CN101723309A - 基于在空气和液体中工作的热微驱动器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种微电子机械系统技术领域的基于在空气和液体中工作的热微驱动器的制备方法，包括：在二氧化硅上旋涂光刻胶并进行曝光、显影处理；将真空室抽真空，将蒸发舟进行升温加电处理，最后把铝丝连续输送至蒸发舟上，制成铝层；在铝层上真空沉积第一聚对二甲苯基层，然后采用磁控溅射法在铝层上依次溅射钛层和铂层，然后通过剥离工艺对钛层和铂层进行金属图形化处理；在铂层上二次真空沉积第二聚对二甲苯基层，然后利用氧等离子体干法刻蚀对第二聚对二甲苯基层进行图形化，最后采用湿法刻蚀去除铝层，制得基于在空气和液体中工作的热微驱动器。本发明制备所得热微驱动器具有低功耗低工作温度的特点，可应用于生物领域，不会产生高温杀死细胞的影响。

Description

基于在空气和液体中工作的热微驱动器的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种微电子机械系统技术领域的制备方法，具体是一种基于在空气和液体中工作的热微驱动器的制备方法。
背景技术
微电子机械系统(MEMS)是在微电子技术的基础上兴起的一门应用应用技术，而微驱动器是微电子机械系统的重要组成部分。在很多领域的研究需要对微小的物体进行操纵，比如：抓取、固定、移动、转动等。虽然现在有很多MEMS驱动器，但是当它们应用在生物医学领域时，都被偏移量太低，输出的作用力太小，能耗太大或者是电压太大所限制。因此寻求一种性能良好的驱动器对生物医学的发展显得十分重要。在现有的MEMS器件驱动方式中，热驱动方式具有结构简单、驱动力和输出变形大以及易于同集成电路制造工艺相兼容等优点。
经对现有技术文献检索发现，G.Lin，C.J.Kim，S.Konishi和H.Fujita在Solid-StateSensors and Actuators(固态传感器和驱动器)第八次国际会议上，第416-419页上发表的题为“Design，fabrication and testing of a C-shape actuator”(设计，制造以及测试具有C-形状驱动器)中提到的是基于聚酰亚胺和和金作为材料制作的驱动器。虽然这种驱动器可以实现驱动微小物体，但是不足之处在于该驱动器的功耗太大，以及工作时的温度偏高，这将限制其用于生物领域，因为高温会直接杀死细胞。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于在空气和液体中工作的热微驱动器的制备方法，基于温度的变化，即热膨胀原理，从而使得金属薄片的形状发生变化，进而对微小物体进行微操纵。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
第一步：选择二氧化硅的厚度为5000埃的SOI(硅-二氧化硅)基片，在二氧化硅上旋涂光刻胶并进行曝光、显影处理；
第二步：将真空室抽真空，将蒸发舟进行升温加电处理，最后把铝丝连续输送至蒸发舟上，制成铝层。
所述的抽真空是指：将真空室内真空度设置于4×10-4mba；
所述的升温加电是指：将蒸发舟升温至1300℃～1400℃，蒸发电流为45A；
所述的铝丝的纯度为99.9％。
所述的铝层的厚度为1.4μm；
第三步：在铝层上真空沉积第一聚对二甲苯基层，然后采用磁控溅射法在铝层上依次溅射钛层和铂层，然后通过剥离工艺对钛层和铂层进行金属图形化处理；
所述的真空沉积是指：在15mTorr压强、175℃的温度环境下沉积聚对二甲苯基5分钟；
所述的第一聚对二甲苯基层的厚度为0.3μm；
