CN102167282A

CN102167282A - 一种硅与金属复合材料的微结构加工方法

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Publication number: CN102167282A
Application number: CN 201110086183
Authority: CN
Inventors: 郭育华; 王英男; 江争; 马广礼
Original assignee: FINE ART ENGINEERING RESEARCH Co Ltd; Tianjin Seagull Watch Group Co Ltd
Current assignee: FINE ART ENGINEERING RESEARCH Co Ltd; Tianjin Seagull Watch Group Co Ltd
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2011-08-31

Abstract

本发明公开一种硅与金属复合材料的微结构加工方法，包括：一.硅片与硅衬底上的金属电铸种子层的共熔键合；二.A_Z正胶电铸金属图案的光刻；三.第一层硅结构的深度刻蚀；四.电铸金属内装结构；五A_Z正胶硅结构图案的光刻；六.第二层硅结构的深度刻蚀；七.去除光刻胶和分离基底，释放出硅与金属复合材料的微结构。有益效果是：由于将功能型硅片键合在具有金属种子层的硅衬底上，在运用反应离子耦合的干法硅深度刻蚀技术刻蚀，电铸金属结构，刻蚀其他的硅结构；该方法获得的微结构尺寸精度高，电铸金属结构完美，因为深度刻蚀的硅侧壁本身具有扇贝型条纹，电铸的金属结构与硅结构互相咬合，不易分离脱落；另外，由于采用深度刻蚀和电铸工艺，重复性好。

Description

一种硅与金属复合材料的微结构加工方法

技术领域

本发明涉及一种微细加工领域；特别是涉及一种硅与金属复合材料的微结构制作方法。

背景技术

微纳米加工归根结底是要在各种功能材料上制作微纳米结构。所谓功能材料是能够制作各种微纳米器件的材料，例如硅和二氧化硅是微机械和微流体***使用最广泛的材料，也是半导体工业的基础材料。1960年，R. Feymann在加州理工大学的一次演讲中定义了微机械的概念。1962年，第一个硅压力传感器问世，其后又开发出50～500 um的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及连接件等微结构。1982年，K.E.Peterson 发表一篇题为“Silicon as a Mechanical Material”的综述性文章，对硅微机械加工技术的发展起到了奠基的作用。但是受技术和社会需求的影响，硅微机械加工在上世纪80年代以前一直没有得到长足的发展。感应耦合等离子体(ICP)进行深度反应刻蚀（Deep Reactive Ion Etching，DRIE)是近年来出现一种新型干法刻蚀技术，能够将光刻胶图形高精度的转移到硅衬底上，具有刻蚀速率高和各向异性刻蚀等优点，它的出现对制作硅微结构尤其是具备大高宽比结构，提供了批量化生产制作的可能。因此在诸多领域，单晶硅材料作为一种新型的功能材料被广泛的运用在微机械领域，例如机械表芯部件，尤其在擒纵机构中的硅擒纵叉，硅擒纵轮片，硅夹板等。硅材料的引入带来许多创新性的设计。因为相比传统的金属或者合金材料，硅材料具有质量轻，惯量小，硬度高，耐磨损及非常低的摩擦系数和热膨胀系数等优点。

然而，硅材料相比金属材料也有一定的缺陷，比如脆性太大、韧性不足、易于断裂等。因此在机械配合的关键部位，如要求过盈配合处，往往发生硅结构部件爆裂，脆断等情形。

目前解决上述问题的主要办法，是在硅材料上孔轴配合的关键部位设计一些弹性结构，如美国专利公开号7575369 B2和欧洲专利公开号1655642，是将孔轴接触的切线方向上分角度的设计一些直纹条状的槽，缓冲装配时金属轴对脆性硅材料孔产生的力冲击，避免造成硅结构的破坏。该办法能够一定程度的解决金属零件与硅零件的装配问题，降低装配造成的废品率，但改善有限，硅弹性结构仍无法能够提供装配所需的材料有效的塑性变形能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在硅零件的装配部位制作金属结构，能够提供装配所需的弹塑性变形能力，从根本上解决部件的装配和使用问题。由于微机械的硅零件本身尺寸较小，嵌入式的制作金属结构，难度较大，同时仍存在嵌入装配的问题。本发明将提出一种硅材料与金属结构一次成型的制作方法，克服以上问题，最大程度的发挥微机械硅零件的使用效能。

本发明所采用的技术方案是：一种硅与金属复合材料的微结构加工方法，包括，步骤一：硅片（Si）与硅衬底上的金属电铸种子层（Ti/Au/Ti）的共熔键合；步骤二：A_Z正胶电铸金属图案的光刻；步骤三：第一层硅结构的深度刻蚀；步骤四：电铸金属内装结构；步骤五：A_Z正胶硅结构图案的光刻；步骤六：第二层硅结构的深度刻蚀；步骤七：去除光刻胶和分离基底，释放出硅与金属复合材料的微结构。

