专利名称：用叠层光刻胶牺牲层制备mems悬空结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种用叠层光刻胶牺牲层制备MEMS悬空结构的方法，MEMS是micro-electro-mechanical systems的首字母缩略语，中文译名是微电子机械系统，属微电子机械系统的制备技术领域。
背景技术：
MEMS是微电子技术与机械和光学等技术结合的产物，是IC工艺技术的拓展和延伸，也是微电子技术应用的新突破。MEMS及其相关技术使制造光、机、电、磁、声、热等微型化和集成化功能器件成为可能，并为功能的复合创造了条件，不但可明显提高现有产品的性能和竞争力，还可为创造新器件和新系统奠定基础。因而MEMS倍受人们的关注，并得到了迅速的发展。
MEMS本质上是由3-D微机械结构组成的微电子系统。在MEMS的微加工中，多数情况下需要在承载MEMS的衬底上形成可动结构，以实现机械移动，如微阀、微马达、微陀螺、微加速度计、微机械开关等；对于一些射频(RFradio frequency)MEMS器件，如微带线、微电感，还需要形成悬空结构，以减小器件系统的衬底损耗和改善射频电路的高频性能。
以上这些都需要借助于牺牲层技术来实现，即利用不同材料在同一种腐蚀液体或气体中腐蚀速率的差异，选择性地将结构图形与衬底之间的牺牲层材料刻蚀去掉，进行结构的释放，形成诸如空腔上膜之类的悬空结构。牺牲层技术是MEMS制造技术中的关键技术，是MEMS微加工工艺与传统的ICT艺的一个重要区别，现已成为MEMS技术研究领域中的一个主要热点。在MEMS微加工工艺的发展过程中，曾采用不同的材料如金属材料Ti、Al、Cu、Cr和非金属材料磷硅玻璃、SiO2等作牺牲层材料。但是，使用以上牺牲层材料有以下缺点(1)牺牲层材料的覆盖成本高、费时。
(2)牺牲层材料的溶解很困难，通常需使用强酸，从而产生了用于制造MEMS的众多的材料之间的兼容性问题。
(3)所述的牺牲层材料不能直接被图形化，需要附加的光刻步骤，才能得到所需的结构图形，制造工艺复杂。
发明内容
针对上述牺牲层技术的不足，本发明的目的在于推出一种用叠层光刻胶牺牲层制备MEMS悬空结构的方法，该方法没有背景技术的缺点，通过采用叠层光刻胶牺牲层，形成MEMS悬空结构，能简化MEMS的制造工艺。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是利用叠层光刻胶代替传统的牺牲层材料，作牺牲层，在光刻胶牺牲层上形成MEMS悬空结构，用传统的方法去除光刻胶牺牲层，实现MEMS悬空结构的制备。
现结合附图详细说明本发明的技术方案。一种用叠层光刻胶牺牲层制备MEMS悬空结构的方法，其特征在于，具体工艺操作步骤第一步以玻璃片、硅片、氧化铝陶瓷片或其它表面平整的基片作衬底1，用传统方法清洗和烘干衬底1；第二步在经第一步处理的衬底1上溅射Cr，作粘附层，再在粘附层上溅射Cu，作种子层，粘附层与种子层合为第一粘附-种子层2，第一粘附-种子层2的厚度为80nm，其中粘附层和种子层的厚度分别为20nm和60nm第三步在第一粘附-种子层2上甩第一光刻胶3，传统方法烘胶后光刻支撑立柱4的结构图形，第一光刻胶3的厚度是1～30μm；第四步在第三步得到的支撑立柱4的结构图形上