CN101445218B

CN101445218B - 一种钛可动器件的制作方法

Info

Publication number: CN101445218B
Application number: CN2008102411046A
Authority: CN
Inventors: 陈兢; 赵刚
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2028-12-30
Also published as: CN101445218A

Abstract

本发明公开了一种钛可动器件的制作方法，利用等离子体刻蚀技术在钛基片上形成刻蚀深槽并进行填充，然后将其与另一衬底基片相键合，再从钛基片背面进行化学腐蚀和化学机械抛光减薄直至露出刻蚀深槽，去除刻蚀深槽中的填充材料，释放可动结构，从而加工出具有可动结构的钛微小器件。该方法可在多种衬底上实现金属钛的高精度、高深宽比三维加工，可用于加工多种MEMS器件，整个工艺使用的均是微电子加工方法，精度非常高，且刻蚀均匀，所制作的器件表面光亮，侧壁光滑，整体平整且自身应力小。

Description

一种钛可动器件的制作方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)加工技术领域，具体涉及一种基于深刻蚀技术的金属钛可动器件的微细加工方法。

背景技术

目前主流的硅基MEMS技术中高深宽比的可动结构广泛应用于各类传感器和驱动器，得到的器件工作效率高，电容极板面积大、驱动力大、占用芯片面积小、功率承载能力和集成度都较高。传统的硅基加工方法是利用KOH背腔腐蚀结合ICP深刻蚀实现的，这样背腔占用面积较大(Nayve，R.；Fujii，M.；Fukugawa，A.；Murata，M.；“High resolution longarray thermal ink jet printhead fabricated by anisotropic wet etching and deep Si RIE”，MicroElectro Mechanical Systems，2003.MEMS-03 Kyoto.IEEE The Sixteenth Annual InternationalConference on，Page(s)：456-461)。另一种常见的方法是直接使用SOI片进行加工(SiavashPourkamali，and Farrokh Ayazi，SOI-Based HF And VHF Single-Crystal Silicon ResonatorsWith Sub-100 Nanometer Vertical Capacitive Gap，Transducers′03，pp.837-840.)。还有就是用SCREAM(single crystal reactive etching and metalisation)工艺实现可动结构(Shaw K.A.，Zhang Z.L.，MacDonald N.C.，“SCREAM I：A single mask，single crystal silicon，reactive ionetching process for microelectromechanical structures”，Sensors and Actuators A(Physical).Jan.1994，vol.A40，(no.1)：63-70.)，但这种方法工艺比较复杂，也不容易达到较大的深宽比。同时硅作为结构材料存在本身导电性不佳，断裂韧度差等缺点，如果器件表面存在接触和摩擦，其可靠性不佳。同时，也有采用先键合再刻蚀的方法来实现可动结构的，但是这样不可避免的会发生footing效应和Lag效应，而且因为键合片的缘故，光刻精度会变差，刻蚀均匀性也会受到影响。目前，对于钛可动结构，特别是高深宽比的钛可动结构的加工，还没有一种成熟的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于等离子深刻蚀技术的钛可动器件制作方法，实现钛微小器件的加工，特别是高深宽比可动器件的加工。

本发明的技术方案如下：

一种钛可动器件的制作方法，包括以下步骤：

(1)在钛基片正面表面涂覆或者淀积一层掩膜(参见图1)；

(2)根据器件形状对掩膜进行图形定义(参见图2)；

(3)通过等离子体刻蚀技术从正面刻蚀钛基片到所需深度形成刻蚀深槽(参见图3)；

(4)除去剩余的掩膜(参见图4)；

(5)淀积填充材料将刻蚀深槽填满，以保护结构不被破坏(参见图5)；

(6)去除钛基片表面多余的填充材料，露出钛基片正面表面以便于键合(参见图6)；

(7)将钛基片正面和另一衬底基片键合(参见图7)；

(8)对键合后的钛基片从背面进行化学腐蚀和化学机械抛光，至露出刻蚀深槽(参见图8)；

(9)从背面去除刻蚀深槽中的填充材料，释放可动结构(参见图9)。

上述步骤(1)所用掩膜的材料可以是光刻胶或其他有机聚合物，还可以是金属或氧化物等等，只要在步骤(3)对钛基片进行刻蚀时，刻蚀方法对钛和掩膜材料达到一定的选择比(一般大于1)即可。

上述步骤(2)中，如果掩膜材料是光刻胶可以通过光刻显影的方法直接定义图形，其他材料的掩膜则可以通过掩膜版光刻的方法，利用湿法化学腐蚀或者干法等离子体刻蚀来定义图形。对于金属材料，一般都有各自对应的腐蚀速率快的酸溶液。二氧化硅或者二氧化钛等氧化物一般通过等离子体刻蚀定义图形。光刻胶以外的有机聚合物可以使用氧等离子体进行刻蚀。

