CN110482484A - 一种低成本的基于应力剥离技术的微悬臂梁的制备方法 - Google Patents

一种低成本的基于应力剥离技术的微悬臂梁的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低成本的基于应力剥离技术的微悬臂梁的制备方法，该方法包括两种实现方式：一种是先剥离后光刻，另一种是先光刻后剥离。本发明可以将基体材料用低成本材料取代，只有微悬臂梁是单晶硅材料，一次生产AFM探针悬臂所消耗的材料仅为针尖高度加上悬臂的厚度，约为20微米，剩余的硅晶体还可以抛光后继续使用，考虑到重新抛光所消耗的硅晶体约为80微米，一次生产仅消耗100微米的硅晶体；若采用传统方法，一块1mm厚的硅晶体仅能支持一次生产，而本发明可将材料使用率提高10倍，大大提高了单晶硅材料的使用率，降低了成本；本发明对块状微悬臂梁原材料的利用率高，成本低，仅使用了少量化学试剂用于刻蚀薄膜。

Description

一种低成本的基于应力剥离技术的微悬臂梁的制备方法
技术领域
本发明涉及一种微悬臂梁的制备方法，尤其涉及一种低成本的基于应力剥离技术的微悬臂梁的制备方法。
背景技术
微悬臂梁是MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)领域的一个重要部件，因其具有低成本、小体积、高性能等特点而被广泛应用于传感器领域。微悬臂梁是指一端固支另一端悬空的梁体，一般采用体硅加工技术和表面加工技术制备。通过测量微悬臂梁的微小弯曲来检测相关信号的变化。典型应用如原子力显微镜(Atomic ForceMicroscope，AFM)探针、加速度计、谐振器、分子检测仪等。微悬臂梁的宽度和厚度一般在几个微米量级，长度一般在百微米量级，所以为了方便悬臂的固定，微悬臂梁器件一般由微悬臂梁部分和基体两部分组成，基体用于和各种器械或设备的连接。微悬臂梁一般有两种工作模式，静态工作模式和谐振工作模式。
如微悬臂梁的典型应用原子力显微镜，原子力显微镜是一种通过检测待测样品表面和一个微悬臂梁探针之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质的仪器，AFM探针是AFM的关键组成部分，其结构和性能对AFM的各项性能具有非常大的影响。AFM探针由基体、微悬臂梁和针尖三部分构成。针对AFM探针的一般要求有：较高的固有频率、较低的弹性模量、较小的针尖曲率半径和较大的针尖纵横比。其中，前两项是针对探针悬臂梁要求，后两项是针对探针针尖的要求。
目前，微悬臂梁的制造一般采用湿法刻蚀或是干法刻蚀工艺。现有的微悬臂梁的基体和悬臂部分一般是同一种材料，但基体的材料不影响微悬臂梁的性能，由于加工方法的限制，基体也要由和悬臂部分一样的高性能材料来制备，而且基体相对悬臂来说体积大了上千倍。这就造成了材料的浪费，同时由于材料的成本，所以制造成本的居高不下。
比如AFM探针，对于针尖来说，现有的刻蚀工艺以及针尖修饰工艺、针尖生长碳纳米管工艺等已经有比较理想的解决方案。但是对AFM探针悬臂来说，若是采用刻蚀硅晶片来制作的话，300微米厚的的晶片通常具有+/-1微米的厚度变化，要得到1微米厚的悬臂，必须蚀刻299微米的硅。但是由于硅晶片厚度的不均匀，在批量生产时，299微米的材料去除在300微米的区域将得到1微米厚的悬臂，在301微米的区域将得到2微米厚的悬臂，产品的一致性难以得到保障，成品率仅在30％左右。