CN110597013A - 柔性微型加热器及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种柔性微型加热器及其加工方法，解决了现有技术中柔性微型加热器加工过程中所存在的技术问题。该方法包括以下步骤：步骤1、采用磁控溅射工艺在柔性基底层表面加工金属电阻层；步骤2、采用光刻、显影工艺控制金属电阻层表面部分覆盖光刻胶，使得溅射完金属电阻层的柔性基底层表面实现图形化；步骤3、采用离子铣工艺将步骤2得到的产品中未被光刻胶覆盖的金属电阻层去除；步骤4、去除步骤3得到的产品中的光刻胶。

Description

柔性微型加热器及其加工方法
技术领域
本发明涉及微电子机械系统技术领域，具体涉及一种柔性微型加热器及其加工方法，尤其涉及一种MEMS器件的微型加热器及其加工方法。
背景技术
柔性微型加热器被广泛应用于多种场合，例如微流控芯片、电池、计算机设备、医疗设备以及光学设备。柔性微型加热器通常包括耐温绝缘基底层，例如聚合物或纤维；利用MEMS微细加工技术加工在基底表面的导电加热元件。
目前基于聚合物或纤维作为柔性基底层的微型加热器在加工过程存在以下问题：一方面，由于加热金属与柔性基底层之间的结合力较弱，导致加热器件只能在加大尺度内进行加工，当加热器件尺寸在百微米级以下时，在加热过程中容易脱落从而影响热量传导最终导致金属器件的熔断；另一方面涉及柔性基底层表面的加热元件的微小型图形化问题，由于微型加热器需要降低器件表面积，所以必须将加热器件加工成具有一定形状的微小器件，现有技术多采用LIFT-OFF工艺进行加热元件的加工，然而该工艺在进行过程中往往会使得柔性基底层表面变形(基底层表面平整度下降)，且其所涉及的剥离工艺会导致金属器件在剥离过程中产生裂纹以及图形边缘产生锯齿状等缺陷，上述问题均会影响金属加热器件的电阻、加热效率、稳定性，以及不可避免产生应力不匹配等问题，尤其是针对电阻较小、厚度较厚的加热器件的金属图形化，上述问题显得尤为突出。
发明内容
在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提出一种柔性微型加热器及其加工方法，以解决上述现有技术中柔性微型加热器加工过程中所存在的技术问题。
本发明的技术解决方案：
根据一方面，提供一种柔性微型加热器的加工方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、采用磁控溅射工艺在柔性基底层表面加工金属电阻层；
步骤2、采用光刻、显影工艺控制金属电阻层表面部分覆盖光刻胶，使得溅射完金属电阻层的柔性基底层表面实现图形化；
步骤3、采用离子铣工艺将步骤2得到的产品中未被光刻胶覆盖的金属电阻层去除；
步骤4、去除步骤3得到的产品中的光刻胶。
进一步地，所述方法在进行步骤1之前还包括：将柔性基底层置于氧等离子体发生装置中进行一定时间的氧等离子体表面处理。
进一步地，所述柔性基底层为聚酰亚胺薄膜。
进一步地，所述的金属电阻层的材料包括金、铂、铬、镍中的至少一种。
进一步地，所述金属电阻层包括依次设置在柔性基底层上的粘附层和导电层，其中，溅射金属铬作为粘附层；溅射金或镍、铂作为导电层。
进一步地，所述柔性基底层厚度为20-100um；和/或，所述粘附层的厚度为10-50nm以及所述导电层厚度为100-1000nm。
进一步地，所述步骤2具体包括：
2.1采用正胶工艺在金属电阻层上旋涂一定厚度的正性光刻胶并进行前烘工艺，使得金属电阻层表面部分覆盖光刻胶；
2.2将步骤2.1得到的产品在光刻机中进行曝光；
2.3将步骤2.2得到的产品在显影液中进行显影图形化。
进一步地，所述步骤3具体包括：将步骤2得到的产品放入离子刻蚀机中进行离子铣工艺，利用干法离子刻蚀工艺去除未被光刻胶覆盖的金属电阻层。
根据另一方面，提供一种柔性微型加热器，该柔性微型加热器采用上述的加工方法制得。
