基于体硅加工技术的电热驱动微夹钳制作方法

摘要

本发明基于体硅加工技术的电热驱动微夹钳制作方法属于微制造技术领域，特别涉及一种基于体硅工艺的微夹钳制作方法。采用体硅加工技术制作出具有较大深宽比微结构的电热驱动微夹钳，包括以下步骤：预处理；光刻释放窗口图形；用湿法刻蚀工艺刻蚀下表面二氧化硅；光刻钳体图形；用自感耦合等离子刻蚀工艺刻蚀上表面二氧化硅；用自感耦合等离子刻蚀工艺刻蚀释放窗口；用自感耦合等离子刻蚀工艺刻蚀钳体；去除表面二氧化硅；溅射金属电极；完成硅微夹钳制作。本发明具有制作成本较低，加工周期较短，可批量生产，具有强度高和便于与微电子线路实现集成化。

说明书

技术领域

本发明属于微制造技术领域，特别涉及一种基于体硅工艺的微夹钳制作方法。

背景技术

微夹钳是微执行器的一种，用于完成微小目标的夹持、移动和组装等动作，在微机电系统(MEMS)的微操作、微装配领域担当重要角色。目前，微夹钳主要采用静电、压电、形状记忆合金、电热等驱动方式使夹持端运动并夹持微小物体。因为电热驱动微夹钳具有控制简单、操作方便、能提供大的输出力和驱动电压低等优点，所以本发明所述加工技术是针对此种微夹钳。

目前微夹钳的制作方法主要分为以下三种：精密机械加工技术、LIGA加工技术和半导体加工技术。澳大利亚莫纳什大学的Mohd Nashrul MohdZubir等人使用EDM(电火花线切割)工艺制作出了由PZT(压电晶体)驱动的微夹钳(Sensors and Actuators A：Physical 150(2009)257-266)。然而精密机械加工方法存在加工尺寸大、制造成本高、加工周期长和不适合于批量生产等缺点。LIGA技术是80年代初由德国Karlsruhe原子核研究中心首先提出并发展起来。意大利MiTech实验室Maria Chiara Carrozza等人采用LIGA技术制作了镍微夹钳(Micromech Microeng，10(2000)，pp.271-276)。这种工艺具有掩模板制作困难、工艺周期长和设备成本很高的缺点，不适合推广应用。半导体加工技术目前发展较成熟，加拿大多伦多大学的Nikolai Dechev等人采用半导体加工技术中的表面硅工艺制作了微夹钳(IEEE International Conference on Information Acquisition，2005pp.134-139)。由于表面硅技术的加工厚度很薄，制作出微夹钳厚度较薄，使微夹钳夹持性能受到影响。

体硅加工技术是微机电系统制造技术中最为重要的加工手段之一，刻蚀技术是体硅加工的重要组成部分。刻蚀技术分为湿法刻蚀和干法刻蚀两种。湿法刻蚀技术发展较早，技术成熟。干法刻蚀主要包括：溅射刻蚀、等离子体刻蚀、离子束刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)和自感耦合等离子体刻蚀(ICP)等。自感耦合等离子体刻蚀技术具有控制精度高、大面积刻蚀均匀性好、刻蚀损伤小、污染少，刻蚀垂直度好，刻蚀断面轮廓可控性高和刻蚀表面平整光滑等优点，自感耦合等离子体刻蚀技术这些优点，使之成为有效的加工手段。目前已应用于微机电系统电源，微镜阵列，以及微惯性器件的加工中。由于微夹钳为准三维结构，具有垂直的侧壁和较大的深宽比，自感耦合等离子体刻蚀技术可以满足要求，因此选择这种工艺为硅微夹钳的主要加工工艺。

发明内容

为了克服使用以上工艺制作微夹钳的不足，本发明提出一种基于体硅加工技术的电热驱动微夹钳制作方法，其制作成本较低，加工周期较短，可批量生产，且制作微夹钳的材料为半导体硅，具有强度高和便于与微电子线路实现集成化的优点。

本发明的技术方案是一种基于体硅加工技术的微夹钳电热驱动制作方法，其特征是其特征是采用体硅加工技术制作出具有较大深宽比微结构的电热驱动微夹钳，包括以下步骤：

(1)预处理：先对硅片1进行清洗，再氧化生成氧化层2；

(2)光刻释放窗口图形：使用光刻胶3，在硅片下表面上光刻释放窗口图形；

(3)使用湿法刻蚀工艺刻蚀下表面二氧化硅：首先在硅片上表面涂一层光刻胶以保护上表面二氧化硅，然后使用氢氟酸去除硅片下表面未被光刻胶保护的二氧化硅，最后使用去胶液去除光刻胶；

(4)光刻钳体图形：使用光刻胶，在硅片上表面上光刻微夹钳图形；

(5)使用自感耦合等离子刻蚀工艺刻蚀上表面二氧化硅：使用自感耦合等离子刻蚀工艺去除硅片上表面未被光刻胶保护的二氧化硅，然后使用去胶液去除光刻胶；

(6)使用自感耦合等离子刻蚀工艺刻蚀释放窗口：使用自感耦合等离子刻蚀工艺刻蚀硅片下表面未被二氧化硅保护的释放窗口，刻蚀深度为硅片厚度与微夹钳厚度之差；

(7)使用自感耦合等离子刻蚀工艺刻蚀钳体：使用自感耦合等离子刻蚀工艺刻蚀硅片上表面未被二氧化硅保护的钳体；

(8)去除表面二氧化硅：用氢氟酸去除硅片表面二氧化硅；

(9)溅射金属电极：将带有电极图形的模具4作为掩蔽，在硅片上表面电极位置先溅射金属钛或铬5，然后溅射导电金属6，完成硅微夹钳7的制作。

本发明的效果是以体硅加工技术作为基础，制作出具有较大深宽比微结构的电热驱动微夹钳。所采用的是目前微机电系统(MEMS)中常用、成熟和可靠的加工技术。克服了原有微夹钳制作方法存在缺点，具有制作成本低，加工周期短、易于量产、强度高和便于与微电子线路实现集成化的优点。

