CN1241649A - 一种制作活动微结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明制作活动微结构的方法,特征是先在导电的衬底上涂覆光刻胶,根据活动微结构形状制作光刻掩模,光刻、显影,得到和掩模上图形相反的光刻胶图形;采用电镀法直接制作牺牲层;将残留的光刻胶去除干净,再涂覆一层光刻胶,采用光刻和微电铸在衬底和电镀出的牺牲层图形上制作微装置,使需要活动的部件位置正好落在牺牲层图形上;将牺牲层腐蚀去除,释放出具有活动结构的微装置;本方法工艺简单,制作容易,可与LIGA技术兼容。

Description

一种制作活动微结构的方法

本发明涉及微电子机械系统加工技术中制作活动微结构的工艺方法，特别是涉及牺牲层的制作方法和电镀技术。

据荷兰出版的《传感器和执行器》(Sensors and Actuators，A，56(1996)第1页)介绍，微电子机械系统(MEMS)概念是由美国的K.E.彼得生(K.E.Peterson)在1982年首先提出的，他将用于制造微电子器件和集成电路的微加工技术移植到微机械、微光学器件制造中，并通过与集成电路系统集成，得到既具有信号处理能力，又具有机械执行功能，尺寸在微米到毫米量级的功能装置。其中，微结构的尺度范围一般在微米量级。在如此小的尺度范围内制作具有活动结构的微型装置，传统意义上的那种先制造出各个零部件再组合装配的方法，在技术上有相当大的难度，因此研究利用牺牲层的自组装技术在微电子机械制造技术中日益重要。

据荷兰《微电子工程》(Microelectronic Engineering，4，1986，)第35-56页报道，80年代中期德国卡尔鲁斯(Karlsruhe)核研究中心的研究人员提出利用X射线光刻、微电铸和塑铸这三步工艺(简称LIGA技术)来制作具有大高宽比的微结构(LIGA为德文Lithograpie(光刻)、Galvanoforming(微电铸)和Abforming(塑铸)的缩写)，开辟了制造微电子机械装置的新途径，极大地促进了微电子机械系统技术的发展。荷兰《(传感器和执行器》(Sensors and Actuators，A，25(1991)第560页)报道了将LIGA技术与牺牲层技术相结合制造具有活动部件的微结构和微装置的方法。

根据所使用的材料和工艺的不同，目前形成活动微结构的方法大致有以下二类：

第一类如荷兰出版的《传感器和执行器》(Sensors and Actuators，A，25(1991)第560页)所披露的采用离子束溅射镀膜技术结合LIGA技术制作具有活动结构的微装置的工艺方法。这种溅射镀膜技术是通过离子束溅射在衬底上，溅射生长一定厚度的金属钛(Ti)膜；随后在钛膜上面涂覆光刻胶，利用光刻、显影获得光刻胶的结构图形；再以光刻胶的结构图形为掩膜，通过离子束刻蚀，将光刻胶图形转移复制到钛膜上，得到钛的结构图形作为牺牲层结构；再利用LIGA技术在衬底和钛结构图形上制作出各种微系统装置，而微系统装置中的活动结构的位置必须正好落在作为牺牲层的钛结构图形上，最后将这层钛结构图形腐蚀去除，释放出落于钛结构图形上的微结构，得到具有活动结构的微系统装置。由于采用离子束刻蚀转移复制牺牲层图形会对衬底带来破坏，同时采用离子束溅射镀膜技术生长的牺牲层薄膜内应力很大，会造成应力开裂，因此在实际使用时还需在衬底与牺牲层薄膜之间再生长一层减小应力的过渡层。

第二类如1997年4月11-15日在中国四川省重庆市召开的“微系统学术研讨会”上，由陈益新在“微光电机械系统(MOEMS)的技术和应用” 一文第2页总结的硅微机械制造技术中，采用化学气相沉积(CVD)或热氧化技术，制作具有活动部件的微结构制造工艺。但采用CVD气相沉积技术的工艺较为复杂，成膜条件苛刻，并且不能与LIGA技术兼容。

上面提到的现有制作活动微结构的工艺方法中，所用的离子束刻蚀往往会对衬底表面结构带来破坏，势必会影响衬底上其它微结构的制作，不便将微结构与控制系统进行系统集成；而通过离子束溅射镀膜技术生长的薄膜内应力很大，会造成应力开裂，因此在实际使用时还需在衬底与牺牲层薄膜之间再生长一层减小应力的过渡层，从而使得工艺更加复杂。

