CN105271099B - 一种mems电热致动器及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS电热致动器及其制造工艺，解决了独立加工的问题，实现了工作电压小、变形大、功耗小和反应快。电热致动器为悬臂梁，梁(2)包括上层(7)、中层(5)、下层(3)、粘合层(4)和绝缘层(6)，上层材料和下层材料的热膨胀系数不同，中层(5)为加热层，粘合层(4)位于中层(5)与下层(3)之间，绝缘层(6)将中层(5)的上表面覆盖，在绝缘层(6)上嵌入有两个电极，两个电极分别与加热层的“U”形上部两端侧面接触，且两个电极与上层(7)为一体，梁固定端的下层底部为基底层。

Description

一种MEMS电热致动器及其制造工艺

技术领域

本发明属于MEMS技术领域，具体涉及一种MEMS电热致动器及其制造工艺。

背景技术

MEMS(Micro electro mechanical Systems——微机电系统)是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。现有的MEMS电热致动器的材料通常为Cu-SiO₂、Al-SiO₂或Au-SiO₂几种。现有的MEMS电热致动器的制造工艺，国外采用专用的MEMS生产线。而在国内主要是在集成电路的工艺生产线上进行MEMS电热致动器的加工，由于加工MEMS电热致动器的同时加工集成电路，因此，多数集成电路的工艺生产线不兼容加工铜和金。MEMS电热致动器中的加热层材料通常采用多晶硅，由于国外工艺成熟，加热层多晶硅(如氮化硅)的电阻值可以达到几～几十欧姆，而国内的工艺只能达到几百欧姆，这样在产生同样的热和变形时就需要较大的电压，功耗大，反应慢，影响实际应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种MEMS电热致动器及其制造工艺，解决了MEMS电热致动器独立加工的技术问题，实现了MEMS电热致动器工作电压小，且在通电状态下的工作变形大、功耗小和反应快。

本发明的技术方案是，一种MEMS电热致动器为悬臂梁，所述悬臂梁由焊盘和梁构成，梁有固定端和悬臂端，焊盘位于梁固定端的两侧。

梁为层次结构，梁包括上层、中层、下层、粘合层和绝缘层，上层材料和下层材料的热膨胀系数不同，中层为加热层，粘合层位于中层与下层之间，在梁的纵截面内中层和粘合层的形状均为“U”形，绝缘层位于中层与下层之间，且绝缘层将中层的上表面覆盖，在绝缘层上嵌入有两个电极，两个电极分别与加热层的“U”形上部两端侧面接触，且两个电极与上层为一体，梁固定端的下层底部为基底层。

所述上层的材料为铝，中层的材料为铂，下层的材料为二氧化硅，粘合层的材料为钛，绝缘层的材料为铝，焊盘和基底的材料均为硅。

一种MEMS电热致动器的制造工艺的具体步骤如下：

第一步：制备梁的下层，即采用干法氧化法制备二氧化硅层，

(1)硅片的干法氧化，采用一片晶向为100的P型硅片，且P型硅片厚度为505～545μm，对该P型硅片进行清洗，去掉其表面污染杂质和自然氧化层；将清洗后的P型硅片放置在温度为1050℃的卧式加热炉管中，对硅片的一面进行厚度为的氧化，即在P型硅片上形成梁的下层。

第二步：采用光刻剥离技术制备梁(2)的中层(5)和粘合层(4)，

(1)将带有二氧化硅层的硅片放置在180°烘箱中烘干90min，然后用六甲基二硅胺烷做成膜处理，此过程持续10min；然后在二氧化硅层表面上涂厚度为1.5um的AZ5214光刻胶，光刻胶采用正胶，将掩膜板Ⅰ覆盖在光刻胶表面上，掩膜板Ⅰ的透光区为“U”形，将涂有光刻胶的硅片进行曝光，然后将其放入烘箱中，在温度为110℃下进行烘烤2min；之后再广泛曝光15s；将曝光后的硅片放入显影液中，显影时间为3～5min；显影后将显影区残留的光刻胶去除；

