專利名稱：一種制作活動微結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子機械系統(tǒng)加工技術(shù)中制作活動微結(jié)構(gòu)的工藝方法，特別是涉及犧牲層的制作方法和電鍍技術(shù)。
據(jù)荷蘭出版的《傳感器和執(zhí)行器》(Sensors and Actuators，A，56(1996)第1頁)介紹，微電子機械系統(tǒng)(MEMS)概念是由美國的K.E.彼得生(K.E.Peterson)在1982年首先提出的，他將用于制造微電子器件和集成電路的微加工技術(shù)移植到微機械、微光學器件制造中，并通過與集成電路系統(tǒng)集成，得到既具有信號處理能力，又具有機械執(zhí)行功能，尺寸在微米到毫米量級的功能裝置。其中，微結(jié)構(gòu)的尺度范圍一般在微米量級。在如此小的尺度范圍內(nèi)制作具有活動結(jié)構(gòu)的微型裝置，傳統(tǒng)意義上的那種先制造出各個零部件再組合裝配的方法，在技術(shù)上有相當大的難度，因此研究利用犧牲層的自組裝技術(shù)在微電子機械制造技術(shù)中日益重要。
據(jù)荷蘭《微電子工程》(Microelectronic Engineering，4，1986，)第35-56頁報道，80年代中期德國卡爾魯斯(Karlsruhe)核研究中心的研究人員提出利用X射線光刻、微電鑄和塑鑄這三步工藝(簡稱LIGA技術(shù))來制作具有大高寬比的微結(jié)構(gòu)(LIGA為德文Lithograpie(光刻)、Galvanoforming(微電鑄)和Abforming(塑鑄)的縮寫)，開辟了制造微電子機械裝置的新途徑，極大地促進了微電子機械系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。荷蘭《(傳感器和執(zhí)行器》(Sensors and Actuators，A，25(1991)第560頁)報道了將LIGA技術(shù)與犧牲層技術(shù)相結(jié)合制造具有活動部件的微結(jié)構(gòu)和微裝置的方法。
根據(jù)所使用的材料和工藝的不同，目前形成活動微結(jié)構(gòu)的方法大致有以下二類第一類如荷蘭出版的《傳感器和執(zhí)行器》(Sensors and Actuators，A，25(1991)第560頁)所披露的采用離子束濺射鍍膜技術(shù)結(jié)合LIGA技術(shù)制作具有活動結(jié)構(gòu)的微裝置的工藝方法。這種濺射鍍膜技術(shù)是通過離子束濺射在襯底上，濺射生長一定厚度的金屬鈦(Ti)膜；隨后在鈦膜上面涂覆光刻膠，利用光刻、顯影獲得光刻膠的結(jié)構(gòu)圖形；再以光刻膠的結(jié)構(gòu)圖形為掩膜，通過離子束刻蝕，將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移復制到鈦膜上，得到鈦的結(jié)構(gòu)圖形作為犧牲層結(jié)構(gòu)；再利用LIGA技術(shù)在襯底和鈦結(jié)構(gòu)圖形上制作出各種微系統(tǒng)裝置，而微系統(tǒng)裝置中的活動結(jié)構(gòu)的位置必須正好落在作為犧牲層的鈦結(jié)構(gòu)圖形上，最后將這層鈦結(jié)構(gòu)圖形腐蝕去除，釋放出落于鈦結(jié)構(gòu)圖形上的微結(jié)構(gòu)，得到具有活動結(jié)構(gòu)的微系統(tǒng)裝置。由于采用離子束刻蝕轉(zhuǎn)移復制犧牲層圖形會對襯底帶來破壞，同時采用離子束濺射鍍膜技術(shù)生長的犧牲層薄膜內(nèi)應(yīng)力很大，會造成應(yīng)力開裂，因此在實際使用時還需在襯底與犧牲層薄膜之間再生長一層減小應(yīng)力的過渡層。