本发明的目的是对现有制作活动微结构的牺牲层工艺进行改进，提出一种采用电镀法直接制作牺牲层图形结构以形成活动微结构的方法，从而克服现有技术的上述缺陷。

本发明制作活动微结构的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、首先在导电的衬底上涂覆光刻胶；

(2)、根据所需制作的活动微结构的平面形状制作带有活动微结构图形的光刻掩模，其中掩模上的结构图形根据步骤1中所采用的是正性光刻胶还是负性光刻胶而分别是透明的或不透明的；

(3)、对导电衬底上的光刻胶进行光刻、显影，在光刻胶中得到和掩模上图形相反的活动结构的光刻胶图形；

(4)、采用电镀，在光刻胶图形中电镀出所需厚度(一般为1～3微米)的金属层作为牺牲层；所述电镀的金属层通常可以镀Zn，也可根据需要镀Cu、Al、Au等其它金属层；

(5)、将残留的光刻胶用相应配备的溶剂溶解去除干净，再涂覆一层光刻胶，采用光刻和微电铸，在衬底和电镀出的金属牺牲层图形上制作微装置，使微装置中需要活动的部件的位置正好落在电镀出的金属牺牲层图形上；所述电铸的金属通常可以铸Ni，也可根据需要铸Cu、Ag、Au等其它金属；

(6)、使用根据所电镀的牺牲层金属相应配制的腐蚀液，将牺牲层腐蚀去除，释放出电铸在牺牲层上的微结构，从而得到具有活动结构的微装置。

本发明方法与现有技术相比具有以下优点：

由于本发明采用光刻形成牺牲层图形的胶模，然后采用电镀工艺在光刻胶模中直接电镀出金属图形作为牺牲层以制作活动微结构，避免了现有技术中那种采用离子束刻蚀技术在牺牲层薄膜上刻铣出牺牲层图形时对衬底所带来的破坏；采用本发明制作牺牲层结构的步骤从现有离子束溅射法的8步减少到5步；特别是本方法可以在常压下操作，避免了离子束溅射法需要多次抽高真空步骤的麻烦；在减少了工序的同时，还使得牺牲层结构的制作过程更简单和容易制造；同时还避免了离子束溅射镀膜技术中的牺牲层薄膜内应力问题；本发明采用的电镀工艺要比现有CVD气相沉积工艺简单，易于控制，并可与LIGA技术兼容；本方法还避免了离子束溅射法和CVD气相沉积法所需要的条件苛刻的、昂贵的专用设备的缺陷。

以下是本发明的实施例。实施例1：制作一个可绕中轴旋转的镍金属的微齿轮

步骤如下：

(1)、首先在Cu衬底上涂覆市售的AZ-1350光刻胶；

(2)、根据所需制作的活动微齿轮的平面形状制作带有圆环图形的光刻掩模，其中，圆环的外径与所需制作的活动微齿轮的外径相同，圆环内径与用来限定微齿轮旋转的轴的外径相同，圆环图形对紫外光是透明的；

(3)、对Cu衬底上的AZ1350-光刻胶进行紫外光刻、显影，在光刻胶中得到一个空的圆环图形；

(4)、以带有光刻胶圆环图形的Cu衬底作为阴极，Zn板为阳极，

采用电镀法制作Zn牺牲层；

所用的电镀液配方为：

   ZnO：       8g～16g/L

    EDTA：       140g～260g/L

   NiSO₃：     0.1g～0.8g/L

   NaOH：      56g-60g/L

在50℃温度下进行电镀，在光刻胶圆环图形中电镀出1微米厚的Zn金属圆环作为牺牲层；

(5)、将Cu衬底上的光刻胶用丙酮溶剂溶解去除干净，即在Cu衬底上得到Zn的圆环结构，再在Cu衬底和Zn的圆环结构上涂覆一层X射线光刻胶，利用X射线光刻，在光刻胶中刻出齿轮和轴的空心图形，其中齿轮位置正好落在电镀出的Zn圆环图形上，而轴落在Zn圆环图形中间；采用微电铸制作微齿轮和齿轮轴；

所用的电铸液配方为：

  NiSO₄·7H₂O     0.5M

  NiCl₂·6H₂O     60～80g/L

  H₃BO₃            30～35g/L

  C₁₂H₂₅SO₄Na    0.4～1g/L

  (NH₄)₃C₆H₅O₇ 0.5～0.6M；在35℃温度下进行电铸，在光刻出的图形中电铸出Ni的微齿轮和齿轮轴，而齿轮正好电铸在Zn圆环图形上，齿轮轴直接电铸在Cu衬底上；

