CN101814866B - 一种电热驱动微结构的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种电热驱动微结构的制作方法,属于微制造技术领域,涉及在非金属基底上制造金属器件类。通过剥离工艺获得绝缘基底上的导线层;选用与电铸微结构结合力较小的金属材料做为基底;采用牺牲层技术,在不锈钢基底上,通过两次SU-8光刻胶紫外光刻、铜晶种子层的制备和两次镍的微电铸来实现三维电热驱动悬臂微结构的制作;悬臂结构与导线层的连接采用导电胶粘连的方法。本发明具有结构强度高、层与层之间结合牢固、微电铸层内应力小、微结构侧壁垂直度好、尺寸精度高等优点,利用该方法制作的电热驱动微结构悬臂高度可达几百微米,从而可实现大位移运动的要求。
Description
技术领域
本发明属于微制造技术领域,涉及在非金属基底上制造金属器件类。
背景技术
目前,微电热驱动器已广泛应用于开关、扫描仪和显影仪等电子产品中,它克服了静电和电磁驱动器对距离依赖的弱点,具有驱动电压低、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,已成为微驱动器研究的热点之一。现有微电热驱动器的制作主要是在玻璃或硅基底上通过光刻、电镀等方法实现的,如杂志《微细加工技术》2007年第4期第47-49页和杂志《传感技术学报》2009年第12期第1696-1699页。文献1以玻璃为基底,Cu做为牺牲层,光刻胶作为掩膜,通过溅射氧化铝,电镀镍结构,最后通过用浓磷酸腐蚀牺牲层Cu的方法获得镍和氧化铝的悬臂结构,由于是各向同性腐蚀,所以难以保证基座的尺寸和侧壁的垂直度,且悬臂的高度也仅有6μm,结构强度较低,位移较小。文献2通过溅射、光刻、电镀、刻蚀相结合的方法,在玻璃基底上制作出U型微电热驱动悬臂结构,此方法虽然对基座的尺寸和侧壁垂直度有所改善,悬臂的高度也提高到了30μm,但仍然无法满足大位移的要求。
目前在微驱动器领域,有大位移运动要求的场合急需大厚度的电热微驱动器。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服上述现有方法的不足,针对在非金属基板上制作大厚度电热驱动微结构难的问题,发明一种在非金属基底上制作大厚度电热驱动微结构的方法。制作的微结构悬臂高度可达几百微米,同时具有结构强度高、层与层之间结合牢固、微电铸层内应力小、微结构侧壁垂直度好、尺寸精度高等优点,可作为有大位移运动要求的微传感器/微驱动器的核心器件。本发明采用的技术方案是一种电热驱动微结构的制作方法,包括绝缘基底上导线层制作、金属基底前处理、悬臂支撑基座的制作、铜晶种子层的制备、悬臂层的制作、微电铸后处理、释放悬臂结构、悬臂结构与导线层的连接。其特征是,通过剥离工艺获得绝缘基底上的导线层;选用与电铸微结构结合力较小的金属材料做为基底;采用牺牲层技术,在不锈钢基底上,通过两次SU-8光刻胶紫外光刻、铜晶种子层的制备和两次镍的微电铸来实现三维电热驱动悬臂微结构的制作;悬臂结构与导线层的连接采用导电胶粘连的方法;其制作方法的具体步骤如下:
1)导线层5、5’的制作:电热驱动结构导线层5、5’是在绝缘基底上制作的导电结构,通过剥离工艺获得,在硅基底4上氧化一层二氧化硅3,通过光刻正胶2获得导线图形c;在导线图形c中和正胶2的上表面溅射厚度为450nm的铝;用丙酮去除正胶2,在二氧化硅3上获得导线层5、5’;采用温度500~550℃处理,增强导线层5、5’与二氧化硅3的结合强度,时间10~15分钟;
2)金属基底前处理:基底前处理分为机械加工前处理和表面清洗两个部分;为了便于将结构从基底上取下,基底材料选择与电铸金属镍结合力较小的不锈钢;不锈钢基底8机械加工后的表面粗糙度Ra小于0.04μm;表面清洗采用丙酮擦净后,分别在丙酮和乙醇中超声清洗约20分钟;
3)第一、第二悬臂支承基座9、9’型模制作:旋涂SU-8光刻胶7,得到SU-8光刻胶7厚度约为50μm;光刻后获得自由空间a6;
4)微电铸:微电铸工艺就是将金属镍沉积到微电铸型模的自由空间a6中,形成第一、第二悬臂支撑基座9、9’,微电铸电铸液配方为氨基磺酸镍:365~375g/L、氯化镍:6~10g/L、硼酸:55~60g/L;微电铸工艺条件为:PH值:3.9~4.1、温度:48℃~52℃、电流密度1~1.5A/dm2;
5)铜晶种子层10的制备:铜晶种子层10的制备采用溅射工艺,在SU-8光刻胶7表面溅射铜,得到的铜晶种子层厚度为200~250nm;
6)悬臂层12的制作:在铜晶种子层10上采用SU-8光刻胶7的光刻工艺获得到自由空间11,自由空间11高度约为300μm,通过微电铸对自由空间11填充金属镍形成悬臂层12;此时在不锈钢基底8上得到的第一、第二悬臂支撑基座9,9’,悬臂层12构成悬臂结构;
