传统的脉冲激光烧蚀(PLA)微加工中，材料通过汽化被去除，并在激光微加工工艺后降低靶的质量。然而，在LAMPE微加工工艺中，金属熔化，液态金属利用激光-材料界面处形成的蒸汽气泡产生的压力从板材的背面喷出。喷出的液态金属在微加工零件的边缘再固化。因此，靶的质量保持不变。在LAMPE微加工中，材料通过电去毛刺工艺被去除。

2.PLA微加工所需的激光通量高于LAMPE微加工所需的激光通量，因为汽化焓高于熔化焓。LAMPE微加工的低通量要求大大降低了激光源的成本。

3.传统的PLA激光微加工工艺能够用于通过光栅扫描重叠脉冲辐照点以制造2.5D结构[62][63]。然而，LAMPE微加工工艺仅限于微加工材料板材。

4.PLA微加工产生的横向特征大于衍射极限的光斑尺寸，因为烧蚀区域周围形成了大熔池。然而，如在第3.4节中所示，LAMPE微加工能够产生与衍射极限光斑尺寸一样小的横向特征。图2描绘了使用PLA和LAMPE微加工工艺形成的横向特征尺寸。能够看出，PLA微加工产生的最小特征尺寸为28μm，而在LAMPE微加工工艺中是8μm。

5.在传统的激光微加工中，汽化的材料在烧蚀区域上方产生等离子体。这种等离子体会吸收激光束，从而减少能够用于蒸发的能量，并限制能够实现的微加工深度。相比之下，在LAMPE微加工中没有形成蒸汽等离子体，并且纵横比仅受激光束的瑞利长度限制。

1.4LAMPE微加工中的横向特征尺寸

能够实现的最小特征尺寸取决于聚焦光束光斑尺寸和激光脉冲持续时间。在传统的脉冲烧蚀工艺中，材料通过汽化被去除，从而在材料晶格上形成大的熔池、等离子体羽流以及热冲击。因此，最小特征尺寸远大于理论极限[64][65][66][62]。然而，使用激光辅助材料相变和喷出(LAMPE)微加工，能够实现与理论极限相当的特征尺寸。此外，使用LAMPE微加工，能够实现比以前更高的纵横比。

图3描绘了当使用10微米束斑尺寸时，使用LAMPE微加工工艺能够实现5μm的最小特征尺寸。这一特征是通过在铜靶上照射波长为532nm、脉冲持续时间为20ns的单脉冲激光而产生的。脉冲能量为5.6μJ，其是通过使用外部衰减器将561μJ的原始脉冲能量降低至其1％的值来设置。铜靶的反射率，R＝0.47；因此，能够用于材料加工的有效能量为3.2μJ。激光束通过带有数字孔径NA＝0.65的显微镜物镜聚焦。聚焦的束斑直径为1μm、假定高斯分布中心的最大强度为I₀＝71.5GW/cm²。表1总结了用于LAMPE微加工工艺的激光条件。

表1：LAMPE微加工的激光参数。

在LAMPE微加工中，由于激光用于熔化和喷出材料，因此能够实现较小的特征尺寸，从而消除脉冲烧蚀工艺中存在的汽化缺陷。喷出的液态金属在孔边缘再固化，并能够使用本工作中开发的电去毛刺工艺(在第1.5.1节中)被去除。图3-4描绘了去除再固化金属前后LAMPE制作的孔。

应注意的是，材料大部分熔化(仅部分汽化)。这个假设能够通过一系列不同间距的点阵加工来验证。图5A-5F描绘了间距为20μm、10μm和5μm的微加工点阵列。在图5A中，加工过的点相距很远，熔化的金属被迫向上喷出，形成坑。当加工点图案重叠时，脉冲激光烧蚀工艺包含汽化以去除材料，产生凹槽或2.5D微加工[63]。然而，如图5C所示，LAMPE微机械加工工艺产生再固化的熔渣。因为只有熔化的材料发生移动且当点重叠时再固化，因而形成熔渣。这些发现证实，在LAMPE微加工工艺中，汽化最小，微加工工艺主要是液态金属喷出。

1.5LAMPE高纵横比微加工

在前一节中能够看到，短激光脉冲能够用于熔化、部分蒸发和喷出材料。分析模型以及工艺开发能够用于以经验估计用于实现激光辅助熔化和喷出所需的脉冲持续时间和阈值脉冲能量E_LAMPE。

图1A-1B描绘了使用LAMPE微加工工艺制造高纵横比(HAR)结构的示意图。通过使用激光脉冲逐渐熔化层压板的垂直面(如图1B所示)并向下喷出，能够实现高纵横比加工。激光脉冲能量被设为E_LAMPE以确保熔化和喷出，而不汽化。使用LAMPE微加工工艺对金属板材进行高纵横比(HAR)加工，类似于宏观尺度下对厚金属板材进行激光切割。在宏观尺度的金属激光切割中，激光用于熔化金属(而不是汽化)，高压空气喷射用于喷出熔化的材料。然而，在LAMPE微加工工艺中，由于材料的部分汽化，在激光-金属界面处形成的蒸汽气泡产生的压力将金属喷射出。喷出的材料在板材的背面再固化，如图7所示。

图6A-6B描绘了在100μm厚的铜板材上使用LAMPE微加工制造的10μm宽的微细线。高纵横比(HAR)结构是使用56μJ的脉冲能量制造的，这是通过使用外部衰减器将561μJ的原始脉冲能量降低到其10％的值来设置的。使用外部衰减器使其达到10％的值。铜靶的反射率，R＝0.47；因此，能够用于材料加工的有效能量为32μJ。激光束使用100毫米焦距透镜聚焦，聚焦的束斑直径为12.98μm。表2总结了LAMPE微加工工艺中使用的激光条件。

在LAMPE微加工工艺中，喷出的金属在微加工零件的边缘再固化，产生微毛刺。图7描绘了LAMPE微加工铜板背面的SEM图像，描绘了微毛刺。这些微毛刺必须从激光微加工零件上去除，以使其适合MEMS制造。下一节将介绍为去除这些微毛刺而开发的电去毛刺工艺。

表2:LAMPE微加工高纵横比(HAR)特征的激光参数。

激光参数	数值
		波长，λ	532nm
<![CDATA[平均功率，P<sub>avg</sub>]]>	280mW
		<![CDATA[脉波频率，F<sub>p</sub>]]>	5KHz
<![CDATA[脉冲持续时间，τ<sub>1</sub>]]>	大约20ns
		铜的反射率，R	043
<![CDATA[脉冲能量，E<sub>p</sub>]]>	32μJ
		<![CDATA[峰值功率，P<sub>pk</sub>]]>	2.8KW
<![CDATA[束斑尺寸，2ω<sub>0</sub>]]>	12.98μm
		<![CDATA[瑞利长度，Z<sub>R</sub>]]>	850μm