(6)、将Zn牺牲层腐蚀去除

配制去除Zn牺牲层用的相应的腐蚀液，

该腐蚀液配方重量百分浓度为：

   H₂O₂：10～50％

   HCl：   10～50％

   H₂O：  80～0％将Zn圆环腐蚀去除，释放出电铸在Zn圆环上的Ni微齿轮，从而得到可绕轴活动的微齿轮。实施例2：制作一个可在平面上左右摆动的微摇臂

步骤如下：

(1)、首先在Ti衬底上涂覆市售的AZ-1350光刻胶；

(2)、根据所需制作的微摇臂平面形状制作带有微摇臂平面图形的光刻掩模，其中，掩模上的微摇臂图形对紫外光是透明的；

(3)、对Ti衬底上的AZ1350-光刻胶进行紫外光刻、显影，在光刻胶中得到一个空心的微摇臂平面图形；

(4)、通过电镀在光刻胶的微摇臂图形中电镀出1.5微米厚的Cu金属层作为牺牲层，所用的电镀配方可以直接采用现有技术；

(5)、将Ti衬底上残留的光刻胶用相应配备的溶剂溶解去除干净，即在Ti衬底上得到Cu的微摇臂结构，再在Ti衬底和Cu的微摇臂结构上涂覆一层X射线光刻胶，利用X射线光刻在光刻胶中刻出微摇臂和摇臂轴的空心图形，其中微摇臂位置应落在电镀出的Cu微摇臂图形上，而摇臂轴落在Cu的摇臂图形中间；利用微电铸在光刻出的空心图形中电铸出Ni的微摇臂和摇臂轴，则微摇臂正好电铸在Cu的微摇臂图形上，摇臂轴直接电铸在Ti衬底上，电铸液配方可采用实施例1中的电铸液配方，也可采用现有技术中的其它配方；

(6)、配制相应的腐蚀液，成份配比采用H₂O∶FeCl₃为1～0.1∶1～0.1；将Cu的牺牲层结构腐蚀去除，释放出电铸在Cu牺牲层上的微摇臂结构，从而得到可在平面上左右摆动的微摇臂。

Claims (3)

1、一种制作活动微结构的方法，特征在于包括以下步骤：

(1)、首先在导电的衬底上涂覆光刻胶；

(2)、根据所需制作的活动微结构的平面形状制作带有活动微结构图形的光刻掩模，其中掩模上的结构图形根据步骤1中所采用的是正性光刻胶还是负性光刻胶而分别是透明的或不透明的；

(3)、对导电衬底上的光刻胶进行光刻、显影，在光刻胶中得到和掩模上图形相反的活动结构的光刻胶图形；

(4)、采用电镀，在光刻胶图形中电镀出所需厚度(一般为1～3微米)的金属层作为牺牲层；

(5)、将残留的光刻胶用相应配备的溶剂溶解去除干净，再涂覆一层光刻胶，采用光刻和微电铸，在衬底和电镀出的金属牺牲层图形上制作微装置，使微装置中需要活动的部件的位置正好落在电镀出的金属牺牲层图形上；

(6)、使用根据所电镀的牺牲层金属相应配制的腐蚀液，将牺牲层腐蚀去除，释放出电铸在牺牲层上的微结构，从而得到具有活动结构的微装置。

2、如权利要求1所述制作活动微结构的方法，其特征在于采用电镀法制作Zn牺牲层时，所采用的电镀液配方为：

    ZnO             8g～16g/L，

     EDTA            140g～260g/L，

    NiSO₃           0.1g～0.8g/L，

    NaOH            56g～60g/L；

电镀在50℃温度下进行；

将Zn牺牲层去除的腐蚀液配方重量百分浓度为：

    H₂O₂：             10～50％，

    HCl：               10～50％，

    H₂O：              80～0％。

3、如权利要求1所述制作活动微结构的方法，其特征在于所采用的电铸液配方为：

    NiSO₄·7H₂O        0.5M，

    NiCl₂·6H₂O        60～80g/L，

    H₃BO₃              30～35g/L，

    C₁₂H₂₅SO₄Na       0.4～1g/L，

    (NH₄)₃C₆H₅O₇    0.5～0.6M；

电铸在35℃温度下进行。