CN108584864A - 一种基于聚酰亚胺的柔性静电驱动mems继电器的制造方法 - Google Patents

一种基于聚酰亚胺的柔性静电驱动mems继电器的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于聚酰亚胺的柔性静电驱动MEMS继电器的制造方法，属于微机电系统微加工技术领域。制备得到的MEMS继电器的基底和可动结构的材料均为柔性聚合物聚酰亚胺，而且聚酰亚胺基底可以从硅片上剥离下来，从而真正实现了继电器的柔性。本发明采用热氧化、磁控溅射、光刻、化学腐蚀、等离子体增强化学气相沉积、牺牲层去除等工艺实现MEMS继电器的结构。该方法制备出的MEMS继电器具有柔性，可以用于柔性电子领域。

Description

一种基于聚酰亚胺的柔性静电驱动MEMS继电器的制造方法
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)微加工技术领域，涉及一种基于聚酰亚胺的柔性静电驱动MEMS继电器的制造方法。
技术背景
MEMS继电器因其体积小、功耗低、断态漏电流小以及接触电阻小等优点，被广泛用于通讯和集成电路等领域。目前，大多数MEMS继电器的基底材料是硅，可动结构(例如悬臂梁、弹簧等)的材料也通常是硅或者镍等硬质材料。
近年来，柔性电子受到了广泛关注，在可穿戴电子、显示器、太阳能电池、传感器等领域具有广阔应用前景。为了具有柔性，柔性电子器件的基底材料通常选用柔性聚合物，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)等。显然，上述的硅基MEMS继电器无法用于柔性电子。2011年，韩国科学技术院(KAIST)Song等人研制了一种采用柔性聚合物——苯并环丁烯作为绝缘层和漏极基底的静电驱动MEMS继电器，但该继电器的基底材料仍然是硅，弹簧材料也是硬质材料镍。2016年，美国新泽西州立大学的Pan等人报道了一种基底和可动结构的材料都是聚合物——SU-8的MEMS继电器，然而SU-8基底旋涂在硅片上，最终并没有从硅片上剥离下来，使得该继电器仍然不具有柔性。
发明内容
本发明提出一种基于聚酰亚胺的柔性静电驱动MEMS继电器制造方法，所述MEMS继电器的基底和可动结构的材料均为柔性聚合物聚酰亚胺，而且聚酰亚胺基底可以从硅片上剥离下来，从而真正实现了继电器的柔性。使用热氧化、磁控溅射、光刻、化学腐蚀、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、牺牲层去除等工艺实现MEMS继电器的结构。该方法制备出的MEMS继电器具有柔性，可以用于柔性电子领域。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于聚酰亚胺的柔性静电驱动MEMS继电器的制造方法，包括以下步骤：
1)在抛光的硅片上热氧化一层二氧化硅薄膜后，再旋涂聚酰亚胺前驱体，在热板上进行前烘，在高温氮气烘箱中进行固化，形成聚酰亚胺基底。
2)在聚酰亚胺基底上磁控溅射一层铬薄膜和一层金薄膜，其中铬薄膜用于提高金薄膜和聚酰亚胺基底之间的结合强度；进行第一次光刻工艺，分别对金薄膜和铬薄膜进行图形化，制作出金门极、金漏极和锚点的第一层金薄膜。
3)采用PECVD沉积第一层二氧化硅牺牲层，该二氧化硅牺牲层的厚度等于金源极上凸点的高度；再进行第二次光刻工艺，对二氧化硅牺牲层进行图形化，用于确定金源极上的凸点位置。
