CN1935629A - 聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程，其包含以下步骤：步骤一，在一硅基质上沉积一低应力牺牲层，再在低应力牺牲层上沉积一主结构层；步骤二，将主结构层定义蚀刻出微结构形状；步骤三，在主结构层的微结构形状上涂布聚酰亚胺薄膜；步骤四，将聚酰亚胺薄膜定义蚀刻出挠性接点形状；步骤五，进行湿式蚀刻法，将低应力牺牲层的预定部份蚀刻释放；步骤六，进行回焊作业过程，使挠性接点受热收缩，并将预定部份的主结构层旋转抬升。本发明可彻底解决锡铅合金球或光阻作为可挠性接点所衍生的诸多缺点，并可广泛应用于多种微型化产业的自我组装。

Description

聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程

技术领域

本发明涉及一种聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程，其为一种运用于微型化科技的自我组装平面技术，具有简单、迅速与低成本特性，可解决传统习知技术缺点。

背景技术

微型化科技的研究与应用是近代科学两大趋势之一，特别是自我组装(Self-assembly)技术，更是近几年来微观世界的微结构组装主流方法。

以微机电系统(Micro electromechanical Systems，MEMS)技术所制作的微型风扇(Micro Fan)而言，微型风扇的微抓式致动器(Scratch DriveActuator；SDA)与微型叶片结构之间必须通过自我组装技术以及多使用者(MEMS)步骤(Multi-User MEMS Processes；MUMPs)才能完成。

所谓自我组装技术，指微结构组装机制在最后的释放步骤完成后即自行定位，现有的自我组装技术有以下三种：

1、利用制造过程中的残余应力释放造成形变，使微结构产生位移；如美国鲁森(Lucent)公司所开发的3D微光开关。

2、由超声波产生表面波，将微结构振荡至预定位置。

3、先用锡铅合金球(Solder Ball)、光阻(Photoresist)或其它高分子聚合物在微绞炼上制作可挠性接点(elastic joint)，再经回焊(Reflow)作业过程使接点在高温中呈熔融状态，并产生可将微结构拉起的表面张力(Surface Tension Force)。

但前述第1种与第2种自我组装技术仅适用于静态场合或位置固定的微结构，不适合具有位移动作的组件制作，因此也不适用于具有旋转动作的微型风扇制作。

第3种自我组装技术，可作为挠性接点的材料很多，不同的材料也各有其优、缺点特性，以锡铅合金球为例：

1、铅污染：锡铅合金球是由锡、铅金属混合(63Sn/37Pb)，因此在回焊时，机台与环境有铅污染现象。

2、成本高：微结构大多以多晶硅(Poly-si)作为主结构，锡铅合金球若要附着其上，则必须先在多晶硅表面镀上一层金质衬垫(Gold Pad)，作为与锡铅合金球之间的连结接口，此额外的步骤会造成制造过程困难与成本增加。

3、精准度差：计算微结构的抬升角度或位移值时，必须精确掌握球体大小，但锡铅合金球却有高达25％的体积误差，使抬升角度或位移值无法精确控制。

4、人工操作：将锡铅合金球放置在金质衬垫上的步骤，目前仍完全依赖人工对准作业。

5、无法小型化：现有的锡铅合金球的尺寸无法小于100μm，使挠性接点的最小尺寸相对受限。

再以光阻作为挠性接点材料为例：

以光阻制作挠性接点的步骤没有锡铅合金球复杂，成本也较低，但是却必须经过干式或湿式蚀刻法进行微结构的悬臂释放。

干式蚀刻法是利用液态二氧化碳来释放微结构的悬臂并取代其中的水分子，避免悬臂黏着(stick)效应，但是，此法所使用的二氧化碳超临界机(Super criticalCO2 Dry Release)设备价格不菲，故相对成本较高。