1.5.1LAMPE微加工金属层的电去毛刺

LAMPE微加工工艺能够形成具有高纵横比的较小横向特征。然而，微加工零件存在再固化的微毛刺。这些毛刺给MEMS制造带来了两个困难。首先，在典型的MEM系统中，微观结构部件彼此非常接近(通常接近至5μm-10μm)，并且通常保持在不同的电势下。例如，在静电梳齿驱动致动器中，梳齿保持彼此靠近以增加静电吸引力，并且在梳齿之间施加偏置电压。突出的毛刺会在这些指状物之间产生电接触。其次，尖锐的金属突起会产生场发射电子，导致空气的介电击穿，从而对MEM系统造成损坏[69]。

去除MEMS微结构中的毛刺具有挑战性有两个原因。其一，物理擦洗和磨料喷射等宏观去毛刺工艺由于它们尺寸小和易损性质，无法用于MEMS结构。其二，在宏观尺度上，蚀刻工艺能够在不显著影响零件尺寸的情况下蚀刻毛刺。然而，在MEMS零件中，毛刺和特征的量级相同，这些方法会导致零件的显著蚀刻。

LAMPE微加工工艺中产生的毛刺有两个引人关注的特性；首先，这些毛刺具有尖锐的特征和大表面积，其次，这些毛刺位于微加工零件的边缘。这些毛刺附近的电流密度较高有两个原因：其一，这些毛刺具有尖锐的特征；其二，这些毛刺位于电流密度较高的边缘。因此，毛刺处的电场和可用质量传输速率高，从而产生高蚀刻速率。当电池电压增加到超过电解抛光电压时，毛刺处的刻蚀速率明显增加；然而，由于蚀刻速率饱和，其他区域的蚀刻速率保持不变。利用这种现象，能够选择性地蚀刻毛刺，而不会显著影响微型零件的尺寸。

图9A-9B描绘了在14M磷酸中，以5V对铜进行30秒的电去毛刺。对于某些应用，电去毛刺后能够电镀金，以避免表面氧化。图3-11描绘了使用LAMPE微加工制造的高纵横比叉指梳齿。这种小特性和高纵横比以前只能通过深反应离子刻蚀(DRIE)实现。必须注意的是，对于不需要小横向特征和高纵横比的MEMS，传统的脉冲激光烧蚀(PLA)微加工结合电去毛刺工艺能够用于MALL MEMS制造。

1.6硅的LAMPE微加工

硅被广泛用作制造MEM系统的机械材料[71]。传统上，对硅的深度反应离子蚀刻(DRIE)用于制造MEMS[72]。然而，DRIE工具价格昂贵，需要昂贵的蚀刻气体。LAMPE微加工工艺是制造高纵横比(HAR)微结构硅层压板的有吸引力的替代工艺。图11A-11B描绘了对于硅的脉冲激光烧蚀。此外，这些LAMPE微加工硅层板与MALL工艺结合能够用于制造MEM系统。

在LAMPE工艺中，首先使用激光(即诱导相变)将硅转化为氧化硅，然后使用由于硅的部分汽化而在激光-硅界面处形成的蒸汽气泡产生的压力，将颗粒状氧化硅从晶片的背面喷出。

当硅在氧气环境中用低功率激光照射时，它会转化为氧化硅，而不会导致任何烧蚀。SiO₂的吸收系数是α＜1cm^-1[55]；因此，光学穿透深度为l_α＞1cm。由于氧化硅的吸收系数低，新形成的氧化硅传输了很大比例的激光能量，从而进一步氧化下面的硅。通过这种方式，能够氧化比硅的光学穿透深度长得多的高纵横比结构。图12描绘了对于硅的激光辅助氧化。能够看出，氧化长度远远超过光学穿透深度。硅的氧化能够通过光学显微镜和能量色散x射线光谱(EDS)图像被验证，如图13所示。

硅的连续氧化一直持续到达晶片的底部。氧化硅呈颗粒状，松散地结合在硅晶片上。因此，部分汽化硅产生的小反冲压力足以将颗粒状氧化硅从晶片底部喷出，从而产生微加工。

能够实现的最大纵横比受到两个因素的限制。其一，氧化硅以颗粒形式存在，由于光散射，颗粒氧化物的有效吸收系数大于主体硅氧化物。其二，只有当氧化达到晶片底部时，氧化硅才会被喷出。因此，对于较厚的晶片，衰减可能对到达晶片的背面之前停止氧化非常重要，因此不会产生微加工。通过在HF蒸汽中进行微加工，LAMPE微加工中的纵横比能够进一步提高。HF蒸汽能够通过形成气态SiF₄来促进选择性去除氧化硅。

图14A-14B描绘了使用硅的LAMPE微加工制造的高纵横比微结构的示例。(A)描绘了制造的叉指梳齿结构的低倍图像。(B)描绘了梳齿之间的间距的高倍图像

2MALL MEMS制造

我们揭示了一种利用激光微加工层压板(MALL)的多层组装制造MEMS的新工艺。图15A-15B描绘了MALL制造工艺的示意图。这个工艺包括两个步骤。首先，使用激光微加工技术制造MEMS的单独层。第二，将这些层堆叠组装并粘合，以构建MEM系统。上一节描述了使用LAMPE微加工工艺制造微结构层。本节描述了这些微结构层的多层组装和粘合以制造MEMS。

利用定位销和对准孔对层压板进行机械对准广泛应用于精密宏观制造中，并用于对准和粘合微观结构层压板。图16描绘了对准销和对准孔组装工艺的示意图。使用这种方法，证实了对准精度超过2.5μm。在第4-1节中描述了多层组装工艺。

2.1梳齿驱动致动器的MALL制造

为了证实MALL在MEMS装置制造中的应用，本文介绍了梳齿驱动致动器的制造。梳齿驱动致动器使用铜作为结构材料来制造。之所以选择梳齿驱动致动器，因为在许多MEM系统中，叉指梳齿结构是一个必不可少的组成部分，如光学快门[21]、微夹持器[83]、微型发动机[84]、加速计[22]、谐振器[23]以及机电滤波器[24]。使用铜制造叉指梳齿结构的能力能够显著降低这些MEM系统的成本。此外，制造梳齿具有挑战性，因为制造梳齿需要具有小横向特征的高纵横比结构。以前，能够仅使用基于光刻技术的深度反应离子蚀刻(DRIE)工艺由硅制造具有相当的特征和纵横比的梳齿[28]。然而，本发明的工艺能够使用LAMPE微加工工艺由金属制造这些结构。