若是采用顶层硅厚度等于探针针尖高度和微悬臂梁厚度之和的SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅)晶片来制作的话，虽能保证产品的一致性，但是仍会遇到需要刻蚀大量区域的硅以获得基体的问题，材料利用率低，同时SOI晶片成本较高，导致AFM探针成本居高不下。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种低成本的基于应力剥离技术的微悬臂梁的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种低成本的基于应力剥离技术的微悬臂梁的制备方法，包括两种方式：
(1)第一种方法为先剥离后光刻，包括以下子步骤：
(1.1)在脆性材料衬底表面制作金属应力层；在金属应力层上表面粘上胶带；
(1.2)采用可控机械应力剥离技术将一层脆性材料薄膜从脆性材料表面剥离下来；
(1.3)在步骤(1.2)剥离的脆性材料薄膜上通过光刻技术制作光刻胶掩膜，通过光刻胶掩膜的形状来限定微悬臂梁的形状；
(1.4)刻蚀步骤(1.2)剥离的脆性材料薄膜，得到微悬臂梁；
(1.5)去除步骤(1.4)得到的微悬臂梁上的光刻胶掩膜；
(1.6)用胶水将基体固定在步骤(1.4)得到的微悬臂梁上；
(1.7)腐蚀步骤(1.1)制作的金属应力层，将微悬臂梁和基体分离出来，形成微悬臂梁器件；
(2)第二种方法为先光刻后剥离，包括以下子步骤：
(2.1)在脆性材料表面光刻，形成非悬臂梁区域的光刻胶掩膜；通过限定光刻胶掩膜的形状来限定微悬臂梁的形状；
(2.2)在步骤(2.1)形成的光刻胶掩膜和脆性材料表面制作金属应力层；在金属应力层上表面粘上胶带；
(2.3)利用可控机械应力剥离技术将脆性材料薄膜从无光刻胶掩膜的区域剥离下来，得到微悬臂梁；
(2.4)用胶水将基体固定在步骤(2.3)得到的微悬臂梁上；
(2.5)腐蚀步骤(2.2)制作的金属应力层，将微悬臂梁和基体分离出来，形成微悬臂梁器件。
进一步地，所述脆性材料包括单晶硅、锗、氮化硅、碳化硅、砷化镓。
进一步地，所述制作金属应力层的方法包括物理溅射、化学气相沉积、电镀。
进一步地，所述物理溅射具体为在光刻胶掩膜和脆性材料表面溅射镍。
进一步地，所述金属应力层的厚度为1-100微米。
本发明的有益效果是：本发明可以将基体材料用低成本材料取代，只有微悬臂梁是单晶硅材料，一次生产AFM探针悬臂所消耗的材料仅为针尖高度加上悬臂的厚度，约为20微米，剩余的硅晶体还可以抛光后继续使用，考虑到重新抛光所消耗的硅晶体约为80微米，一次生产仅消耗100微米的硅晶体；若采用传统方法，一块1mm厚的硅晶体仅能支持一次生产，而本发明可将材料使用率提高10倍，大大提高了单晶硅材料的使用率，降低了成本；本发明对块状微悬臂梁原材料的利用率高，成本低，仅使用了少量化学试剂用于刻蚀薄膜。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明的第一种制备方法(剥离后光刻图案)示意图；
图2是本发明的第二种制备方法(光刻图案后剥离)示意图；
图3是原子力显微镜探针的制备方法示意图；
图中，单晶硅1、光刻胶掩膜2、金属应力层3、胶带4、硅薄膜5、微悬臂梁6、基体7、胶水8。
具体实施方式
本发明一种低成本的基于应力剥离技术的微悬臂梁的制备方法，具体为通过可控机械应力剥离技术(Controlled Spalling)，在块状脆性材料表面分离一层指定厚度的脆性材料薄膜，并将此分离的部分用作微悬臂梁。
