RU2621612C2

RU2621612C2 - Bi-directional thermal micromechanical actuator and method of its manufacture

Info

Publication number: RU2621612C2
Application number: RU2015146715A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Владимирович Козлов; Игорь Петрович Смирнов; Андрей Александрович Жуков; Наталья Васильевна Смирнова
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2017-06-06
Also published as: RU2015146715A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: micromechanical actuator is designed as a formed elastically-hinged cantilever beam in the mesa structure consisting of the parallel trapezoidal inserts from the mono-crystallic silicon substrate of p-type with orientation [100] disposed perpendicular to the main axis of the cantilever beam and connected with the polyimide layers formed of the polyimide film, a heater and electroconductive busbars forming an ohmic contact with silicon, the trapezoidal inserts are made on the opposite sides of the elastically-hinged cantilever beam and form, at least, two deformation zones.

EFFECT: providing opportunities to increase the operational reliability in a wide temperature range.

11 cl, 5 dwg

Description

Предлагаемая группа изобретений относится к микросистемной технике и может быть использована при создании и изготовлении микромеханических устройств, содержащих упругие гибкие деформируемые исполнительные элементы, обеспечивающие преобразование «электрический сигнал - перемещение» и/или «изменение температуры - перемещение» для микроробототехнических систем.The proposed group of inventions relates to microsystem engineering and can be used in the design and manufacture of micromechanical devices containing flexible flexible deformable actuators that provide the conversion of "electrical signal - movement" and / or "temperature change - movement" for microrobototechnical systems.

В качестве ближайшего аналога предлагаемой группы изобретений выбран патент на изобретение RU 2448896, опубликованный 27.04.2012, в котором предложены тепловой микромеханический актюатор и способ его изготовления. Известный микромеханический актюатор выполнен в виде сформированной в меза-структуре упруго-шарнирной консольной балки, состоящей из параллельных трапециевидных вставок из монокристаллической кремниевой подложки p-типа с ориентацией [100], расположенных перпендикулярно основной оси консольной балки и соединенных полиимидными прослойками, образованными полиимидной пленкой, нагревателя и электропроводящих шин, образующей омический контакт с кремнием. Способ изготовления микромеханического актюатора предусматривает формирование методами объемной микрообработки и тонкопленочной технологии в кремниевой монокристаллической подложке с ориентацией [100] параллельных трапециевидных вставок из монокристаллического кремния, нагревателя, электропроводящих шин, полиимидной пленки, образующей полиимидные прослойки, меза-структуры и разделение кремниевой подложки на чипы.As the closest analogue of the proposed group of inventions, the patent for invention RU 2448896, published on 04/27/2012, in which the thermal micromechanical actuator and method of its manufacture are proposed, was selected. The known micromechanical actuator is made in the form of an elastic-hinged cantilever beam formed in the mesa structure, consisting of parallel trapezoidal inserts from a single crystal p-type silicon substrate with an orientation of [100], perpendicular to the main axis of the cantilever beam and connected by polyimide interlayers formed by a polyimide film heater and electrically conductive tires forming ohmic contact with silicon. A method of manufacturing a micromechanical actuator involves the formation of volumetric microprocessing and thin-film technology in a silicon single-crystal substrate with the orientation of [100] parallel trapezoidal inserts of single-crystal silicon, a heater, electrically conductive tires, a polyimide film forming polyimide layers, a mesa structure and separation of the silicon substrate into chips.

Известное из RU 2448896 техническое решение направлено на преодоление недостатков аналогов, заключающихся в низкой надежности конструкции актюаторов при эксплуатации в широком диапазоне температур из-за низкой термоокислительной стойкости фотополиимида и недостаточной адгезии на межфазной границе раздела, а также в низкой технологичности и воспроизводимости процесса изготовления из-за его сложности и нестабильности. В свою очередь, в RU 2448896 были предложены актюатор и способ его изготовления, характеризующиеся возможностью эксплуатации актюатора в широком диапазоне температур, в том числе при температуре жидкого азота, при повышенной технологичности и надежности, включая устойчивость к циклическим нагрузкам. Кроме того, предложенный способ изготовления актюатора характеризуется простотой, воспроизводимостью и стабильностью процесса изготовления. Однако, как сам актюатор, описанный в RU 2448896, так и способ его изготовления, обладают рядом недостатков: движение хвостовика актюатора ограничено лишь одной траекторией, контактные площадки и электропроводящие шины расположены только с одной стороны актюатора, что в итоге приводит к низкой технологичности из-за трудностей монтажа актюаторов.The technical solution known from RU 2448896 is aimed at overcoming the disadvantages of analogues, which are the low reliability of the actuator design during operation in a wide temperature range due to the low thermo-oxidative stability of photopolyimide and insufficient adhesion at the interface, as well as low manufacturability and reproducibility of the manufacturing process for its complexity and instability. In turn, in RU 2448896, an actuator and a method for its manufacture were proposed, characterized by the possibility of operating the actuator in a wide temperature range, including at a temperature of liquid nitrogen, with increased manufacturability and reliability, including resistance to cyclic loads. In addition, the proposed method for manufacturing an actuator is characterized by simplicity, reproducibility and stability of the manufacturing process. However, both the actuator described in RU 2448896 and the method of its manufacture have several disadvantages: the movement of the actuator shank is limited by only one path, contact pads and electrically conductive tires are located on only one side of the actuator, which ultimately leads to low manufacturability for the difficulties of mounting actuators.