2.1.1梳齿驱动致动器设计

图17A-17B描绘了梳齿驱动致动器的设计。图18A-18B描绘了梳齿驱动装置层的制造。

2.1.2梳齿驱动致动器制造

梳齿驱动致动器的制造包括两个步骤。第一步是使用LAMPE微加工工艺制造装置的单独层。图19A-19B描绘了包含梳齿驱动装置结构的LAMPE微加工铜板材的光学显微镜图像。如图19A所示，微加工零件存在碳沉积物和微毛刺。微毛刺导致两组梳齿之间发生电接触，必须去除。

使用在第1.5.1节中描述的电去毛刺工艺去除微毛刺。电去毛刺工艺在磷酸中进行，LAMPE微加工零件用作阳极，另一块铜板材用作阴极。电去毛刺在5V持续30秒。图19B描绘了去除微毛刺后梳齿驱动结构的SEM图像。

100μm厚的氧化铝板材经过微加工，用作绝缘基板。在对氧化铝基板进行微加工之前，将50μm厚的B级环氧粘合剂薄膜粘合到氧化铝基板上。该粘合剂层随后用于将铜装置层与氧化铝基板层粘合。图20描绘了梳齿驱动致动器的制造层。对于每一层，对准孔都与装置结构一起加工。这些对准孔随后用于多层组件。一旦粘合各层后(图21A)，使用激光切割从层压板结构上切割该装置(图21B)。

图22描绘了制造的梳齿驱动致动器。梳齿驱动的梳齿之间的间隙为10μm，横梁弹簧的厚度为20μm(图23A-23B)。通过减小铜层的厚度，能够进一步减小梳齿之间的间隙。

2.2关于MALL MEMS制造的探讨

下文讨论了MALL制造工艺的各个方面。

2.2.1制作2.5D结构

传统的微加工利用深度反应离子蚀刻(DRIE)和各向异性湿法蚀刻工艺[82][117]来制造MEMS结构。这些工艺允许控制蚀刻深度，因此能够制造二维半空间(2.5D)结构。然而，LAMPE微加工工艺限于微加工层。

克服这一限制的一种工艺是使用常规脉冲烧蚀激光微加工工艺在聚合物中制造的2.5D结构。另一种工艺是将激光微加工与硅各向异性蚀刻工艺相结合。在这种工艺中，首先，使用激光微加工去除氮化硅掩模层(图24A)，然后进行氢氧化钾蚀刻[2]以生成2.5D结构(图24B)。第三种工艺是使用微铣削，然后使用电去毛刺工艺(在第1.5.1节中)以创建2.5D结构。微铣削提供了小至5μm的垂直特征。然而，横向上能够实现的最小特征限于50μm。图25A-25B描绘了具有不同深度的微铣削2.5D凹槽。

在MALL加工工艺中，MEMS结构是由薄板材材料制成，然后手动组装或辊对辊层压。通常，厚度大于或等于20μm的箔能够用于手动组装和辊对辊层压工艺。随着层压板厚度减小，这些超薄层压板的处理变得困难。

对于需要厚度在20μm到5μm之间的板材的MEM装置，能够使用刚性或柔性框架。图26描绘了由框架支撑的10μm的薄微结构。为了制造这种结构，首先，在200μm厚的硅基板上微加工窗口。其次，将10μm厚的银箔粘合到硅基板上。最后，在粘合的银箔上对装置结构进行激光微加工。对于需要厚度在5μm到1μm之间的金属箔的MEM系统，能够在水或溶剂可溶的薄膜上电沉积所需的金属，并且这种层压板用于制造MEMS。

2.2.2层压板之间的间隙

在MALL工艺中，独立结构和基板之间的间隙取决于粘合剂层的厚度。这项工作表明，使用12.5μm厚的粘合剂层能够制造小至12.5μm的间隙。图27描绘了在结构和基板之间以12.5μm间隙制造的悬臂。为了进一步减小间隙，直接在层压板上旋涂粘合剂层。该旋涂层用作牺牲层，以产生非常小的间隙。

2.2.3对准精度

利用运动耦合[123]和被动机械对准特征[124]提高对准精度。

2.3使用MALL批量制造MEMS

在深度反应离子刻蚀(DRIE)中，许多装置能够被并行制造，从而提高零件生产率。然而，MALL中使用的激光直写微加工工艺是一个串行工艺，MEMS一次只能制造一个装置。因此，MALL工艺中的零件生产率低。MALL工艺适用于小批量生产，需要较少的初始投资。然而，对于超过100万美元的投资，DRIE工艺的零件生产率显著提高。

通过实施以下变更，提高了MALL工艺中的零件生产率：

1.使用辊对辊层压工艺进行自动组装。

2.通过使用检流计扫描镜在层压板上传输激光，将激光微加工和辊对辊层压工艺集成在一起。在该系统中，能够同时制造装置的单独层，并将其层压到制造商的MEM系统中。使用激光微加工和辊对辊层压工艺也消除了层对准的需要，因为图案能够在空间上转印，以确保精确对准。

3.使用多束激光并行制造多个装置。这些多束激光能够来自不同的激光源，也能够从单个高功率激光束中分开。

4.使用高功率激光和其他精密制造方法，如压花、微铣削、刀切、线切割等，以高加工速度加工大特征，并对小特征保留低蚀刻率激光微加工。

5.通过在层压工艺中包括封装层，将MEMS封装与辊对辊层压工艺集成。这些封装层能够使用压花、微铣削以及其他常规制造工具进行制造

在传统的MEMS制造中，从150mm晶片设备升级到300mm晶片设备是一项巨大的成本。然而，在MALL制造中，为并行制造增加额外的激光器是容易的，而且成本是递增的。因此，MALL的零件生产率能够与DRIE相匹配。

2.4使用MALL制造台式MEMS

微机电系统在医疗保健、汽车以及消费电子领域有许多潜在的应用。不幸的是，由于设备产权成本高，MEMS研究主要局限于具有微加工设施的行业和大学。如上所述，让更多的科学团体参与MEMS研究的主要障碍是采购微加工工具所需的大量资本投资。此外，设备维护和耗材(如硅晶片、光刻胶、显影剂以及蚀刻剂)的高成本进一步阻碍了MEMS制造进入大部分科学团体。

