CN1527134A - 基于压印光刻的复合材料真三维微电子机械***制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种基于压印光刻的复合材料真三维MEMS器件的制造方法。该方法采用快速成型中的分层制造思想，将MEMS器件CAD模型分解为逐个截面薄层来制造。在生成承载MEMS器件某一截面层图案的石英模板的制作过程中采用扫描探针显微镜微刻和等离子干刻蚀技术。通过CVD/化学镀/双组份涂铺获取MEMS器件基材的薄层，采用当前IC生产线上的离心匀胶工艺，在MEMS器件基材的薄层上完成压印阻蚀胶的可控涂铺，采用压印光刻和等离子刻蚀工艺完成MEMS器件的单层成形，通过化学机械剖光(CMP)获得确定的薄层厚度。本发明的方法解决了MEMS的真三维问题；采用金属化学汽相沉积工艺有效地解决了MEMS制造材料单一的问题；采用大模板或多模板并行压印光刻，可实现MEMS批量制造。
Description
技术领域
本发明属于微机械制造领域，涉及一种基于压印光刻的复合材料真三维微电子机械***制造方法，即三维MEMS器件微压印光刻技术(ImprintLithography-IL)。
背景技术
微电子机械***(以下称MEMS)技术以及MEMS产品已在国内外诸多领域得到了深入的发展。如各种微传感器、微电机、微驱动器、微机器人、光路开关以及下一代的IMEMS产品等。这些产品已经广泛应用于生物医电、汽车、通讯、军事等方面，甚至于人们的日常生活。可以说，IT产业的支撑点、国民经济的龙头支柱和衡量一个国家的军事力量在一定程度上都于MEMS的发展息息相关。
国际上代表MEMS发展的主流技术主要集中在美国、日本和欧洲。近20年来，美国在MEMS微加工技术方面发展最为突出，而且了提出许多崭新的技术路线。如IBM Watson中心在20世纪80年代提出的金属件的优化横向湿法刻蚀，Almaden研究中心提出的准分子消融刻蚀工业。为了解决微机械特征尺寸的更小化，IC技术与微机械加工技术相结合已成为国外追寻的新技术路线，如在MEMS技术路线中引入用于大规模集成电路制造工艺的激光直写技术已经在德国、加拿大、以色列等国深入开展，尤为突出的是德国夫琅和费微电子研究中心研制的可编程相位调制激光直写***。为实现真三维的微机械结构，激光加工、电火花加工、离子束加工、微波加工等加工工艺也成为新的MEMS技术路线，其中日本东京大学用He-Cd激光器光源，采用快速成型(RP)技术实现了水平精度2μm树脂材料微结构。材料方面，不只是限于单晶硅，而是根据微结构所要达到的性能和要求向着多种材料方面发展，如R.J.Von Gutfeld等成功实现了Au、Cu、Ni等金属的局部镀覆，H.W.Lee等以液态的三异丁基铝作起始化合物，用激光直写实现金属铝线。同时，智能化的MEMS结构已成为目前微传感器、微制动器、微检测器等的主要发展趋势，IC与MEMS的一体化将产生出全新的制造工艺路线。
国内已经从事的MEMS研究有静电、电压和电磁式电机、微泵和微阀以及压电与记忆合金微夹钳等；在基础理论(IC、LIGA、EDN和微小机械加工等)以及基础材料等方面也做了一定的工作。如沈蓓军、王润文、王立鼎等用KrF准分子激光(248nm)直接消融用于深层光刻的光刻胶，使激光LIGA微加工工艺与集成电路制造工艺相兼容；厦门大学田昭武提出的用于复杂三维超微图形复制加工的约束刻蚀层电化学微加工技术；哈尔滨工业大学孙立宁提出的用于三维电化学微加工的五自由度微定位***；北京工业大学左铁钏提出的三维结构的激光LIGA加工技术；浙江大学章海军、黄峰提出的基于扫描离子电导显微术的电化学微细加工技术；中国科学院化学研究所万立骏、王琛、***等提出的电化学***和扫描探针显微镜技术相结合的电化学扫描探针显微术；清华微电子研究所采用的两步刻蚀多晶硅提高图形陡直度。总体说来，所有这些方法都依赖昂贵的投影光刻工艺，而且局限于准三维器件。