(2)使用电子束蒸发系统，在光刻后的P型硅片的二氧化硅层上蒸发厚度为的钛，然后在钛层上再蒸发厚度为的铂，之后先将其放入丙酮中浸泡12小时以上，再先后在丙酮、乙醇和去离子水中分别浸泡半小时，去掉光刻胶；

第三步：制备梁的绝缘层，并刻蚀出制动器悬臂梁形状，

(1)使用低温氧化物工艺模块，在300℃的温度条件下，将经过上述工艺的硅片上淀积的二氧化硅，形成绝缘层；

(2)将经上述加工步骤后的硅片放置在180℃烘箱中，烘干90min，然后用六甲基二硅胺烷做成膜处理，此过程持续10min；硅片随工作台旋转，将9912光刻胶旋转涂抹于绝缘层上，光刻胶厚度为1.5um；覆盖掩膜板Ⅱ后进行曝光，掩膜板Ⅱ的不透光区形状为长方形，与梁的形状一致；再进行显影液显影；再将显影区残留的光刻胶去除；然后在120℃条件下烘干40min，再进行干法刻蚀，将没有光刻胶保护的二氧化硅刻蚀直至硅基底上，形成梁的长方形；进行干法去胶，再分别浸泡丙酮、乙醇、等离子水去胶，使去胶完全；

(3)使用掩膜板Ⅲ，采用干法刻蚀方法，在梁的固定端的绝缘层上刻蚀2个通孔，这2个孔通直至铂层的“U”形上部两端侧面；掩膜板Ⅲ透光区为两个方孔，该两个方孔对应2个通孔位置；

具体步骤为：将经上述加工步骤后的硅片放置在180℃烘箱中烘干90min，然后用六甲基二硅胺烷做成膜处理，成膜处理过程的时间为10min，使用9920光刻胶在95℃旋转涂抹于绝缘层上；利用掩膜板Ⅲ进行曝光；在110℃条件下烘烤1min；利用显影液显影；将显影区残留的光刻胶去除； 在120℃条件下烘干40min；进行干法刻蚀，将没有光刻胶保护的二氧化硅刻蚀通孔，形成2个通孔；进行干法去胶10min，再分别浸泡丙酮、乙醇、等离子水去胶，使去胶完全；使用100:1的氢氟酸溶液清洗。

第四步：制备梁的上层和焊盘，

在硅片的绝缘层上面溅射厚度为的铝，形成上层(7)；将经上述加工步骤后的硅片放置在95℃烘箱中，烘干90s；将S9920光刻胶涂抹在铝层上，厚度为1.8um；利用掩膜板Ⅳ进行曝光；在110°条件下烘烤1min；利用显影液显影35s；将显影区残留的光刻胶去除；再在120°条件下烘干40min；利用腐蚀液将无光刻胶保护的铝湿法腐蚀掉；使用丙酮浸泡5min、乙醇浸泡5min，并用水冲洗去胶；

第五步：制备致动器梁的固定端和悬臂端，采用释放工艺清掉梁悬臂端下层底部的基底，保留梁的固定端下层底部的基底；

步骤如下：对不需要释放的位置涂光刻胶保护，然后利用掩膜板曝光，使用XeF₂释放挖除厚度为100μm的硅；释放后，干法去胶，从而形成梁的悬臂端，完成电热致动器的制备。

本发明的有益效果是，本发明通过对电热致动器材料选择，结构制造工艺的设计，可以通过施加外界电压使电热致动器快速响应产生一定的翘曲变形，达到致动目的，此结构整体厚度小于200um表面尺寸小于1×1mm²。同时通过MEMS工艺加工制作的电热致动器可以在同一硅基底上集成，以达到系统集成的目的，其通过焊点由电路板供电，此种致动器的主要优点可以归结为：1)电热致动器功耗很小，电热致动器响应快；2)实现片外位移，变形较大，致动力较大；3)结构简单，可多次重复使用；4)可以用 于光路信号遮断等其他场合，避免信号电压干扰，能够在外界环境温度很低的状态下工作。

