CN102653391B - 一种金属微小结构的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属微小结构的加工方法，其步骤包括：在金属基片背面刻蚀双面对准标记和背面盲孔的对准标记；采用微细电火花工艺在基片背面制作盲孔阵列；采用物理气相沉积方法在基片背面制作金属层；根据产品的结构形状，在基片正面对应区域定义掩膜图形；采用深反应离子刻蚀技术从正面刻蚀基片，至基片背面的金属层时停止刻蚀；去除基片正面剩余的掩膜和基片背面的金属层，释放金属微小结构。也可以先制作正面掩膜后制作背面盲孔阵列。本发明方法可以有效减少金属基片的弯曲和刻蚀中的Footing效应，微小金属结构件释放简单，加工精度高。

Description

一种金属微小结构的加工方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)加工技术领域，具体涉及一种金属微小结构的加工方法。

背景技术

传统的机械金属结构加工方法主要有刀具切削加工和激光切割加工等方法。切削加工特征尺寸为0.2mm，加工更小的金属结构件极其困难。激光切割加工广泛应用于加工平面金属结构件，它适用于绝大部分材料，但是加工成本昂贵，且切割边缘易粘附熔渣，其特征尺寸在0.05-0.2mm之间。随着微小机械、精密机械的发展，加工尺寸越来越小，甚至达到微米级别，传统的切削加工和激光加工的加工精度都很难满足要求。此外，对于低刚度微小结构，如微弹簧，由于夹持、固定和加工应力的原因，使用上述方法难以实现。

以LIGA技术、微精密铸造和微细电火花为代表的特种精密加工技术也是微小金属结构件加工的重要选择。LIGA工艺主要基于X射线光刻技术，包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。由于X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，使LIGA技术能够制造出高宽比达到500、厚度大于1500μm、结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构。但LIGA技术的缺点是需要专用的同步辐射光源，加工成本高昂；此外金属种类有限制，无法加工铝、钛、铁等重要金属，并且加工件的质量不如体材料好。微精密铸造工艺是基于传统熔模铸造工艺发展而来，在铸造时用金属液滴浇注铸件的一种方法。微精密铸造可以加工较复杂三维立体结构，整体尺寸为微米量级，但其缺点是生产周期长、重复性差、微铸造型壳制造难度大。电火花加工是利用工件和工具电极之间的脉冲性火花放电，产生瞬间高温使工件材料局部熔化和汽化，从而达到蚀除加工的目的。主流的电火花工艺有微细电火花加工(MEDM)和线放电磨削加工(WEDG)。其中，近年发展起来的线放电磨削加工是一种在线工具制作方式，较好地解决了微细工具电极的制作与安装问题，但也存在加工效率的弊端。电火花加工可以制作最小微细孔径20μm以下的微孔，其长径比可达10∶1以上，但缺点是表面粗糙度较差，且加工过程中产生的热效应影响微小结构性能。

最近研发的金属的DRIE(深反应离子刻蚀)技术，为微小金属结构件的加工提供了新的机遇。DRIE技术拥有加工深宽比高、加工尺寸可以精确到微米级的优点，但刻蚀过程中产生的Lag效应和Footing效应亦会对刻蚀结构产生负面影响。常规的DRIE金属结构加工技术主要工艺步骤如下：运用湿法减薄和CMP(化学机械抛光)将金属基片减薄至所需结构件的厚度并进行抛光。为防止金属片穿通后结构件脱落，选用平整度良好的衬片(如硅、玻璃)与金属基片键合。其后DRIE刻蚀得到结构件图形，最后释放得到金属结构件。由于金属基片在湿法减薄和化学机械抛光过程中会产生弯曲，因此降低了光刻精度。此外由于基片弯曲，DRIE刻蚀过程中基片背面的氦冷却气可能发生泄漏，影响刻蚀的效果和精度。为了解决上述的问题，陈兢和赵刚提出了一种刻蚀后倒装减薄的方法(专利申请号200810241104.6，公开号CN101445218，一种钛可动器件的制作方法)。在此方案中，先利用DRIE深刻蚀技术将一片厚金属基片刻蚀至所需厚度，这样保证金属基片不被刻穿。然后在刻蚀面生长一层Parylene作为保护层。接着，在刻蚀面涂敷键合胶并和一个平整圆片(硅片或玻璃片)键合。最后，对金属基片的背面进行减薄处理，直至露出刻蚀得到的微小结构件。解键合并去除Parylene后即可得到满足要求的金属微小结构件。但这种方法存在着Parylene填充难以完全覆盖，CMP减薄产生应力较大以及结构件释放困难的问题。目前，金属微小结构加工依然面临着诸多技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属微小结构的加工方法，可以批量加工微小金属结构件，尤其适用于加工低刚度的弹性金属微小结构，例如微型弹簧等。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种金属微小结构的加工方法，其步骤包括：

