CN103253628A - 一种基于深刻蚀技术的微小金属零件制备及装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于深刻蚀技术的微小金属零件制备及装配方法。本方法为：1)在第一基片上制备若干固定零件部件；2)在一复合基片的零件层上刻蚀制备用于与所述固定零件部件装配的若干零件部件；其中，所述复合基片包括支撑层、零件层以及将所述支撑层与零件层键合在一起的中间层；3)利用键合机将第一基片与复合基片对准键合，得到一键合片；4)按零件单元大小对键合片进行划分；然后将复合基片上的零件释放，实现所述固定零件部件与复合基片上的零件部件装配。本方法适用于圆片级的制备与装配，可以实现大批量零件并行加工及装配，效率高、装配精度高、一致性高、成本低。

Description

一种基于深刻蚀技术的微小金属零件制备及装配方法

技术领域

本发明涉及微机械加工技术，特别涉及基于深刻蚀技术的零件制备方法及基于对准键合技术的转移装配方法。

背景技术

自20世纪80年代以来，微机电系统(MEMS)发展迅速，其应用领域逐步扩大，如微型机械、微传感器、微驱动、微加速度计等研究已经涉及到航空航天、军事、生物医学工程等领域。仅作为例子，作为微执行器和传动结构中重要部件的微型齿轮，已成功通过LIGA和精密机械加工技术制造并组装得到微齿轮行星减速器。

目前，微型零件加工的材料可分为：硅和硅化物、金属和有机聚合物。应用硅材料加工得到的各种MEMS零器件已经广泛用于汽车、航天等领域，但硅材料本身非常脆、易碎，因此并不适合大冲击、大载荷等的应用；此外，在震动和摩擦的环境下，硅基器件也容易失效。正因为如此，利用金属，这一传统机械加工中最重要的材料，加工制备微型零件，是较理想的选择。金属不仅具有很好的杨氏模量和弹性，而且具备良好的延展性、导电性和很高的断裂韧度。随着金属材料刻蚀技术的研究发展，使得利用金属材料加工微型小零件成为可能。

伴随着机械零件的微小型化，微型零件的低成本、批量制造及装配技术成为微细加工领域的重要研究方向。微机械零件的加工技术，仍局限于传统微机械加工技术，如利用微细电火花加工技术、微精细机械加工技术，不仅对设备要求高，而且单次单件的加工方式，加工成本高，可重复性低；虽然在MEMS技术领域，利用LIGA技术，成功制备出微齿轮等微机械零件，但该方法并不是直接对金属材料进行加工，而是通过在硅、玻璃等基底上通过光刻等方法制备出零件模块，再通过电镀得到金属件。虽然实现了微机械零件的并行加工，单批次制备的零件一致性好，但LIGA技术对设备要求高，在一定程度上增加了微零件制造成本；此外，可电镀的材料种类有限，且电镀材料的均匀性和工艺稳定性较差；电镀金属不如金属体材，如电镀金属孔隙率多，在一定程度上影响了微机械零件的机械性能。

无论是通过微机械加工技术还是LIGA技术制备出零件，需要单件逐个装配，而微尺度下的表面效应使得微小机械零件的拾取和放置过程难度加大，且单件逐个装备容易误装、漏装。也有一些研究人员通过利用零件有效功能结构表面处理，如静电力、范德华力和表面张力的影响，实现零件自装配，且定位精度高，但装配精度与结合点尺寸成正比，要达到高精度对准就要消耗较大的面积，待装配零件的尺寸难以进一步缩小；装配方向性差；无法实现三维精度的对准。

发明内容

基于现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于深刻蚀技术的微小金属零件制备及装配方法，本发明利用金属(钛、钼、钨等)深刻蚀技术加工制备零件，并通过对准键合技术实现零件的转移装配。

1.在第一基片上，通过刻蚀、电镀或者传统机械加工技术，如精细电火花、激光切割等，得到固定结构的零件部件1；

2.复合基片制备：利用介质层/中间层键合技术，制备由零件层、中间层、支撑层组成的复合基片；

3.在复合基片的零件层上，通过刻蚀得到零件部件2；

4.在第一基片或复合基片上，包覆(喷涂、CVD等)一层介质层材料；

5.第一基片和复合基片对准键合，实现零件部件2和部件1套准装配；

6.按零件大小，将键合片划成小片；

7.零件释放，通过湿法、干法刻蚀技术去除复合基片的中间层，及步骤4包覆的介质层材料，得到一定公差配合的微机械零件；

上述步骤1、步骤3中刻蚀所需的掩膜材料可以是有机聚合物或无机物，所述的有机物例如聚对二甲苯(Parylene)、光刻胶，所述的无机物包括金属(如Ni、Al)和半导体化合物(如二氧化硅、氮化硅等)。定义掩膜图形的方式可以为光刻、丝网印刷、激光、刻蚀(包括湿法腐蚀和干法刻蚀)等；