相比之下，MALL工艺利用激光微加工系统，其具有三个优点。其一，单一设备取代了微加工所需的成套工具，主要包括旋涂机、掩模对准器、曝光系统以及DRIE系统。其二，激光微加工系统的成本明显低于传统的微加工工具。其三，消耗品限于电解抛光溶液和金属箔。这些材料的成本为每台设备0.0015美元，明显低于传统MEMS制造中使用的硅晶片。

激光微加工系统的主要成本来自激光源。激光源的成本取决于激光源的平均功率。高功率激光器需要高强度的泵浦源，这会增加激光器的成本。例如，本工作中使用的二极管泵浦激光器使用发光二极管(LED)阵列来泵浦激光介质。这些二极管阵列需要专门的大电流电源和冷却系统，这不仅价格昂贵，而且占地面积大。

LAMPE微加工工艺要求平均功率在280mW范围内(表3.2)，因此需要非常低功率的激光器。低功率激光器需要的泵浦源强度较小；因此，成本更低，占地面积小。低成本激光系统与低成本机器制造相结合，能够用于开发低成本台式MEMS制造系统。台式MEMS制造能够降低MEMS制造的成本，实现快速原型制造，从而实现MEMS制造的大众化，加速新型微机电系统的发展。

2.5与之前工作的比较

DRIE DRIE适用于小横向特征和高纵横比，但在制造材料的选择上存在不足。在DRIE之后，LIGA工艺对于小横向特征和高纵横比是理想的，然而，它无法创建独立的微结构，并且需要昂贵的x射线源。

本文公开的MALL工艺使用PCB-MEMS、层压MEMS以及弹出式MEMS中使用的类似层压工艺。然而，MALL工艺与其他层压PCB-MEMS、层压MEMS以及弹出式MEMS工艺之间有两个主要区别。下面几节将讨论这些差异。

2.5.1高纵横比和小横向特征

在传统的MEMS制造工艺中，深反应离子刻蚀(DRIE)用于制造高纵横比和小横向特征的结构。通常，使用DRIE能够微加工纵横比高达10:1、横向特征小至5-10μm的结构[20]。为了制造能够在与MEMS装置平面平行的方向上移动的MEMS结构，如叉指梳齿和梁弹簧，需要进行高纵横比加工。这些结构在许多MEMS中都很常见，例如梳状驱动器[21]、加速度计[22]、谐振器[23]以及机电滤波器[24]。

在PCB-MEMS中，MEM系统的单独层都是使用光刻技术制作的，然后进行湿法蚀刻。然而，湿法蚀刻工艺是各向同性的，因此导致低纵横比。类似地，在层压MEMS中，使用冲压、激光切割和电铸等各种工艺制造单独层[6]。这些工艺产生的结构比DRIE具有更大的特征和有限的纵横比。因此，这些MEMS的性能与使用DRIE[4][25][26][27][11]的传统微加工工艺生产的MEMS相比，相差甚远。此外，低纵横比结构限制了装置平面方向上的运动，并且运动被限制在垂直于该装置的方向上。因此，PCB-MEMS和层压MEMS的应用已局限于如MEMS RF开关[4]和麦克风[11]的结构垂直于层压平面移动的MEM系统。

在MALL工艺中，MEM系统的单独层是使用LAMPE微机械加工制造的。LAMPE微加工工艺能够制备纵横比高达10:1且特征小至10μm的微结构层压板。在PCB-MEMS、层压MEMS以及弹出式MEMS制造工艺中，无法在实现这种高纵横比的情况下，同时保持较小的横向特征。事实上，传统上只有使用深度反应离子蚀刻(DRIE)才能获得如此高的纵横比和较小的横向特征[28]。使用LAMPE微加工制造的小特征和高纵横比结构与DRIE中生产的结构相当。因此，MALL制造工艺能够制造与使用DRIE制造的MEMS相当的MEMS。

2.5.2具有六个自由度的独立结构

在传统的MEMS制造中，表面微加工[48][49][50]用于制造独立的微结构。首先，牺牲层被沉积在基板上，并使用光刻和蚀刻来形成图案。其次，在牺牲层的顶部沉积结构层并形成图案。最后，去除牺牲层以形成独立的微结构。沉积工艺，例如用于沉积牺牲层和结构层的化学气相沉积(CVD)，允许对沉积材料的厚度以及结构和基板之间产生的间隙进行高度控制。

在层压工艺中制造类似的薄独立结构具有挑战性。困难在于两个原因。其一，随着层压板厚度减小，处理和微加工这些超薄层变得困难。其二，使用间隔层创建独立结构，间隔层被图案化并夹在包含独立结构的层和基板之间。隔离层的厚度决定了独立结构和基板之间的间隙。随着这种间隙和独立结构的尺寸减小，操纵和图案化超薄间隔层变得具有挑战性。因此，PCB-MEMS和层压MEMS的应用在很大程度上局限于制造没有独立结构的MEMS，如微流控装置[51][52]和光学MEMS[7]，或者制造在独立结构和基板之间具有大间隙的MEMS，如MEMS麦克风和电磁开关[4][11][8][25][27]。

MALL中使用的激光微加工工艺能够轻松地使B级环氧粘合剂层图案化。通过使用图案化的粘合剂层作为间隔层、粘结工艺以及高对准精度，这项工作证实了制造结构之间的间隙小至12.5μm的独立结构(如图5-6所示)。类似地，通过将超薄膜粘合到刚性框架上进行操控并执行LAMPE微加工，这项工作证实了如何制作薄至10μm的独立结构(如图5-5所示)。这些微结构能够制作成具有小特征和符合要求的纵横比，以允许六个自由度(DOF)运动。

2.6MALL MEMS制造的优势

与传统的基于光刻技术的MEMS制造工艺相比，MALL制造工艺具有多个优势，例如更大的材料选择和集成度、低制造成本、快速开发以及集成封装。以下各节将详细讨论这些优点。

2.6.1制造材料的更多选择

基于光刻技术的MEMS制造工艺中使用的制造材料主要限于硅。另一方面，MALL工艺能够使用多种材料进行制造，如金属、陶瓷、聚合物以及复合材料。使用多种材料制造MEMS的能力极大地增强了这些系统的功能和性能。例如，如磁性、压电、焦热电、热电、超导材料的具有关注性能的材料能够用于设计新型MEM系统。

金属在制造MEM系统中的应用尤其令人关注。金属具有广泛的机械和电气性能，这些性能能够通过合金化工艺进行调节。此外，由于滚轧成型工艺，制造金属箔的成本和能源需求远低于硅晶片。

