CN104555908A - 一种微弹簧的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微纳结构的加工技术，公开了一种微弹簧的加工方法。本发明中，微弹簧的加工方法包含以下步骤：提供一洁净硅片作为衬底；在衬底上淀积图形化牺牲层，其中，牺牲层的材料为非定形碳；在牺牲层和未淀积牺牲层的衬底上淀积薄膜，衬底上的薄膜形成固定锚点，牺牲层上的薄膜形成结构层；其中，结构层为条带状，且靠近固定锚点的厚度大于远离固定锚点的厚度；干法刻蚀掉牺牲层，获取结构层卷曲形成的微弹簧。利用非定型碳作为牺牲层的材料，并结合干法刻蚀牺牲层释放微弹簧，使得制造出来的微弹簧不坍塌，便于测试与应用。

Description

一种微弹簧的加工方法

技术领域

本发明涉及微纳结构的加工技术，特别涉及一种微弹簧的加工方法。

背景技术

以硅材料为基础的微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical-System，简称MEMS)被认为是21世纪的革命性的新技术，对科学技术、生产方式以及人类的生活都将产生深远的影响。

MEMS加工技术可以分为表面微加工技术、体微加工技术、键合技术、光刻电铸成型技术和牺牲层光刻电铸成型技术等。

表面微加工技术的含义就是先在基片上淀积一层牺牲层材料，然后再淀积一层结构材料，腐蚀掉牺牲层后形成各种微结构。

目前，在表面微加工技术中，普通微弹簧的加工通常采用湿法腐蚀牺牲层的方法。湿法腐蚀是最早用于微机械结构制造的加工方法。所谓湿法腐蚀，就是将硅晶片置于液态的化学腐蚀液中进行腐蚀。在腐蚀过程中，腐蚀液将把它所接触的材料通过化学反应逐步浸蚀溶掉。用于化学腐蚀的试剂很多，有酸性腐蚀剂、碱性腐蚀剂以及有机腐蚀剂等。根据所选择的腐蚀剂，又可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀剂。各向同性腐蚀的试剂，包含各种盐类(如氰基、亚氨基等)和酸，由于受到能否获得高纯试剂，以及希望避免金属离子的玷污这两个因素的限制，因此广泛采用氢氟酸-硝酸腐蚀系统。各向异性腐蚀是指对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率。基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种各样的微结构。各向异性腐蚀剂一般分为两类，一类是有机腐蚀剂，包括EPW(Ethylenediamine、Pyrocatechol and Water，乙二胺、邻苯二酚和水)和联胺等，另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化铵等。

普通的微弹簧通常选用PMMA(Polymethyl Methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)聚合物或光刻胶作为牺牲层，然后用丙酮刻蚀掉。但是，用这种方法制造微弹簧时，一旦丙酮挥发，微弹簧容易塌陷，而且处在溶液中的微弹簧不利于光学表征和力学方面的测试。另外，丙酮具有毒性，且易燃，使用时需小心谨慎。

另外，普通的微弹簧卷曲方法为了克服坍塌问题，通常采用超临界干燥的方法。但是一方面，超临界干燥的设备比较昂贵，其操作也给微弹簧的制造带来一定的复杂性。另一方面，微弹簧会在干燥过程中很容易被流动的液体损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微弹簧的加工方法，使得制造出来的微弹簧不坍塌，便于测试与应用。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种微弹簧的加工方法，包含以下步骤：

提供一洁净硅片作为衬底；

在所述衬底上淀积图形化牺牲层；其中，所述牺牲层的材料为非定形碳；

在所述牺牲层和未淀积牺牲层的衬底上淀积薄膜，所述衬底上的薄膜形成固定锚点，所述牺牲层上的薄膜形成结构层；其中，所述结构层为条带状，且靠近所述固定锚点的厚度大于远离所述固定锚点的厚度；

