一种高灵敏度的镍/硅复合微悬臂梁及其制备方法

摘要

本发明公开了一种用于极微小力(10

说明书

技术领域

本发明涉及一种微悬臂梁，特别涉及一种极微小力(10^-18N)检测用的高灵敏度的镍/硅复合微悬臂梁及其制备方法

背景技术

微悬臂梁是一种结构简单、易于进行微加工以及批量生产的传感器结构。微悬臂梁的长度和宽度一般在微米范围，而厚度在亚微米至纳米范围。微悬臂梁将被测量转化为自身的机械形变或谐振频率的变化，它有两种工作模式，即弯曲模式(静态模式)和共振(动态模式)。微悬臂梁最早是用于微力检测的传感器结构，现已成功地用于加速度传感器、原子力显微镜(AFM)和SFM探针、高灵敏度的化学气敏传感器和生化传感器以及射频RF电路发射器开关等。近年来，基于微悬臂梁的测量对象和应用范围日益增多，其测量对象增加到温度、热能、磁场、质量等；应用范围扩大到包括化学分析、生物检验、医药筛选、环境控制、气味(如香精酒类)鉴定、DNA检测等。此外，光学和红外探测、超高密度信息存储等领域是近年微悬臂梁应用的重要扩展。微悬臂梁具有灵敏度高，如蒸镀了双层金属膜的微悬臂梁作为温度传感器，灵敏度可达10^-5K；以微悬臂梁为换能元件的生物传感器灵敏度可达皮克量级。而且能批量加工，从而降低成本；可以实现10^-18N力的检测。微悬臂梁正向集成化和阵列结构发展。微悬臂梁的显著优点已经显示了在众多领域的良好应用前景。悬臂梁材料的选择是相当重要的，它决定了工艺的复杂性、成本高低、悬臂梁质量和成型性，但同时也受到所设计的微悬臂梁和探针的结构以及微细加工技术的限制。所以材料的选择必须依据成本、内应力控制难易和工艺稳定可行等众多因素考虑。根据不同的应用，可以使用多种材料加工微悬臂梁，如单晶硅、多晶硅、Si₃N₄、SiO₂、PZT、AI、Ni、Au、Pt。在实际设计和加工中一般都采用多层复合结构，比如采用单晶硅作为梁体结构时，作为保护一般在梁的表面氧化一层SiO₂，如果要作为反射束用的微镜面，还要溅射一层AI或其它金属作为反射面。薄膜微细加工技术制备的金属悬臂梁内应力大，悬臂梁容易变形，单晶硅湿法刻蚀成型的厚度控制工艺复杂，还可能引入内应力，干法深反应离子刻蚀(DRIE)成本很高，成型的均匀性也有待提高，化学气相沉积(CVD)Si3N4薄膜结构的应力控制要求极高，控制不好便会导致悬臂梁弯曲变形，而且阵列探针的成品率也难以保证。随着微电子技术的发展，由于微悬臂梁结构具有低成本、高灵敏度和批量生产等显著优点，可以预料基于微悬臂梁梁结构的传感器在物理、化学和生物传感器等领域的应用范围将变得越来越广。因此，迫切需要探索新的高灵敏度微悬臂梁结构和选择适合的材料。目前基于微悬臂梁极微小力检测已经显示了广泛的应用前景，如DNA解码、Casimir力检测、纳磁性粒子的测量、分子量子器件的制造和分析等。

发明内容

本发明的目的就是为了克服目前在微悬臂梁结构和制作方法复杂，生成成本高，不能满足日益扩大的市场需要等问题，提供一种高灵敏度的镍/硅复合微悬臂梁及其制备方法，它可实现极微小力attonewton(10^-18N)的检测，以及复合微悬臂梁低成本批量制备。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种高灵敏度的镍/硅复合微悬臂梁，它包括硅底座，所述硅底座上设有Cr/Cu电铸种子层，在该层之上为金属镍微悬臂梁，在金属镍微悬臂梁的一端为中空圆锥形针尖，同时微悬臂梁梁体为中空结构。