附图说明

图1为本发明一种MEMS电热致动器的结构示意图；

图2为图1的A-A向剖视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。

如图1所示，本发明的一种MEMS电热致动器为悬臂梁结构，该悬臂梁由焊盘1和梁2构成，梁2有固定端和悬臂端，焊盘1位于梁固定端的两侧，是给梁2接电的部分。

如图2所示，梁2为层次结构，梁2包括上层7、中层5、下层3、粘合层4和绝缘层6，上层材料和下层材料的热膨胀系数差异较大，利用上层材料和下层材料的热膨胀系数差异导致梁2的变形，从而实现致动器的功能。中层5为加热层，在梁的纵截面内中层5和粘合层4的形状均为“U”形。粘合层位于中层5与下层3之间，增强中层5与下层3之间的黏附作用。绝缘层6位于中层5与下层3之间，且将中层5的上表面覆盖，在绝缘层上嵌入有两个电极，两个电极分别与加热层的“U”形上部两端侧面接触，电热致动器使用时，该两个电极与电源接通，从而实现为加热层供电。两个电极与上层7为一体。梁固定端的下层底部为基底层。上层7的材料为铝，中层5的材料为铂，下层3的材料为二氧化硅，粘合层4的材料为钛，绝缘层6的材料为铝，焊盘1和基底的材料均为硅。下层二氧化硅作为热膨胀系数小的结构层，粘合层钛作为铂和下层二氧化硅之间的粘合层， 中层铂为加热层，绝缘层二氧化硅在铂和铝之间，全部覆盖铂，起绝缘作用，上层铝作为热膨胀系数大的结构层。

本发明一种MEMS电热致动器的制造工艺具体步骤如下：

第一步：制备梁的下层3，即采用干法氧化法制备二氧化硅层：选择硅片作为基底，将硅片的一面进行干法氧化，得到下层的二氧化硅层。

(1)硅片的干法氧化，采用一片晶向为100的P型硅片，且P型硅片直径为4英寸，厚度为505～545μm，该尺寸的P型硅片可以同时制备500个致动器。对该P型硅片进行清洗，去掉其表面污染杂质和自然氧化层；将清洗后的P型硅片放置在温度为1050℃的卧式加热炉管中，对硅片的一面进行厚度为的氧化，厚度公差为(——埃，1千埃为0.1μm)的正面氧化的，即在硅片的一面上得到热膨胀系数较小的二氧化硅层，即在基底上形成梁2的下层3。

第二步：采用光刻剥离技术制备梁2的中层5和粘合层4。

(1)将带有二氧化硅层的硅片放置在180°烘箱中烘干90min，然后用HDMS(六甲基二硅胺烷)做成膜处理，此过程持续10min，目的是增加二氧化硅层与光刻胶之间的粘附性；然后在二氧化硅层表面上涂厚度为1.5um的AZ5214光刻胶，光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体。光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变。光刻胶有正胶和负胶之分，其中，正胶曝光可溶，负胶曝光后不可溶，此处使用的为正胶。将掩膜板Ⅰ覆盖在光刻胶表面上，掩膜板Ⅰ有透光区和不透光区构成，透光区为“U”形，在掩膜板Ⅰ的覆盖下将其曝光， “U”形透光区处的光刻胶溶解，不透光区的光刻胶不溶。然后将其放入烘箱中，在温度为110℃下进行烘烤2min；之后再广泛曝光15s；将曝光后的硅片放入显影液中，将溶解的光刻胶溶去，此过程为显影，在显影液中显影时间为3～5min；显影后使用显微镜检查，检查“U”形区的光刻胶是否全部溶去；若存在残留光刻胶，则将显影区残留的光刻胶去除，目的是防止残留光刻胶影响钛与二氧化硅的粘结。上述过程也称光刻。

