电子束应用特点一文读懂电子束光刻技术与MEMS制造|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

一文读懂电子束光刻技术与MEMS制造

MEMS发展的前世今生

微机电系统也称MEMS，是一种结合了机械和电子等技术的微小装置，尺寸不超过1mm。1959年，著名物理学家费曼(Richard Feynman)在加州理工学院的物理年会上发表了题为“There's Plenty of Room at the Bottom（底部还有很大空间）”的著名演讲，首次提出微机械的概念。1987年，加州大学伯克利分校的科学家借鉴集成电路(IC)工艺，制作出了直径仅为100μm左右的硅微静电微电机，与人类头发丝的粗细相当，这被认为是MEMS时代到来的标志。此后，MEMS技术进入飞速发展的时代，各种MEMS产品层出不穷，应用在各种尖端技术领域。

硅微静电微电机

MEMS与我们的生活息息相关

MEMS技术广泛应用于国防航天、光电影像、生化医疗、微波通讯及汽车工业等各个领域。例如汽车上用的微型加速度计、投影仪中用的微镜、打印机中用的微型喷头，极大地方便了人们的生产生活。下图是利用微加工技术制造的微型指叉式加速度计，它是标准的平板电容器。 加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度，在汽车电子中被广泛应用。

指叉式加速度计

下图的数字微镜装置（DMD）由美国德州仪器公司(TI)所开发。DMD技术也称为"数字光线处理技术"。通过数字信息控制数十万到上百万个微小的反射镜，将不同数量的光线投射出去。每个微镜的面积只有16×16微米，微镜按矩阵行列排布,每个微镜可以在二进制0/1数字信号的控制下做正10度或负10度的角度翻转。

数字微镜

MEMS装置的制造

体积如此小且功能高度集成的装置是如何制造出来的呢？MEMS的制造广泛的借鉴了集成电路中的光刻、刻蚀以及镀膜等工艺。光刻是整个微加工工艺中技术难度最大，也是最为关键的技术步骤 。所谓光刻就是通过对光束进行控制，在一层薄薄的光刻胶表面“刻蚀”出我们需要的图案，光束照过的位置光刻胶的化学性质会发生变化，通过显影液的浸泡会使照射过的部分去除（正胶）或者保留（负胶），流程示意图如图所示。

曝光

正胶显影

负胶显影

按照光刻机的光源种类划分，目前主流的光刻技术包括X射线光刻、紫外线光刻以及电子束光刻等。光源的波长是影响光刻精度的主要原因，由于光源波长的限制，X射线曝光可达到50nm左右的精度，深紫外光源的曝光精度在100nm左右，而电子的波长较小，因而电子束光刻的加工精度可以达到10nm以内。

电子束光刻以其分辨率高、性能稳定，成本相对较低的特点，因而成为人们最为关注的下一代光刻技术之一，下图是麻省理工学院的科技人员利用电子束曝光技术加工出2.2nm的线宽。

电子束曝光2.2nm线宽

光刻分辨率对比

电子束光刻的原理

电子束光刻的主要原理是利用高速的电子打在光刻胶表面，使光刻胶的化学性质改变 。在电子束光刻中电子的产生方式有两种，一种是热发射，另一种是场发射。热发射是通过对阴极材料高温加热，使电子获得足够的能量从阴极中逸出；场发射是将阴极置于高强度电场中，利用电场对电子的强作用力使电子脱离原子核的束缚。直写式电子束的曝光原理是将聚焦的电子束斑直接打在光刻胶的表面，加工中不需要成本高昂的掩模版和昂贵的投影光学系统，其加工方式也更为灵活，适合小批量器件的光刻，在实际中应用更为广泛。

电子束光刻的分类

电子束光刻按照曝光方式划分可分为两种，投影式曝光与直写式曝光。 投影式曝光通过控制电子束照射掩模图形，将掩模图形投影至光刻胶表面，把掩模板上的图案转移到光刻胶上，原理类似于照相机，拍摄对象好比掩模板，光刻胶就像是胶卷，通过光线的照射把拍摄对象投影到胶卷上，如图所示。

投影式电子束曝光

直写式光刻不需要掩模版，通过磁场直接控制电子束斑按照预设的轨迹在光刻胶表面照射，完成图案转移，就像是画画，铅笔类似于电子束，纸类似于光刻胶，而我们的手类似于磁场，通过手控制铅笔的移动完成图画的绘制。