一种高灵敏度的镍/硅复合微悬臂梁的制备方法，它的方法为，以中空圆锥形针尖和中空悬臂梁金属镍为基体，以硅为底座，其制作采用复合制备工艺，工艺基本流程是：

(1)硅片预处理；

(2)硅片背面释放窗口制作；

(3)硅片正面溅射电铸种子层；

(4)微悬臂梁和针尖纳米压印成型；

(5)针尖表面沉积电铸种子层；

(6)微电铸沉积金属镍；

(7)中空圆锥形针尖的制备；

(8)去除针尖另一侧微悬臂结构；

(9)底座的制作，完成高灵敏度的微悬臂梁的制备。

本发明的复合微悬臂梁以金属镍为基体，以硅为底座。通过采用中空圆锥形针尖和中空悬臂梁(基于拓扑优化和有限元分析设计的结构)来极大的提高微悬臂梁灵敏度。其制作采用一种复合制备工艺，该工艺结合了纳米压印(一种低成本、大面积、高效率的微纳结构复型工艺)、微电铸、牺牲层和深层反应离子刻蚀(DIRE)等工艺的优点，具有生产成本低、工艺简单和适合批量制作等优点。该制备工艺的特征在于整个制作过程由硅片预处理、硅片背面释放窗口制作、硅片正面溅射电铸种子层、微悬臂梁和针尖纳米压印成型(包括纳米压印模版的制作)、针尖表面沉积电铸种子层、微电铸沉积金属镍、中空圆锥形针尖的制备、去除针尖另一侧微悬臂结构和底座的制作九部分组成。具体包括以下工艺步骤：

1)硅片预处理

清洗硅片除油、去污，烘干。

2)硅片背面氧化

采用湿法热氧化工艺在硅片背面生成厚度约2μm氧化层(SiO₂)，对硅片进行选择性保护。

3)释放窗口制作

甩胶、光刻和显影后，在光刻胶上光刻出释放窗口图型，以光刻胶图型作为掩模，进行RIE刻蚀SiO₂，在氧化层SiO₂上制作出释放窗口。

4)硅片正面溅射种子层

在硅片正面溅射一层约100nm厚的Cr/Cu电铸种子层。

5)微悬臂梁和针尖纳米压印成型

根据拓扑优化和有限元分析设计优化微悬臂梁结构，确定出适合的微悬臂梁结构，基于设计的臂梁微结构，制作UV纳米压印用的模版，采用UV纳米压印工艺在紫外光有机光固化材料上复制出微悬臂梁和针尖结构。

6)针尖表面沉积电铸种子层

针尖上沉积一层约10nm厚的Cr/Cu电铸种子层。

7)微电铸金属镍

使用精密微电铸工艺，在纳米压印微悬臂梁和针尖微结构之上精密电铸沉积金属镍，金属镍层厚度50nm，得到微悬臂梁和针尖镍结构层。

8)中空圆锥形针尖的制备

以步骤3制作的SiO₂释放窗口为掩模，采用DRIE刻蚀针尖下的硅；暴露出Cr/Cu电铸种子层；分别使用不同的腐蚀液去除Cr/Cu电铸种子层，暴露出制作针尖的有机光固化材料；溶脱去除针尖镍结构层下面有机光固化材料；分别使用不同的腐蚀液去除针尖镍结构层下的Cr/Cu电铸种子层，制作出金属镍为基体的中空圆锥形针尖结构。

9)保护微悬臂梁和针尖

涂铺光刻胶保护微悬臂梁和针尖。

10)去除没有被保护微悬臂梁(针尖另一侧结构)