(2)使用电子束蒸发系统在光刻后的P型硅片的二氧化硅层上蒸发厚度为的钛，然后在钛层上再蒸发厚度为的铂，此时钛直接附着在“U”形无光刻胶的二氧化硅层上，其形状与掩膜版Ⅱ的透光区形状相同，为“U”形，其余有光刻胶的部分，钛附着在光刻胶上。之后先将其放入丙酮中浸泡12小时以上，再先后在丙酮、乙醇和去离子水中分别浸泡半小时，去掉光刻胶，同时将附着在光刻胶上的钛与铂也将一同被分离。再进行去胶检查，保证无残留光刻胶，若存在残留光刻胶，则需剥离干净。得到的“U”形的钛层与铂层。

第三步：制备梁2的绝缘层，并刻蚀出制动器悬臂梁形状。

(1)使用LTO工艺模块(低温氧化物工艺模块)，在300℃的温度条件下，将经过上述工艺的硅片上淀积的二氧化硅，公差为从而形成二氧化硅绝缘层。将经上述加工步骤后的硅片放置在180℃烘箱中，烘干90min，然后用HDMS(六甲基二硅胺烷)做成膜处理，此过程持续10min，成膜处理的目的是增加二氧化硅层与光刻胶之间的粘附性；硅片在转速为3000转/min的工作台上，随工作台旋转，将9912光刻胶旋转涂抹于绝缘层上，光刻胶厚度为1.5um；覆盖掩膜板Ⅱ后进行曝光，掩膜 板Ⅱ的不透光区形状为长方形，与梁的形状一致；再进行显影液显影；显影后使用显微镜检查，检查是否存在残留光刻胶；将显影区残留的光刻胶去除，目的是防止残留光刻胶影响钛与二氧化硅的粘结，去除残留光刻胶时间为40s；然后在120℃条件下烘干40min，此时烘干也称为坚膜，主要是为了固化光刻胶，增强其在后续刻蚀中的抗蚀性与保护能力，并增强光刻胶与二氧化硅层之间的粘附能力；再进行干法刻蚀，将没有光刻胶保护的二氧化硅刻蚀直至硅基底上；进行干法去胶，再分别浸泡丙酮、乙醇、等离子水去胶，使去胶完全；最后进行去胶检查，检查去胶是否完全。

(2)使用掩膜板Ⅲ，采用干法刻蚀方法，在梁的固定端刻蚀二氧化硅，即在绝缘层上刻蚀2个通孔，这2个孔通直至铂层的“U”形上部两端侧面，使下步骤中溅射的铝进入该2个通孔，从而形成两个电极，目的是在焊盘1与加热层之间的通电线路。掩膜板Ⅲ透光区为两个方孔，该两个方孔对应2个通孔位置；

具体步骤为：将经上述加工步骤后的硅片放置在180℃烘箱中烘干90min，然后用HDMS(六甲基二硅胺烷)做成膜处理，成膜处理过程的时间为10min，成膜处理目的是增加二氧化硅层与光刻胶之间的粘附性；使用9920光刻胶在95℃、工作台的转速为3000转/min的条件下，旋转涂抹于绝缘层上，此过程为3min；利用掩膜板Ⅲ进行曝光；在110℃条件下烘烤1min；利用显影液显影；显影后使用显微镜检查，检查光刻质量；将显影区残留的光刻胶去除；在120℃条件下烘干40min，也称为坚膜，主要是为了固化光刻胶，增强其在后续刻蚀中的抗蚀性与保护能力，并增强光刻胶与二氧化硅层之间的粘附能力；进行干法刻蚀，将没有光刻胶保护的二 氧化硅刻孔并最终停留在铂上；先进行干法去胶10min，再分别浸泡丙酮、乙醇、等离子水去胶，使去胶完全；进行去胶检查，检查无残胶；使用100:1的氢氟酸溶液清洗。

第四步：制备梁2的上层7和焊盘1。

在硅片的绝缘层上面溅射厚度为的金属铝，公差为

对其进行光刻、湿法刻蚀，形成两个电极和热膨胀系数大的功能层一体的铝层，利用掩膜板Ⅳ形成致动器的焊盘1部分，以及焊盘1与加热层之间的通电线路。掩膜板Ⅳ不透光区的形状为焊盘1与加热层之间的通电线路形状，不透光区形状为长方形。