第二類如1997年4月11-15日在中國四川省重慶市召開的“微系統(tǒng)學術(shù)研討會”上，由陳益新在“微光電機械系統(tǒng)(MOEMS)的技術(shù)和應(yīng)用” 一文第2頁總結(jié)的硅微機械制造技術(shù)中，采用化學氣相沉積(CVD)或熱氧化技術(shù)，制作具有活動部件的微結(jié)構(gòu)制造工藝。但采用CVD氣相沉積技術(shù)的工藝較為復雜，成膜條件苛刻，并且不能與LIGA技術(shù)兼容。
上面提到的現(xiàn)有制作活動微結(jié)構(gòu)的工藝方法中，所用的離子束刻蝕往往會對襯底表面結(jié)構(gòu)帶來破壞，勢必會影響襯底上其它微結(jié)構(gòu)的制作，不便將微結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)集成；而通過離子束濺射鍍膜技術(shù)生長的薄膜內(nèi)應(yīng)力很大，會造成應(yīng)力開裂，因此在實際使用時還需在襯底與犧牲層薄膜之間再生長一層減小應(yīng)力的過渡層，從而使得工藝更加復雜。
本發(fā)明的目的是對現(xiàn)有制作活動微結(jié)構(gòu)的犧牲層工藝進行改進，提出一種采用電鍍法直接制作犧牲層圖形結(jié)構(gòu)以形成活動微結(jié)構(gòu)的方法，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。
本發(fā)明制作活動微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于包括以下步驟(1)、首先在導電的襯底上涂覆光刻膠；(2)、根據(jù)所需制作的活動微結(jié)構(gòu)的平面形狀制作帶有活動微結(jié)構(gòu)圖形的光刻掩模，其中掩模上的結(jié)構(gòu)圖形根據(jù)步驟1中所采用的是正性光刻膠還是負性光刻膠而分別是透明的或不透明的；(3)、對導電襯底上的光刻膠進行光刻、顯影，在光刻膠中得到和掩模上圖形相反的活動結(jié)構(gòu)的光刻膠圖形；(4)、采用電鍍，在光刻膠圖形中電鍍出所需厚度(一般為1～3微米)的金屬層作為犧牲層；所述電鍍的金屬層通常可以鍍Zn，也可根據(jù)需要鍍Cu、Al、Au等其它金屬層；(5)、將殘留的光刻膠用相應(yīng)配備的溶劑溶解去除干凈，再涂覆一層光刻膠，采用光刻和微電鑄，在襯底和電鍍出的金屬犧牲層圖形上制作微裝置，使微裝置中需要活動的部件的位置正好落在電鍍出的金屬犧牲層圖形上；所述電鑄的金屬通常可以鑄Ni，也可根據(jù)需要鑄Cu、Ag、Au等其它金屬；(6)、使用根據(jù)所電鍍的犧牲層金屬相應(yīng)配制的腐蝕液，將犧牲層腐蝕去除，釋放出電鑄在犧牲層上的微結(jié)構(gòu)，從而得到具有活動結(jié)構(gòu)的微裝置。
本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點由于本發(fā)明采用光刻形成犧牲層圖形的膠模，然后采用電鍍工藝在光刻膠模中直接電鍍出金屬圖形作為犧牲層以制作活動微結(jié)構(gòu)，避免了現(xiàn)有技術(shù)中那種采用離子束刻蝕技術(shù)在犧牲層薄膜上刻銑出犧牲層圖形時對襯底所帶來的破壞；采用本發(fā)明制作犧牲層結(jié)構(gòu)的步驟從現(xiàn)有離子束濺射法的8步減少到5步；特別是本方法可以在常壓下操作，避免了離子束濺射法需要多次抽高真空步驟的麻煩；在減少了工序的同時，還使得犧牲層結(jié)構(gòu)的制作過程更簡單和容易制造；同時還避免了離子束濺射鍍膜技術(shù)中的犧牲層薄膜內(nèi)應(yīng)力問題；本發(fā)明采用的電鍍工藝要比現(xiàn)有CVD氣相沉積工藝簡單，易于控制，并可與LIGA技術(shù)兼容；本方法還避免了離子束濺射法和CVD氣相沉積法所需要的條件苛刻的、昂貴的專用設(shè)備的缺陷。