干法刻蚀掉所述牺牲层，获取所述结构层卷曲形成的所述微弹簧。

本发明实施方式相对于现有技术而言，是利用非定型碳作为牺牲层的材料，并干法刻蚀掉牺牲层实现释放微弹簧。具体地说，首先，提供一洁净硅片作为衬底。接着，在衬底上的部分区域淀积图形化牺牲层(即牺牲层的形状为预设的图案)，其中，该牺牲层的材料为非定形碳；接着，在牺牲层和未淀积牺牲层的衬底上淀积薄膜，衬底上的薄膜形成固定锚点，牺牲层上的薄膜形成结构层；其中，结构层为条带状，且靠近固定锚点的厚度大于远离固定锚点的厚度。最后，干法刻蚀掉牺牲层，获取结构层卷曲形成的微弹簧。由于利用非定型碳作为牺牲层的材料，并干法刻蚀牺牲层实现释放微弹簧，使得制造出来的微弹簧不坍塌，便于测试与应用。而且，由于结构层靠近固定锚点的厚度大于远离固定锚点的厚度，所以保证了在刻蚀掉牺牲层后，结构层卷曲形成微弹簧，且更易卷曲，同时形成的微弹簧更结实，不易断裂。另外，非定型碳没有毒性，使得该方法的加工过程无安全隐患。

另外，所述结构层与所述固定锚点呈预设角度；其中，所述预设角度大于零度且小于九十度。结构层与固定锚点的夹角在零与九十度之间时，结构层卷曲形成的微弹簧更规则。

另外，在所述牺牲层和未淀积牺牲层的衬底上淀积薄膜的步骤中，采用电子束蒸发或者溅射的方法。其中，所述固定锚点向电子束的蒸发源方向倾斜，且电子束的束流方向与所述衬底的夹角大于零度且小于九十度；或者，所述固定锚点向溅射源方向倾斜，且溅射的方向与所述衬底的夹角大于零度且小于九十度。

由于固定锚点向电子束的蒸发源方向或者溅射源方向倾斜，固定锚点所在侧距电子束的蒸发源或者溅射源较近，所以保证了在电子束蒸发或者溅射时，结构层靠近固定锚点的厚度大于远离固定锚点的厚度，使结构层更易卷曲形成微弹簧。

另外，在所述干法刻蚀掉所述牺牲层，获取所述结构层卷曲形成的所述微弹簧的步骤中，采用氧气作为反应气体。

用氧气(O₂)作为反应气体，在干法刻蚀牺牲层的过程中，非定型碳(C)与氧气(O₂)发生反应，生成二氧化碳(CO₂)气体挥发掉，使得实现了干法释放微弹簧。

另外，所述衬底上具有周期性点阵结构的孔。这样，制作的微弹簧上具有周期性的凸起点阵，从而使微弹簧具备更好的光学与机械性质。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的微弹簧的加工方法流程图；

图2是根据本发明第一实施方式的微弹簧的加工方法的102步骤对应的结构剖面示意图；

图3是根据本发明第一实施方式的微弹簧的加工方法的103步骤对应的俯视图；

图4是根据本发明第一实施方式的微弹簧的加工方法的103步骤对应的结构剖面示意图；

图5是根据本发明第一实施方式的微弹簧的加工方法的104步骤中的微弹簧的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种微弹簧的加工方法，具体流程如图1所示，包含以下步骤：

步骤101，提供一洁净硅片作为衬底。

步骤102，在衬底上淀积图形化牺牲层；其中，牺牲层的材料为非定形碳；牺牲层可以为矩形，牺牲层的一条边沿X轴方向，相邻的另一条边沿Y轴方向。本步骤对应的结构剖面示意图如图2所示，201为衬底，202为牺牲层。

在本实施方式中，牺牲层的厚度为2微米；非定型碳为α-C(α相碳)。首先，采用非定型碳制备牺牲层，工艺简单，采用简单的CVD(化学气相淀积)就可以制成；其次，制备工艺与半导体工艺完全兼容；再次，利用非定型碳制备的牺牲层还可图形化，应力小、不会碎；最后，碳很容易氧化，采用非定型碳制备的牺牲层，可快速地利用氧等离子体刻蚀或是直接氧气氛氧化掉。此外，由于非定型碳没有毒性，使得该方法的加工过程无安全隐患。