В свою очередь, предлагаемые изобретения - актюатор и способ его изготовления представляют собой дальнейшее совершенствование известных из RU 2448896 решений, позволят устранить перечисленные выше недостатки, и предложить актюатор, обладающий повышенной надежностью при эксплуатации в широком диапазоне температур, лучшей управляемостью и простотой процесса изготовления.In turn, the proposed invention - the actuator and the method of its manufacture are a further improvement of the solutions known from RU 2448896, will eliminate the above disadvantages, and offer an actuator with increased reliability during operation over a wide temperature range, better controllability and simplicity of the manufacturing process.

Указанный выше технический результат достигается при использовании микромеханического актюатора, выполненного в виде сформированной в меза-структуре упруго-шарнирной консольной балки, состоящей из параллельных трапециевидных вставок из монокристаллической кремниевой подложки p-типа с ориентацией [100]. Параллельные трапециевидные вставки расположены перпендикулярно основной оси консольной балки и соединены полиимидными прослойками, образованными полиимидной пленкой, нагревателя и электропроводящих шин, образующих омический контакт с кремнием. В отличие от аналога, трапециевидные вставки выполнены на противоположных сторонах упруго-шарнирной консольной балки и образуют, по меньшей мере, две зоны деформации. Между зонами деформации расположена кремний-полиимидная электроизолирующая гибкая прослойка, а каждая из зон деформации снабжена нагревателем, электрически не связанным с другими аналогичными нагревателями. Электропроводящие шины расположены с различных сторон упруго-шарнирной консольной балки и включают объемные кремниевые элементы, разделенные полиимидным слоем и электрически не связанные с кремниевой подложкой, и металлизированные отверстия в полиимиде.The above technical result is achieved using a micromechanical actuator made in the form of an elastic-hinged cantilever beam formed in the mesa structure, consisting of parallel trapezoidal inserts from a p-type single crystal silicon substrate with an orientation of [100]. Parallel trapezoidal inserts are perpendicular to the main axis of the cantilever beam and are connected by polyimide layers formed by a polyimide film, a heater, and electrically conductive tires forming ohmic contact with silicon. Unlike the analogue, the trapezoidal inserts are made on opposite sides of the elastic-articulated cantilever beam and form at least two deformation zones. Between the deformation zones there is a silicon-polyimide electrically insulating flexible layer, and each of the deformation zones is equipped with a heater that is not electrically connected to other similar heaters. Electrically conductive tires are located on different sides of the elastic-articulated cantilever beam and include bulk silicon elements separated by a polyimide layer and not electrically connected to the silicon substrate, and metallized holes in the polyimide.

Предложенный способ изготовления микромеханического актюатора предусматривает формирование методами объемной микрообработки и тонкопленочной технологии в кремниевой монокристаллической подложке с ориентацией [100] параллельных трапециевидных вставок из монокристаллического кремния, нагревателя, электропроводящих шин, полиимидной пленки, образующей полиимидные прослойки, меза-структуры и разделение кремниевой подложки на чипы. В отличие от аналога трапециевидные вставки формируют последовательно: жидкостным анизотропным травлением меза-структуры и канавок в кремнии в предполагаемой области трапециевидных вставок, по меньшей мере, на одной из сторон подложки, формированием полиимидного слоя, по меньшей мере, на одной из сторон подложки и последующим плазмохимическим травлением всей поверхности подложки, по меньшей мере на одной из сторон, до проявления полиимидных прослоек. В целом микромеханический актюатор формируют методами односторонней или двусторонней литографии.The proposed method for manufacturing a micromechanical actuator involves the formation of volumetric microprocessing and thin-film technology in a silicon single-crystal substrate with the orientation [100] of parallel trapezoidal inserts of single-crystal silicon, a heater, electrically conductive tires, a polyimide film forming polyimide interlayers, a mesa structure and separation of the silicon substrate into a silicon chip . In contrast to the analog, trapezoidal inserts are formed sequentially: by liquid anisotropic etching of the mesa structure and grooves in silicon in the proposed region of the trapezoidal inserts on at least one of the sides of the substrate, the formation of a polyimide layer on at least one of the sides of the substrate and the subsequent plasma-chemical etching of the entire surface of the substrate, at least on one of the sides, to the manifestation of polyimide layers. In general, the micromechanical actuator is formed by unilateral or bilateral lithography.