湿式蚀刻法不需要额外的制造设备，故成本较低，但以氢氟酸(HF)或缓冲氢氟酸(BOE)等溶液将牺牲层蚀刻之后，必须再用异丙醇(IPA)使水分子快速挥发，以释放悬臂，而异丙醇具有溶解光阻的特性，因此会破坏原先所制作的挠性接点。

综合以上说明，基于成本、制造过程以及微型化等多重考虑，确实极需要开发一种全新的制造过程，以解决锡铅合金球或光阻作为可挠性接点所衍生的诸多缺点。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程，其可广泛使用于多种微型化产业的自我组装技术，且制造步骤简单、成本低、精确度高。

为达到上述目的，本发明所提供的一种聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程，其包含以下步骤：步骤一，在一硅基质上沉积一低应力牺牲层，再在低应力牺牲层上沉积一主结构层；步骤二，将主结构层定义蚀刻出微结构形状；步骤三，在主结构层的微结构形状上涂布聚酰亚胺薄膜；步骤四，将聚酰亚胺薄膜定义蚀刻出挠性接点形状；步骤五，进行湿式蚀刻法，将低应力牺牲层的预定部份蚀刻释放；步骤六，进行回焊作业过程，使挠性接点受热收缩，并将预定部份的主结构层旋转抬升。

其中，所述低应力牺牲层为磷硅玻璃。

所述主结构层为多晶硅。

采用上述技术方案，本发明具有以下优点：1、本发明无铅污染现象。2、本发明不需要额外蒸镀一层金质衬垫作为连结接口，故步骤简单、成本低。3、本发明用光学微影技术可进行准确度相当高的对准动作，故精准度较佳。4、本发明可完全自动化作业。5、本发明微型化尺寸不受限制。因此，本发明可简化制造步骤、降低成本，并彻底解决锡铅合金球或光阻作为可挠性接点所衍生的诸多缺点。

本发明可应用于微型风扇的自我组装、微型昆虫芯片的自我组装、微型百足致动器的自我组装、微光学桌芯片的自我组装、微光通讯开关的自我组装及微被动组件的自我组装。

附图说明

图1是本发明的制造步骤示意图；

图2是本发明回焊过程温度与主结构层抬升角度关系图。

具体实施方式

为了详细说明本发明的步骤及特点，现举以下较佳实施例并配合附图说明如下：

本发明关于一种聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程，其以感光型的聚酰亚胺(Polyimide)薄膜作为可挠性接点的材料，再经过高温烘箱(Oven)的回焊(Reflow)步骤，使得挠性接点在高温中呈熔融状态，并产生可将微结构拉起的表面张力。

如图1所示，本发明的制造步骤如下：

步骤一：用电浆辅助化学气相沉积法(PECVD)在一硅基质10上沉积磷硅玻璃(PSG)，作为低应力牺牲层20，再用低压化学气相沉积法(LPCVD)在低应力牺牲层20上沉积多晶硅(Poly-si)，作为主结构层30。

步骤二：进行第一道光学微影(Photolithography)步骤，用电感耦合式电浆蚀刻机(ICP)蚀刻主结构层30，定义出微结构整体轮廓形状。

步骤三：用旋转涂布机(Spin Coater)在主结构层30上涂布感光型聚酰亚胺薄膜40。

步骤四：进行第二道光学微影步骤，定义出挠性接点41的形状。

步骤五：将微结构置于缓冲氢氟酸(BOE)中进行湿式蚀刻，并将低应力牺牲层20的预定部份蚀刻释放。

步骤六：用高温烘箱(Oven)进行回焊(Reflow)作业过程，使挠性接点41在高温中呈熔融状态，挠性接点41受热后产生收缩变形，将预定部份的主结构层30旋转抬起。