步骤103，在牺牲层和未淀积牺牲层的衬底上淀积一层薄膜，衬底上的薄膜形成固定锚点，牺牲层上的薄膜形成结构层；其中，结构层为条带状，且靠近固定锚点的厚度大于远离固定锚点的厚度；固定锚点用于固定结构层。本步骤对应的俯视图如图3所示，301为结构层，302为固定锚点，α为结构层的长边与X轴的夹角；本步骤对应的结构剖面示意图如图4所示。

由于结构层靠近固定锚点的厚度大于远离固定锚点的厚度，梁的应力分布不均，这样，保证了在刻蚀掉牺牲层后，结构层可以自动地卷曲形成微弹簧，且更易卷曲，同时形成的微弹簧更结实，不易断裂。

其中，结构层的材料可以为以下任意一种：铬(Cr)、钛(Ti)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)，固定锚点的材料与结构层的材料相同。在本实施方式中，优选地选择钛作为结构层的材料。首先，钛材料的结构层易于制备，采用溅射的方法就可以。其次，钛与其他材料粘附性好，不会脱膜。最后，钛结构层性质稳定，会与氧气迅速反应，形成稳定的TiO₂。

另外，结构层与固定锚点可以呈预设角度，且预设角度(α)大于零度且小于九十度，也就是，结构层的长边与X轴的夹角大于零度且小于九十度。结构层与固定锚点的夹角在零与九十度之间时，可以使结构层卷曲形成微弹簧。

另外，在本步骤中，可以通过控制结构层的宽度调整微弹簧的节距。在实际应用中，可以根据具体需要进行控制。比如说，当结构层的宽度为25微米时，节距可以为70微米左右。

另外，在本步骤中，还可以通过结构层与牺牲层之间的应力大小来调节微弹簧的直径，具体体现在结构层的厚度。

步骤104，干法刻蚀掉牺牲层，获取结构层卷曲形成的微弹簧。具体地说，由于结构层的厚度差异导致薄膜出现应力梯度分布，在释放过程中，因底层牺牲层的去除，结构层没有了底层薄膜粘附力的限制，在应力作用下，会沿着应力梯度方向迅速卷曲，形成微弹簧结构。本步骤中的微弹簧的示意图如图5所示，501为微弹簧。

在本步骤中，可以采用反应离子刻蚀、退火或者气氛氧化的方法刻蚀牺牲层。反应离子刻蚀、退火和气氛氧化均是现有成熟的技术，在此不再赘述。

在本步骤中，刻蚀牺牲层时采用氧气作为反应气体。用氧气(O₂)作为反应气体，在干法刻蚀牺牲层的过程中，非定型碳(C)与氧气(O₂)发生反应，生成二氧化碳(CO₂)气体挥发掉，使得实现了干法释放微弹簧。

由于利用非定型碳作为牺牲层的材料，并干法刻蚀牺牲层实现释放微弹簧，使得制造出来的微弹簧不坍塌，便于测试与应用。

在实际应用中，衬底上可以具有周期性点阵结构的孔。这样，制作的微弹簧上就可以具有周期性的凸起点阵，从而使微弹簧具备更好的光学与机械性质。

与现有技术相比，本实施方式是利用非定型碳作为牺牲层的材料，并干法刻蚀掉牺牲层实现释放微弹簧。由于利用非定型碳作为牺牲层的材料，并干法刻蚀牺牲层实现释放微弹簧，使得制造出来的微弹簧不坍塌，便于测试与应用。而且，由于结构层靠近固定锚点的厚度大于远离固定锚点的厚度，所以保证了在刻蚀掉牺牲层后，结构层卷曲形成微弹簧，且更易卷曲，同时形成的微弹簧更结实，不易断裂。同时，非定型碳没有毒性，使得该方法的加工过程无安全隐患。