所述的磁控溅射法是指：在工作气压为0.6Pa、溅射电流为1～1.5A的环境下溅射30～120秒的钛或铂；
所述的钛层的厚度为500埃；
所述的铂层的厚度为2000埃；
所述的金属图形化处理是指：在衬底上旋涂光刻胶并对光刻胶进行图形化，该图形与待溅射的金属图形互补，然后在光刻胶上溅射金属，经显影去除未与衬底接触位置的溅射金属实现金属图形化。
第四步：在铂层上二次真空沉积第二聚对二甲苯基层，然后利用氧等离子体干法刻蚀对第二聚对二甲苯基层进行图形化，最后采用湿法刻蚀去除铝层，制得基于在空气和液体中工作的热微驱动器。
所述的二次真空沉积是指：在15mTorr压强、175℃的温度环境下沉积聚对二甲苯基4分钟。
本发明制备所得基于聚酰亚胺和和金作为材料制作的微驱动器，虽然可以驱动微小物体，但是驱动器的功耗偏大，在空气中工作是需要提供7V的电压和4mA的电流，在液体中工作需要提供超过100V的电压，同时温度将达到260℃。而采用聚对二甲苯基和铂具有低功耗，只需提供100mW的功率即可，同时在液体中工作的温度仅为60℃，因此可以应用于生物领域，不会产生高温杀死细胞的影响。
附图说明
图1为实施例制备微驱动器俯视图。
图2为本发明的制造工艺流程示意图；
图中：1基底、2二氧化硅、3铝层、4第一聚对二甲苯基层、5钛层、6铂层、7第二聚对二甲苯基层、8金属电极。
图3为实施例中剥离工艺示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所述，通过在金属电极上施加电压，即可以改变器件中金属层的温度，从而使得薄片卷曲，生成顶部卷曲力；
如图2所示，本实施例包括以下步骤：
第一步：本技术方案选择SOI(硅-二氧化硅)基片，其中二氧化硅的厚度为5000埃；
第二步：在二氧化硅上旋涂光刻胶并进行曝光、显影处理；
第三步：在显影好的光刻胶上蒸镀厚度为1.4μm的铝层；将真空室抽真空，当真空度达到一定(4×10-4mba以上)时，将蒸发舟升温至1300℃～1400℃，蒸发电流为45A，然后再把纯度为99.9％的铝丝连续送至蒸发舟上；
第四步：在第三步中蒸镀好的铝层上沉积第一聚对二甲苯基层，厚度为0.3μm；使用专门的沉积聚对二甲苯基的设备PDS2010LABCOTER？2，调节真空腔中的压强达到为15mTorr，温度设定为175℃，持续5分钟即可；
第五步：在铝层上溅射一层厚度为500埃的钛，即采用磁控溅射方法制备钛薄膜，工作气压为0.6Pa，溅射电流为1A，持续时间为30秒；
第六步：在金属钛层上溅射厚度为2000埃铂层，即采用磁控溅射方法制备钛薄膜，工作气压为0.6Pa，溅射电流为1.5A，持续时间为2分钟；
第七步：通过lift-off(剥离工艺)工艺对钛层和铂层进行图形化；因为溅射在衬底上的钛层和铂层很难去除，即很难图形化，因此要想在衬底上溅射出具有图形化的钛层和铂层，需通过lift-off(剥离工艺)工艺。lift-off工艺如图3所示，首先在要溅射的衬底上旋涂一层光刻胶，对其图形化，该图形化与所要溅射的金属的图形互补，然后在图形化好的光刻胶上溅射金属，最后通过显影，即可去除光刻胶上的金属，这样就可以对溅射的金属层进行图形化。
第八步：在厚度为2000埃铂层上沉积第二聚对二甲苯基层，使用专门的沉积聚对二甲苯基的设备PDS2010LABCOTER？2，调节真空腔中的压强达到为15mTorr，温度设定为175℃，持续4分钟即可；并利用氧等离子体干法刻蚀对其进行图形化；
第九步：去除第三步中铝层，即采用湿法刻蚀铝，这样就可以释放整个结构，最终制得微驱动器。