直写式电子束曝光

电子束光刻的基石： 光刻胶

电子束光刻是微纳制造领域中非常重要的技术手段。那么，在电子束光刻的具体工艺流程是怎么样的呢？影响光刻效果的主要因素又是什么？下面我们将一一解答。

光刻胶在电子束光刻技术中的地位举足轻重，是电子束光刻工艺中的核心材料，也是我国的一大短板，目前主要依赖进口。根据不同的MEMS装置的工艺需求选择合理的光刻胶种类是十分必要的。目前常用的电子束光刻胶有PMMA，ZEP520A及HSQ等，其主要光刻工艺特性如下表所示。

常用电子束光刻胶基本特性

PMMA光刻胶由于分辨率、对比度较高，且具有良好的热稳定性和化学稳定性，其成本也明显低于其余两种。特别需要指出的是，PMMA胶的极性并不是确定的，在高倍曝光剂量下会表现出负胶的性质。文章以PMMA胶为例，介绍直写式电子束光刻的工艺流程。

基于PMMA的电子束光刻工艺流程

通常，MEMS工艺中的电子束光刻主要流程依次为：基片表面预处理、涂覆光刻胶、前烘、电子束曝光、显影、定影、金属沉积及去胶等工艺环节。整个光刻工艺流程较为复杂，总体光刻示意图如下。

PMMA电子束光刻流程

(1) 基片表面预处理

硅片表面粗糙度、热膨胀系数低，在MEMS光刻中通常采用硅片作为基底。为确保光刻胶涂覆均匀，需要使用化学溶液对表面进行清洗，后用去离子水漂洗并干燥。

(2)旋涂光刻胶

涂胶方法有旋涂法、喷涂法和定量滴胶法。由于PMMA黏度较大，涂覆厚度一般不大于1微米，通常采用旋涂法。将光刻胶滴在硅片中心处，使硅片高速旋转，光刻胶在离心力的作用下均匀铺满整个硅片，如下图所示。

光刻胶旋涂示意

(3)前烘

前烘可使光刻胶中的溶剂挥发，使其与硅片之间的结合力更强。前烘过度则会导致胶膜硬化，胶膜硬化不利于其内应力的消除，前烘不足溶剂挥发不完全，胶膜出现缺陷，显影时存在浮胶现象。

光刻胶烘烤

(4)曝光

曝光是电子束光刻工序中最复杂的一步，曝光的图形尺寸精度直接影响零件的尺寸精度。曝光剂量对曝光效果的影响最大，若曝光剂量不足，显影时会出现光刻胶残留在硅片表面，显影图案不完整、形状不规则。

(a)曝光不足 (b)正常曝光

若曝光剂量增大到一定程度，被曝光区域的 PMMA 光刻胶将呈现出负胶性质，显影后无法被去除。下图是笔者在实验室利用电子束直写技术光刻的笛卡尔心脏线，输入心脏线参数方程，并设置较大的曝光剂量，使得PMMA显示出负胶性质，显影后得到心脏线图形。

电子束光刻笛卡尔心脏线

(5)显影

显影液可溶解光刻胶被曝光的部分(正胶)或未被曝光的部分(负胶)，是产生图形的关键工艺。显影工艺的关键是显影液类型的确定和显影时间的控制，此外，显影液的配比、温度也会对图形质量产生明显影响。

(6)坚膜

坚膜又称硬烘，目的是通过烘烤使光刻胶胶模中残留的显影液和定影液挥发出来，同时提高光刻胶与基片之间的结合力，烘烤的温度时间视光刻胶的种类及旋涂后的胶膜厚度而定，如果坚膜不到位可能会出现胶膜倒塌的情况，如下图所示。

胶模倒塌

(7)金属沉积及去胶

通过在光刻胶图案上回填器件设计所需的材料，例如沉积金属或非金属材料，去除多余的光刻胶后，就可以得到所需的器件，其原理类似于机械加工中的注塑。目前主要的金属沉积方式为微电铸、磁控溅射、蒸发镀膜等方法，但在微纳米尺寸的电铸中，由于电铸液表面张力的存在使其难以进入胶模。因此，目前主要采用磁控溅射及热蒸发的方法。PMMA 胶易溶于丙酮，选用丙酮作为去胶剂溶解光刻胶，光刻胶溶解后薄膜悬空，可使用超声波清洗机将悬空的金属薄膜去除，这样硅片上就只保留了我们需要的金属MEMS器件。