上述步骤(3)对钛进行等离子体刻蚀中，通常是采用氯基气体进行刻蚀，通过调节优化条件，可以得到理想的刻蚀结果。

上述步骤(4)中去除掩膜的方法和步骤(2)中定义掩膜图形所用方法类似。对于光刻胶还可以用专门的去胶液去除，或者用氧等离子体干法刻蚀去除。金属仍是用其适用的酸液腐蚀去掉，氧化物可以继续用等离子体干法去掉，而有机聚合物通过等离子体干法刻蚀可以去除干净。

上述步骤(5)中填充深槽的目的是保护可动部分的图形在之后的化学减薄和化学机械抛光过程中不会因发生横向的滑动而被破坏。填充使用的材料可以是有机聚合物，例如聚对二甲苯(Parylene)，选择具有容易淀积和去除的特点的有机聚合物。

上述步骤(6)去除钛基片表面多余的填充材料是为了之后能实现键合，填充过程中通常会在表面淀积有较多填充材料，可以使用氧等离子体干法刻蚀的方法去除，露出平整的钛面，方便下一步键合。

上述步骤(7)中键合的方法一般采用中间层键合，以光刻胶或其它有机聚合物作中间层，在适当的温度和适当的压力下将钛基片和另一衬底基片键合在一起。另一衬底基片是用来做钛片结构的支撑的，原则上选择与钛的热膨胀系数匹配的材料为宜，例如钛片或钠钙玻璃片。

上述步骤(8)是对钛基片进行减薄，钛有其对应的腐蚀酸液，例如氢氟酸和硝酸的混合液，可以进行化学腐蚀减薄，之后使用化学机械抛光方法可以精确控制减薄厚度，并得到平整光洁的表面。减薄至看到刻蚀图形时停止。

上述步骤(9)中去除深槽中的填充材料的方法和步骤(6)相同，可以使用氧等离子体干法刻蚀去除。如果在步骤(7)中先将中间层材料涂覆于另一衬底基片上，然后对中间层定义图形，再与钛基片进行带图形的键合(参见图10)，那么在步骤(9)中去除深槽中的填充材料后可动结构就已释放出来了，否则在去除深槽中的填充材料后还需要去除可动部分下的中间键合层。中间层材料如果是光刻胶，可以用专用的去胶液去除，也可以用氧等离子体干法刻蚀去除。

本发明利用等离子体深刻蚀技术，配合中间层键合和化学腐蚀、化学机械抛光减薄方法，在金属钛基片上加工出具有可动结构的微小器件，可在多种衬底上实现金属钛的高精度、高深宽比三维加工，可用于加工多种MEMS器件。本发明整个工艺使用的均是微电子加工方法，精度非常高，且刻蚀均匀，所制作的器件表面光亮，侧壁光滑，整体平整且自身应力小。

附图说明

图1为实施例一步骤1在钛基片上形成掩膜层的示意图。

图2为实施例一步骤2定义掩膜图形的示意图。

图3为实施例一步骤3等离子体刻蚀钛基片形成刻蚀深槽的示意图。

图4为实施例一步骤4去除剩余掩膜的示意图.

图5为实施例一步骤5淀积填充材料，填充刻蚀深槽的示意图。

图6为实施例一步骤6去除多余的淀积材料的示意图。

图7为实施例一步骤7利用中间层进行基片键合的示意图.

图8为实施例一步骤8从背面对钛基片进行化学减薄与机械抛光后的示意图。

图9为实施例一步骤9去除填充材料和可动部分下的中间层材料，进行可动结构释放的示意图。

图10为实施例二步骤7先在中间层上定义图形再做键合的示意图。

其中：

1-钛基片 2-掩膜 3-填充材料 4-中间层 5-另一衬底基片

具体实施方式

下面结合附图，通过具体的实施例进一步详细描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

实施例一采用SU8作为中间层键合

1.钛基片的准备和掩膜的生成

如图1所示，器件材料选择的是钛，经过退火和化学机械抛光，钛基片表面平整光亮。掩膜采用的是SU8光刻胶。SU8是一种厚胶，不同的转速下可以得到不同的厚度。根据器件所需厚度来确定掩膜厚度。本实施例期望器件高度为40微米，推荐使用不经稀释的SU8-3010，转速1000转，可以得到约15微米的厚度。