1)在金属基片背面刻蚀双面对准标记和背面盲孔的对准标记；

2)采用微细电火花工艺在基片背面制作盲孔阵列；

3)采用物理气相沉积(PVD)方法在基片背面制作金属层；

4)根据产品的结构形状，在基片正面对应区域定义掩膜图形；

5)采用深反应离子刻蚀技术(DRIE)从正面刻蚀基片，至基片背面的金属层时停止刻蚀；

6)去除基片正面剩余的掩膜和基片背面的金属层，释放金属微小结构。

优选地，步骤1)所述金属基片为钛、钼、钨或者其合金材料；所述标记的刻蚀方法为干法或湿法：干法指在特定气氛下采用RIE/DRIE方法进行刻蚀，湿法是采用腐蚀液进行刻蚀。

优选地，步骤3)所述金属层可以是铝、铬、镍等金属材料，或其合金材料，金属层的厚度范围为0.1μm至2μm；所述物理气相沉积包括真空蒸发、溅射、离子镀等。

优选地，步骤4)所述掩膜的材料可以是光刻胶或其它有机聚合物，还可以是金属或氧化物等；基片和掩膜材料的选择比(刻蚀速率比)一般大于1；掩膜时所用的掩膜板是表面涂敷微细图形铬膜的玻璃板。

优选地，步骤5)所述深反应离子刻蚀，若基片为钛片，则通常采用氯基气体进行刻蚀；若基片为钨片或钼片，则通常采用六氟化硫和氧气的混合气体进行刻蚀。

优选地，步骤6)所述剩余掩膜采用相应材料的腐蚀液或去胶液去除。

上述金属微小结构的加工方法中，可以先进行步骤2)和步骤3)，再进行步骤4)，即先做背面盲孔阵列后做正面掩膜；也可以先进行步骤4)，再进行步骤2)和步骤3)，即先做正面掩膜后做背面盲孔阵列。

与现有方法相比，本发明的优点和积极效果如下：

1)基片无需经过湿法减薄和化学机械抛光，可以保证足够的刚度，避免基片弯曲对光刻精度和后续刻蚀的不利影响；

2)适用于加工低刚度的弹性金属微小结构，电火花加工和DRIE刻蚀产生应力极低，因此可以有效减少结构应力的现象；

3)在基片背面PVD金属层，可以减小刻蚀中出现的Footing效应；所述Footing效应指当刻蚀遇到阻挡层无法向下继续刻蚀的时候，反应气体向横向刻蚀，在结构层底部形成钻蚀，从而影响器件的结构和可靠性；

4)由于深反应离子刻蚀不能腐蚀底部PVD的金属层，所以可以实现刻蚀的自停止；

5)微小金属结构件释放简单；

6)可批量生产，重复加工精度高。

附图说明

图1为本发明的金属微小结构的加工方法的工艺流程示意图。

图2为本发明实施例1中加工金属微小结构的工艺流程示意图。

图3为本发明实施例2中加工金属微小结构的工艺流程示意图。

图4为本发明实施例制备的金属微小结构的形状示意图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的技术特征及其所能达到的功效，下面通过实施例并结合附图做详细的描述。

本发明的金属微小结构的加工方法，如图1所示，主要步骤包括：a.基片准备；b.基片背面制作盲孔阵列；c.基片背面PVD金属层；d.基片正面定义掩膜图形；e.深反应离子刻蚀；以及f.去除剩余掩膜和金属层。

实施例1：本实施例制备微小齿轮，其工艺流程如图2所示，具体说明如下：

a)基片准备：采用厚度为500μm的钨片作为基片；在基片背面，干法刻蚀双面对准标记(如图2a中基片背面左边的缺口所示)和背面盲孔的对准标记(如图2a中基片背面右边的缺口所示)；

b)基片正面定义掩膜图形：首先在基片正面溅射厚度为1.2μm的铝(钨和铝的选择比约为100∶1)；然后在基片正面甩AZ胶(安智)，进行双面对准光刻，形成掩膜图形，所用的掩膜板是表面涂敷微细图形铬膜的玻璃板；再采用铝腐蚀液刻蚀溅射的铝层，形成硬掩膜图形；最后，用AZ去胶液去除残留的AZ胶；

c)在背面制作盲孔：采用微细电火花加工工艺，在钨片背面形成直径为1cm，深度为400μm的圆形盲孔阵列；制作盲孔是为了减薄结构的厚度，达到正面DRIE刻蚀的深度要求；阵列中盲孔的个数由需要制备的微小结构的大小、数量决定；