2.6.2使用不相容材料进行制造

在传统的微加工工艺中，MEMS是通过材料层的连续沉积和图案化逐层制造的。每个材料层都是使用一种独特的工艺沉积和图案化的，该工艺必须与之前沉积的材料相容。由于材料不相容性和热约束，这些过程的集成通常很困难。然而，在MALL制造过程中，MEMS的单独层是单独制造的，然后堆叠组装和粘合成一个系统。因此，具有不相容制造工艺的材料能够以任何顺序粘合在一起，以制造MEMS。

2.6.3低成本制造

MEMS制造成本高有两个原因。其一，在曝光系统、掩模对准器、化学气相沉积(CVD)以及深度反应离子蚀刻(DRIE)系统等微加工工具上的大量资本投资。其二，原材料和化学品的高成本，如光刻胶、显影剂、蚀刻溶液和气体、以及硅晶片。相比之下，MALL工艺需要激光微加工系统和电化学蚀刻工具，它们的拥有成本比传统的微加工工具低得多。相似地，在MALL制造中使用的原材料是金属箔、聚合物以及陶瓷。这些材料比传统MEMS制造工艺中使用的硅晶片更具成本效益。

2.6.4快速发展

MALL MEMS制造工艺允许快速材料集成、工艺开发、快速设计以及原型迭代，从而实现快速开发，如下所述：

2.6.4.1快速材料集成

在传统的基于光刻技术的制造工艺中，MEM系统是逐层制造的。制作每一层涉及一系列的沉积和图案化步骤，例如化学气相沉积(CVD)、旋涂光致抗蚀剂、抗蚀剂曝光和显影、以及湿法或干法蚀刻。必须优化每层的制造工艺，并与之前沉积的材料相容。这种逐步的工艺优化和集成非常耗时。此外，在传统的MEMS制造中，MEMS芯片和封装是单独制造的，并在后期集成。芯片和封装的这种集成进一步增加了开发时间。

在MALL制造工艺中，单独层能够独立制造，具有最少的工艺开发，并且能够轻松地粘合以制作MEMS；因此，大大缩短了装置开发时间。此外，MALL中使用的激光微加工系统能够与其他宏观制造设备(如铣削、成型以及压花)并排存在，并利用类似的计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)工具，从而实现MEMS和封装的集成设计、同步制造以及快速集成。

在传统的MEMS制造中，三维MEMS设计被转换成一系列二维光刻掩模，随后用于制造。然而，在MALL中，激光微加工刀具路径能够直接从集成CAD/CAM设计工具导出。这种将MEMS的设计、制造以及有限元分析(FEA)集成在一个环境中能够实现设计、仿真以及原型制造的快速迭代。

2.6.4.2快速工艺开发

在DRIE中，需要一定程度的工艺开发来蚀刻所需的MEMS结构。通过执行一系列蚀刻循环并改变蚀刻参数来确定蚀刻工艺参数。每个蚀刻周期都需要加载和卸载晶片，而且通常是手动完成的。因此，流程开发需要大量时间。

然而，在微加工工艺中，通过进行一系列微加工测试，能够在单个周期内测试各种激光微加工参数，如激光功率、脉冲频率、进给速度以及脉冲持续时间。因此，大大缩短了流程开发时间。新材料或新板材厚度的激光微加工工艺开发时间约为6小时。

2.6.4.3快速设计迭代

在MALL中，PLA或LAMPE微加工的微加工速率与装置面积(或设计)无关。因此，许多设计能够在不需要任何流程开发的情况下进行测试。然而，在DRIE中，由于加载效应，蚀刻速率取决于装置面积[113][72]。因此，对于每个MEMS设计，必须确定一组新的DRIE工艺参数，这会显著阻碍设计迭代并增加装置开发时间。

2.6.5首台样机的超短时间

MALL MEMS制造工艺大大缩短了制造第一个样机所需的时间。这一事实通过使用本节中制造的梳齿驱动致动器示例来说明。从概念到创建周期的第一步是设计装置并选择所需的制造材料。一旦设计和材料最终确定，下一步就是确定微加工给定厚度的材料片材所需的激光微加工参数。

为了确定工艺参数，使用包含不同宽度的水平线和垂直线的微加工图案作为测试图案。在不同的激光功率、激光频率、进给速度和脉冲持续时间(在本工作中，脉冲持续时间固定为20ns)下，对该测试图案的多个实例进行了微加工。在扫描电子显微镜中检查这些微加工图案，确定具有最小特征的图案，并将与该图案对应的激光微加工设置用于装置微加工。新材料或板材厚度的激光微加工工艺开发时间约为6小时。确定的激光微加工参数用于制造梳齿驱动结构。根据设计，这个过程可能需要几分钟到一小时。对于这一估计，假设需要一个小时来对整个装置进行微加工。

下一步是进行电去毛刺。对于电去毛刺，有关所需电解液的信息能够从这里得到[90]。激光微加工部分用作阳极，另一块相同的金属用作阴极。关于电解抛光电压的信息也能够从参考文献[90]中得出。如在第1.5.1节中所述，电去毛刺电压必须大于电解抛光电压，以确保选择性蚀刻毛刺。新材料可能需要一定程度的工艺开发，但任何高于电解抛光电压的电压都会导致电去毛刺。通常最简单的选择是增加电压，直到气泡开始出现在阳极上，并在此电压下进行电去毛刺。一般来说，30秒足以完全去除毛刺。对于该估算，假设电解抛光工艺总共需要一个小时。

最后一步是对准并层压单独装置层。本实验使用杜邦FR1500和3M热粘合膜583。这些粘合膜经过深入研究，不需要任何工艺开发。因此，粘合能够在一小时内完成(30分钟的处理和30分钟的粘合剂固化周期)。

制造第一个原型所需的总时间约为10小时。必须注意的是，如果制造材料保持不变，则新MEMS设备的样机制作大约需要4小时。

2.6.6集成封装

MEMS的封装对于保护系统免受恶劣环境的影响至关重要。此外，在某些MEM系统中，封装还充当MEMS系统与外部环境之间的接口。用于制造MEMS芯片的微加工工艺与用于制造MEMS封装的宏加工工艺不相容。因此，MEMS芯片和封装是独立制造的，之后再进行集成。这种集成工艺具有挑战性，而且增加了开发时间和成本。通常，MEMS封装的成本高于制造MEMS芯片的成本。

在MALL中，制造工艺和材料与宏观制造工艺相容。因此，制造MEMS层的同时能够封装层。此外，这些层能够在单个步骤中进行层压，从而能够制造具有集成封装的MEM系统。然而，层压工艺使用聚合物粘合膜来粘合封装层。这些聚合物膜对水分子具有渗透性[115][116]。因此，MALL集成封装不能用于需要密封的MEMS封装。