如图2为本实施例的工艺流程图，其中a为二氧化硅层，作绝缘层用；b为通过此前的光刻胶的图形电镀一层铝，作为牺牲层用；c为在铝层上沉积第一层Parylene C薄膜，用于保护加热器，Parylene C薄膜具有很好的生物兼容性，以及很好的热和电绝缘特性，同时还具有非常大的热膨胀系数；d为溅射一层钛，用于提高铂层与硅衬底之间的粘着力；e为溅射一层铂，由于温度变化致使铂金属层发生卷曲形变，从而利用这个形变驱动微小物体；f为铂金属层上沉积第二层Parylene C薄膜；g为湿法去除b步骤中的铝层，释放整个结构。
在空气中的驱动与在液体中驱动是完全不一样的原理。工作在液体中的驱动器的最小输出力必须超过液体的阻力，自身的重力和挠曲应力。根据热膨胀原理，本发明的基于溶液的微驱动器有两种驱动方式，即有两种温度改变方式，一种是：基于电流流过电阻，电阻会发热的原理，从而使得驱动器的金属层温度会发生变化，使得薄片发生卷曲形变；另一种方式基于热传递原理，即改变驱动器周围液体的温度，从而将液体的温度差传递至驱动器金属层，因此金属层的温度会发生变化，从而使得薄片发生卷曲形变。本发明的热微驱动器卷曲力可以达到150nN；当所加入的电压从0增加到3V，薄片底部与衬底的垂直位移可以达到70μm；当液体的温度在4分钟内从20℃增加到60℃时，薄片底部与衬底的垂直位移可以达到500μm。

Claims (10)

1.一种基于在空气和液体中工作的热微驱动器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：选择二氧化硅的厚度为5000埃的硅-二氧化硅基片，在二氧化硅上旋涂光刻胶并进行曝光、显影处理；
第二步：将真空室抽真空，将蒸发舟进行升温加电处理，最后把铝丝连续输送至蒸发舟上，制成铝层；
第三步：在铝层上真空沉积第一聚对二甲苯基层，然后采用磁控溅射法在铝层上依次溅射钛层和铂层，然后通过剥离工艺对钛层和铂层进行金属图形化处理；
第四步：在铂层上二次真空沉积第二聚对二甲苯基层，然后利用氧等离子体干法刻蚀对第二聚对二甲苯基层进行图形化，最后采用湿法刻蚀去除铝层，制得基于在空气和液体中工作的热微驱动器。
2.根据权利要求1所述的基于在空气和液体中工作的热微驱动器的制备方法，其特征是，所述的升温加电是指：将蒸发舟升温至1300℃～1400℃，蒸发电流为45A。
3.根据权利要求1所述的基于在空气和液体中工作的热微驱动器的制备方法，其特征是，所述的铝丝的纯度为99.9％。
4.根据权利要求1所述的基于在空气和液体中工作的热微驱动器的制备方法，其特征是，所述的铝层的厚度为1.4μm。
5.根据权利要求1所述的基于在空气和液体中工作的热微驱动器的制备方法，其特征是，所述的真空沉积是指：在15mTorr压强、175℃的温度环境下沉积聚对二甲苯基5分钟。
6.根据权利要求1所述的基于在空气和液体中工作的热微驱动器的制备方法，其特征是，所述的第一聚对二甲苯基层的厚度为0.3μm。
7.根据权利要求1所述的基于在空气和液体中工作的热微驱动器的制备方法，其特征是，所述的磁控溅射法是指：在工作气压为0.6Pa、溅射电流为1～1.5A的环境下溅射30～120秒的钛或铂。
8.根据权利要求1所述的基于在空气和液体中工作的热微驱动器的制备方法，其特征是，所述的钛层的厚度为500埃。
9.根据权利要求1所述的基于在空气和液体中工作的热微驱动器的制备方法，其特征是，所述的铂层的厚度为2000埃。
10.根据权利要求1所述的基于在空气和液体中工作的热微驱动器的制备方法，其特征是，所述的金属图形化处理是指：在衬底上旋涂光刻胶并对光刻胶进行图形化，该图形与待溅射的金属图形互补，然后在光刻胶上溅射金属，经显影去除未与衬底接触位置的溅射金属实现金属图形化。
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