4)采用PECVD，沉积第二层二氧化硅牺牲层，该二氧化硅牺牲层的厚度等于金源极上的凸点与金漏极之间的距离。
5)进行第三次光刻工艺，对第二层二氧化硅牺牲层进行图形化，暴露出锚点的第一层金薄膜。
6)再依次磁控溅射一层金薄膜和一层铬薄膜，其中铬薄膜用于提高金薄膜和之后的聚酰亚胺可动结构之间的结合强度。
7)旋涂聚酰亚胺前驱体，在热板上进行前烘，进行第四次光刻工艺，将聚酰亚胺前驱体进行图形化，然后在高温氮气烘箱中进行固化，制备出聚酰亚胺可动结构。
8)以聚酰亚胺可动结构作为掩蔽层，分别对铬薄膜和金薄膜进行化学腐蚀，制作出金源极和锚点的第二层金薄膜。
9)采用氢氟酸蒸汽腐蚀掉采用PECVD沉积的两层二氧化硅牺牲层，获得最终的MEMS继电器结构。
10)采用氢氟酸缓冲溶液腐蚀掉硅片表面热氧化的二氧化硅薄膜，使得MEMS继电器成功从硅片上剥离下来。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：上述工艺方法制备出的MEMS继电器，基底和可动结构的材料都是柔性聚合物——聚酰亚胺，而且最终继电器可以从硅片上剥离下来，使得MEMS继电器具有真正的柔性，可以用于柔性电子。此外，利用聚酰亚胺作为漏极的基底，可以获得更小的接触电阻。
附图说明
图1-图10是制备本发明基于聚酰亚胺的柔性静电驱动MEMS继电器的工艺流程图，具体为：
图1为制作聚酰亚胺基底示意图；
图2为制作金门极、金漏极和锚点的第一层金薄膜示意图；
图3为第一层二氧化硅牺牲层的沉积和图形化示意图；
图4为沉积第二层二氧化硅牺牲层示意图；
图5为第二层二氧化硅牺牲层图形化示意图；
图6为溅射金薄膜和铬薄膜示意图；
图7为制作聚酰亚胺可动结构示意图；
图8为制作金源极和锚点的第二层金薄膜示意图；
图9为二氧化硅牺牲层腐蚀示意图；
图10为MEMS继电器从硅片上剥离示意图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施方式。
一种基于聚酰亚胺的柔性静电驱动MEMS继电器的制造方法，包括以下步骤：
(1)在两英寸的单面抛光的硅片上热氧化一层厚度为1.2μm的二氧化硅，然后利用匀胶机旋涂聚酰亚胺前驱体(PW-1500S,TORAY,Japan),转速为1100r/min，时间为30s，并在120℃的热板上前烘3min,然后将其放在高温氮气烘箱中进行固化，固化的温度为350℃，持续时间为60min，得到厚度为8μm的聚酰亚胺基底，如图1。
(2)在聚酰亚胺基底上磁控溅射一层厚度20nm的铬薄膜和一层厚200nm的金薄膜，其中铬薄膜用于提高金薄膜和聚酰亚胺基底之间的结合强度，然后进行第一次光刻，以正性光刻胶(AZ MIR-703)为掩蔽层，先利用金腐蚀液(碘1g，碘化钾5g，去离子水50ml)对金薄膜进行腐蚀，再利用铬腐蚀液(硝酸铈铵1g，高氯酸9ml，去离子水100ml)对铬薄膜进行腐蚀，最后利用丙酮去除残留的光刻胶，制作出金门极、金漏极和锚点的第一层金薄膜，如图2。
(3)采用PECVD，沉积第一层厚度为0.9μm的二氧化硅牺牲层，这层二氧化硅的厚度等于金源极上凸点的高度，然后进行第二次光刻工艺，同样以正性光刻胶(AZ MIR-703)为掩蔽层，采用氢氟酸缓冲液(氟化铵6g，氢氟酸3ml，去离子水10ml)腐蚀暴露出的二氧化硅牺牲层，利用丙酮去除残留的光刻胶，用于确定金源极上的凸点位置，如图3。
