專利名稱：基于體硅加工技術(shù)的電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于體硅工藝的微夾鉗制作方法。
背景技術(shù)：
微夾鉗是微執(zhí)行器的一種，用于完成微小目標(biāo)的夾持、移動(dòng)和組裝等動(dòng)作，在微機(jī) 電系統(tǒng)(MEMS)的微操作、微裝配領(lǐng)域擔(dān)當(dāng)重要角色。目前，微夾鉗主要采用靜電、壓電、形 狀記憶合金、電熱等驅(qū)動(dòng)方式使夾持端運(yùn)動(dòng)并夾持微小物體。因?yàn)殡姛狎?qū)動(dòng)微夾鉗具有控 制簡(jiǎn)單、操作方便、能提供大的輸出力和驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)，所以本發(fā)明所述加工技術(shù)是針 對(duì)此種微夾鉗。 目前微夾鉗的制作方法主要分為以下三種精密機(jī)械加工技術(shù)、LIGA加工技術(shù)和 半導(dǎo)體加工技術(shù)。澳大利亞莫納什大學(xué)的Mohd Nashrul MohdZubir等人使用EDM(電火 花線切割)工藝制作出了由PZT(壓電晶體)驅(qū)動(dòng)的微夾鉗(Sensors and Actuators A: Physical 150(2009)257-266)。然而精密機(jī)械加工方法存在加工尺寸大、制造成本高、加 工周期長(zhǎng)和不適合于批量生產(chǎn)等缺點(diǎn)。LIGA技術(shù)是80年代初由德國(guó)Karlsruhe原子核 研究中心首先提出并發(fā)展起來。意大利MiTech實(shí)驗(yàn)室Maria Chiara Carrozza等人采用 LIGA技術(shù)制作了鎳微夾鉗(Micromech Microeng， 10 (2000) ， pp. 271-276)。這種工藝具有
掩模板制作困難、工藝周期長(zhǎng)和設(shè)備成本很高的缺點(diǎn)，不適合推廣應(yīng)用。半導(dǎo)體加工技術(shù)目 前發(fā)展較成熟，加拿大多倫多大學(xué)的Nikolai Dechev等人采用半導(dǎo)體加工技術(shù)中的表面 硅工藝制作了微夾甜(IEEE International Conference on Information Acquisition, 2005pp. 134-139)。由于表面硅技術(shù)的加工厚度很薄，制作出微夾鉗厚度較薄，使微夾鉗夾 持性能受到影響。 體硅加工技術(shù)是微機(jī)電系統(tǒng)制造技術(shù)中最為重要的加工手段之一，刻蝕技術(shù)是體 硅加工的重要組成部分。刻蝕技術(shù)分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩種。濕法刻蝕技術(shù)發(fā)展較 早，技術(shù)成熟。干法刻蝕主要包括濺射刻蝕、等離子體刻蝕、離子束刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕 (RIE)、深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)和自感耦合等離子體刻蝕(ICP)等。自感耦合等離子體刻 蝕技術(shù)具有控制精度高、大面積刻蝕均勻性好、刻蝕損傷小、污染少，刻蝕垂直度好，刻蝕斷 面輪廓可控性高和刻蝕表面平整光滑等優(yōu)點(diǎn)，自感耦合等離子體刻蝕技術(shù)這些優(yōu)點(diǎn)，使之 成為有效的加工手段。目前已應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)電源，微鏡陣列，以及微慣性器件的加工 中。