3详细的工艺描述

MALL MEMS制造工艺的详细工艺描述如下。

3.1MALL MEMS制造所需的工具

以下是MALL MEMS制造所需的工具列表：

1.激光微加工系统。首选的是牛津激光有限公司的激光微加工系统[56]。

2.根据装置的特征尺寸，在制造工艺中需要扫描电子显微镜或高分辨率光学显微镜来检查MEMS装置。低倍立体显微镜也能够用于快速检查。

3.需要化学罩和电压源来执行电去毛刺工艺。

4.可能需要临界点干燥器。对于用金属制造的MEMS，将装置浸入异丙醇(IPA)中并在热板上干燥就足够了。然而，对于用硅制造并包含小特征的MEMS，需要临界点干燥器。

5.热板有助于快速干燥晶片。

6.对于某些需要在较高温度下固化的粘合剂，需要使用带温度控制器的烤箱。特别是，用于特定MEM继电器的杜邦FR1500粘合剂需要在185摄氏度下烘烤。另一个示例粘合剂是3M热粘合膜583，它能够是溶剂激活的或压力激活的，并且不需要烘烤。

7.需要使用真空镊子，以便于在激光微加工工艺后操作易损板材。

8.根据MEMS装置的不同，装置测试可能需要额外的工具。例如，能够使用半导体参数分析仪测试MEM继电器或其他简单装置。装置的电气测试也可能需要探测站。

9.对于某些MEMS装置，台式精密铣床可能很有用。MEM继电器的底层能够使用台式精密铣床制造。用于LAMPE微加工的主要工具是牛津激光微加工系统[56]。该系统的详细描述如下：

3.1.1激光微加工系统

该系统由三个主要部件组成：1)激光源、2)聚焦光学系统和3)运动系统。以下章节将讨论这些组件。

3.1.1.1激光源

激光源是激光微加工系统的重要组成部分，决定了能够加工材料的特征尺寸和类型。激光微加工中使用的激光有两种：脉冲激光和连续波激光。与连续波激光相比，脉冲激光有两个优点。其一，短激光脉冲能够对注入靶的能量进行精细控制，精细控制对于加工小特征至关重要。其二，单独脉冲的峰值功率比激光器的平均功率高几个数量级。因此，脉冲激光甚至能够以更低的平均功率烧蚀材料。

本工作中使用的激光源是调Q倍频Nd:YAG二极管泵浦固体激光器(DPSS)。激光器的波长为532nm，脉冲持续时间为20ns。激光束的模式为TEM00，光束质量M²＜1.2。激光器的平均功率P_avg在2-6.5W之间并取决于脉冲频率。在5KHz脉冲重复频率的平均功率为2.8W。在5KHz脉冲重复频率的脉冲能量为561μJ。即使平均功率小于6.5W，峰值功率仍以千瓦的量级。激光脉冲的峰值功率是材料烧蚀的原因。在5KHz脉冲重复频率的峰值功率为28KW。表3总结了为本工作中使用的激光器计算的参数值。

表3：激光源的各种参数值。

3.1.1.2光束传输和聚焦光学元件

激光束通过一系列反光镜、透镜以及其他光学元件传送到靶材料。首先，使用扩束器对从光源发射的激光束进行扩展。扩束后的激光束直径为10mm。然后，光束被允许通过可变衰减器，该衰减器用于衰减激光束并控制注入靶的能量。最后，使用透镜或显微镜物镜将激光束聚焦到靶上。

聚焦光束直径

对于这项工作中使用的激光器，波长λ＝532nm，束腰(或孔径直径)d＝10mm，焦距f＝100mm。计算出的聚焦光斑尺寸为2ω₀＝12.98μm。聚焦束斑尺寸为2ω₀是决定激光微加工中能够实现的最小特征尺寸的一个重要参数。除了透镜，显微镜物镜也能够用来聚焦光束。一般来说，需要一个无限校正物镜，因为无限校正物镜能够同时进行激光微加工和成像，并易于插入额外的光学元件。在无限校正物镜中，光实际上平行于光轴传播。因此，能够在管透镜之间插入额外的光学元件，例如滤光片、偏振器以及分束器。要用无限校正物镜拍摄图像，必须使用管透镜聚焦图像。

聚焦光束强度

在5KHz激光脉冲的峰值功率为28W，聚焦束斑的直径为ω＝12.98μm；因此，脉冲强度为21.2GW/cm²。图28的y轴右侧描绘了脉冲强度I_p相对于脉冲频率的变化。能够看出，高斯光束中心峰值的强度是激光脉冲平均强度的两倍。在5KHz激光脉冲频率的峰值功率为P＝28KW(表2.1)。光束中心的最大强度为I₀＝2I_p＝42.4GW/cm²。图28描绘了激光束的强度分布。

瑞利长度

对于这项工作中使用的激光器，波长λ＝532nm，束腰(或孔径直径)d＝10mm，焦距f＝100mm。聚焦激光束的最终瑞利长度为Z_R＝850μm。

3.1.1.3运动系统

双轴工作台用于相对于激光器移动靶，以执行激光微加工。对于每个轴，分辨率为0.250μm，重复性为0.750μm，精度为++/-2μm。能够达到的最大速度为250mm/s，能够达到的最大加速度/减速度为10000mm/s²。必须注意的是，微机械加工MEMS零件的最大能够达到速度的实际限制被限制在1mm/s或以下，因为它们的尺寸小，并且工作台的加速/减速有限。

激光微加工工艺中的特征尺寸取决于注入靶的激光能量。通过改变脉冲能量和连续激光脉冲曝光之间的重叠来控制该转储能量。对于需要小功能的MEMS，最好使用检流计扫描仪，而不是使用双轴工作台。检流计能够提供更高的进给速度，从而能够通过精细控制注入靶的能量来制造小特征。此外，高进给速度能够提高微加工速度。典型的两轴振镜能够在100Hz[60]下工作。假设扫描间距为1mm，则很容易实现100mm/s的进给速度。

3.2 MALL MEMS制造所需的材料

以下是MALL制造所需的材料清单：

1.用于MALL MEMS制造的主要材料是金属箔。这些金属箔能够从https://www.mcmaster.com/获得。

2.本工作中使用的主要粘合层为杜邦FR1500、3M热粘合膜583和透明双面胶带。这些粘合剂能够从相应的供应商处采购。

3.电去毛刺工艺用电解液。对于铜，能够使用硫酸铜或磷酸。

4.定位销或量规销作为对准销。

3.3 MALL MEMS制造的MEMS设计程序

Fusion 360能够用于设计MEMS。该软件具有集成计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)的优点，非常适合MALL MEMS设计。由于MALL工艺是一种层压工艺，因此以层的形式设计MEMS系统是有利的。设计完成后，能够使用Fusion 360程序的CAM接口导出激光刀具路径的g代码。该g代码程序用于执行激光微加工。