7)微电铸后处理:微电铸的后处理包括真空退火和微结构的精磨、抛光;真空退火是将带有光刻胶的悬臂结构放入真空退火炉中以去除悬臂结构的内应力,退火绝对真空度约为10-3Pa,温度为400~450℃,退火后使结构在真空炉中自然冷却,然后进行精磨、抛光;
8)悬臂结构的释放:悬臂结构的释放采用浓硫酸煮的方法,将带有SU-8光刻胶7的悬臂结构放入浓硫酸中,将浓硫酸放在电炉上煮沸约15分钟,待悬臂结构上的SU-8光刻胶7全部溶解后,悬臂结构从不锈钢基底8上脱落,得到悬臂结构;
9)悬臂结构与导线层5、5’的连接:悬臂结构与导线层5、5’采用导电胶粘结,该操作在显微镜下完成。
本发明的有益效果是:解决了传统的在非金属基板上制作大厚度电热驱动悬臂微结构难的问题,可获得内应力小,侧壁垂直度好,表面光洁的微结构;针对用户的具体要求,可制作出厚度达数百微米的微结构,完全满足大位移的要求;为微执行器领域提供在非金属基底上制作大厚度电热驱动微结构的方法。
附图说明
图1是电热驱动U型悬臂结构简图,图2为氧化,曝光工序,图3为显影工序,图4为溅射铝工序,图5为去胶工序,图6是去胶工序俯视图,图7是光刻工序,图8是第一次微电铸工序,图9是第一次微电铸工序俯视图,图10是铜晶种子层制备工序,图11是光刻工序,图12是第二次微电铸工序,图13是第二次微电铸工序俯视图,图14是悬臂结构释放工序,图15是悬臂结构与导线层连接工序,图16是悬臂结构与导线层连接工序俯视图,其中:
1-光刻掩膜板,2-正胶,3-二氧化硅,4-硅基底,5-导线层a,5’-导线层b,6-自由空间a,7-SU-8光刻胶,8-不锈钢基底,9-第一悬臂支撑基座,9’-第二悬臂支撑基座,10-铜晶种子层,11-自由空间b,12-悬臂层,c-导线图形,UV-紫外光。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案详细说明本发明具体的实施方式。
例案:在硅片上制作如附图1所示的电热驱动U型悬臂微结构,U型悬臂层12厚度为300μm,具体步骤如下:
1)导线层5、5’的制作:电热驱动结构导线层5、5’是在绝缘基底上制作的导电结构,通过剥离工艺获得,见附图2至附图6。在硅基底4上氧化一层二氧化硅3,通过光刻正胶2获得导线图形c,正胶2型号为BP212,见附图2,附图3;在导线图形c中和正胶2的上表面溅射厚度为450nm的铝,见附图4;用丙酮去除正胶2,在二氧化硅3上获得导线层5、5’,见附图5,附图6;采用温度500℃处理,增强导线层5、5’与二氧化硅3的结合强度,时间10分钟;
2)金属基底前处理:基底前处理分为机械加工前处理和表面清洗两个部分;为了便于将结构从基底上取下,基底材料选择与电铸金属镍结合力较小的不锈钢;不锈钢基底8机械加工后的表面粗糙度Ra小于0.04μm;表面清洗采用丙酮擦净后,分别在丙酮和乙醇中超声清洗20分钟;
3)第一、第二悬臂支承基座9、9’型模制作:采用转速1300r/min旋涂SU-8光刻胶7,SU-8光刻胶的型号为2075,得到SU-8光刻胶7厚度约为50μm,光刻后获得自由空间a6,见附图7;
4)微电铸:微电铸工艺就是将金属镍沉积到微电铸型模的自由空间a6中,形成第一、第二悬臂支撑基座9、9’,微电铸电铸液配方为氨基磺酸镍:365g/L、氯化镍:6g/L、硼酸:55g/L;微电铸工艺条件为:PH值:3.9、温度:48℃、电流密度1A/dm2,见附图8,附图9;
5)铜晶种子层10的制备:铜晶种子层10的制备采用溅射工艺,在SU-8光刻胶7表面溅射铜,得到的铜晶种子层厚度为200nm,见附图10;
6)U型悬臂层12的制作:在铜晶种子层10上采用SU-8光刻胶7的光刻工艺获得到自由空间11,自由空间11高度约为300μm,见附图11;通过微电铸对自由空间11填充金属镍形成U型悬臂层12,见附图12,附图13;此时在不锈钢基底8上得到的第一、第二悬臂支撑基座9,9’,U型悬臂层12构成U型悬臂结构;
7)微电铸后处理:微电铸的后处理包括真空退火和微结构的精磨、抛光;真空退火是将带有光刻胶的U型悬臂结构放入真空退火炉中以去除U型悬臂结构的内应力,退火绝对真空度为10-3Pa,温度为400℃,退火后使结构在真空炉中自然冷却,然后进行精磨、抛光;
8)U型悬臂结构的释放:U型悬臂结构的释放采用浓硫酸煮的方法,将带有SU-8光刻胶7的U型悬臂结构放入浓硫酸中,将浓硫酸放在电炉上煮沸约15分钟,待U型悬臂结构上的SU-8光刻胶7全部溶解后,U型悬臂结构从不锈钢基底8上脱落,见附图14;
9)U型悬臂结构与导线层5、5’的连接:U型悬臂结构与导线层5、5’采用导电胶粘结,导电胶为UNINWELL公司的999-200系列银浆,见附图15,附图16,该操作在显微镜下完成。