所述步骤一包括金属电铸种子层是在硅衬底上溅射Ti/Au/Ti金属种子层，所述硅片与金属电铸种子层在真空氮气烘箱内实现共熔键合；所述步骤二包括涂敷A_Z4620P光刻胶，紫外光刻获得第一层结构的掩模图案；所述步骤三以步骤二所得图案为掩模，选用DRIE深度刻蚀第一层硅结构；所述步骤四以步骤三所得结构为模板电铸金属内装结构；所述步骤五包括涂敷A_Z4620P光刻胶，对准紫外光刻获得第二层结构的掩模图案；所述步骤六以步骤五所得图案为掩模，选用DRIE深度刻蚀第二层硅结构；所述步骤七包括去除剩余的光刻胶和分离带有金属电铸种子层的硅衬底。

本发明的有益效果是：由于将功能型硅片键合在具有金属种子层（Ti/Au/Ti）的硅衬底上，在运用反应离子耦合(ICP)的干法硅深度刻蚀技术刻蚀，电铸金属结构，刻蚀其他的硅结构；该方法获得的微结构尺寸精度高，电铸金属结构完美，因为深度刻蚀的硅侧壁本身具有扇贝型条纹，电铸的金属结构与硅结构互相咬合，不易分离脱落；另外，由于采用深度刻蚀和电铸工艺，重复性好。

附图说明

图1是实施例新型硅与金属复合微结构的加工方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明硅与金属复合材料的微结构加工方法，包括，步骤一：在硅衬底上溅射Ti/Au/Ti金属种子层，硅片与金属种子层在真空氮气烘箱内实现共熔键合；步骤二：在硅片上涂敷A_Z4620P光刻胶，通过掩模板曝光光刻胶，显影至图案转移获得第一层结构的掩模图案；步骤三：以步骤二所得图案为掩模，选用DRIE对第一层硅结构深度刻蚀；步骤四：电铸金属内装结构；步骤五：在硅片上涂敷A_Z4620P光刻胶，通过Cr掩模板经UV曝光光刻胶，显影至图案转移获得第二层结构的掩模图案；步骤六：以步骤五所得图案为掩模，选用DRIE对第二层硅结构深度刻蚀；步骤七：去除剩余的光刻胶和分离带有金属电铸种子层的基底。该七项步骤的具体工艺细节为：

（1）硅片与金属电铸种子层（Ti/Au/Ti）的共熔键合：首先选用适当厚度（根据结构定制厚度100-500um），要求的晶向（如<100>,<111>）和大小（3-4英寸）的单晶硅片和溅射有金属种子层（Ti/Au/Ti，20/200/20 nm）硅片衬底（厚度500um，<111>晶向，大小4-6英寸），然后在氮气（N₂）保护下，键合温度为420-450度，压力大于 10⁴ Pa，键合时间大于30分钟，实现Au/Si的共熔键合。

（2）光刻定义电铸金属结构的图案：将A_Z4620P型光刻胶倒在单晶硅片上，以3000RPM转速，25秒时间涂敷，获得光刻胶厚度为7um；然后用第一块掩模进行紫外光刻，如Karl Suss MA4系列光刻机，紫外光波长：400nm。

（3）以光刻定义电铸金属结构的图案获得A_Z正胶图案为掩模进行第一层硅结构的深度刻蚀：将带有第一层光刻胶掩模结构的单晶硅片放入Oxford PlasmaLab100 进行刻蚀，工艺参数如下

表1：DRIE刻蚀需要电铸金属结构的工艺参数，该工艺可获得比较粗糙的侧壁结构，利于电铸后的金属相互咬合。

Figure 201110086183X100002DEST_PATH_IMAGE001

（4）以（3）获得的结构为掩模，进行金属电铸；

（5）光刻定义其他硅结构的图案：将A_Z4620P型光刻胶倒在单晶硅片上，以3000RPM转速，25秒时间涂敷，获得光刻胶厚度为7um；然后用第一块掩模进行紫外光刻，如Karl Suss MA4系列光刻机，紫外光波长：400nm

（6）以（2）获得A_Z正胶图案为掩模进行第一层硅结构的深度刻蚀：将带有第一层光刻胶掩模结构的单晶硅片放入Oxford PlasmaLab100 进行刻蚀，工艺参数如下

表2：DRIE刻蚀其他硅结构工艺参数

（7）

（8）释放结构，即去除光刻胶和分离带有金属种子层的硅衬底：用丙酮将将（6）获得的硅-金属复合结构上剩余的光刻胶去除，然后连同基底放入氢氟酸中浸泡，待底面的Ti金属层去除后，即可释放硅-金属复合材料的微结构。