由于微夾鉗為準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)，具有垂直的側(cè)壁和較大的深寬比，自感耦合等離子體刻蝕技 術(shù)可以滿足要求，因此選擇這種工藝為硅微夾鉗的主要加工工藝。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服使用以上工藝制作微夾鉗的不足，本發(fā)明提出一種基于體硅加工技術(shù)的 電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗制作方法，其制作成本較低，加工周期較短，可批量生產(chǎn)，且制作微夾鉗的 材料為半導(dǎo)體硅，具有強(qiáng)度高和便于與微電子線路實(shí)現(xiàn)集成化的優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于體硅加工技術(shù)的微夾鉗電熱驅(qū)動(dòng)制作方法，其特征
3是其特征是采用體硅加工技術(shù)制作出具有較大深寬比微結(jié)構(gòu)的電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗，包括以下 步驟 (1)預(yù)處理先對(duì)硅片1進(jìn)行清洗，再氧化生成氧化層2 ; (2)光刻釋放窗口圖形使用光刻膠3，在硅片下表面上光刻釋放窗口圖形；
(3)使用濕法刻蝕工藝刻蝕下表面二氧化硅首先在硅片上表面涂一層光刻膠以 保護(hù)上表面二氧化硅，然后使用氫氟酸去除硅片下表面未被光刻膠保護(hù)的二氧化硅，最后 使用去膠液去除光刻膠； (4)光刻鉗體圖形使用光刻膠，在硅片上表面上光刻微夾鉗圖形； (5)使用自感耦合等離子刻蝕工藝刻蝕上表面二氧化硅使用自感耦合等離子刻
蝕工藝去除硅片上表面未被光刻膠保護(hù)的二氧化硅，然后使用去膠液去除光刻膠； (6)使用自感耦合等離子刻蝕工藝刻蝕釋放窗口 使用自感耦合等離子刻蝕工藝
刻蝕硅片下表面未被二氧化硅保護(hù)的釋放窗口 ，刻蝕深度為硅片厚度與微夾鉗厚度之差； (7)使用自感耦合等離子刻蝕工藝刻蝕鉗體使用自感耦合等離子刻蝕工藝刻蝕
硅片上表面未被二氧化硅保護(hù)的鉗體； (8)去除表面二氧化硅用氫氟酸去除硅片表面二氧化硅； (9)濺射金屬電極將帶有電極圖形的模具4作為掩蔽，在硅片上表面電極位置先 濺射金屬鈦或鉻5，然后濺射導(dǎo)電金屬6，完成硅微夾鉗7的制作。 本發(fā)明的效果是以體硅加工技術(shù)作為基礎(chǔ)，制作出具有較大深寬比微結(jié)構(gòu)的電熱 驅(qū)動(dòng)微夾鉗。所采用的是目前微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中常用、成熟和可靠的加工技術(shù)?？朔?原有微夾鉗制作方法存在缺點(diǎn)，具有制作成本低，加工周期短、易于量產(chǎn)、強(qiáng)度高和便于與 微電子線路實(shí)現(xiàn)集成化的優(yōu)點(diǎn)。


圖1預(yù)處理，圖2光刻釋放窗口圖形，圖3使用濕法刻蝕工藝刻蝕下表面二氧化 硅，圖4光刻鉗體圖形，圖5使用自感耦合等離子刻蝕工藝刻蝕上表面二氧化硅，圖6使用 自感耦合等離子刻蝕工藝刻蝕釋放窗口，圖7使用自感耦合等離子刻蝕工藝刻蝕鉗體，圖8
去除表面二氧化硅，圖9濺射金屬電極，圖10完成微夾鉗制作。其中1-硅片；2_氧化層； 3_光刻膠；4_模具；5_金屬鈦或鉻；6-導(dǎo)電金屬；7_硅微夾鉗。