附图说明

图1预处理，图2光刻释放窗口图形，图3使用湿法刻蚀工艺刻蚀下表面二氧化硅，图4光刻钳体图形，图5使用自感耦合等离子刻蚀工艺刻蚀上表面二氧化硅，图6使用自感耦合等离子刻蚀工艺刻蚀释放窗口，图7使用自感耦合等离子刻蚀工艺刻蚀钳体，图8去除表面二氧化硅，图9溅射金属电极，图10完成微夹钳制作。其中：1-硅片；2-氧化层；3-光刻胶；4-模具；5-金属钛或铬；6-导电金属；7-硅微夹钳。

图11是采用本发明制作的一种电热驱动微夹钳显微照片。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

体硅加工技术是微系统制造技术中最为重要的加工手段之一，刻蚀技术是体硅加工的重要部分，即在硅表面光刻图形后，通过刻蚀工艺将图形转移到光刻胶下边的层上。通常刻蚀技术分为湿法刻蚀和干法刻蚀两种。硅的湿法腐蚀又可分为各向异性腐蚀和各向同性腐蚀，各向同性腐蚀是指沿基底的各个方向以同一速率腐蚀，而各向异性腐蚀则是在优先的方向上以较快的速率腐蚀。干法刻蚀是利用辉光放电的方式产生包含有正、负离子、电子、高度化学活性的中性原子及自由基在内的等离子体，对样品表面进行物理、化学作用从而刻蚀样品，生成所需结构。干法刻蚀主要包括：溅射刻蚀、等离子体刻蚀、离子束刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)和自感耦合等离子体刻蚀(ICP)等。

自感耦合等离子体刻蚀技术是一种重要的体硅加工工艺，是一种高密度等离子体的刻蚀，刻蚀过程是物理作用和化学作用的结合。

在自感耦合等离子体刻蚀工艺中，刻蚀与保护是相当复杂的过程，它们交替存在并相互竞争。当刻蚀大于保护，则总体表现为刻蚀，反之则表现为保护过大无法刻蚀。等离子体对材料的刻蚀分为物理刻蚀和化学刻蚀。物理刻蚀是通过加速离子对基片表面的撞击，将基片表面的原子溅射出来，以离子能量的损失为代价，达到刻蚀目的。化学反应刻蚀是反应等离子体在放电过程中产生许多离子和许多化学活性中性物质与基片发生化学反应，生成气态生成物离开基片表面。保护过程是在刻蚀基片表面淀积一层不参与化学反应的钝化层来对基片进行保护的过程。它们在刻蚀过程中交替进行，首先在基片上发生一个短促的刻蚀过程，暴露的硅衬底以接近各项通行的方式被刻蚀；接着转换到保护过程，整个基片表面被覆盖了一层聚合物钝化层；接下来，结构底部的聚合物被离子轰击去除，刻蚀离子继续与暴露的硅衬底反应，由于入射离子的方向性，侧壁钝化层不易被轰击，从而保护了侧壁，避免其继续被刻蚀。这一过程循环进行，可以使刻蚀深度不断增加，而侧壁保持陡直。

如图1至图10所示，(1)取一单晶硅片1，对其进行清洗，然后在有氧化剂及逐步升温的条件下，使光洁的硅表面生成一层致密的氧化层2；(2)使用BP212光刻胶3，在硅片下表面上光刻释放窗口图形；(3)在硅片上表面涂一层光刻胶以保护上表面二氧化硅的前提下，使用氢氟酸去除硅片下表面未被光刻胶保护的二氧化硅，并使用氢氧化钠溶液去除光刻胶；(4)同样使用BP212光刻胶，在硅片上表面上光刻微夹钳图形；(5)为了保证钳体图形的精度，使用自感耦合等离子体刻蚀工艺去除硅片上表面未被光刻胶保护的二氧化硅，并使用氢氧化钠溶液去除光刻胶；(6)使用自感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀硅片下表面未被二氧化硅保护的释放窗口，刻蚀深度约为硅片厚度与微夹钳厚度之差；(7)使用自感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀硅片上表面未被二氧化硅保护的钳体图形；(8)使用氢氟酸去除表面二氧化硅；(9)将带有电极图形的模具4作为掩蔽，在硅片上表面电极位置先溅射200纳米金属钛5，然后溅射200纳米金属铜6，从而得到硅微夹钳7，见图10。制作完的一种电热驱动微夹钳显微照片如图11所示。

本发明制作周期短，每批次仅为2至3天；如使用4英寸硅片进行制作，每只硅片可一次制作100个以上的微夹钳，从而实现批量生产；使用本发明制作的微夹钳图形精度可达2微米，深宽比最大可达10∶1。本发明还适用于具有垂直的侧壁和较大的深宽比的准三维微结构的制作。