采用本发明提出的电热驱动微结构的制作方法,可以在非金属基底上制作出内应力小,侧壁垂直度好,尺寸精度较高的微结构,尤其是厚度可达几百微米,保证器件具有足够的强度,满足大位移运动的要求。
Claims (1)
1.一种电热驱动微结构的制作方法,其特征是,通过剥离工艺获得绝缘基底上的导线层;选用与悬臂微结构结合力较小的金属材料做为基底;采用牺牲层技术,在不锈钢基底上,通过两次SU-8光刻胶紫外光刻、铜晶种子层的制备和两次镍的微电铸来实现悬臂微结构的制作;悬臂微结构与导线层的连接采用导电胶粘连的方法;其制作方法的具体步骤如下:
1)导线层(5、5’)的制作:电热驱动微结构导线层(5、5’)是在绝缘基底上制作的导电结构,通过剥离工艺获得,在硅基底(4)上氧化一层二氧化硅(3),通过光刻正胶(2)获得导线图形(c);在导线图形(c)中和正胶(2)的上表面溅射厚度为450nm的铝;用丙酮去除正胶(2),在二氧化硅(3)上获得导线层(5、5’);采用温度500~550℃处理,增强导线层(5、5’)与二氧化硅(3)的结合强度,时间10~15分钟;
2)金属基底前处理:金属基底前处理分为机械加工前处理和表面清洗两个部分;为了便于将悬臂微结构从金属基底上取下,金属基底材料选择与电铸金属镍结合力较小的不锈钢;不锈钢基底(8)机械加工后的表面粗糙度Ra小于0.04μm;不锈钢基底(8)的表面清洗采用丙酮擦净后,分别在丙酮和乙醇中超声清洗约20分钟;
3)第一、第二悬臂支承基座(9、9’)型模制作:旋涂SU-8光刻胶(7),得到SU-8光刻胶(7)厚度约为50μm,光刻后获得自由空间a(6);
4)微电铸:微电铸工艺就是将金属镍沉积到第一、第二悬臂支承基座型模(9、9’)的自由空间a(6)中,形成第一、第二悬臂支承基座(9、9’),微电铸电铸液配方为氨基磺酸镍:365~375g/L、氯化镍:6~10g/L、硼酸:55~60g/L;微电铸工艺条件为:PH值:3.9~4.1、温度:48℃~52℃、电流密度1~1.5A/dm2;
5)铜晶种子层(10)的制备:铜晶种子层(10)的制备采用溅射工艺,在SU-8光刻胶(7)表面溅射铜,得到铜晶种子层厚度为200~250nm;
6)悬臂层(12)的制作:在铜晶种子层(10)上采用SU-8光刻胶(7)的光刻工艺获得到自由空间(11),自由空间(11)高度约为300μm,通过微电铸对自由空间(11)填充金属镍形成悬臂层(12);此时在不锈钢基底(8)上得到的第一、第二悬臂支撑基座(9,9’),与悬臂层(12)一起构成悬臂微结构;
7)微电铸后处理:微电铸的后处理包括真空退火和悬臂微结构的精磨、抛光;真空退火是将带有光刻胶的悬臂微结构放入真空退火炉中以去除悬臂微结构的内应力,退火绝对真空度约为10-3Pa,温度为400~450℃,退火后使悬臂微结构在真空炉中自然冷却,然后进行精磨、抛光;
8)悬臂微结构的释放:悬臂微结构的释放采用浓硫酸煮的方法,将带有SU-8光刻胶(7)的悬臂微结构放入浓硫酸中,将浓硫酸放在电炉上煮沸约15分钟,待悬臂微结构上的SU-8光刻胶(7)全部溶解后,悬臂微结构从不锈钢基底(8)上脱落,得到悬臂微结构;
9)悬臂微结构与导线层(5、5’)的连接:悬臂微结构与导线层(5、5’)采用导电胶粘结,该操作在显微镜下完成。
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Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN101148243A (zh) * | 2007-09-14 | 2008-03-26 | 大连理工大学 | 一种三维电铸微结构的制作方法 |
CN101580223A (zh) * | 2009-06-18 | 2009-11-18 | 大连理工大学 | 一种压电微悬臂梁探针的制作方法 |
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Title |
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胡志军 等.一种新型的电热驱动MEMS微继电器的研制.《传感技术学报》.2009,第22卷(第12期),第1696-1699页. * |
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CN101814866A (zh) | 2010-08-25 |
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