圖11是采用本發(fā)明制作的一種電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗顯微照片。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。 體硅加工技術(shù)是微系統(tǒng)制造技術(shù)中最為重要的加工手段之一，刻蝕技術(shù)是體硅加 工的重要部分，即在硅表面光刻圖形后，通過刻蝕工藝將圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠下邊的層上。通 ?？涛g技術(shù)分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩種。硅的濕法腐蝕又可分為各向異性腐蝕和各向同 性腐蝕，各向同性腐蝕是指沿基底的各個(gè)方向以同一速率腐蝕，而各向異性腐蝕則是在優(yōu) 先的方向上以較快的速率腐蝕。干法刻蝕是利用輝光放電的方式產(chǎn)生包含有正、負(fù)離子、電 子、高度化學(xué)活性的中性原子及自由基在內(nèi)的等離子體，對(duì)樣品表面進(jìn)行物理、化學(xué)作用從 而刻蝕樣品，生成所需結(jié)構(gòu)。干法刻蝕主要包括濺射刻蝕、等離子體刻蝕、離子束刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)和自感耦合等離子體刻蝕(ICP)等。 自感耦合等離子體刻蝕技術(shù)是一種重要的體硅加工工藝，是一種高密度等離子體
的刻蝕，刻蝕過程是物理作用和化學(xué)作用的結(jié)合。 在自感耦合等離子體刻蝕工藝中，刻蝕與保護(hù)是相當(dāng)復(fù)雜的過程，它們交替存在 并相互競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)刻蝕大于保護(hù)，則總體表現(xiàn)為刻蝕，反之則表現(xiàn)為保護(hù)過大無法刻蝕。等離 子體對(duì)材料的刻蝕分為物理刻蝕和化學(xué)刻蝕。物理刻蝕是通過加速離子對(duì)基片表面的撞 擊，將基片表面的原子濺射出來，以離子能量的損失為代價(jià)，達(dá)到刻蝕目的?；瘜W(xué)反應(yīng)刻蝕 是反應(yīng)等離子體在放電過程中產(chǎn)生許多離子和許多化學(xué)活性中性物質(zhì)與基片發(fā)生化學(xué)反 應(yīng)，生成氣態(tài)生成物離開基片表面。保護(hù)過程是在刻蝕基片表面淀積一層不參與化學(xué)反應(yīng) 的鈍化層來對(duì)基片進(jìn)行保護(hù)的過程。它們?cè)诳涛g過程中交替進(jìn)行，首先在基片上發(fā)生一個(gè) 短促的刻蝕過程，暴露的硅襯底以接近各項(xiàng)通行的方式被刻蝕；接著轉(zhuǎn)換到保護(hù)過程，整個(gè) 基片表面被覆蓋了一層聚合物鈍化層；接下來，結(jié)構(gòu)底部的聚合物被離子轟擊去除，刻蝕離 子繼續(xù)與暴露的硅襯底反應(yīng)，由于入射離子的方向性，側(cè)壁鈍化層不易被轟擊，從而保護(hù)了 側(cè)壁，避免其繼續(xù)被刻蝕。這一過程循環(huán)進(jìn)行，可以使刻蝕深度不斷增加，而側(cè)壁保持陡直。
如圖1至圖10所示，(1)取一單晶硅片l，對(duì)其進(jìn)行清洗，然后在有氧化劑及逐步 升溫的條件下，使光潔的硅表面生成一層致密的氧化層2 ;(2)使用BP212光刻膠3，在硅 片下表面上光刻釋放窗口圖形；(3)在硅片上表面涂一層光刻膠以保護(hù)上表面二氧化硅的 前提下，使用氫氟酸去除硅片下表面未被光刻膠保護(hù)的二氧化硅，并使用氫氧化鈉溶液去 除光刻膠；(4)同樣使用BP212光刻膠，在硅片上表面上光刻微夾鉗圖形；(5)為了保證鉗 體圖形的精度，使用自感耦合等離子體刻蝕工藝去除硅片上表面未被光刻膠保護(hù)的二氧化 硅，并使用氫氧化鈉溶液去除光刻膠；(6)使用自感耦合等離子體刻蝕工藝刻蝕硅片下表 面未被二氧化硅保護(hù)的釋放窗口，刻蝕深度約為硅片厚度與微夾鉗厚度之差；(7)使用自 感耦合等離子體刻蝕工藝刻蝕硅片上表面未被二氧化硅保護(hù)的鉗體圖形；(8)使用氫氟酸 去除表面二氧化硅；(9)將帶有電極圖形的模具4作為掩蔽，在硅片上表面電極位置先濺射 200納米金屬鈦5，然后濺射200納米金屬銅6，從而得到硅微夾鉗7，見圖10。