采用腐蚀液去除没有被保护微悬臂梁。

11)去除光刻胶

采用丙酮去除微悬臂梁基体中的光刻胶(有机光固化材料)。

12)底座的制作

以步骤3制作的SiO₂释放窗口为掩模，采用DRIE刻蚀微悬臂梁下的硅，制作出微悬臂梁的底座。

13)硅片背面氧化层去除

采用稀释的HF酸溶液去除硅片背面氧化层。制作完成的具有中空圆锥形针尖和中空梁镍/硅复合微悬臂梁。

底座的制作方法也可以采用KOH湿法刻蚀工艺。

除了本发明使用的金属镍外，也可以采用其它金属，如AI。

所述的紫外光有机光固化材料基体材料可以选择MonoMat、PAK01、AMONIL MMS 3和mrUVCur06等UV纳米压印工艺所使用各种光刻胶。

本发明的有益效果为：这种新型的高灵敏度镍/硅复合微悬臂梁及其制备方法，具有极高灵敏度、工艺简单、生产成本低、适合批量制作的优点。

附图说明

图1是本发明镍/硅复合微悬臂梁的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明制作镍/硅复合微悬臂梁工艺技术路线图；

图4是本发明制作金镍/硅复合微悬臂梁的示意图。

图5是本发明中空悬臂梁优化设计的流程图。

其中，1.金属镍微悬臂梁，2.Cr/Cu电铸种子层，3.硅底座，4.中空圆锥形针尖；5.中空微悬臂梁。

以下结合附图和发明人依本发明的技术方案给出的实施例对本发明作进一步的详细描述。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明公开的用于极微小力(10^-18N)检测的高灵敏度金镍/硅复合微悬臂梁的结构示意图如图1、图2所示。它包括硅底座3，所述硅底座3上设有Cr/Cu电铸种子层2，在该层之上为金属镍微悬臂梁1，在金属镍微悬臂梁1的一端为中空圆锥形针尖4，金属镍微悬臂梁1上还有中空微悬臂梁梁体5。

本发明以具有中空圆锥形针尖4和金属镍微悬臂梁1为基体，以Cr/Cu电铸种子层2和硅底座3为底座。通过采用中空圆锥形针尖4和中空悬臂梁5(基于拓扑优化和有限元分析设计的结构)来极大的提高微悬臂梁灵敏度。其制作采用一种复合制备工艺。

金属镍/硅复合微悬臂梁制作工艺技术路线图参见图3，包括：

1)硅片预处理；并进行硅片背面氧化；

2)释放窗口制作；

3)硅片正面溅射种子层；

4)微悬臂梁和针尖纳米压印成型；

5)针尖上沉积电铸种子层；

6)微电铸金属镍；

7)针尖下面结构释放(硅和溅射种子层)；

8)溶脱去除针尖镍结构层下面光刻胶；

9)去除针尖沉积的种子层；

10)保护微悬臂梁和针尖；

11)去除没有被保护微悬臂梁(针尖另一侧结构)；

12)去除微悬臂梁基体中的光刻胶；

13)制作底座；

14)硅片背面氧化层去除。

结合金属镍/硅复合微悬臂梁制作示意图(图4)，以下对镍/硅复合微悬臂梁制作过程中的主要工艺步骤做详细描述：

1)硅片预处理

采用氮气流和超声波清洗方法对硅片进行清洗，去除油污。并在烘箱中烘干。如图4(a)。

2)硅片背面氧化

采用湿法热氧化工艺在硅片背面生成厚度约2μm氧化层，对硅片进行选择性保护。如图4(b)。

3)释放窗口制作

涂铺光刻胶、光刻和显影后，在光刻胶上光刻出释放窗口图型，如图4(c)。以光刻胶图型作为掩模，进行RIE刻蚀SiO₂，在氧化层SiO₂上制作出释放窗口。如图4(d)。