这种新型硅与金属复合微结构制作技术，工艺简单，设备要求低廉，并且获得的复合结构接合力好，结构尺寸精度高(可获得±1um精度)，工艺的重复性好，符合批量制作要求。

现对硅与金属复合材料的微结构加工方法通过实施例作进一步说明：

实施例：

（1）薄硅片与含有金属种子层的硅基底共熔键合，见图1（a）；

a) 选择大小3”，厚度100um，晶向<111>的薄硅片；

b) 对薄硅片的表面常规清洗：加入去离子水超声清洗10分钟后，再用去离子水冲洗；再分别加丙酮和无水乙醇超声清洗后用去离子水清洗；煮浓硫酸加双氧水溶液后用去离子水清洗；稀氢氟酸漂洗后用去离子水清洗；在N₂氛围下用红外灯烘干；

c) 在硅衬底（厚度500um，晶向<111>）上溅射Ti/Au/Ti金属种子层，厚度为20/200/20 nm;

d) 在真空氮气烘箱内实现Si/Au的共熔键合：温度420-450度，压力大于10⁴Pa，键合时间大于30分钟。

（2）光刻定义电铸金属结构的图案，见图1（b）；

涂敷A_Z4620P光刻胶

a) 15s, 600 rpm; 25s, 3000 rpm. (7.3 um thickness)；

b) 设备: Spin coater KW-4A 匀胶机；

紫外光刻获得第一层掩模

a) 曝光剂量102 mJ/cm²；

b) 设备: Karl Suss MA4，紫外光波长为400nm。

（3）DRIE刻蚀第一层结构，见图1（c）；

a) 工艺条件：见表1，80次循环；

b) 设备: Oxford PlasmaLab 100 etcher；

c) 刻蚀结构深度：100um。

（4）电铸金属内装结构（Ni），见图1（d）；

a) 清洁刻蚀后微结构；

b) 在硅衬底上金属种子上电铸金属镍：电流密度1ASD（1A/dm²），电铸时间7小时，厚度100um；

c) 设备：电铸仪,电铸液为氨基磺酸镍，PH 4-4.5。

（5）二次光刻定义硅结构的其他掩模图案，见图1（e）；

a) 涂敷光刻胶A_Z4620P：15s, 600 rpm; 25s, 3000 rpm. 光刻胶厚度7.3 um thickness，设备为KW-4A型匀胶机；

b) 紫外光刻：对准精度1um，曝光剂量102 mJ/cm²，设备Karl Suss MA4，紫外光波长400nm。

（6）DRIE刻蚀第二层结构，见图1（f）；

a)工艺条件：参见表2，80次循环；

b)设备: Oxford PlasmaLab 100 etcher刻蚀结构深度：100um

（7）去除光刻胶和金属层，见图1（g）；

a) 丙酮去除剩余的光刻胶；

b) 在稀HF溶液中浸泡，去除底部Ti的金属层，分离结构。

通过该工艺流程最终可获得单晶硅与金属镍的复合微结构，从而实现装配部分为金属结构，其他功能结构为硅材料的部件。其横向线宽精度可达到±1um，深度精度为±5um，侧壁垂直度约为89±1度，对准精度1um。

Claims

1.一种硅与金属复合材料的微结构加工方法，其特征在于，包括，

步骤一：硅片（Si）与硅衬底上的金属电铸种子层（Ti/Au/Ti）的共熔键合；

步骤二：A_Z正胶电铸金属图案的光刻；

步骤三：第一层硅结构的深度刻蚀；

步骤四：电铸金属内装结构；

步骤五：A_Z正胶硅结构图案的光刻；

步骤六：第二层硅结构的深度刻蚀；

步骤七：去除光刻胶和分离基底，释放出硅与金属复合材料的微结构。

2.根据权利要求1所述的硅与金属复合材料的微结构加工方法，其特征在于，所述步骤一包括金属电铸种子层是在硅衬底上溅射Ti/Au/Ti金属种子层，所述硅片与金属电铸种子层在真空氮气烘箱内实现共熔键合；所述步骤二包括涂敷A_Z4620P光刻胶，紫外光刻获得第一层结构的掩模图案；所述步骤三以步骤二所得图案为掩模，选用DRIE深度刻蚀第一层硅结构；所述步骤四以步骤三所得结构为模板电铸金属内装结构；所述步骤五包括涂敷A_Z4620P光刻胶，对准紫外光刻获得第二层结构的掩模图案；所述步骤六以步骤五所得图案为掩模，选用DRIE深度刻蚀第二层硅结构；所述步骤七包括去除剩余的光刻胶和分离带有金属电铸种子层的硅衬底。