根据MEMS设备设计，建议输出两种不同的激光刀具路径。第一条刀具路径适用于不需要小尺寸特征的区域，能够使用高功率激光以高微加工速率去除材料。第二个刀具路径用于MEMS设计中具有小特征且需要LAMPE微加工工艺的零件。

3.4 MALL MEMS制造工艺的分步指南和工艺流程图

图29的工艺流程图描述了MALL MEMS制造工艺。

流程步骤如下：

1.使用LAMPE微加工或激光微加工制作MEMS的单独层。

2.对准MEMS的单独层并粘合。

3.溶解牺牲层。

4.使用激光切割使装置分块。

3.4.1单独MEMS层的制作

MEMS装置由多层材料组成。每个层都有如横向特征尺寸、纵横比以及几何图形(2D、2.5D或3D)等的特征。根据这些特征，能够使用不同的制造工艺。例如，对于横向特征大于100μm的装置层，能够使用常规制造工艺，例如微铣削、线切割以及压花等。对于具有100μm-25μm的特性的装置层，能够使用激光微加工工艺。对于特征小于10μm且纵横比大于10:1的装置层，能够使用LAMPE微加工工艺。图30的流程图描绘了用于制造单独MEMS层的工艺。

3.4.2 MEMS层的LAMPE微加工

在这项工作中，激光微加工是使用牛津激光有限公司(Oxford laser Ltd)[56]的商用激光微加工系统进行的。以下是用于LAMPE微加工的一般步骤：

1.使用夹子将材料箔夹至工作台。对于厚度高达20μm的材料箔，能够使用镊子进行操作。然而，对于厚度低于20μm的金属箔，最好使用刚性框架附接金属箔，以便于操作。

2.选择激光源：对于金属，激光微加工工艺通常与激光波长无关。这是因为金属对激光的吸收在UV、Vis和IR范围内低。激光器的脉冲宽度对于获得较小的特征尺寸至关重要。方程式或表格能够用于确定所需特征尺寸的所需脉冲宽度。通常激光脉冲宽度是固定的，用户只能控制脉冲功率。

3.选择聚焦光学元件：根据特征尺寸，安装所需的透镜或物镜。激光微加工系统配有用于样品检查的数码相机。接下来，通过在成像系统中进行检查，将样品带入透镜的焦平面。

4.选择激光功率和工艺开发：能够在计算出的激光功率附近进行一系列功率测试，以确定功率的准确值，从而得出最小特征尺寸。激光微加工应在此值下进行。必须注意的是，特征尺寸还取决于样品在焦平面上的程度。通常，在进行功率测试之前，需要进行一系列聚焦测试以确定最佳聚焦。有时，如果激光微加工零件在激光微加工工艺中没有脱落，则可能需要进行第二道加工。

能够使用图30中的流程图根据层材料确定LAMPE微加工工艺。

3.4.2.1对于金属的LAMPE微加工

按照图31流程图中描述的步骤，使用LAMPE微加工制造金属层。

对于厚度小于10μm的金属薄膜的加工，建议使用超短脉冲激光器，而无论材料的吸收系数如何。在超短脉冲激光微加工中，每脉冲的微加工深度等于材料的光学穿透深度。高脉冲能量和重复频率(100KHz)致使每个点有足够数量的脉冲辐照，从而使加工深度达到约10μm。

电去毛刺

进行电去毛刺的步骤如下：

1.选择电解液：电解液的选择取决于去毛刺金属。由于电去毛刺工艺与电解抛光和电镀工艺相似，因此电解液的选择与电解抛光或电镀相同。关于各种金属的可用电解质，有大量工作要做。在这项工作中，铜用于制造MEMS。对于铜，使用14M磷酸作为电解液。

2.电去毛刺设置：激光微加工铜零件连接到阳极，另一铜板材连接到阴极。两个电极都浸入4M磷酸溶液中。

3.选择电去毛刺电压：设置正确的电压对去除毛刺至关重要。如图28所示，电去毛刺电压必须大于电解抛光温度，以确保去除毛刺。对电解抛光工艺进行了深入研究，在文献中能够找到给定金属和电解液的电解抛光电压值。电去毛刺电压应高于该值。在这项工作中，激光微加工零件的电去毛刺是在5V持续30秒。通常，电去毛刺电压略低于阳极上气泡开始形成的电压。

4.对于一些MEMS装置，可能需要镀金以防止金属氧化。

5.电去毛刺后，激光微加工零件能够在去离子水中清洗，然后用异丙醇清洗。清洁后的激光微加工零件既能够在室温下风干，也能够在烘箱中在85摄氏度下风干。

3.4.2.2对于硅的LAMPE微加工

下面的流程图描述了对于硅的LAMPE微加工。

按照以下流程图中所述的步骤，使用LAMPE微加工制作金属层。

为了进一步提高对于硅的LAMPE微加工的纵横比，在HF蒸汽环境中执行LAMPE微加工。HF蒸汽与新形成的SiO₂发生反应形成无色气态四氟化硅SiF₄，其被有效地去除。现在，随着材料被去除，通过逐渐向下移动焦点，能够进一步增加微加工的深度。

3.4.3多层组装和粘合

MALL工艺的第二步是堆叠组装LAMPE微加工层压板，以制造MEM系统。对于许多MEMS而言，希望对准精度优于几个微米。利用定位销和对准孔对层压板进行机械对准广泛应用于精密宏观制造中。该方法用于对准和粘合微结构层压板。使用该方法证实了对准精度超过2.5μm。

图34A-34D描绘了对准销和对准孔组装工艺的示意图。精确的手动组装是在无目镜立体显微镜下进行的，该显微镜工作距离长，焦深大[85]。该显微镜使用多透镜技术提供真正的深度感知，这有助于手眼协调；因此，简化了微组装工艺。

四个直径为508μm的精密接地对准销用于对准。对准销和对准孔之间的空隙决定了对准精度，必须最小化。对于给定的对准销，首先，对一系列孔进行微加工(图34A)。随后，插入对准销并测量销和孔之间的空隙(图34B)。最后，为孔提供最小空隙(图34C)的激光微加工设置用于微加工对准孔。

为了确定对准精度，组装并粘合了带有对准标记的两个层。粘合层从背面照亮，并使用光学显微镜研究对准标记。图34D的插图描绘了通过两个对准标记传输的背光。狭缝的宽度是10μm、两个对准标记之间的重叠优于75％。结果表明，对准精度优于2.5μm、通过在层压板[86][87][88]中创建被动对准特征，能够进一步提高对准精度。