4)硅片正面溅射种子层

在硅片正面溅射一层约100nm厚的Cr/Cu电铸种子层。如图4(e)。

5)微悬臂梁和针尖纳米压印成型

根据拓扑优化和有限元分析设计优化微悬臂梁结构，确定出适合的微悬臂梁结构，基于设计的臂梁微结构，制作UV纳米压印用的模版，采用UV纳米压印工艺在紫外光有机光固化材料上复制出微悬臂梁和针尖结构。如图4(f)。微悬臂梁和针尖纳米压印成型的工艺步骤包括：①在种子层表面上均匀旋转涂铺UV纳米压印所用的光刻胶(紫外光有机光固化材料)；②模版对正后压向涂铺在基片上的光刻胶；③采用紫外光从模版背面照射紫外光有机光固化材料，曝光固化成型后，脱模；④使用反应离子刻蚀RIE(Reactive Ion Etching)去除残留的光刻胶，显影、坚膜后在紫外光有机光固化材料上复制出微悬臂梁和针尖结构。

6)针尖表面沉积电铸种子层

针尖上沉积一层约10nm厚的Cr/Cu电铸种子层。如图4(g)。

7)微电铸金属镍

使用精密微电铸工艺，在纳米压印微悬臂梁和针尖微结构之上精密电铸沉积金属镍，金属镍层厚度50nm，得到微悬臂梁和针尖镍结构层。如图4(h)。

选择工业中常用的Watts镀镍液的配方，以硫酸镍作为电解液的主要成分，添加氯化镍保证阳极的正常溶解。该镀液容易维护，操作简单，沉积速度快，镀层应力小。具体的配方与工艺条件如下：

硫酸镍NiSO₄·7H₂O    240g/L

氯化镍NiCl₂·6H₂O    20g/L

硼酸H₃BO₃            20g/L

十二烷基硫酸钠       0.05g/L

PH值                 3.5

工作温度             30℃-50℃

电流密度             1A/cm²-2.5A/cm²

搅拌方式             中速搅拌

8)针尖下面结构释放(硅和溅射种子层)

以步骤3制作的SiO₂释放窗口为掩模，采用DRIE刻蚀针尖下的硅；暴露出Cr/Cu电铸种子层。分别使用Cu腐蚀液(10％的HCI溶液+8％的双氧水)和Cr腐蚀液(15％的NaOH溶液+30％的铁氰化钾溶液)去除该窗口下的Cr/Cu电铸种子层，暴露出制作针尖的有机光固化材料。如图4(i)。

9)溶脱去除针尖镍结构层下面有机光固化材料

采用丙酮或2％的稀KOH溶液去除针尖镍结构层下面有机光固化材料。

10)去除针尖沉积的种子层

分别使用Cu腐蚀液(10％的HCI溶液+8％的双氧水)和Cr腐蚀液(15％的NaOH溶液+30％的铁氰化钾溶液)去除针尖镍结构层下的Cr/Cu电铸种子层，制作出金属镍为基体中空的针尖结构。如图4(j)。

11)保护微悬臂梁和针尖；

涂铺光刻胶保护微悬臂梁和针尖。如图4(k)。

12)去除没有被保护微悬臂梁(针尖另一侧结构)

采用腐蚀液去除没有被保护微悬臂梁。如图4(l)。

13)去除光刻胶

采用丙酮去除微悬臂梁基体中的光刻胶(有机光固化材料)。

14)底座的制作

以步骤3制作的SiO₂释放窗口为掩模，采用DRIE刻蚀微悬臂梁下的硅，制作出微悬臂梁的底座。如图4(l)。

15)硅片背面氧化层去除

采用稀释的HF酸溶液去除硅片背面氧化层。制作完成的具有中空圆锥形针尖和中空梁镍/硅复合微悬臂梁，如图4(l)所示。

本发明通过采用中空圆锥形针尖和中空悬臂梁结构来极大的提高微悬臂梁灵敏度，实现极微小力attonewton(10^-18N)的检测。中空悬臂梁结构的设计基于拓扑优化和有限元分析。

图5是本发明中空悬臂梁优化设计流程图。包括：

1)悬臂梁和针尖几何形状优化设计；

2)确定和比较不同几何形状和尺寸孔洞悬臂梁应力分布；

3)优化孔洞的几何形状和尺寸；

4)比较增加孔洞数量对悬臂梁应力分布的影响；

5)优化孔洞的数量；

6)优化孔洞的位置和尺寸以获得最高平均应力分布。