(4)采用PECVD，沉积第二层厚度为0.9μm的二氧化硅牺牲层，这层二氧化硅的厚度等于金源极上的凸点与漏极之间的距离，如图4。
(5)进行第三次光刻工艺，以正性光刻胶(AZ MIR-703)为掩蔽层，对二氧化硅牺牲层进行图形化，暴露出锚点的第一层金薄膜，如图5。
(6)磁控溅射一层厚度200nm的金薄膜和一层厚度20nm的铬薄膜，其中铬薄膜用于提高金薄膜和之后的聚酰亚胺可动结构之间的结合强度，如图6。
(7)利用匀胶机旋涂聚酰亚胺前驱体(PW-1500S,TORAY,Japan)，转速为5500r/min，时间为40s，并在120℃的热板上前烘3min，然后进行第四次光刻工艺，将聚酰亚胺前驱体进行图形化，然后将其放在高温氮气烘箱中进行固化，固化的温度为220℃，持续时间为90min，制备出厚度为2.8μm的聚酰亚胺可动结构，如图7。
(8)以聚酰亚胺可动结构作为掩蔽层，分别对铬薄膜和金薄膜进行化学腐蚀，制作出金源极和锚点的第二层金薄膜，如图8。
(9)用氢氟酸蒸汽(氢氟酸和无水乙醇的体积比为1:1)腐蚀掉采用PECVD沉积的两层二氧化硅牺牲层，持续时间为2h，获得最终的MEMS继电器结构，如图9。
(10)在40℃的温度下，利用氢氟酸缓冲溶液(氟化铵6g，氢氟酸3ml，去离子水10ml)腐蚀掉硅片表面热氧化的二氧化硅薄膜，使得MEMS继电器成功从硅片上剥离下来，如图10。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于聚酰亚胺的柔性静电驱动MEMS继电器的制造方法，其特征在于，制备得到的MEMS继电器的基底和可动结构的材料均为柔性聚合物聚酰亚胺，且聚酰亚胺基底可以从硅片上剥离下来，制造方法包括以下步骤：
1)在抛光的硅片上热氧化一层二氧化硅薄膜后，再旋涂聚酰亚胺前驱体，在热板上进行前烘，在高温氮气烘箱中进行固化，形成聚酰亚胺基底；
2)在聚酰亚胺基底上磁控溅射一层铬薄膜和一层金薄膜，其中铬薄膜用于提高金薄膜和聚酰亚胺基底之间的结合强度；进行第一次光刻工艺，分别对金薄膜和铬薄膜进行图形化，制作出金门极、金漏极和锚点的第一层金薄膜；
3)采用PECVD沉积第一层二氧化硅牺牲层，该二氧化硅牺牲层的厚度等于金源极上凸点的高度；再进行第二次光刻工艺，对二氧化硅牺牲层进行图形化，用于确定金源极上的凸点位置；
4)采用PECVD，沉积第二层二氧化硅牺牲层，该二氧化硅牺牲层的厚度等于金源极上的凸点与金漏极之间的距离；
5)进行第三次光刻工艺，对第二层二氧化硅牺牲层进行图形化，暴露出锚点的第一层金薄膜；
6)再依次磁控溅射一层金薄膜和一层铬薄膜，其中铬薄膜用于提高金薄膜和之后的聚酰亚胺可动结构之间的结合强度；
7)旋涂聚酰亚胺前驱体，在热板上进行前烘，进行第四次光刻工艺，将聚酰亚胺前驱体进行图形化，然后在高温氮气烘箱中进行固化，制备出聚酰亚胺可动结构；
8)以聚酰亚胺可动结构作为掩蔽层，分别对铬薄膜和金薄膜进行化学腐蚀，制作出金源极和锚点的第二层金薄膜；
9)采用氢氟酸蒸汽腐蚀掉采用PECVD沉积的两层二氧化硅牺牲层，获得最终的MEMS继电器结构；
10)采用氢氟酸缓冲溶液腐蚀掉硅片表面热氧化的二氧化硅薄膜，使得MEMS继电器成功从硅片上剥离下来。
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