以下是本發(fā)明的實施例。實施例1制作一個可繞中軸旋轉(zhuǎn)的鎳金屬的微齒輪步驟如下(1)、首先在Cu襯底上涂覆市售的AZ-1350光刻膠；(2)、根據(jù)所需制作的活動微齒輪的平面形狀制作帶有圓環(huán)圖形的光刻掩模，其中，圓環(huán)的外徑與所需制作的活動微齒輪的外徑相同，圓環(huán)內(nèi)徑與用來限定微齒輪旋轉(zhuǎn)的軸的外徑相同，圓環(huán)圖形對紫外光是透明的；(3)、對Cu襯底上的AZ1350-光刻膠進行紫外光刻、顯影，在光刻膠中得到一個空的圓環(huán)圖形；(4)、以帶有光刻膠圓環(huán)圖形的Cu襯底作為陰極，Zn板為陽極，采用電鍍法制作Zn犧牲層；所用的電鍍液配方為ZnO 8g～16g/LEDTA 140g～260g/LNiSO3 0.1g～0.8g/LNaOH 56g-60g/L
在50℃溫度下進行電鍍，在光刻膠圓環(huán)圖形中電鍍出1微米厚的Zn金屬圓環(huán)作為犧牲層；(5)、將Cu襯底上的光刻膠用丙酮溶劑溶解去除干凈，即在Cu襯底上得到Zn的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，再在Cu襯底和Zn的圓環(huán)結(jié)構(gòu)上涂覆一層X射線光刻膠，利用X射線光刻，在光刻膠中刻出齒輪和軸的空心圖形，其中齒輪位置正好落在電鍍出的Zn圓環(huán)圖形上，而軸落在Zn圓環(huán)圖形中間；采用微電鑄制作微齒輪和齒輪軸；所用的電鑄液配方為NiSO4·7H2O 0.5MNiCl2·6H2O 60～80g/LH3BO330～35g/LC12H25SO4Na0.4～1g/L(NH4)3C6H5O70.5～0.6M；在35℃溫度下進行電鑄，在光刻出的圖形中電鑄出Ni的微齒輪和齒輪軸，而齒輪正好電鑄在Zn圓環(huán)圖形上，齒輪軸直接電鑄在Cu襯底上；(6)、將Zn犧牲層腐蝕去除配制去除Zn犧牲層用的相應(yīng)的腐蝕液，該腐蝕液配方重量百分濃度為H2O210～50％HCl 10～50％H2O 80～0％將Zn圓環(huán)腐蝕去除，釋放出電鑄在Zn圓環(huán)上的Ni微齒輪，從而得到可繞軸活動的微齒輪。實施例2制作一個可在平面上左右擺動的微搖臂步驟如下(1)、首先在Ti襯底上涂覆市售的AZ-1350光刻膠；(2)、根據(jù)所需制作的微搖臂平面形狀制作帶有微搖臂平面圖形的光刻掩模，其中，掩模上的微搖臂圖形對紫外光是透明的；(3)、對Ti襯底上的AZ1350-光刻膠進行紫外光刻、顯影，在光刻膠中得到一個空心的微搖臂平面圖形；(4)、通過電鍍在光刻膠的微搖臂圖形中電鍍出1.5微米厚的Cu金屬層作為犧牲層，所用的電鍍配方可以直接采用現(xiàn)有技術(shù)；(5)、將Ti襯底上殘留的光刻膠用相應(yīng)配備的溶劑溶解去除干凈，即在Ti襯底上得到Cu的微搖臂結(jié)構(gòu)，再在Ti襯底和Cu的微搖臂結(jié)構(gòu)上涂覆一層X射線光刻膠，利用X射線光刻在光刻膠中刻出微搖臂和搖臂軸的空心圖形，其中微搖臂位置應(yīng)落在電鍍出的Cu微搖臂圖形上，而搖臂軸