上述步骤4中，提到的介质层材料可以为光刻胶、高聚物。

上述步骤3中，复合基片的零件层和支撑层可以为金属(钛、钼、钨等)、玻璃等材料；复合基片的中间层可以为光刻胶、Parylene、polymer、PMMA、压敏胶、热敏胶等聚合物。

上述步骤7中，提到的零件结构释放，可以是先中间层释放，使得复合基片零件层脱离支撑层，再键合层释放；可以是先键合层释放，再中间层释放；也可以是中间层和键合层同时释放。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明的零件制备、装配和释放，可广泛应用于MEMS微型零、器件的制备，如开关、齿轮、弹簧等；

该方法适用于圆片级的制备与装配，可以实现大批量零件并行加工及装配，效率高、装配精度高、一致性高、成本低；

该方法制备、装配的零件，一次成形，且位置固定，得到一定公差装配的零件；

本发明的零件装配方法，可有效减少漏装、误装，且装配设备易于操作，装配过程简单；

键合介质层的涂覆，可以固定零件，且利于后续释放过程。

附图说明

图1(a)-(e)为通过深刻蚀制备零件，并通过转移实现零件装配的流程图；

图2为释放后得到的零件示意图。

具体实施方式

下边结合附图，通过实施例进一步对本发明进行详细说明，但不以任何方式限制本发明的范围。制备第一基片和复合基片所需的金属圆片，利用线切割的方式制备出四寸金属圆片。进行低温真空退火以及化学机械抛光，得到500μm～1000μm厚四寸双面抛光金属圆片。

1制备零件部件1

在第一基片上，制备零件部件1的掩膜，通过DIRE刻蚀形成零件部件1。如图1(a)所示。

2制备零件部件2

(1)制备复合基片：

使用AZ系列光刻胶作为中间粘附层，在压力(500N)、温度(90～100℃)条件下，将金属圆片和衬底玻璃片键合在一起，然后通过抛光减薄将金属圆片减薄到零件所需厚度，得到复合基片，如图1(c)所示。

(2)制备零件部件2

在复合基片上，根据装配设计制备零件部件2的掩膜，通过DRIE刻蚀形成零件部件2，适当过刻保证刻蚀至中间粘附层。如图1(d)所示。

3键合胶涂覆

通过喷涂方法，在已刻蚀图形化的第一基片或复合基片上，涂覆一定厚度的光刻胶，比如正性光刻胶，如AZ4620/9260光刻胶(6μm～8μm)，烘胶一定时间(2min～5min)，如图1(b)所示。

4零件对准装配

使用EVG系列键合机，实现第一基片和复合基片对准，在一定的压力(500N)、温度(90～100℃)条件完成键合，实现零件部件1和部件2的对准装配；如图1(e)所示。

5按零件单元大小，将键合片划成小片。

6零件释放

将装配好的零件浸入去胶液、丙酮或者其他AZ系列光刻胶可溶溶液中，使得零件与玻璃基底的分离，并去除键合层光刻胶，待光刻胶完全被去除后，将零件浸入乙醇溶液中进一步清洗。至此，完成零件的释放，得到复杂结构的微机械零件，如图2所示。

Claims (9)

1.一种基于深刻蚀技术的微小金属零件制备及装配方法，其步骤为：

1)在第一基片上制备若干固定零件部件；

2)在一复合基片的零件层上刻蚀制备用于与所述固定零件部件装配的若干零件部件；其中，所述复合基片包括支撑层、零件层以及将所述支撑层与零件层键合在一起的中间层；

3)利用键合机将第一基片与复合基片对准键合，得到一键合片；

4)按零件单元大小对键合片进行划分；然后将复合基片上的零件释放，实现所述固定零件部件与复合基片上的零件部件装配。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于通过DRIE刻蚀所述零件层，且刻蚀至所述中间层。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于将复合基片上的零件释放的方法为：首先对所述中间层释放，使得复合基片上的零件层脱离所述支撑层；然后对第一基片与复合基片之间的键合层释放。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于将复合基片上的零件释放的方法为：首先对第一基片与复合基片之间的键合层释放；然后对所述中间层释放，使得复合基片上的零件层脱离所述支撑层。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于将复合基片上的零件释放的方法为：对所述中间层，以及第一基片与复合基片之间的键合层同时释放。

6.如权利要求3或4或5所述的方法，其特征在于采用湿法腐蚀技术或干法刻蚀技术进行零件释放。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于将第一基片与复合基片对准键合的方法为：首先在第一基片或复合基片的键合面上喷涂键合胶并烘胶设定时间，得到一键合层，然后利用键合机将第一基片与复合基片对准键合。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述键合胶为光刻胶。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述零件层和支撑层为金属材料或玻璃材料；所述中间层为聚合物。

Images