应用上述技术方案，提出一种柔性微型加热器及其加工方法，通过首先在柔性基底层上采用磁控溅射工艺加工金属电阻层，接着再进行金属电阻层的图形化，最后采用离子铣工艺去除未被图形化的金属电阻层以及去胶得到最终制品。区别于现有的LIFT-OFF工艺，通过上述加工方法中各步骤顺序的选择以及结合各步骤具体加工工艺，实现了各步骤协同配合，不仅增强了金属电阻层与柔性基底层的结合力，而且使得即使柔性基体层存在变形也不会导致金属电阻层性能受影响，同时有效避免了金属电阻层表面缺陷的产生(不会产生裂纹以及图形边缘产生锯齿状缺陷)以及柔性基底层和金属电阻层应力不匹配等问题，能够有效控制加热元件的电阻和加热效率。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例提供的柔性微型加热器的加工方法的流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所提到的，目前对MEMS器件的微型加热器的加工多采用LIFT-OFF工艺进行加热电阻器件的图形化，该工艺适用于对于加热器件电阻较大，金属厚度较薄的柔性加热器件，具体工艺步骤为：先进行甩胶、光刻、显影(即在基底层上加工光刻胶，使基底层部分被光刻胶覆盖)；接着再加工金属电阻层；最后采用LIFT-OFF工艺，将得到的产品整体放入去胶液中进行去胶，覆盖在光刻胶表面的金属电阻层随着正胶的溶解一并被剥离，未被光刻胶覆盖的基底层直接和金属层接触而被保留下来，因此形成具有一定图形的电阻器件。该工艺使得加热金属与柔性基底层之间的结合力较弱，并且该工艺在进行过程中由于柔性基底层表面的变形，使得加工的金属电阻层性能收到很大影响(电阻增大，稳定性差)且产生较大应力，同时其所涉及的剥离工艺会导致金属器件在剥离过程中产生裂纹以及图形边缘产生锯齿状等缺陷，尤其是针对电阻较小、厚度较厚的加热器件的金属图形化，上述问题显得尤为突出。因此，为了解决上述问题，提出本发明实施例方案。
图1示出了根据本发明实施例提供的柔性微型加热器的加工方法的流程示意图。
如图1所示，根据本发明实施例提供一种柔性微型加热器的加工方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、采用磁控溅射工艺在柔性基底层表面加工金属电阻层；
步骤2、采用光刻、显影工艺控制金属电阻层表面部分覆盖光刻胶，使得溅射完金属电阻层的柔性基底层表面实现图形化；
步骤3、采用离子铣工艺将步骤2得到的产品中未被光刻胶覆盖的金属电阻层去除；
步骤4、去除步骤3得到的产品中的光刻胶。
本发明实施例中，步骤4中的去胶工艺可采用本领域常规技术手段实现，在此不在详细赘述。
本发明实施例中，步骤3中，所述的离子铣工艺利用氩原子射频流轰击柔性基底层表面的金属层，溅射的金属层在大原子撞击下脱离基底，从而形成柔性基底层上具有一定图形的加热电阻器件。
应用上述配置方式，通过首先在柔性基底层上采用磁控溅射工艺加工金属电阻层，接着再进行金属电阻层的图形化，最后采用离子铣工艺去除未被图形化的金属电阻层以及去胶得到最终制品。区别于现有的LIFT-OFF工艺，通过上述加工方法中各步骤顺序的选择以及结合各步骤具体加工工艺，实现了各步骤协同配合，不仅增强了金属电阻层与柔性基底层的结合力，而且使得即使柔性基体层存在变形也不会导致金属电阻层性能受影响，同时有效避免了金属电阻层表面缺陷的产生(不会产生裂纹以及图形边缘产生锯齿状缺陷)以及柔性基底层和金属电阻层应力不匹配等问题，能够有效控制加热元件的电阻和加热效率。
进一步地，在本发明中，为了进一步增强金属电阻层与柔性基底层的结合力，所述方法在进行步骤1之前还包括：将柔性基底层置于氧等离子体发生装置中进行一定时间的氧等离子体表面处理。
进一步地，在本发明中，为了提升柔性微型加热器的整体性能，所述柔性基底层为聚酰亚胺薄膜。通过将柔性基底层设置为聚酰亚胺薄膜，利用聚酰亚胺聚合物优良的机械性能和耐高温性能，能够提升柔性微型加热器的整体性能。
进一步地，在本发明中，为了保证加热器的综合性能，所述的金属电阻层的材料包括金、铂、铬、镍中的至少一种。
本发明实施例中，优选的，所述金属电阻层包括依次设置在柔性基底层上的粘附层和导电层，其中，溅射金属铬作为粘附层；溅射金或镍、铂作为导电层。
作为本发明一种实施例，所述柔性基底层厚度为20-100um；和/或，所述粘附层的厚度为10-50nm以及所述导电层厚度为100-1000nm。
进一步地，在本发明中，为了实现光刻、显影工艺，所述步骤2具体包括：
2.1采用正胶工艺在金属电阻层上旋涂一定厚度的正性光刻胶并进行前烘工艺，使得金属电阻层表面部分覆盖光刻胶；