制作完的一 種電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗顯微照片如圖11所示。 本發(fā)明制作周期短，每批次僅為2至3天；如使用4英寸硅片進(jìn)行制作，每只硅片 可一次制作100個(gè)以上的微夾鉗，從而實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)；使用本發(fā)明制作的微夾鉗圖形精度 可達(dá)2微米，深寬比最大可達(dá)10 : 1。本發(fā)明還適用于具有垂直的側(cè)壁和較大的深寬比的 準(zhǔn)三維微結(jié)構(gòu)的制作。
權(quán)利要求
一種基于體硅加工技術(shù)的電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗制作方法，其特征是，采用體硅加工技術(shù)制作出具有較大深寬比微結(jié)構(gòu)的電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗，包括以下步驟(1)預(yù)處理先對(duì)硅片1進(jìn)行清洗，再氧化生成氧化層2；(2)光刻釋放窗口圖形使用光刻膠3，在硅片下表面上光刻釋放窗口圖形；(3)使用濕法刻蝕工藝刻蝕下表面二氧化硅首先在硅片上表面涂一層光刻膠以保護(hù)上表面二氧化硅，然后使用氫氟酸去除硅片下表面未被光刻膠保護(hù)的二氧化硅，最后使用去膠液去除光刻膠；(4)光刻鉗體圖形使用光刻膠，在硅片上表面上光刻微夾鉗圖形；(5)使用自感耦合等離子刻蝕工藝刻蝕上表面二氧化硅使用自感耦合等離子刻蝕工藝去除硅片上表面未被光刻膠保護(hù)的二氧化硅，然后使用去膠液去除光刻膠；(6)使用自感耦合等離子刻蝕工藝刻蝕釋放窗口使用自感耦合等離子刻蝕工藝刻蝕硅片下表面未被二氧化硅保護(hù)的釋放窗口，刻蝕深度為硅片厚度與微夾鉗厚度之差；(7)使用自感耦合等離子刻蝕工藝刻蝕鉗體使用自感耦合等離子刻蝕工藝刻蝕硅片上表面未被二氧化硅保護(hù)的鉗體；(8)去除表面二氧化硅用氫氟酸去除硅片表面二氧化硅；(9)濺射金屬電極將帶有電極圖形的模具4作為掩蔽，在硅片上表面電極位置先濺射金屬鈦或鉻5，然后濺射導(dǎo)電金屬6，完成硅微夾鉗7的制作。
全文摘要
本發(fā)明基于體硅加工技術(shù)的電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗制作方法屬于微制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于體硅工藝的微夾鉗制作方法。采用體硅加工技術(shù)制作出具有較大深寬比微結(jié)構(gòu)的電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗，包括以下步驟預(yù)處理；光刻釋放窗口圖形；用濕法刻蝕工藝刻蝕下表面二氧化硅；光刻鉗體圖形；用自感耦合等離子刻蝕工藝刻蝕上表面二氧化硅；用自感耦合等離子刻蝕工藝刻蝕釋放窗口；用自感耦合等離子刻蝕工藝刻蝕鉗體；去除表面二氧化硅；濺射金屬電極；完成硅微夾鉗制作。本發(fā)明具有制作成本較低，加工周期較短，可批量生產(chǎn)，具有強(qiáng)度高和便于與微電子線路實(shí)現(xiàn)集成化。
文檔編號(hào)B81C1/00GK101695992SQ200910187860
公開日2010年4月21日 申請(qǐng)日期2009年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月11日
發(fā)明者劉帥, 張 成, 張然, 王文靜, 褚金奎 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué);