综述：玻璃热回流技术及MEMS应用
2026-05-17 10:46:45 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文系统综述了玻璃热回流技术的发展与应用，总结了该技术在微纳加工领域的优势，并指出了亟待解决的关键挑战，旨在为未来的研究工作提供有价值的见解与指导。
近些年，微机电系统（MEMS）技术已成为半导体行业的基石。早期MEMS器件的研发依托于为集成电路（IC）开发的成熟硅微加工工艺。20世纪90年代，硅体微加工和表面微加工技术的后续发展使硅成为各类MEMS器件的主要材料。与常规使用的硅相比，玻璃凭借其优异且独特的特性（例如电绝缘性、光学透明性、生物相容性、机械刚性、热稳定性等）受到了越来越多的关注。这些特性促使科研人员面向特定功能应用不断探索高品质的玻璃基MEMS器件。
玻璃的独特特性使其成为现代MEMS应用中用途广泛的材料，但也带来了显著的制造挑战。玻璃的高硬度、脆性以及耐腐蚀特性，对精密制造提出了挑战，尤其是在微/纳尺度高深宽比结构的加工方面。这些特性会导致制造周期延长、成本升高，还会引发表面质量问题，进而影响最终器件的性能与可靠性。
为制备高质量的玻璃微结构，研究人员已探究了多种技术，包括机械加工、湿法刻蚀、干法刻蚀、激光加工、激光诱导深度刻蚀（LIDE）以及3D打印等。每种技术均有其优缺点。机械加工会造成刀具磨损并产生应力，进而导致表面和亚表面缺陷。湿法刻蚀的各向同性特性限制了高深宽比结构的制备与精确控制。干法刻蚀虽具备各向异性，但需要昂贵的设备，且需精准控制以避免损伤。激光加工虽灵活且为非接触式加工，但由于其工艺的热特性，会产生热影响区和微裂纹。LIDE技术在精度和效率方面具有显著优势，是用于玻璃高精度微加工极具价值的技术。然而，其高昂的初始投入、操作的复杂性，以及由热应力引发的微裂纹问题，需根据具体应用需求进行审慎考量。3D打印具备设计自由度，但在玻璃材料的加工分辨率和材料兼容性方面存在瓶颈。这些挑战凸显了研发新型制造方法以突破传统玻璃微纳加工技术局限性的必要性。
玻璃热回流作为一种制备玻璃微结构极具前景的技术，相较于传统方法具有显著优势，吸引了广泛关注。作为一种直接成型技术，该方法无需蚀刻和腐蚀工艺，可制备出高深宽比的玻璃结构。玻璃热回流技术已被证实适用于大规模制造，已在众多领域得到应用。不过，玻璃热回流技术目前仍缺乏完整的基础理论，回流过程中缺陷形成的机理也有待进一步研究。最终微结构的质量受多种因素影响，包括玻璃表面张力、黏温关系、回流过程中玻璃与模具的相互作用等。
图1 玻璃热回流技术概况：参数、特性及应用
玻璃热回流技术的关键参数包括时间、黏度、温度、粗糙度、压力等，这些参数直接决定了结构质量和器件性能。基于玻璃具有高温塑性、低热导率、低电导率以及良好光学特性的特点，其在非常规结构制备、热传感器、电绝缘体和光调制器这四个领域的相关应用已得到充分发展。
据麦姆斯咨询介绍，机械工业仪器仪表综合技术经济研究所和哈尔滨工业大学（深圳）的联合研究团队系统综述了玻璃热回流技术的发展与应用，总结了该技术在微/纳加工领域的优势，并指出了亟待解决的关键挑战，旨在为未来的研究工作提供有价值的见解与指导。相关研究成果已经以“A review of glass thermal reflow: method, device, and applications”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
玻璃热回流技术的发展
2003年，P. Merz等人首次提出了用于制作微透镜阵列的玻璃热回流技术，并建立了标准工艺方案。如图2所示，该工艺包含四个主要步骤。首先，采用深反应离子刻蚀（DRIE）等技术在硅基底上刻蚀出沟槽图案。随后，将带有图案的硅片与玻璃基底进行阳极键合。接着，将键合后的组件放入高温炉中，加热至玻璃软化点，使玻璃回流至沟槽内。经过特定的回流时间后，进行退火处理以消除残余应力并优化透镜形状。最后，对回流后的玻璃表面进行研磨和抛光，以获得所需的表面粗糙度。自这项开创性工作以来，众多研究人员开展了相关研究以提升玻璃热回流工艺的质量。