目前国内外有关MEMS技术的研究与应用，基本上是以IC制造技术为基础，而且只能制造单一材料(如硅)、二维半的MEMS器件。本申请所采取的MEMS制造方法是采用IC制造中的压印光刻技术(IL)。IL原理最早是由美国明尼苏达大学于90年代中期提出，并经过工艺方案的不断完善，现在已可以在10×10mm的面积上压印出0.05μm～0.01μm的微细图型(pattern)。哈佛大学自1997年来，一个研究小组持续从事该项研究，压印出0.03μm线宽、0.05μm深的细沟，且可脱模。申请人自2000年以来开始了IL工艺的研究，已实现了0.5μm～0.35μm特征的压印刻蚀，获得了满意的印刻质量，并已开始了压印工艺实验原型机的设计和制造，以便进行更高分辨率的压印试验。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种基于压印光刻的复合材料真三维MEMS器件制造方法，并对该方法相关的压印和脱模工艺机理、紫外光固化阻蚀胶材料的物化和工艺特性、多材料结构MEMS器件的复合成型工艺的关键技术等进行研究和技术开发。
实现上述发明目的的技术解决方案是，基于压印光刻的复合材料真三维MEMS器件制造方法，采用快速成型中的分层制造思想，将MEMS器件CAD模型分解为逐个截面薄层来制造；以其截面几何生成掩模文件；采用扫描探针显微镜(SPM-也称原子力显微镜AFM)在石英表面的阻蚀剂上进行微刻并结合等离子干刻蚀工艺，生成承载MEMS器件某一截面层图案的石英模板；通过CVD/化学镀/双组份涂铺生成MEMS基材薄层，并在其上涂铺光固化阻蚀剂后，采用压印光刻和等离子刻蚀工艺完成MEMS器件的单层成形；在其上采用CVD/化学镀技术再沉积低熔点合金层作为支撑体，通过化学机械抛光(CMP)获得确定的薄层厚度；在三维器件的成型工艺过程中，采用光栅对正原理来保证多层套刻的相对位置精度；重复上述部分工艺按逐层叠加方式实现真三维MEMS器件的批量成形，再在80℃下将其中的低熔点合金分离去除，可获得器件的成品。
本发明在MEMS制造工艺中采用IL技术的优点就在于它是实现MEMS批量生产的绝有利的一条技术路线。相对于IC而言，大尺寸的MEMS器件制造采用IL在技术上已不是难点，而IL的图形转移过程中的高效与自修复能力是传统光刻工艺所不能相比的。另外，对于MEMS器件的真三维制造，本发明所采用的技术路线是以IL技术为基础，同时结合化学汽相沉积(CVD)和化学机械抛光技术(CMP)来完成MEMS器件的分层材料涂铺、压印光刻。其中IL采用的压印模板是通过SPM结合等离子刻蚀得到。因此，以上技术路线可实现的目标如下：压印刻蚀代替传统的投影光刻以实现低成本；大模板或多模板并行压印光刻，以解决MEMS批量制造的问题；采用成熟的CVD和CMP技术实现多种材料复合的真三维MEMS器件的制造；采用SPM结合等离子刻蚀技术实现压印模板的制造；本发明的基于压印光刻的复合材料真三维MEMS器件制造方法，不同于以往国内采用跟随消化国外技术的方式，避免了在技术引进、设备进口、人员培训等方面极大的受到国外的限制和制约的问题，使我国在一定时间内接近和赶上国外先进的MEMS制造技术成为可能，实现我国MEMS器件自主制造技术的跨越式发展。
附图说明
图1为本发明的总体技术原理图。
图2为本发明的总体制备流程图。其中图a、b、c为生成承载MEMS器件某一截面层图案的石英模板示意图；图d为通过CVD/化学镀/双组份涂铺获取MEMS器件基材的薄层示意图；图g、h为利用紫外光透射石英模板，使光固化薄层上的MEMS器件的某一层图案的固化，并脱开石英模板示意图；图e为在MEMS器件基材的薄层上完成压印阻蚀胶的可控涂铺示意图；图f为利用已刻有MEMS器件的某一层图案反型的石英母板，合模压印常温光固化阻蚀剂薄层示意图；图k为CVD/化学镀低熔点合金示意图；图1为机械剖光(CMP)获得确定的薄层厚度示意图；图m为CVD/化学镀/双组份涂铺获取复合材料的下一层示意图；图n为重复上述工艺刻蚀下一层复合材料示意图；图o为器件的成品示意图。
具体实施方式
下面结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步描述。