落在Cu的搖臂圖形中間；利用微電鑄在光刻出的空心圖形中電鑄出Ni的微搖臂和搖臂軸，則微搖臂正好電鑄在Cu的微搖臂圖形上，搖臂軸直接電鑄在Ti襯底上，電鑄液配方可采用實施例1中的電鑄液配方，也可采用現(xiàn)有技術(shù)中的其它配方；(6)、配制相應(yīng)的腐蝕液，成份配比采用H2O∶FeCl3為1～0.1∶1～0.1；將Cu的犧牲層結(jié)構(gòu)腐蝕去除，釋放出電鑄在Cu犧牲層上的微搖臂結(jié)構(gòu)，從而得到可在平面上左右擺動的微搖臂。
權(quán)利要求
1.一種制作活動微結(jié)構(gòu)的方法，特征在于包括以下步驟(1)、首先在導電的襯底上涂覆光刻膠；(2)、根據(jù)所需制作的活動微結(jié)構(gòu)的平面形狀制作帶有活動微結(jié)構(gòu)圖形的光刻掩模，其中掩模上的結(jié)構(gòu)圖形根據(jù)步驟1中所采用的是正性光刻膠還是負性光刻膠而分別是透明的或不透明的；(3)、對導電襯底上的光刻膠進行光刻、顯影，在光刻膠中得到和掩模上圖形相反的活動結(jié)構(gòu)的光刻膠圖形；(4)、采用電鍍，在光刻膠圖形中電鍍出所需厚度(一般為1～3微米)的金屬層作為犧牲層；(5)、將殘留的光刻膠用相應(yīng)配備的溶劑溶解去除干凈，再涂覆一層光刻膠，采用光刻和微電鑄，在襯底和電鍍出的金屬犧牲層圖形上制作微裝置，使微裝置中需要活動的部件的位置正好落在電鍍出的金屬犧牲層圖形上；(6)、使用根據(jù)所電鍍的犧牲層金屬相應(yīng)配制的腐蝕液，將犧牲層腐蝕去除，釋放出電鑄在犧牲層上的微結(jié)構(gòu)，從而得到具有活動結(jié)構(gòu)的微裝置。
2.如權(quán)利要求1所述制作活動微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于采用電鍍法制作Zn犧牲層時，所采用的電鍍液配方為ZnO 8g～16g/L，EDTA140g～260g/L，NiSO30.1g～0.8g/L，NaOH56g～60g/L；電鍍在50℃溫度下進行；將Zn犧牲層去除的腐蝕液配方重量百分濃度為H2O2 10～50％，HCl 10～50％，H2O 80～0％。
3.如權(quán)利要求1所述制作活動微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所采用的電鑄液配方為NiSO4·7H2O0.5M，NiCl2·6H2O60～80g/L，H3BO330～35g/L，C12H25SO4Na 0.4～1g/L，(NH4)3C6H5O70.5～0.6M；電鑄在35℃溫度下進行。
全文摘要
本發(fā)明制作活動微結(jié)構(gòu)的方法,特征是先在導電的襯底上涂覆光刻膠,根據(jù)活動微結(jié)構(gòu)形狀制作光刻掩模,光刻、顯影,得到和掩模上圖形相反的光刻膠圖形;采用電鍍法直接制作犧牲層;將殘留的光刻膠去除干凈,再涂覆一層光刻膠,采用光刻和微電鑄在襯底和電鍍出的犧牲層圖形上制作微裝置,使需要活動的部件位置正好落在犧牲層圖形上;將犧牲層腐蝕去除,釋放出具有活動結(jié)構(gòu)的微裝置;本方法工藝簡單,制作容易,可與LIGA技術(shù)兼容。
文檔編號C25D1/00GK1241649SQ98115790
公開日2000年1月19日 申請日期1998年7月11日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月11日
發(fā)明者陳大鵬, 張新夷, 田揚超, 劉剛, 胡一貫, 闞婭, 洪義麟, 陶曉明, 霍同林, 付紹軍 申請人:中國科學技術(shù)大學