2.2将步骤2.1得到的产品在光刻机中进行曝光；
2.3将步骤2.2得到的产品在显影液中进行显影图形化。
进一步地，在本发明中，为了实现离子铣工艺，所述步骤3具体包括：将步骤2得到的产品放入离子刻蚀机中进行离子铣工艺，利用干法离子刻蚀工艺去除未被光刻胶覆盖的金属电阻层。
为了对本发明提供的柔性微型加热器的加工方法有更进一步了解，下面以以具体实施例进行详细说明：
本发明实施例提供一种柔性微型加热器的加工方法，包括：
第一步，氧等离子体表面处理：将柔性聚酰亚胺薄膜放于氧等离子体发生装置中进行1-5min的氧等离子体表面处理，之后立刻进行第二步工艺；
第二步，磁控溅射加热金属电阻层：在厚度为20-100um的柔性平整聚酰亚胺薄膜表面磁控溅射铬/金或铂层，其中溅射金属铬作为粘附层，金或铂作为导电层，铬粘附层的厚度为35nm，金或铂导电层的厚度为500nm；
第三步，光刻、显影：在溅射完电阻层的聚酰亚胺薄膜表面进行图形化，采用正胶工艺旋涂5-10um厚、20-300um线宽的正性光刻胶并进行前烘工艺，烘完后的聚酰亚胺薄膜在光刻机中进行曝光，最后在显影液中进行显影图形化；
第四步，离子铣：图形化后的聚酰亚胺薄膜放入离子刻蚀机中进行离子铣工艺，未被形化的区域金属电阻层层利用干法离子刻蚀工艺去掉；
第五步，去除光刻胶。
本实施例的显著特点依次利用溅射、光刻、离子铣相结合的工艺加工加热器，采用先进行金属薄膜溅射，再进行图形化，并结合离子铣干刻工艺进行多余金属电阻层去除，不仅有效增加基底层和金属层表面结合力，而且可有效降低金属表面的褶皱产生、避免加工过程中金属层产生裂纹以及图形边缘产生锯齿状缺陷以及出现应力不匹配等问题。
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (9)

1.一种柔性微型加热器的加工方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、采用磁控溅射工艺在柔性基底层表面加工金属电阻层；
步骤2、采用光刻、显影工艺控制金属电阻层表面部分覆盖光刻胶，使得溅射完金属电阻层的柔性基底层表面实现图形化；
步骤3、采用离子铣工艺将步骤2得到的产品中未被光刻胶覆盖的金属电阻层去除；
步骤4、去除步骤3得到的产品中的光刻胶。
2.根据权利要求1所述的一种柔性微型加热器的加工方法，其特征在于，所述方法在进行步骤1之前还包括：将柔性基底层置于氧等离子体发生装置中进行一定时间的氧等离子体表面处理。
3.根据权利要求1所述的一种柔性微型加热器的加工方法，其特征在于，所述柔性基底层为聚酰亚胺薄膜。
4.根据权利要求1-3所述的一种柔性微型加热器的加工方法，其特征在于，所述的金属电阻层的材料包括金、铂、铬、镍中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的一种柔性微型加热器的加工方法，其特征在于，所述金属电阻层包括依次设置在柔性基底层上的粘附层和导电层，其中，溅射金属铬作为粘附层；溅射金或镍、铂作为导电层。
6.根据权利要求5所述的一种柔性微型加热器的加工方法，其特征在于，所述柔性基底层厚度为20-100um；和/或，所述粘附层的厚度为10-50nm以及所述导电层厚度为100-1000nm。
7.根据权利要求1所述的一种柔性微型加热器的加工方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
2.1采用正胶工艺在金属电阻层上旋涂一定厚度的正性光刻胶并进行前烘工艺，使得金属电阻层表面部分覆盖光刻胶；
2.2将步骤2.1得到的产品在光刻机中进行曝光；
2.3将步骤2.2得到的产品在显影液中进行显影图形化。
8.根据权利要求1所述的一种柔性微型加热器的加工方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：将步骤2得到的产品放入离子刻蚀机中进行离子铣工艺，利用干法离子刻蚀工艺去除未被光刻胶覆盖的金属电阻层。
9.一种柔性微型加热器，其特征在于，所述柔性微型加热器采用权利要求1-8所述的加工方法制得。
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