Могут быть предусмотрены следующие варианты изготовления электропроводящих шин.The following manufacturing options for electrically conductive tires may be provided.

В одном из вариантов электропроводящие шины формируются последовательно: вскрытием окон в полиимиде на одной из сторон подложки, формированием слоя металлизации на этой стороне и формированием омического электрического контакта между слоем металлизации и нагревателями при температуре от 350 до 400°C.In one embodiment, the electrically conductive tires are formed sequentially: by opening windows in the polyimide on one side of the substrate, forming a metallization layer on this side and forming an ohmic electrical contact between the metallization layer and the heaters at a temperature of 350 to 400 ° C.

В другом варианте электропроводящие шины формируют последовательно: жидкостным анизотропным травлением в кремнии с двух сторон подложки областей, разделяющих объемные кремниевые элементы («островки») электроповодящих шин от кремниевой подложки; формированием на этой стороне подложки полиимидного слоя; плазмохимическим травлением с обратной стороны до проявления полиимида; формированием на этой стороне подложки полиимидного слоя. Далее выполняют травление полиимида с двух сторон подложки внутри границ объемного кремниевого элемента («островка») с последующим формированием слоев металлизации с двух сторон подложки и формированием омического электрического контакта между слоями металлизации и нагревателями при температуре от 350 до 400°C.In another embodiment, the electrically conductive tires are formed sequentially: by liquid anisotropic etching in silicon on two sides of the substrate of the regions separating bulk silicon elements (“islands”) of the electrically conductive tires from the silicon substrate; forming a polyimide layer on this side of the substrate; plasmochemical etching from the back to the manifestation of polyimide; the formation of a polyimide layer on this side of the substrate. Next, polyimide is etched on both sides of the substrate inside the boundaries of the bulk silicon element ("island"), followed by the formation of metallization layers on both sides of the substrate and the formation of ohmic electrical contact between the metallization layers and heaters at a temperature of 350 to 400 ° C.

Согласно следующему варианту, электропроводящие шины формируют последовательно: жидкостным анизотропным травлением в кремнии с двух сторон подложки областей, где будут формироваться отверстия в полиимиде; формированием на этой стороне подложки полиимидного слоя; плазмохимическим травлением с обратной стороны до проявления полиимида; формированием на обратной стороне подложки полиимидного слоя; формированием на обратной стороне подложки слоя металлизации. Далее выполняют травление с другой стороны подложки отверстий в слое полиимида, с последующим нанесением слоя металлизации с этой же стороны подложки и формированием омического электрического контакта между слоями металлизации и нагревателями при температуре от 350 до 400°C.According to a further embodiment, the electrically conductive tires are formed sequentially: by liquid anisotropic etching in silicon on two sides of the substrate of the regions where holes will be formed in the polyimide; forming a polyimide layer on this side of the substrate; plasmochemical etching from the back to the manifestation of polyimide; forming a polyimide layer on the back of the substrate; the formation of a metallization layer on the reverse side of the substrate. Next, etching is performed on the other side of the substrate of the holes in the polyimide layer, followed by applying a metallization layer on the same side of the substrate and forming an ohmic electrical contact between the metallization layers and the heaters at a temperature of 350 to 400 ° C.

Предложенные микромеханический актюатор и способ его изготовления поясняются чертежами:The proposed micromechanical actuator and method of its manufacture are illustrated by drawings:

фиг. 1 - поперечнный разрез микромеханического актюатора (см. п 1 формулы изобретения);FIG. 1 is a transverse section of a micromechanical actuator (see paragraph 1 of the claims);

фиг. 2 - поперечный разрез электроизолирующей гибкой прослойки (см. п. 2 формулы изобретения);FIG. 2 is a transverse section of an electrically insulating flexible layer (see paragraph 2 of the claims);

фиг. 3÷5 - поперечные разрезы электропроводящих шин (см. п. 4÷6 формулы изобретения).FIG. 3 ÷ 5 - transverse sections of conductive tires (see paragraph 4 ÷ 6 claims).