下面，首先比较本发明与锡铅合金球作为挠性接点的优、缺点特性：

1、本发明无铅污染现象。

2、本发明不需要额外蒸镀一层金质衬垫作为连结接口，故步骤简单、成本低。

3、本发明用光学微影技术可进行准确度相当高的对准动作，故精准度较佳。

4、本发明可完全自动化作业。

5、本发明微型化尺寸不受限制。

其次，再比较本发明与光阻作为挠性接点的优、缺点特性：

1、感光型聚酰亚胺薄膜虽然与光阻同为高分子聚合物，但感光型聚酰亚胺薄膜的表面张力比光阻大，而且较能抵挡有机溶液，所以本发明没有挠性接点被异丙醇(IPA)溶解破坏的疑虑。

2、由于感光型聚酰亚胺薄膜较能抵挡有机溶液，适用于成本较低的湿式蚀刻制造过程，故本发明的制造成本相对较低。

综合以上说明，本发明可简化制造步骤、降低成本，并彻底解决锡铅合金球或光阻作为可挠性接点所衍生的诸多缺点。

另外，再如图2所示，回焊步骤的时间与温度会直接影响到主结构层30预定抬起部份的举起角度，因此，可通过控制回焊步骤的时间与温度来精确掌握主结构层30预定抬起部份的举起角度。

以厚度为20μm的感光型聚酰亚胺薄膜为例进行实验观察，可得到如下实验结果：

回焊步骤的温度在330℃时，无论时间多久，均无法将主结构层30的预定抬起部份抬升。

回焊步骤的温度在380℃以上时，主结构层30的预定抬起部份才渐渐开始有明显抬升现象。

从得到的数据来看，回焊步骤的温度达到405℃时，主结构层30预定抬起部份的抬升角度虽优于380℃，但是，其合格率却只有380℃的一半，甚至更少，原因在于感光型聚酰亚胺薄膜在较高温度下收缩会更剧烈，甚至因薄膜过度收缩而造成薄膜宽度小于主结构层30可动与不可动部份的间距，导致挠性接点41无法发挥正常作用。

所以，回焊步骤的温度范围以介于380℃～405℃之间为最佳，而且时间愈长，主结构层30预定抬起部份的抬升现象愈明显。

本发明可应用于微型风扇的自我组装、微型昆虫芯片的自我组装、微型百足致动器的自我组装、微光学桌芯片的自我组装、微光通讯开关的自我组装及微被动组件的自我组装。其中，微被动组件可以是微型电感也可以是微型电容。

综上所述，本发明可彻底解决锡铅合金球或光阻作为可挠性接点所衍生的诸多缺点，并广泛使用于多种微型化产业的自我组装，在同类产品当中实属首创。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，凡应用本发明说明书、权利要求书或附图所作的等效结构变化，均应包含在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1、一种聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：在一硅基质上沉积一低应力牺牲层，再在所述低应力牺牲层上沉积一主结构层；

步骤二：将所述主结构层定义蚀刻出微结构形状；

步骤三：在所述主结构层的微结构形状上涂布聚酰亚胺薄膜；

步骤四：将所述聚酰亚胺薄膜定义蚀刻出挠性接点形状；

步骤五：进行湿式蚀刻法，将所述低应力牺牲层的预定部份蚀刻释放；

步骤六：进行回焊作业过程，使所述挠性接点受热收缩，并将预定部份的所述主结构层旋转抬升。

2、如权利要求1所述聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程，其特征在于：所述低应力牺牲层为磷硅玻璃。

3、如权利要求1所述聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程，其特征在于：所述主结构层为多晶硅。

4、如权利要求1所述聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程在微型风扇的自我组装中的应用。

5、如权利要求1所述聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程在微型昆虫芯片的自我组装中的应用。

6、如权利要求1所述聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程在微型百足致动器的自我组装中的应用。

7、如权利要求1所述聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程在微光学桌芯片的自我组装中的应用。

8、如权利要求1所述聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程在微光通讯开关的自我组装中的应用。

9、如权利要求1所述聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程在微被动组件的自我组装中的应用。

10、如权利要求9所述聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程，其特征在于：所述微被动组件为微型电感。

11、如权利要求9所述聚酰亚胺薄膜的自我组装制造过程，其特征在于：所述微被动组件为微型电容。

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