环形万向MEMS惯性开关制作工艺研究

摘要

随着微机电系统技术的不断发展，MEMS器件在一些工业领域逐渐得到应用。MEMS惯性开关作为一种惯性冲击检测传感器在航空、航天、运输等工业领域中具有很好的应用前景。因此，MEMS惯性开关的制作工艺受到越来越多的关注。近年来，UV-LIGA技术凭借其成本低、工艺周期短的优势而在MEMS惯性开关的制作中开始获得应用。本文根据设计要求确定了一种新型环形万向MEMS惯性开关的结构及相关尺寸，并根据开关结构特点制定了加工工艺路线；基于UV-LIGA技术在金属基底上制作了一种高深宽比环形无源万向MEMS开关；通过了紫外光刻实验研究了不同光刻工艺参数对高深宽比微电铸用SU-8胶模具形貌质量以及尺寸精度的影响，并优化了光刻工艺参数；通过超声时效实验研究了超声降低高深宽比SU-8胶膜内应力的效果。
　　针对高深宽比、细线宽微电铸用SU-8胶模具制作过程中，由于SU-8胶膜严重侧蚀导致的胶膜制作困难、质量低下的问题，进行了紫外光刻实验研究。实验研究了不同曝光剂量和后烘时间对SU-8胶光刻效果的影响。实验结果表明，随着曝光剂量的增大，胶膜“侧蚀”现象得到明显改善，但曝光剂量增大到一定程度之后，细线宽SU-8胶沟道会出现“发黑”现象；随着后烘时间的延长，胶膜“侧蚀”现象也会得到改善。然后，研究了曝光剂量对胶膜重要线宽尺寸精度的影响。结果表明曝光参数通过对SU-8胶交联度的影响从而影响胶膜尺寸的精度。最后，结合以上实验结果优化了光刻工艺参数，即采用较低曝光剂量与较长后烘时间的参数组合。
　　针对高深宽比SU-8胶膜在紫外光刻阶段产生的内应力导致胶膜开裂、变形以及脱落的问题，提出将超声时效技术应用于高深宽比SU-8胶膜的制作工艺中，并通过实验研究了超声时效技术降低胶膜内应力的效果。实验结果表明：经过超声时效处理过的孤岛型SU-8微结构内应力得到降低，更不易从基底脱落，胶膜留存率比不做处理的高出34.4%。基于以上成果成功制作出低内应力的高深宽比微电铸用光刻胶模具。
　　结合以上研究成果，基于UV-LIGA技术以SU-8胶作为微电铸模具材料在金属基底上通过5次SU-8胶光刻工艺和5次微电铸工艺制作出了高深宽比无源MEMS惯性开关。其外形尺寸为：3935×3935×234μm，其中最细线宽12μm，单层最大深宽比达10:1，多层最大深宽比达20:1。并使用统计分析的方法分析了该工艺对于重要结构线宽误差的影响，并使用了误差补偿的方法将线宽误差由5.5μm降低到1.0μm。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题的背景及意义

1.2 MEMS惯性开关及其研究现状

1.3 SU-8紫外光刻研究现状

1.4 降低厚SU-8胶膜内应力的研究现状

1.5 本文的研究内容

2 MEMS惯性开关加工工艺方案的确定

2.1 MEMS惯性开关工作原理

2.2 MEMS惯性开关的结构设计

2.3 材料选择及工艺路线的确定

2.4 本章小结

3 高深宽比SU-8胶光刻工艺研究

3.1 SU-8胶的紫外光刻工艺

3.2 SU-8胶膜“侧蚀”现象

3.3 “侧蚀”现象的分析

3.4 SU-8胶光刻实验

3.5 光刻工艺参数对“侧蚀”现象的影响

3.6 光刻工艺参数对结构尺寸的影响

3.7 光刻工艺参数的优化

3.8 本章小结

4 超声时效降低SU-8胶内应力研究

4.1 SU-8胶内应力

4.2 超声时效技术降低SU-8胶内应力的机理

4.3 超声时效降低SU-8微结构应力实验

4.4 本章小结

5 环形万向MEMS惯性开关的制作

5.1 MEMS惯性开关的制作流程

5.2 制作线宽误差

5.3 开关动态性能测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