Микромеханический актюатор выполнен в виде сформированной в меза-структуре упруго-шарнирной консольной балки 1. Упруго-шарнирная консольная балка 1 состоит из параллельных трапециевидных вставок 2 из монокристаллической кремниевой подложки p-типа с ориентацией [100], нагревателя и электропроводящих шин 3. Трапециевидные вставки 2 выполнены на противоположных сторонах упруго-шарнирной консольной балки 1 и образуют, по меньшей мере, две зоны деформации. Расположение трапециевидных вставок 2 на противоположных сторонах упруго-шарнирной консольной балки 1 обеспечит разнонаправленное, прямолинейное и плоскопараллельное движение хвостовика актюатора. Формирование же двух зон деформации с использованием трапециевидных вставок 2 позволит увеличить количество возможных траекторий движения актюатора. Таким образом, благодаря увеличению количества разнородных траекторий при движении актюатора, повышается его управляемость.The micromechanical actuator is made in the form of an elastic-hinged cantilever beam formed in the mesa structure 1. The elastic-hinged cantilever beam 1 consists of parallel trapezoidal inserts 2 of a p-type single crystal silicon substrate with orientation [100], a heater and electrically conductive tires 3. Trapezoidal inserts 2 are made on opposite sides of the elastic-articulated cantilever beam 1 and form at least two deformation zones. The location of the trapezoidal inserts 2 on opposite sides of the elastic-articulated cantilever beam 1 will provide multidirectional, rectilinear and plane-parallel movement of the actuator shank. The formation of two zones of deformation using trapezoidal inserts 2 will increase the number of possible trajectories of the actuator. Thus, due to the increase in the number of heterogeneous trajectories during the movement of the actuator, its controllability increases.

Каждая из зон деформации снабжена нагревателем, электрически не связанным с другими аналогичными нагревателями, при этом между зонами деформации расположена кремний-полиимидная электроизолирующая гибкая прослойка 4, что позволит сформировать отдельные каналы управления зонами деформации. Трапециевидные вставки 2 расположены перпендикулярно основной оси консольной балки 1 и соединены между собой полиимидными прослойками 5, образованными полиимидной пленкой. Образующие омический контакт с кремнием электропроводящие шины 3 расположены с различных сторон упруго-шарнирной консольной балки 1, в результате чего обеспечивается электрический контакт с нагревателями различных зон деформации, так как с одной стороны нагреватели закрыты диэлектрическим полиимидным слоем. Электропроводящие шины 3 включают объемные кремниевые элементы 3₁, разделенные полиимидным слоем и электрически не связанные с кремниевой подложкой, и металлизированные отверстия в полиимиде, что позволит организовать электропроводящий переход с одной стороны актюатора на другую и формировать соединения шин, расположенных на разных сторонах актюатора. Таким образом, будет повышена технологичность и упрощен монтаж актюаторов.Each of the deformation zones is equipped with a heater that is not electrically connected to other similar heaters, while a silicon-polyimide electrically insulating flexible layer 4 is located between the deformation zones, which will allow the formation of separate control channels of the deformation zones. The trapezoidal inserts 2 are located perpendicular to the main axis of the cantilever beam 1 and are interconnected by polyimide layers 5 formed by a polyimide film. The electrically conductive tires 3 forming ohmic contact with silicon are located on different sides of the elastically-hinged cantilever beam 1, as a result of which electrical contact with heaters of various deformation zones is ensured, since on one side the heaters are covered by a polyimide dielectric layer. The electrically conductive tires 3 include bulk silicon elements 3 ₁ separated by a polyimide layer and not electrically connected to the silicon substrate, and metallized holes in the polyimide, which will make it possible to organize an electrically conductive transition from one side of the actuator to the other and form bus junctions located on different sides of the actuator. Thus, manufacturability will be increased and installation of actuators will be simplified.

Способ изготовления микромеханического актюатора, конструкция которого описана выше, заключается в формировании методами объемной микрообработки и тонкопленочной технологии в кремниевой монокристаллической подложке с ориентацией [100] параллельных трапециевидных вставок 2 из монокристаллического кремния, нагревателя, электропроводящих шин 3, полиимидной пленки, образующей полиимидные прослойки 5, меза-структуры и в итоговом разделении кремниевой подложки на чипы. Микромеханический актюатор формируют методами односторонней и/или двусторонней литографии. Трапециевидные вставки 2 формируют последовательно: жидкостным анизотропным травлением меза-структуры в кремнии в предполагаемой области трапециевидных вставок 2 с противоположной стороны подложки, формированием полиимидного слоя, по меньшей мере, на одной из сторон подложки и последующим плазмохимическим травлением всей поверхности подложки до проявления полиимидных прослоек 5. Предложенный перечень операций способа технологически оптимален для заявленной конструкции актюатора.A method of manufacturing a micromechanical actuator, the construction of which is described above, consists in the formation by methods of volumetric microprocessing and thin-film technology in a silicon single crystal substrate with an orientation [100] of parallel trapezoidal inserts 2 of single crystal silicon, a heater, electrically conductive tires 3, a polyimide film forming polyimide layers 5, Mesa structures and in the final separation of the silicon substrate into chips. The micromechanical actuator is formed by the methods of unilateral and / or bilateral lithography. The trapezoidal inserts 2 are formed sequentially: by liquid anisotropic etching of the mesa structure in silicon in the proposed region of the trapezoidal inserts 2 from the opposite side of the substrate, the formation of a polyimide layer on at least one of the sides of the substrate and subsequent plasma-chemical etching of the entire surface of the substrate until polyimide layers 5 appear The proposed list of method operations is technologically optimal for the claimed actuator design.