依本发明提出的技术方案，其总体技术原理图参见图1，总体制备流程如图2所示。现以微喷头为工艺案例，对本发明作进一步的描述。
①.制造数据准备与小石英模板制备：
将MEMS器件CAD模型分解为逐个截面薄层，以其截面几何生成掩模文件；采用扫描探针显微镜(SPM-也称原子力显微镜AFM)在石英表面的阻蚀剂上进行微刻并结合等离子干刻蚀工艺，生成承载MEMS器件某一截面层图案的石英模板(见图a、b、c)。
②.三维MEMS器件微压印制造工艺：
1)通过CVD/化学镀/双组份涂铺获取MEMS器件基材的薄层(每一层的涂铺方式与获取得材料可不同，这样可获得变厚度、复合材料的MEMS器件)，薄层的厚度与前面三维MEMS器件离散分层厚度一致(见图d)；
2)采用当前IC生产线上的离心匀胶工艺，在MEMS器件基材的薄层上完成压印阻蚀胶的可控涂铺(见图e)；
3)利用已刻有MEMS器件的某一层图案反型的石英母板，合模压印常温光固化阻蚀剂薄层，使MEMS器件的某一层图案向光固化阻蚀剂薄层上转移(见图f)；
4)利用紫外光透射石英模板，使光固化薄层上的MEMS器件的某一层图案的固化，并脱开石英模板(见图g、h)；
5)采用等离子干刻蚀工艺去除未被阻蚀剂图案覆盖的MEMS器件基材薄层的多余材料，腐蚀清洗掉阻蚀剂，获得MEMS器件的某一层；
6)在已具有图案的MEMS器件基材薄层上CVD/化学镀低熔点合金(熔解温度80℃左右，作为支撑材料)，通过化学机械剖光(CMP)获得确定的薄层厚度(见图k、l)；
重复上述工艺按逐层叠加方式实现真三维复合材料MEMS器件的批量成型。成型后的器件在80℃温度下将其中的低熔点合金分离去除，可获得器件的成品(见图m、n、o)。
光固化阻蚀剂材料为高分子光敏固化树脂型材料，具有良好的感光速度、较低的物理粘度和低固化收缩率且固化后具有适度的刻蚀比率。
Claims (5)
1.基于压印光刻的复合材料真三维微电子机械***制造方法，采用快速成型中的分层制造思想，将微电子机械***CAD模型分解为逐个截面薄层来制造；其特征在于，包括以下步骤：
1)将MEMS器件CAD模型分解为逐个截面薄层，以其截面几何生成掩模文件；
2)采用扫描探针显微镜在石英表面的阻蚀剂上进行微刻并结合等离子干刻蚀工艺，生成承载MEMS器件某一截面层图案的石英模板，石英模板上刻有MEMS器件截面几何图形；
3)通过化学汽相沉积(CVD)/化学镀/双组份涂铺生成微电子机械***基材薄层，并在基材薄层上涂铺光固化阻蚀剂后，采用压印光刻和等离子刻蚀工艺完成MEMS器件的单层成形；
4)去除残留阻蚀胶，并在单层成形上采用CVD/化学镀技术再沉积低熔点合金层作为支撑体，并通过化学机械抛光获得确定的薄层厚度；
5)在三维器件的成型工艺过程中，采用光栅对正原理来保证多层套刻的相对位置精度；
6)重复上述步骤2)至5)，按逐层叠加方式实现真三维MEMS器件的批量成形，再在80℃下将其中的低熔点合金层分离去除，获得器件的成品。
2.如权利要求1所述的基于压印光刻的复合材料真三维微电子机械***制造方法，其特征在于，所述石英模板上刻有MEMS器件截面几何图形，制作时先以扫描探针显微镜在涂铺于石英母板表面固化后的阻蚀剂上刻写MEMS器件截面几何图形，然后采用等离子干刻蚀工艺生成石英模板。
3.如权利要求1所述的基于压印光刻的复合材料真三维微电子机械***制造方法，其特征在于，所述MEMS基材薄层通过CVD/化学镀/双组份涂铺生成，薄层厚度与前面三维MEMS器件离散分层厚度一致，改变每一层的涂铺方式与材料，可获得变厚度、复合材料的MEMS器件。
4.如权利要求1所述的基于压印光刻的复合材料真三维微电子机械***制造方法，其特征在于，所述光固化阻蚀剂材料为高分子光敏固化树脂型材料，涂铺时采用当前IC生产线上的离心匀胶工艺进行可控涂铺。
5.如权利要求1所述的基于压印光刻的复合材料真三维微电子机械***制造方法，其特征在于，所述低熔点合金其作用是作为MEMS器件基材的支撑，并可以在80℃温度下熔解。
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