此外，本领域技术人员可以理解，本实施方式中牺牲层为矩形，那么固定锚点也相应的为矩形；但在实际实现中，固定锚点可以根据需要设计成任意形状，比如说圆形，结构层排列在圆形固定锚点周围。本发明所列举的固定锚点的形状以及结构层的排列，只是为了方便说明，固定锚点的形状以及结构层的排列应当不受本发明的限制，只要采用本发明的步骤进行微弹簧的加工方法均应在本发明的保护范围之内。

本发明的第二实施方式涉及一种微弹簧的加工方法。第二实施方式为第一实施方式的进一步细化，给出了具体的在牺牲层和未淀积牺牲层的衬底上淀积薄膜的方法。在本发明第二实施方式中，采用电子束蒸发或者溅射的方法在牺牲层和未淀积牺牲层的衬底上淀积薄膜，且固定锚点倾向电子束的蒸发源或者溅射源，保证了结构层靠近固定锚点的厚度大于远离固定锚点的厚度。

具体地说，在牺牲层和未淀积牺牲层的衬底上淀积薄膜的步骤中，采用电子束蒸发或者溅射的方法。而且，固定锚点向电子束的蒸发源方向倾斜，且电子束的束流方向与衬底的夹角大于零度且小于九十度；或者，固定锚点向溅射源方向倾斜，且溅射的方向与衬底的夹角大于零度且小于九十度。

由于固定锚点向电子束的蒸发源方向或者溅射源方向倾斜，固定锚点所在侧距电子束的蒸发源或者溅射源较近，所以在电子束蒸发或者溅射时，结构层靠近固定锚点的厚度大于远离固定锚点的厚度，这样，可以使结构层更易卷曲形成微弹簧。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种微弹簧的加工方法，其特征在于，包含以下步骤：

提供一洁净硅片作为衬底；

在所述衬底上淀积图形化牺牲层；其中，所述牺牲层的材料为非定形碳；

在所述牺牲层和未淀积牺牲层的衬底上淀积薄膜，所述衬底上的薄膜形成固定锚点，所述牺牲层上的薄膜形成结构层；其中，所述结构层为条带状，且靠近所述固定锚点的厚度大于远离所述固定锚点的厚度；

干法刻蚀掉所述牺牲层，获取所述结构层卷曲形成的所述微弹簧。

2.根据权利要求1所述的微弹簧的加工方法，其特征在于，所述结构层与所述固定锚点呈预设角度；其中，所述预设角度大于零度且小于九十度。

3.根据权利要求1所述的微弹簧的加工方法，其特征在于，在所述牺牲层和未淀积牺牲层的衬底上淀积薄膜的步骤中，采用电子束蒸发或者溅射的方法。

4.根据权利要求3所述的微弹簧的加工方法，其特征在于，所述固定锚点向电子束的蒸发源方向倾斜，且电子束的束流方向与所述衬底的夹角大于零度且小于九十度；或者，所述固定锚点向溅射源方向倾斜，且溅射的方向与所述衬底的夹角大于零度且小于九十度。

5.根据权利要求1所述的微弹簧的加工方法，其特征在于，在所述干法刻蚀掉所述牺牲层，获取所述结构层卷曲形成的所述微弹簧的步骤中，采用反应离子刻蚀、退火或者气氛氧化的方法。

6.根据权利要求1所述的微弹簧的加工方法，其特征在于，在所述干法刻蚀掉所述牺牲层，获取所述结构层卷曲形成的所述微弹簧的步骤中，采用氧气作为反应气体。

7.根据权利要求1所述的微弹簧的加工方法，其特征在于，在所述牺牲层和未淀积牺牲层的衬底上淀积薄膜的步骤中，通过控制所述结构层的宽度控制所述微弹簧的节距。

8.根据权利要求1所述的微弹簧的加工方法，其特征在于，所述结构层的材料为以下任意一种：

铬Cr、钛Ti、镍Ni、金Au、银Ag、铜Cu。

9.根据权利要求8所述的微弹簧的加工方法，其特征在于，所述结构层的材料为钛。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的微弹簧的加工方法，其特征在于，所述衬底上具有周期性点阵结构的孔。