Предложено несколько вариантов формирования электропроводящих шин 3 при осуществлении описанного выше способа, предназначенных для формирования омического электрического контакта между слоями металлизации и нагревателями при температуре от 350 до 400°C. В одном из вариантов электропроводящие шины формируются последовательно: вскрытием окон в полиимиде на одной из сторон подложки, формированием слоя металлизации на этой стороне. Данный вариант используют для удаления диэлектрического полиимидного слоя для обеспечения электрического контакта между шинами и нагревателем при расположении электрических шин 7 со стороны полиимидного слоя.Several options are proposed for the formation of electrically conductive tires 3 in the implementation of the method described above, designed to form an ohmic electrical contact between the metallization layers and heaters at a temperature of 350 to 400 ° C. In one embodiment, the electrically conductive tires are formed sequentially: by opening windows in the polyimide on one side of the substrate, by forming a metallization layer on this side. This option is used to remove the dielectric polyimide layer to ensure electrical contact between the tires and the heater when the busbars 7 are located on the side of the polyimide layer.

В других вариантах, в зависимости от использования в электропроводящих шинах объемных кремниевых элементов либо металлизированных отверстий, электропроводящие шины 3 формируют последовательно: жидкостным анизотропным травлением в кремнии с одной стороны подложки областей, либо разделяющих объемные кремниевые элементы («островки») 3₁ электропроводящих шин 3 от кремниевой подложки, либо областей, где будут формироваться отверстия в полиимиде с формированием на этой стороне подложки полиимидного слоя. Далее в данных вариантах выполняют жидкостное анизотропное травление в кремнии с обратной стороны подложки областей, либо отделяющих объемные кремниевые элементы 3₁ электропроводящих шин 3 от кремниевой подложки, либо тех областей, где будут формироваться отверстия в полиимиде. Выполняют плазмохимическое травление с обратной стороны до проявления полиимида с формированием на этой стороне подложки полиимидного слоя, либо травление полиимида с двух сторон подложки в области внутри границ объемного кремниевого элемента («островка»). Слои металлизации наносят с двух сторон подложки, либо формируют слой металлизации на обратной стороне подложки слоя металлизации, с травлением с другой стороны подложки отверстий в слое полиимида, с последующим нанесением слоя металлизации с этой же стороны подложки и формированием топологического рисунка электропроводящих шин с двух сторон пластины.In other embodiments, depending on the use of bulk silicon elements or metallized holes in electrically conductive tires, the electrically conductive tires 3 are formed sequentially: by liquid anisotropic etching in silicon on one side of the substrate regions, or separating bulk silicon elements ("islands") 3 ₁ electrically conductive tires 3 from a silicon substrate, or regions where holes will be formed in the polyimide with the formation of a polyimide layer on this side of the substrate. Further, in these embodiments, liquid anisotropic etching is performed in silicon on the reverse side of the substrate of the regions either separating the bulk silicon elements 3 _{1 of the} electroconductive bus 3 from the silicon substrate or those regions where holes will be formed in the polyimide. Plasma-chemical etching is performed on the reverse side until the polyimide develops with the formation of a polyimide layer on this side of the substrate, or polyimide etching on both sides of the substrate in the region inside the boundaries of the bulk silicon element ("island"). Metallization layers are applied on both sides of the substrate, or they form a metallization layer on the back side of the substrate of the metallization layer, etching holes on the other side of the substrate in the polyimide layer, followed by applying a metallization layer on the same side of the substrate and forming a topological pattern of electrically conductive tires on both sides of the plate .