2.定义掩膜图形

采用光刻显影的方法定义图形，经过前烘、曝光、显影、曝光后烘焙(Post ExposureBake)，得以得到平整侧壁陡直的掩膜图形，如图2所示。

3.等离子体刻蚀

如图3所示，对于金属材料钛，使用ICP(Inductively Coupled Plasma)等离子体各向异性刻蚀，刻蚀气体为氯气，线圈功率400W，极板功率100W，氯气流量60sccm，腔体气压3mT，刻蚀速率约1μm/min，随刻蚀时间的增长刻蚀速率可能略微下降。刻蚀对钛和SU8光刻胶的选择比约为3∶1。

4.使用发烟硝酸去除剩余的SU8掩膜，如图4所示。

5.填充正面刻蚀深槽

如图5所示，淀积一层Parylene将正面刻蚀的深槽填满，防止在后续的减薄抛光过程中图形发生错位。Parylene是一种有机聚合物，抗酸性非常好，同时易淀积，台阶覆盖性好。

6.在步骤5淀积的过程中除深槽之外，钛基片的正面和背面也会有Parylene淀积，采用氧等离子体干法刻蚀的方法将表面的Parylene去除，如图6所示。

7.键合

采用中间层键合的方法，中间层使用SU8 3010。键合条件为匀胶低速500rpm10s，高速3000rpm 30s，前烘温度为65℃ 2min，95℃ 5min，键合在真空条件下，施加压力500N，经过65℃ 20min，95℃ 20min，键合成功(如图7所示)。键合的另一基片可以是玻璃片或者钛片，原则上选择与钛热膨胀符合较好的基片材料可以得到较为理想的键合结果。

8.化学腐蚀和机械抛光减薄

钛的化学腐蚀液推荐使用体积比为1∶1∶15的HF(40％)∶HNO₃(70％)∶H₂O溶液。腐蚀速率约3μm/min。化学腐蚀至距离刻蚀深度约还有10微米时停止，改用化学机械抛光，至露出刻蚀图形为止，如图8所示。

9.去除填充材料及中间层，进行结构释放

减薄后的钛基片背面表面会露出填充深槽的Parylene，采用氧等离子体刻蚀的方法去除Parylene和可动结构下方的中间层SU8。因氧等离子体是各向同性的刻蚀，在去除Parylene后在可动结构下方的SU8也会被横向钻蚀，将可动结构释放，如图9所示。

实施例二采用BCB作为中间层键合

步骤1～6与实施例一相同，在步骤7键合时采用苯并环丁烯聚合物(BCB，Benzocyclobutene)作为中间层，同时键合之前先定义图形。先在键合的玻璃片上涂覆BCB，然后以光刻胶作为掩膜定义BCB图形，并使用等离子体干法刻蚀的方法对BCB进行刻蚀图形化，然后再进行将其与步骤6得到的钛基片进行带图形的键合，如图10所示。之后的步骤与实施例一类似，在最后进行结构释放的过程中，只需将填充的Parylene材料用氧等离子体去除即可。

Claims

1.一种钛可动器件的制作方法，包括以下步骤：

1)在钛基片正面表面涂覆或者淀积一层掩膜；

2)根据器件形状对掩膜进行图形定义；

3)通过等离子体刻蚀技术从正面刻蚀钛基片到所需深度形成刻蚀深槽；

4)除去剩余的掩膜；

5)淀积填充材料将刻蚀深槽填满；

6)去除钛基片表面多余的填充材料，露出钛基片正面表面；

7)采用中间黏附层，并通过压力键合的方法将钛基片正面和另一衬底基片键合；

8)对键合后的钛基片从背面进行化学腐蚀和化学机械抛光，至露出刻蚀深槽；

9)从钛基片背面去除刻蚀深槽中的填充材料，释放可动结构。

2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述步骤1)的掩膜材料为光刻胶，在步骤2)通过光刻显影的方法直接定义图形。

3.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述步骤3)采用氯基气体对钛进行等离子体刻蚀。

4.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：步骤5)所用的填充材料是有机聚合物。

5.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于：步骤5)用于填充的有机聚合物是聚对二甲苯。

6.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述步骤7)采用中间层键合方法，所述另一衬底基片的材料与钛的热膨胀系数相匹配。

7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于：所述另一衬底基片是钛片或钠钙玻璃片。

8.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述步骤8)先用酸进行化学腐蚀减薄，接近刻蚀深槽时改用化学机械抛光方法精确控制减薄厚度，直至看到刻蚀图形。

9.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于：所述步骤7)进行键合时不对中间层定义图形，在步骤9)采用氧等离子体刻蚀的方法去除填充材料和可动结构下方的中间层。

10.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于：所述步骤7)先将中间层材料涂覆于另一衬底基片上，然后对中间层定义图形，再与步骤6)所得钛基片进行带图形的键合；在步骤9)去除深槽中的填充材料。