具体步骤为：将经上述加工步骤后的硅片放置在95℃烘箱中烘干90s；将S9920光刻胶涂抹在铝层上，厚度为1.8um；利用掩膜板Ⅳ进行曝光，掩膜板Ⅳ的不透光区为梁的形状，透光区为焊盘7的形状；在110℃条件下烘烤1min；利用显影液显影35s；显影后使用显微镜检查，检查是否有残留光刻胶；扫底膜，即将显影区残留的光刻胶去除；在120℃条件下烘干40min；利用腐蚀液将无光刻胶保护的铝通过湿法腐蚀掉；使用丙酮浸泡5min、乙醇浸泡5min，并用水冲洗10遍去胶；去胶检查。

第五步：制备致动器梁的固定端和悬臂端，采用释放工艺清掉梁悬臂端下层底部的基底，保留梁的固定端下层底部的基底。步骤如下：对不需要释放的位置涂光刻胶保护，然后利用掩膜板曝光，使用XeF₂释放挖除厚度为100μm的硅；释放后，干法去胶，从而形成梁的悬臂端，完成电热致动器的制备。

电热致动器的输出位移可随材料选择的不同，整体尺寸的变化而变化， 所以可以在MEMS系统整体设时针对需要灵活调整。

此种电热致动器可以用于如微泵、微阀、微镊子等器件中的致动机构，微光谱仪、微型粘度计、数字驱动微镜投影系统中的微致动机构。此外，在安全气囊装置、汽车发动机工作状态控制模块、军事MEMS中的灵巧蒙皮、微型引信保险与解除保险安全装置、微型无人驾驶飞机等MEMS产品中也有应用。

电热致动器的工作过程如下：在平时状态下，即不上电的状态下，电热致动器不产生变形，上电时，也避免了电压直接加载到热膨胀系数较大的金属层上产生大量热，从而使其熔化。在工作状态时，对电热致动器施加电压，加热层铂处于通电状态，产生焦耳热，由于上层和下层材料的热膨胀系数之差使整个结构因为焦耳热迅速响应，产生梁的悬臂端翘曲变形，在致动器梁的悬臂端形成机械位移，完成致动器功能。

Claims (3)

1.一种MEMS电热致动器，其特征是：该电热致动器为悬臂梁，所述悬臂梁由焊盘(1)和梁(2)构成，梁(2)有固定端和悬臂端，焊盘(1)位于梁固定端的两侧；

梁(2)为层次结构，梁(2)包括上层(7)、中层(5)、下层(3)、粘合层(4)和绝缘层(6)，上层材料和下层材料的热膨胀系数不同，中层(5)为加热层，粘合层(4)位于中层(5)与下层(3)之间，在梁(2)的纵截面内中层(5)和粘合层(4)的形状均为“U”形，绝缘层(6)位于上层(7)与下层(3)之间，且绝缘层(6)将中层(5)的上表面覆盖，在绝缘层(6)上嵌入有两个电极，两个电极分别与加热层的“U”形上部两端侧面接触，且两个电极与上层(7)为一体，梁固定端的下层底部为基底层。

2.按照权利要求1所述的一种MEMS电热致动器，其特征在于：所述上层(7)的材料为铝，中层(5)的材料为铂，下层(3)的材料为二氧化硅，粘合层(4)的材料为钛，绝缘层(6)的材料为二氧化硅，焊盘(1)和基底的材料均为硅。

3.按照权利要求2所述的一种MEMS电热致动器的制造工艺，其特征是：所述制造工艺的具体步骤如下：

第一步：制备梁的下层(3)，即采用干法氧化法制备二氧化硅层，

(1)硅片的干法氧化，采用一片晶向为100的P型硅片，且P型硅片厚度为505～545μm，对该P型硅片进行清洗，去掉其表面污染杂质和自然氧化层；将清洗后的P型硅片放置在温度为1050℃的卧式加热炉管中，对硅片的一面进行厚度为的氧化，即在P型硅片上形成梁(2)的下层(3)；