Может быть приведен следующий практический пример изготовления актюаторов. Выполняют окисление поверхности кремниевой подложки толщиной 0,5±0,1 мкм. Осаждают пленку нитрида кремния толщиной 0,15±0,02 мкм. Наносят методом центрифугирования фоторезист на лицевую и обратную стороны подложки. Формируют параллельный или перепендикулярный базовому срезу пластины кремния двусторонний топологический рисунок канавок и мезаструктур в нитриде кремния и окисле методами нанесения фоторезиста центрифугированием, контактной фотолитографии, плазмохимического и жидкостного химического травлений. Выполняют жидкостное анизотропное травление кремния по маске нитрида кремния и окисла и спреевое нанесение фоторезиста на лицевую сторону пластины. Формируют площадки под контакты в слое нитрида кремния и окисла методами спреевого нанесения фоторезиста, контактной фотолитографии, плазмохимического травления нитрида кремния, жидкостного химического травления окисла. Последовательно формируют полиимидные покрытия с адгезионным подслоем на лицевой и обратной поверхностях подложки. Выполняют вакуумное напыление металлической маски на две стороны пластины. Формируют металлическую маску на двух сторонах пластины методами спреевого нанесения фоторезиста, контактной фотолитографии и жидкостного химического травления. Выполняют последовательное, изотропное, селективное, плазмохимическое травления полиимида на лицевой и обратной стороне пластины и жидкостное химическое травление металлической маски с двух сторон пластины.The following practical example of manufacturing actuators can be given. The surface of the silicon substrate is oxidized with a thickness of 0.5 ± 0.1 μm. A silicon nitride film is deposited with a thickness of 0.15 ± 0.02 μm. A photoresist is applied by centrifugation on the front and back sides of the substrate. A two-sided topological pattern of grooves and mesastructures in silicon nitride and oxide is formed parallel or perpendicular to the base slice of the silicon wafer by the methods of applying photoresist by centrifugation, contact photolithography, plasma chemical and liquid chemical etching. Liquid anisotropic etching of silicon is performed using a mask of silicon nitride and oxide and spray application of photoresist on the front side of the plate. The contact pads are formed in the silicon and oxide nitride layer by spray spraying of photoresist, contact photolithography, plasma chemical etching of silicon nitride, and liquid chemical etching of oxide. Polyimide coatings with an adhesive sublayer are sequentially formed on the front and back surfaces of the substrate. Perform a vacuum deposition of a metal mask on two sides of the plate. A metal mask is formed on both sides of the plate by spray application of photoresist, contact photolithography and liquid chemical etching. Perform sequential, isotropic, selective, plasma-chemical etching of polyimide on the front and back of the plate and liquid chemical etching of the metal mask on both sides of the plate.

Возможно изготовление актюаторов по трем различным вариантам. Первый вариант описывает изготовление металлических шин с одной стороны актюатора. Выполняют вакуумное напыление металлической пленки с лицевой стороны пластины, формируя металлическую маску. Выполняют изотропное, селективное, плазмохимическое травление полиимида на лицевой стороне пластины и жидкостное химическое травление металлической маски с лицевой стороны пластины. Далее выполняют вакуумное напыление металлической пленки с лицевой стороны пластины и формируют электропроводящие шины методами спреевого нанесения фоторезиста, контактной фотолитографии и жидкостного химического травления металла.Actuators can be made in three different ways. The first option describes the manufacture of metal tires on one side of the actuator. Perform a vacuum deposition of a metal film from the front side of the plate, forming a metal mask. Isotropic, selective, plasma-chemical etching of the polyimide on the front side of the plate and liquid chemical etching of the metal mask on the front side of the plate are performed. Next, vacuum deposition of a metal film from the front side of the plate is performed and electrically conductive tires are formed by spray deposition of photoresist, contact photolithography and liquid chemical etching of the metal.

Во втором варианте изготовления предложено изготовление металлических шин с двух сторон пластины с электропроводящими переходами через кремниевые элементы. Выполняют вакуумное напыление металлической пленки с двух сторон пластины, формируя металлическую маску. Выполняют изотропное, селективное, плазмохимическое травления полиимида на лицевой стороне пластины, формируя, тем самым, в местах расположения кремниевых элементов «окна» в полиимиде, и жидкостное химическое травление металлической маски с двух сторон пластины. Далее выполняют вакуумное напыление металлической пленки с двух сторон пластины и формируют электропроводящие шины методами спреевого нанесения фоторезиста, контактной фотолитографии и жидкостного химического травления металла.In the second embodiment, the manufacture of metal tires on two sides of the wafer with electrically conductive transitions through silicon elements is proposed. Carry out a vacuum deposition of a metal film on both sides of the plate, forming a metal mask. Isotropic, selective, plasma-chemical etching of the polyimide on the front side of the plate is performed, thereby forming, at the locations of the silicon elements of the "window" in the polyimide, and liquid chemical etching of the metal mask on both sides of the plate. Next, vacuum deposition of a metal film is performed on both sides of the plate and electrically conductive tires are formed by spray deposition of photoresist, contact photolithography and liquid chemical etching of the metal.