图2 玻璃热回流技术的理论公式与仿真模型
该综述详细阐述了与若干关键参数相关的玻璃热回流技术的发展历程。玻璃热回流与槽宽、压力、温度、时间、表面张力、侧壁粗糙度、表面润湿性、退火等关键参数相关。为优化玻璃热回流工艺，研究人员建立了理论公式和仿真模型，以确定制备玻璃基微结构时的相关参数。
对玻璃热回流工艺的理论分析对于理解其内在机理和优化工艺参数至关重要。该工艺涉及玻璃在软化点转变为流体状态，随着温度升高，其黏度呈指数级下降。这一特性由玻璃的黏温关系、表面张力及其他材料性质所决定。回流深度受槽宽、施加压力、温度和表面张力等参数的影响。理论模型为解读仿真与实验结果提供了框架，有助于确定实现理想回流特性的最佳条件。未来研究应聚焦于完善这些理论模型，并通过实验数据对其进行验证。
图3 玻璃热回流工艺中的关键参数与质量优化
玻璃热回流技术的应用
由于玻璃具有高强度、低热导率、低电导率、光学特性以及生物相容性等诸多优异的物理和化学性质，可利用这些性质实现非常规结构制备、隔热、电绝缘、光调制和生物传感等功能。该综述结合玻璃热回流的主要作用，介绍了玻璃热回流在这四大主要领域的应用。
图4 通过玻璃热回流实现的复杂几何结构与隔热器件
图5 基于玻璃热回流的玻璃通孔（TGV）电学与光学应用
图6 玻璃热回流在生物MEMS中的应用
玻璃热回流技术的应用覆盖了多种微结构，包括用于MEMS器件电互连的TGV、提升成像系统光学性能的微透镜阵列、实现精准流体控制与分析的微流道、提供高灵敏度传感的微壳谐振器、促进高效光传输的光波导，以及用于与生物系统对接的微探针等。玻璃热回流技术能够制备出几何尺寸精准、无缺陷的高质量微结构，使其成为跨多领域的通用且极具价值的工艺方法。
未来的研究应针对这些不同应用场景优化热回流工艺，以充分发挥其微纳制造潜力。解决各应用领域内的具体挑战，如提升表面质量、减少缺陷、提高材料兼容性等。此外，结合先进的表征技术与计算建模，将有助于优化工艺条件并预测微结构性能。这一整体策略不仅能提升现有应用的性能与可靠性，还将为生物MEMS、光学MEMS以及射频器件等新兴领域的创新发展奠定基础。
特性分析与对比
在梳理了玻璃热回流的加工原理及典型应用后，该综述从工艺层面的可制造性和器件层面的性能特性两个维度，对相关技术展开了进一步的分析与对比。由此，能够客观评估玻璃热回流技术的实际能力，也为与其他微加工方法的对比奠定坚实基础。
结论
玻璃热回流技术已成为制备高深宽比玻璃微结构的一种极具前景的方法，已广泛应用于MEMS封装与三维集成、光调制与传感、隔热隔电元件等多个领域。研究人员在优化回流参数、改进回流方法以及开发后处理技术方面取得了显著进展，推动了高精度、高可靠性复杂微结构的实现。
未来关于玻璃热回流技术的研究预计将聚焦于以下几个关键领域。首先，对材料特性和回流机制的深入研究对于提升工艺控制水平、减少缺陷至关重要。其次，先进表征技术与计算建模的融合将有助于优化工艺条件并预测微观结构性能。第三，探索将玻璃热回流与其他微加工技术相结合的混合方法，有望为制造更复杂、功能更完善的微器件提供新的机遇。最后，开发具有更优异热学、力学和光学性能的新型玻璃材料，将进一步推动该技术在生物MEMS、光学MEMS和射频MEMS等新兴领域的应用。
随着生物电子学研究的不断推进，借助玻璃热回流技术制备复杂且具备功能性的玻璃微结构的能力，无疑将在下一代生物电子器件的研发中发挥关键作用。未来的研究应聚焦进一步优化适用于生物电子学应用的玻璃热回流工艺，探索新型材料与制备技术，研发能够充分发挥该技术优势的创新器件设计理念。
综上所述，玻璃热回流技术在推动玻璃基器件的微型化与性能提升方面具有巨大潜力。持续的研发工作有望克服当前存在的局限，进一步使该技术成为微纳制造领域的强大工具。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01239-8
延伸阅读：