第二步：采用光刻剥离技术制备梁(2)的中层(5)和粘合层(4)，

(1)将带有二氧化硅层的硅片放置在180°烘箱中烘干90min，然后用六甲基二硅胺烷做成膜处理，此过程持续10min；然后在二氧化硅层表面上涂厚度为1.5um的AZ5214光刻胶，光刻胶采用正胶，将掩膜板Ⅰ覆盖在光刻胶表面上，掩膜板Ⅰ的透光区为“U”形，将涂有光刻胶的硅片进行曝光，然后将其放入烘箱中，在温度为110℃下进行烘烤2min；之后再广泛曝光15s；将曝光后的硅片放入显影液中，显影时间为3～5min；显影后将显影区残留的光刻胶去除；

(2)使用电子束蒸发系统，在光刻后的P型硅片的二氧化硅层上蒸发厚度为的钛，然后在钛层上再蒸发厚度为的铂，之后先将其放入丙酮中浸泡12小时以上，再先后在丙酮、乙醇和去离子水中分别浸泡半小时，去掉光刻胶；

第三步：制备梁2的绝缘层，并刻蚀出制动器悬臂梁形状，

(1)使用低温氧化物工艺模块，在300℃的温度条件下，将经过上述工艺的硅片上淀积的二氧化硅，形成绝缘层；

(2)将经上述加工步骤后的硅片放置在180℃烘箱中，烘干90min，然后用六甲基二硅胺烷做成膜处理，此过程持续10min；硅片随工作台旋转，将9912光刻胶旋转涂抹于绝缘层上，光刻胶厚度为1.5um；覆盖掩膜板Ⅱ后进行曝光，掩膜板Ⅱ的不透光区形状为长方形，与梁的形状一致；再进行显影液显影；再将显影区残留的光刻胶去除；然后在120℃条件下烘干40min，再进行干法刻蚀，将没有光刻胶保护的二氧化硅刻蚀直至硅基底上，形成梁的长方形；进行干法去胶，再分别浸泡丙酮、乙醇、等离子水去胶，使去胶完全；

(3)使用掩膜板Ⅲ，采用干法刻蚀方法，在梁的固定端的绝缘层上刻蚀2个通孔，这2个孔通直至铂层的“U”形上部两端侧面；掩膜板Ⅲ透光区为两个方孔，该两个方孔对应2个通孔位置；

具体步骤为：将经上述加工步骤后的硅片放置在180℃烘箱中烘干90min，然后用六甲基二硅胺烷做成膜处理，成膜处理过程的时间为10min，使用9920光刻胶在95℃旋转涂抹于绝缘层上；利用掩膜板Ⅲ进行曝光；在110℃条件下烘烤1min；利用显影液显影；将显影区残留的光刻胶去除；在120℃条件下烘干40min；进行干法刻蚀，将没有光刻胶保护的二氧化硅刻蚀通孔，形成2个通孔；进行干法去胶10min，再分别浸泡丙酮、乙醇、等离子水去胶，使去胶完全；使用100:1的氢氟酸溶液清洗；

第四步：制备梁(2)的上层(7)和焊盘(1)，

在硅片的绝缘层上面溅射厚度为的铝，形成上层(7)；将经上述加工步骤后的硅片放置在95℃烘箱中，烘干90s；将S9920光刻胶涂抹在铝层上，厚度为1.8um；利用掩膜板Ⅳ进行曝光；在110°条件下烘烤1min；利用显影液显影35s；将显影区残留的光刻胶去除；再在120°条件下烘干40min；利用腐蚀液将无光刻胶保护的铝湿法腐蚀掉；使用丙酮浸泡5min、乙醇浸泡5min，并用水冲洗去胶；

第五步：制备致动器梁的固定端和悬臂端，采用释放工艺清掉梁悬臂端下层底部的基底，保留梁的固定端下层底部的基底；

步骤如下：对不需要释放的位置涂光刻胶保护，然后利用掩膜板曝光，使用XeF₂释放挖除厚度为100μm的硅；释放后，干法去胶，从而形成梁的悬臂端，完成电热致动器的制备。