Последний вариант заключается в формировании металлических шин с двух сторон пластины с электропроводящими переходами через металлизированные отверстия в полиимиде. Выполняют вакуумное напыление металлического слоя на обратной стороне пластины. Далее выполняют вакуумное напыление металлической маски на лицевую сторону пластины. Формируют металлическую маску под проводящие отверстия в полиимиде на лицевой стороне пластины методами спреевого нанесения фоторезиста, контактной фотолитографии и жидкостного химического травления. Выполняют изотропное, селективное, плазмохимическое травления полиимида на лицевой стороне пластины. Обратную сторону пластины закрывают слоем фоторезиста и проводят жидкостное химическое травление металлической маски с лицевой стороны пластины. Далее удаляют фоторезист и выполняют вакуумное напыление металлической маски на лицевую сторону пластины и формируют электропроводящие шины с двух сторон пластины методами спреевого нанесения фоторезиста, контактной фотолитографии и жидкостного химического травления металла.The last option is to form metal tires on both sides of the plate with electrically conductive transitions through metallized holes in the polyimide. Vacuum the metal layer on the back of the plate. Next, perform vacuum deposition of a metal mask on the front side of the plate. A metal mask is formed under the conductive holes in the polyimide on the front side of the plate by spray application of photoresist, contact photolithography and liquid chemical etching. Isotropic, selective, plasmochemical etching of the polyimide on the front side of the plate is performed. The back side of the plate is covered with a layer of photoresist and liquid chemical etching of the metal mask is carried out on the front side of the plate. Next, the photoresist is removed and the metal mask is vacuum sprayed onto the front side of the plate and electrically conductive tires are formed on both sides of the plate by spray coating of photoresist, contact photolithography and liquid chemical etching of the metal.

После описанных выше операций для всех трех вариантов изготовления формируют омические контакты нагревательных шин с кремниевыми балками и выполняют разделение подложки на кристаллы (чипы).After the operations described above, for all three manufacturing options, ohmic contacts of the heating bars with silicon beams are formed and the substrate is divided into crystals (chips).

Предложенный способ может предусматривать различные дополнения, изменения, усовершенствования, согласно существу предложенного изобретения и особенностям решаемой технической задачи.The proposed method may include various additions, changes, improvements, according to the essence of the proposed invention and the features of the technical problem.

Таким образом, предложен усовершенствованный микромеханический актюатор, отличающийся повышенными функциональными возможностями, и способ его изготовления, обеспечивающий технологичность и воспроизводимость изготовления предложенного актюатора.Thus, an improved micromechanical actuator is proposed, characterized by increased functionality, and a method for its manufacture, providing manufacturability and reproducibility of the manufacture of the proposed actuator.

Claims

1. Микромеханический актюатор, выполненный в виде сформированной в меза-структуре упруго-шарнирной консольной балки, состоящей из 1. Micromechanical actuator made in the form of an elastic-articulated cantilever beam formed in a mesa structure, consisting of

параллельных трапециевидных вставок из монокристаллической кремниевой подложки p-типа с ориентацией [100], расположенных parallel trapezoidal inserts from a single crystal p-type silicon substrate with the [100] orientation located

перпендикулярно основной оси консольной балки и соединённых perpendicular to the main axis of the cantilever beam and connected

полиимидными прослойками, образованными полиимидной пленкой, polyimide layers formed by a polyimide film,

нагревателя и heater and

электропроводящих шин, образующих омический контакт с кремнием, отличающийся тем, что conductive tires forming an ohmic contact with silicon, characterized in that

трапециевидные вставки выполнены на противоположных сторонах упруго-шарнирной консольной балки и образуют, trapezoidal inserts are made on opposite sides of the elastic-articulated cantilever beam and form,

по меньшей мере, две зоны деформации.at least two deformation zones.

2. Микромеханический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что между зонами деформации располагается кремний-полиимидная электроизолирующая гибкая прослойка.2. The micromechanical actuator according to claim 1, characterized in that between the deformation zones is a silicon-polyimide electrically insulating flexible layer.

3. Микромеханический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что каждая из зон деформации снабжена нагревателем, электрически не связанным с другими аналогичными нагревателями.3. The micromechanical actuator according to claim 1, characterized in that each of the deformation zones is equipped with a heater that is not electrically connected to other similar heaters.

4. Микромеханический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что электропроводящие шины расположены с различных сторон упруго-шарнирной консольной балки.4. The micromechanical actuator according to claim 1, characterized in that the electrically conductive tires are located on different sides of the elastic-articulated cantilever beam.

5. Микромеханический актюатор по п. 4, отличающийся тем, что электропроводящие шины включают 5. The micromechanical actuator according to claim 4, characterized in that the electrically conductive tires include

объёмные кремниевые элементы, разделённые полиимидным слоем и электрически не связанные с кремниевой подложкой.bulk silicon elements separated by a polyimide layer and not electrically connected to the silicon substrate.

6. Микромеханический актюатор по п. 4, отличающийся тем, что электропроводящие шины включают металлизированные отверстия в полиимиде.6. The micromechanical actuator according to claim 4, characterized in that the electrically conductive tires include metallized holes in the polyimide.