对准的层使用杜邦FR1500和3M热粘合膜583进行粘合。为了粘合，将杜邦FR1500在185℃固化5-20分钟，具体取决于装置设计。类似地，3M热粘合膜583能够通过使用压力、涂覆溶剂或在120℃下加热以粘合。在一些装置中，需要先将粘合剂片材粘结到一层，然后再附着另一层，并对层压进行完全固化。为了实现粘结，FR1500板材在120℃下固化10分钟，且3M热粘合膜583在压力或溶剂下活化。

层压的步骤如下：

1.对于层压工艺，粘合剂层首先粘结到基板层。对于粘结杜邦FR1500的粘合层，在120℃下进行固化。

2.一旦粘合剂粘结到基板上，去除背衬层并附着顶部装置层。对准销用于对准。对于需要高对准精度的装置，使用直径为500μm的对准销来提高对准精度。但是，对于不需要高对准精度的装置，能够使用更厚的对准销(例如，直径1.5mm的对准销)来简化组装工艺。

3.一旦对准后，将层压板结构夹在定制的对准夹具之间，并使用回形针夹紧，然后放入烤箱中进行充分固化。烤箱的温度被设置为185℃且烘烤5-20分钟，烘烤时间取决于装置和粘合剂层厚度。

4.层压工艺完成后，能够使用激光切割从层压结构上切出MEMS装置。但是，在装置开发中不需要此步骤。

3.4.4 EMS装置测试

测试装置的实际步骤取决于装置的实际设计。以下是许多MEMS装置常见的一般步骤：

1.装置制造完成后，建议在光学显微镜中检查装置，以检查装置的完整性。

2.必须小心处理MEMS装置，因为它们非常脆弱。切忌吹风干燥或去除灰尘颗粒，否则会损坏设备。

3.对于电气测试，使用探针台探头进行电气连接。也能够使用引线键合机。对于由铜制成的装置，在100℃下使用金球键合效果非常好。

4总结

总之，本文公开的MALL MEMS制造工艺能够取代用于MEMS制造的传统微加工工艺。MALL工艺能够以广泛的材料进行MEMS制造，从而为MEMS设计、功能以及应用提供了新范例。此外，由于使用金属箔等低成本制造材料，在MALL制造中每个设备的制造成本较低。相比之下，在传统的微加工中，制造材料主要局限于硅，这限制了MEMS的设计、功能以及应用，并增加了每个装置的制造成本。

由于装置层的独立开发和轻松集成，MALL的开发时间和成本更低。由于开发成本低，MALL工艺非常适合单一且需求量低的MEMS市场。相比之下，在传统微加工中，创建新的MEMS装置需要开发和集成各种材料沉积/蚀刻工艺，这增加了开发时间和成本。因此，即使每个装置的制造成本低，每个装置的总成本也是巨大的。由于这一限制，MEMS产品的商业化在很大程度上局限于市场，在这些市场中，巨大的需求能够弥补高昂的开发成本。

MALL制造的工具和材料成本约为25000美元，这是更广的科学团体都能负担得起的。MEMS制造的大众化能够加速新型MEMS系统的开发。传统上，由于装置产权成本高，新型MEMS装置的研发主要局限于少数行业和大学。

为了帮助理解本发明的特征，已经给出了一些描述和图示。本领域技术人员将会理解，在不背离本发明精神的情况下，能够进行多种改变和变化。这些改变和变化中的每一个都在本发明的范围内。

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Claims (23)

1.一种激光微加工和组装工艺，包括：

产生对象的多个层，每层具有切割表面；

使用脉冲激光在每层的所述切割表面中切割多个特征，所述脉冲激光的强度、脉冲宽度以及脉冲频率被设置为熔化表面材料和喷射液体材料且不使所述材料汽化，或被设置为氧化所述表面材料；

通过使用高于正常电解抛光电势的电势并用稀酸溶液电解抛光所述切割表面，在所述切割后从每层的所述切割表面中去除毛刺；以及

堆叠组装所述多个层以形成所述对象。

2.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述层为金属。

3.根据权利要求2所述的工艺，其中，所述金属为铜。

4.根据权利要求3所述的工艺，其中，约56μJ的所述激光脉冲能量在所述表面产生约32μJ的有效能量。

5.根据权利要求3所述的工艺，其中，所述激光具有532nm的波长和100mm的透镜焦距。

6.根据权利要求3所述的工艺，其中，所述激光具有约12.98μm的束斑直径。

7.根据权利要求2所述的工艺，其中，所述层为金属合金。

8.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述层选自由金属、陶瓷、聚合物以及复合材料组成的组中。

9.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述层是磁性的、压电的、焦热电的、热电的或超导的。

10.根据权利要求1所述的工艺，还包括：在所述层中使用具有多个对准孔的多个对准销，以在堆叠组装期间实现对准所述层。

11.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述去除毛刺在磷酸中以约5伏的电压进行30秒。

12.根据权利要求1所述的工艺，其中，每层为金属箔，所述金属箔在所述切割期间被粘合至或电镀到基板上。

13.根据权利要求1所述的工艺，其中，不同层包括不相容的材料。

14.一种激光微加工工艺，包括：

使用脉冲激光在材料的切割表面中切割多个特征，所述脉冲激光的强度、脉冲宽度以及脉冲频率被设置为熔化表面材料和喷射液体材料，且不使所述材料汽化；以及

通过使用高于正常电解抛光电势的电势并用稀酸溶液电解抛光所述切割表面，在所述切割后从所述切割表面去除毛刺。

15.根据权利要求14所述的工艺，其中，所述切割表面为金属。

16.根据权利要求15所述的工艺，其中，所述金属为铜。

17.根据权利要求14所述的工艺，其中，约56μJ的所述激光脉冲能量在所述表面产生约32μJ的有效能量。

18.根据权利要求17所述的工艺，其中，所述激光具有532nm的波长和100mm的透镜焦距。

19.根据权利要求17所述的工艺，其中，所述激光具有约12.98μm的束斑直径。

20.根据权利要求14所述的工艺，其中，所述切割表面为金属合金。

21.根据权利要求14所述的工艺，其中，所述切割表面选自由金属、陶瓷、聚合物以及复合材料组成的组中。

22.根据权利要求14所述的工艺，其中，所述切割表面是磁性的、压电的、焦热电的、热电的或超导的。

23.根据权利要求15所述的工艺，其中，所述去除毛刺在磷酸中以约5伏的电压进行30秒。

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