d)基片背面PVD金属层：在基片背面溅射厚度为0.5μm的铝；

e)深反应离子刻蚀：采用六氟化硫和氧气的混合气体，深反应离子刻蚀(DRIE)基片正面，采用刻蚀深度为100μm，当刻蚀至底部铝层时，DRIE无法刻蚀铝，刻蚀过程自动停止；所述DRIE的工艺参数为：腔体气压23mTorr、六氟化硫流量53sccm、氧气流量98sccm、线圈功率800W、平板功率150W、温度-20摄氏度，在此温度下刻蚀速率约为3μm/min；

f)去除剩余掩膜和金属层：采用磷酸去除正面和背面溅射的铝，释放微小结构。

该实施例是先做正面掩膜后做背面盲孔阵列，其优点是正面掩膜光刻精度高，缺点是正面掩膜可能在后续的制作背面盲孔过程中受到煤油溶剂的污染。

实施例2：本实施例制备微小齿轮，其工艺流程如图3所示，具体说明如下：

a)基片准备：采用厚度为500μm钛片作为基片；在基片背面，干法刻蚀双面对准标记(如图3a中基片背面左边的缺口所示)和背面盲孔的对准标记(如图3a中基片背面右边的缺口所示)；

b)在背面制作盲孔：采用微细电火花加工，在钛片背面形成直径为1cm，深度为400μm的圆形盲孔阵列；

c)基片背面PVD金属层：在基片背面溅射厚度为0.5μm的镍；

d)基片正面定义掩膜图形：在基片正面涂一层厚度为50μm的SU-8系列负胶，所述基片是钛片(钛和SU-8的选择比约为3)；进行双面对准光刻，形成掩膜图形，所用的掩膜板是表面涂敷微细图形铬膜的玻璃板；

e)深反应离子刻蚀：采用氯基气体，深反应离子刻蚀(DRIE)基片正面，采用刻蚀深度为100μm，当刻蚀至底部钛层时，DRIE无法刻蚀钛，刻蚀过程自动停止。所述DRIE的工艺参数为：腔体气压5mTorr、Cl₂流量43sccm、线圈功率800W、平板功率300W、温度为室温、刻蚀速率约为1μm/min；

f)去除剩余掩膜和金属层：用发烟硝酸去除SU-8光刻胶，用镍腐蚀液去除溅射的镍，释放微小结构。

该实施例是先做背面盲孔阵列后做正面掩膜，其优点在于掩膜图形不会受电火花加工过程中煤油溶剂的污染，缺点是背面制作盲孔后，对后续的正面光刻精度有一定影响。

上述实施例制备的微小齿轮的形状如图4所示，其中，白色方形部分为电火花打盲孔区域，周围黑色部分为金属基片。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种金属微小结构的加工方法，其步骤包括：

1)在金属基片背面刻蚀双面对准标记和背面盲孔的对准标记；

2)采用微细电火花工艺在所述基片背面制作盲孔阵列，从而将基片减薄，达到正面深反应离子刻蚀的深度要求，阵列中盲孔的个数由需要制备的微小结构的大小、数量决定；

3)采用物理气相沉积方法在所述基片背面制作金属层；

4)根据产品的结构形状，在所述基片正面对应区域定义掩膜图形；

5)采用深反应离子刻蚀技术从所述基片正面进行刻蚀，至所述基片背面的金属层时自动停止刻蚀；

6)去除所述掩膜和所述金属层，释放金属微小结构。

2.一种金属微小结构的加工方法，其步骤包括：

1)在金属基片背面刻蚀双面对准标记和背面盲孔的对准标记；

2)根据产品的结构形状，在所述基片正面对应区域定义掩膜图形；

3)采用微细电火花工艺在所述基片背面制作盲孔阵列，从而将基片减薄，达到正面深反应离子刻蚀的深度要求，阵列中盲孔的个数由需要制备的微小结构的大小、数量决定；

4)采用物理气相沉积方法在所述基片背面制作金属层；

5)采用深反应离子刻蚀技术从所述基片正面进行刻蚀，至所述基片背面的金属层时自动停止刻蚀；

6)去除所述掩膜和所述金属层，释放金属微小结构。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述金属基片为钛、钼、钨或者其合金材料，所述对准标记的刻蚀方法为干法或湿法。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述金属层是铝、铬、镍或者其合金材料。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述金属层的厚度范围为0.1μm至2μm。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述掩膜为有机聚合物、金属或氧化物。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基片和所述掩膜材料的选择比大于1。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，采用表面涂敷微细图形铬膜的玻璃板作为掩膜板。

9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：若所述基片为钛片，则采用氯基气体进行所述深反应离子刻蚀；若所述基片为钨片或钼片，则采用六氟化硫和氧气的混合气体进行所述深反应离子刻蚀。

10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤6)通过相应材料的腐蚀液或去胶液去除所述掩膜。