金属沉积及去胶的过程

总结

电子束光刻是迄今为止分辨率最高的光刻技术，由于直写式的方法不需要昂贵且费时的掩模版，加工灵活，已经引起广泛的重视，随着产业界对MEMS技术要求的不断提高，电子束光刻已逐渐成为MEMS工艺的新支柱。

来源： 中国科学院北京分院

一文读懂真空电子束焊接技术及应用

什么是电子束焊接

电子束焊接是熔化焊的一种，它利用会聚的高速电子束轰击工件接缝，产生热能从而使金属熔合。 它包含了机械、真空、高电压和电磁场理论、电子光学、自动控制和计算机等多学科技术。

电子束焊技术最早于1948年源起于德国，1952年制造了第一台电子束加工机，1958年诞生了第一台电子束焊机。

它的基本原理是： 在真空条件下，电子从电子枪中的发射体（阴极）逸出，在加速电压作用下，电子被加速至光速的0.3～0.7倍，具有一定的动能。再经电子枪中静电透镜和电磁透镜的作用，会聚成功率密度很高的电子束流。这种电子束流撞击工件表面，电子动能转变为热能而使金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸气作用下，工件表面被迅速“钻”出一个小孔，也称之为“匙孔”，随着电子束与工件的相对移动，液态金属沿小孔周围流向熔池后部，并冷却凝固形成焊缝。

为什么要在真空中进行

● 在大气的环境下，高速运动的电子遇到大气中的空气分子，会发生强烈的反射，折射，散射等现象，电子束的能量会消耗殆尽，无法正常焊接；

● 即使所剩的能量很高，在大气状态下焊接，焊接的质量也很难保证，比如气孔等；

● 基于安全角度进行考虑，因为电子束焊接过程中会有X射线产生，对人体的危害是比较大的，通过真空室可以消除X射线的影响。

高真空电子束焊在10-4～10-1Pa的压强下进行。良好的真空条件，可以保证对熔池的“保护”防止金属元素的氧化和烧损，适用于活性金属、难熔金属和质量要求高的工件的焊接。

低真空电子束焊在10-1～10Pa的压强下进行，也具有束流密度和功率密度高的特点。低真空缩短了抽真空时间，提高了生产率，适用于批量大的零件的焊接和在生产线上使用。

电子束焊接的优势

加热功率密度大。 焊接用电子束电流为几十到几百毫安，最大可达l000mA以上；加速电压为几十到几百千伏。故电子束功率从几十kw到100kw以上，而电子束焦点直径小于1mm。故电子束焦点处的功率密度可达103~105Kw/cm2，比普通电弧功率密度高100—1000倍。

焊缝深宽比(H/B)大。 通常电弧焊接的深宽比很难超过2，相比电弧焊接，电子束焊接可节约大量填充金属和电能，实现高深宽比的焊接，深宽比可达60：1，可依次焊透0.1~300mm厚度的不锈钢板。

焊接速度快，焊缝热物理性能好。 能量集中、熔化和凝固过程快，热影响区小，焊接变形小。对精加工的工件可用作最后的连接工序，焊后工件仍能保持足够的精度。能避免晶粒长大，使焊接接头性能改善，高温作用时间短，合金元素烧损少，焊缝抗蚀性好。

焊缝纯度高。 真空电子束焊接适合焊接钛及钛合金等活性材料。

● 国内电子束焊接机

焊接工艺参数调节范围广，适应性强。 电子束焊接的工艺参数可独立地在很宽的范围内调节，控制灵活，适应性强，再现性好，而且电子束焊焊接参数易于实现机械化、自动化控制，提高了产品质量的稳定性。

可焊材料多。 不仅能焊金属和异种金属材料的接头，也可焊接非金属材料，如陶瓷、石英玻璃等。

电子束焊接的应用

国外最早将电子束焊应用于飞机发动机核心机部件的制造，典型代表是美国大型客机发动机——MF56涡扇发动机，其核心机部件的低压压气机转子、高压压气机转子、燃烧室等部件均采用真空电子束焊，使发动机的质量、结构设计、结构制造精度和使用寿命均得到了改善。

先进的飞机发动机是采用焊接技术连接而成的，电子束焊接技术对飞机发动机的制造起着至关重要的作用。目前在航空制造中已普遍采用电子束焊接技术，其中需要焊接的材料包括钛合金、高温合金、超高强度钢等。我国开展电子束焊工艺研究及应用的主要领域是航空航天、汽车、能源及电子等工业部门，在新型飞机、航空发动机、导弹等的预研、攻关及小批量试制中都运用了电子束焊技术。