7. Способ изготовления микромеханического актюатора по любому из пп. 1-6, предусматривающий7. A method of manufacturing a micromechanical actuator according to any one of paragraphs. 1-6, providing

формирование методами объемной микрообработки и тонкопленочной технологии в кремниевой монокристаллической подложке с ориентацией [100] the formation by methods of volumetric microprocessing and thin-film technology in a silicon single crystal substrate with the orientation [100]

параллельных трапециевидных вставок из монокристаллического кремния, нагревателя, электропроводящих шин, полиимидной плёнки, образующей полиимидные прослойки, меза-структуры и parallel trapezoidal inserts of monocrystalline silicon, a heater, electrically conductive tires, a polyimide film forming polyimide layers, mesa structures and

разделение кремниевой подложки на чипы, отличающийся тем, что separation of the silicon substrate into chips, characterized in that

трапециевидные вставки формируют последовательно: trapezoidal inserts form sequentially:

жидкостным анизотропным травлением меза-структуры и канавок в кремнии в предполагаемой области трапециевидных вставок, по меньшей мере, на одной из сторон подложки, liquid anisotropic etching of the mesa structure and grooves in silicon in the proposed region of the trapezoidal inserts, at least on one side of the substrate,

формированием полиимидного слоя, по меньшей мере, на одной из сторон подложки и последующим the formation of a polyimide layer at least on one side of the substrate and the subsequent

плазмохимическим травлением всей поверхности подложки, по меньшей мере на одной из сторон, до проявления полиимидных прослоек.plasma-chemical etching of the entire surface of the substrate, at least on one of the sides, to the manifestation of polyimide layers.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что электропроводящие шины формируются последовательно: 8. The method according to p. 7, characterized in that the conductive busbars are formed sequentially:

вскрытием окон в полиимиде на одной из сторон подложки, opening windows in polyimide on one side of the substrate,

формированием слоя металлизации на этой стороне и the formation of a metallization layer on this side and

формированием омического электрического контакта между слоем металлизации и нагревателями при температуре от 350 до 400°С.the formation of an ohmic electrical contact between the metallization layer and the heaters at a temperature of 350 to 400 ° C.

9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что электропроводящие шины формируют последовательно: 9. The method according to p. 7, characterized in that the conductive bus is formed sequentially:

жидкостным анизотропным травлением в кремнии с двух сторон подложки областей, разделяющих объёмные кремниевые элементы («островки») электроповодящих шин от кремниевой подложки;liquid anisotropic etching in silicon on two sides of the substrate of the regions separating the bulk silicon elements ("islands") of the electrically conductive tires from the silicon substrate;

формированием на этой стороне подложки полиимидного слоя;forming a polyimide layer on this side of the substrate;

плазмохимическим травлением с обратной стороны до проявления полиимида;plasmochemical etching from the back to the manifestation of polyimide;

травлением полиимида с двух сторон подложки в области внутри границ объёмного кремниевого элемента («островка»);etching polyimide on both sides of the substrate in the region within the boundaries of the bulk silicon element ("island");

последующим формированием слоёв металлизации с двух сторон подложки и the subsequent formation of metallization layers on both sides of the substrate and

формированием омического электрического контакта между слоями металлизации и нагревателями при температуре от 350 до 400°С.the formation of ohmic electrical contact between the metallization layers and heaters at a temperature of 350 to 400 ° C.

10. Способ по п. 7, отличающийся тем, что электропроводящие шины формируют последовательно:10. The method according to p. 7, characterized in that the conductive bus is formed sequentially:

жидкостным анизотропным травлением в кремнии с двух сторон подложки областей, где будут формироваться отверстия в полиимиде; liquid anisotropic etching in silicon on two sides of the substrate of the regions where holes will be formed in the polyimide;

плазмохимическим травлением с обратной стороны до проявления полиимида; plasmochemical etching from the back to the manifestation of polyimide;

формированием на обратной стороне подложки полиимидного слоя; forming a polyimide layer on the back of the substrate;

формированием на обратной стороне подложки слоя металлизации;forming a metallization layer on the back of the substrate;

травлением с другой стороны подложки отверстий в слое полиимида, с последующим нанесением слоя металлизации с этой же стороны подложки,etching on the other side of the substrate the holes in the polyimide layer, followed by applying a metallization layer on the same side of the substrate,

формированием топологического рисунка электропроводящих шин с двух сторон пластины,the formation of a topological pattern of conductive tires on both sides of the plate,

11. Способ по п. 7, отличающийся тем, что микромеханический актюатор формируют методами односторонней и/или двусторонней литографии. 11. The method according to p. 7, characterized in that the micromechanical actuator is formed by the methods of unilateral and / or bilateral lithography.