可控机械应力剥离技术(Bedell S W,Shahrjerdi D,Hekmatshoar B,etal.Kerf-Less Removal of Si,Ge,and III–V Layers by Controlled Spalling toEnable Low-Cost PV Technologies[J].IEEE Journal of Photovoltaics,2012,2(2):0-147.)的原理如下：脆性基体中最常见的断裂形式是整个厚度的裂纹导致晶片断裂。然而，在脆性基体表面拉伸应变膜的特定条件下，断裂可以向下传播到薄膜/基体界面以下一定深度，然后平行于界面传播。如果薄膜粘附力足够强，这种与薄膜/基体界面平行的断裂传播会导致脆性衬底上表面的去除。断裂剥离模式的基本物理机理在于，在表面薄膜存在残余应力时，裂纹尖端的应力场由I型(拉应力)和II型(剪应力)分量组成。脆性固体的断裂性质是，裂纹路径趋向于沿剪切分量最小的轨迹发展。表面应力层为压缩应力层时，裂纹向上偏转，导致薄膜开裂；表面应力层为拉伸应力层时，裂纹尖端向下偏转，进入基体。因此，平衡裂纹深度将位于薄膜/基体界面以下，II型应力为零的位置。由于平衡裂纹深度上下的非零剪切场是确定的，裂纹轨迹在基体内是稳定的。
本发明包括两种实现方法：
(1)如图1所示，直接剥离整个衬底，再通过光刻，刻蚀实现：首先在脆性材料衬底上制作一层具有拉应力的金属应力层3；所述脆性材料包括单晶硅、锗、氮化硅、碳化硅、砷化镓；所述制作方法包括物理溅射、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)、电镀；然后利用金属的应力，以及金属应力层3和脆性材料衬底之间的附着力，从脆性材料衬底剥离脆性材料薄膜，再通过在脆性材料薄膜上制作微悬臂梁光刻胶掩膜2，刻蚀非悬臂梁区域，剩余部分用于微悬臂梁的制造，具体为：
(1.1)以如图1(a)的单晶硅1为原材料，在单晶硅1衬底表面溅射的镍Ni，制作如图1(b)的金属应力层3；所述金属应力层3的厚度为1-100微米；如图1(c)，在金属应力层3上表面粘上一层防止薄膜破裂的胶带4；
(1.2)如图1(d)，采用可控机械应力剥离技术将胶带4从边缘揭开，观察到边缘出现裂痕后保持均速，速度在0.1-5mm/s之间，将一层硅薄膜5从单晶硅1表面剥离下来；所述硅薄膜5的厚度与金属应力层3厚度有关；
(1.3)如图1(e)，在步骤(1.2)剥离的硅薄膜5上通过光刻技术制作光刻胶掩膜2；通过光刻胶掩膜2的形状来限定剥离区域的微悬臂梁6的形状；
(1.4)如图1(f)，刻蚀步骤(1.2)剥离的硅薄膜5，得到微悬臂梁6；
(1.5)如图1(g)，去除步骤(1.4)得到的微悬臂梁6上的光刻胶掩膜2；
(1.6)如图1(h)，用胶水8将基体7固定在步骤(1.4)得到的微悬臂梁6上；
(1.7)如图1(i)，腐蚀步骤(1.1)制作的金属应力层3，将微悬臂梁6分离出来，形成微悬臂梁器件；
(2)如图2所示，先光刻，然后选择性地在曝露的区域，制作金属应力层3，实现选择性的机械剥离：用光刻胶作为掩膜，通过光刻将金属应力层3与脆性材料衬底接触的区域限定为微悬臂梁的形状，则可以直接通过用力将微悬臂梁6从脆性材料衬底上剥离下来，粘上基体7之后形成微悬臂梁器件，具体为：
(2.1)以如图2(a)的单晶硅1为原材料，在其表面光刻，形成如图2(b)的非悬臂梁区域的光刻胶掩膜2；通过限定光刻胶掩膜2的形状来限定剥离区域的微悬臂梁6的形状；
(2.2)如图2(c)所示，在步骤(2.1)形成的光刻胶掩膜2和单晶硅1表面溅射1-100微米厚的镍Ni，制作金属应力层3；如图2(d)，在金属应力层3上表面粘上一层防止薄膜破裂的胶带4；
(2.3)如图2(e)所示，利用可控机械应力剥离技术匀速地将胶带从边缘揭开，速度在0.1-5mm/s之间，将单晶硅薄膜从无掩膜区域剥离下来，直接得到微悬臂梁6；所述微悬臂梁6的厚度与金属应力层厚度有关；
(2.4)如图2(f)所示，用胶水8将基体7固定在步骤(2.3)得到的微悬臂梁6上；
(2.5)如图2(g)所示，腐蚀步骤(2.2)制作的应力层3，将微悬臂梁6分离出来，形成微悬臂梁器件。
实施例
本发明实施例如图3所示，一种原子力显微镜探针的制作，具体步骤如下：
1、以单晶硅1为原材料，在针尖位置光刻，形成针尖光刻胶掩膜2，如图3(b)；
2、各向异性湿法腐蚀硅，至针尖直径至1-10微米量级，如图3(c)；
3、去除光刻胶掩膜2；
4、溅射Ni金属应力层3(1-100微米)，如图3(d)；
5、用可控机械应力剥离技术将顶层硅薄膜5剥离，如图3(e)(f)(g)；
6、用胶水8将基体7固定，如图3(h)；
7、再次进行各向异性湿法腐蚀硅，将针尖锐化，如图3(j)。

Claims (5)

1.一种低成本的基于应力剥离技术的微悬臂梁的制备方法，其特征在于，包括两种方式：
(1)第一种方法为先剥离后光刻，包括以下子步骤：
(1.1)在脆性材料衬底表面制作金属应力层(3)；在金属应力层(3)上表面粘上胶带(4)。
(1.2)采用可控机械应力剥离技术将一层脆性材料薄膜从脆性材料表面剥离下来。
(1.3)在步骤(1.2)剥离的脆性材料薄膜上通过光刻技术制作光刻胶掩膜(2)，通过光刻胶掩膜(2)的形状来限定微悬臂梁(6)的形状。
(1.4)刻蚀步骤(1.2)剥离的脆性材料薄膜，得到微悬臂梁(6)；
(1.5)去除步骤(1.4)得到的微悬臂梁(6)上的光刻胶掩膜(2)；
(1.6)用胶水(8)将基体(7)固定在步骤(1.4)得到的微悬臂梁(6)上；
(1.7)腐蚀步骤(1.1)制作的金属应力层(3)，将微悬臂梁(6)和基体(7)分离出来，形成微悬臂梁器件；
(2)第二种方法为先光刻后剥离，包括以下子步骤：
(2.1)在脆性材料表面光刻，形成非悬臂梁区域的光刻胶掩膜(2)；通过限定光刻胶掩膜(2)的形状来限定微悬臂梁(6)的形状；
(2.2)在步骤(2.1)形成的光刻胶掩膜(2)和脆性材料表面制作金属应力层(3)；在金属应力层(3)上表面粘上胶带(4)；
(2.3)利用可控机械应力剥离技术将脆性材料薄膜从无光刻胶掩膜(2)的区域剥离下来，得到微悬臂梁(6)；
(2.4)用胶水(8)将基体(7)固定在步骤(2.3)得到的微悬臂梁(6)上；
(2.5)腐蚀步骤(2.2)制作的金属应力层(3)，将微悬臂梁(6)和基体(7)分离出来，形成微悬臂梁器件。
2.根据权利要求1所述低成本的基于应力剥离技术的微悬臂梁的制备方法，其特征在于，所述脆性材料包括单晶硅、锗、氮化硅、碳化硅、砷化镓。
3.根据权利要求1所述低成本的基于应力剥离技术的微悬臂梁的制备方法，其特征在于，所述制作金属应力层(3)的方法包括物理溅射、化学气相沉积、电镀。
4.根据权利要求3所述低成本的基于应力剥离技术的微悬臂梁的制备方法，其特征在于，所述物理溅射具体为在光刻胶掩膜(2)和脆性材料表面溅射镍。
5.根据权利要求1所述低成本的基于应力剥离技术的微悬臂梁的制备方法，其特征在于，所述金属应力层(3)的厚度为1-100微米。
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