电镀支撑立柱4，电镀的金属是坡莫合金、镍或硬磁材料，支撑立柱4的厚度与第一光刻胶3的相同，剩余的第一光刻胶3充当牺牲层；第五步在第一光刻胶3和支撑立柱4上溅射Cr，作粘附层，再在粘附层上溅射Cu，作种子层，粘附层和种子层合为第二粘附-种子层2’，第二粘附-种子层2’的厚度为80nm，其中粘附层和种子层的厚度分别为20nm和60nm；第六步在第二粘附-种子层2’上甩第二光刻胶3’，第二光刻胶3’的厚度是1～30μm，形成牺牲层+粘附-种子层+光刻胶结构，烘胶，烘胶后在第二光刻胶3’上光刻悬梁5的结构图形，所述的烘胶的工艺参数如表1所示；
表1第二光刻胶3’的烘胶工艺参数
第七步在第六步得到的悬梁5的结构图形上电镀悬梁5，电镀的金属是坡莫合金或镍，悬梁5的厚度为1～30μm；第八步在悬梁5和第二光刻胶3’上甩第三光刻胶3”，第三光刻胶3”的厚度是1～30μm，烘胶，烘胶后在第三光刻胶3”上光刻加强筋6的结构图形，在得到的加强筋6的结构图形上电镀加强筋6，电镀的金属是坡莫合金或镍，加强筋6的厚度为1～30μm，至此，由加强筋6和悬梁5组成的悬空结构形成，所述的烘胶工艺参数如表2所示；表2第三光刻胶3”的烘胶工艺参数
第九步逐步刻蚀光刻胶牺牲层采用2％或更稀的KOH溶液浸泡溶解去除第三光刻胶3”和第二光刻胶3’，对于第二粘附-种子层2’，采用滴加了双氧水的氨水溶液体系去除Cu膜，然后用K3Fe(Cn)6∶NaOH∶H2O的质量比＝3∶2∶100的腐蚀体系刻蚀去除Cr膜，当K3Fe(CN)6溶液接触到牺牲层光刻胶，反应生成黑色絮状物时，用水流冲洗衬底1，再用去离子水浸泡，去除絮状物，Cr膜与光刻胶的交界处，第二光刻胶3’呈红棕色，第一光刻胶3呈淡土黄色，依此明显分界面可以判断Cr膜去除终点，采用2％或更稀的KOH溶液浸泡溶解去除第一光刻胶3；对于第一粘附-种子层2，采用滴加了双氧水的稀氨水溶液体系去除Cu膜，然后用K3Fe(Cn)6∶NaOH∶H2O的质量比＝3∶2∶100的稀腐蚀体系刻蚀去除Cr膜，当牺牲层光刻胶去除后，如果仍有一些难除物依附在悬梁结构上，采用丙酮、碱溶液浸泡均不能除去，可对其进行如下处理将衬底1悬空提夹在盛有去离子水的烧杯中，然后采用低功率超声波或兆声波进行干涉去除，每次仅操作3～-6秒钟，多次进行，进行2～-5次后可将依附物完全除尽；第十步逐步释放悬空结构悬空结构单元用无水酒精浸泡，溶解悬空结构中的水于无水酒精中，用丙酮浸泡，将酒精溶于丙酮中，用氟利昂浸泡，使氟利昂充分浸润悬空结构，取出悬空结构，自然蒸发氟利昂，得到释放的自由可动的悬空结构，至此，完成悬空结构释放带有加强筋6的悬梁5悬于衬底1的上方。
整个工艺过程示于图1～9。
本发明有以下突出效果1.光刻胶容易成膜，通过甩胶能方便地获得厚度容易控制的牺牲层，通过旋涂获得的光刻胶牺牲层没有一般通过淀积获得的牺牲层通常有的内应力，而叠层涂覆的光刻胶的层间残余应力，可以通过控制每次烘胶时的前烘时间相一致来避免；2.光刻胶易溶于丙酮或碱性溶剂，去除时比较容易；3.第一光刻胶层既用作牺牲层，又用作电镀掩膜并可以直接光刻图形化，简化了工艺步骤；4.有利于制作结构复杂的多层悬空结构。
图1是清洗烘干后的衬底1的示意图。
图2是图1的衬底上溅射有第一粘附-种子层2的示意图。
图3是图2的衬底上甩有第一光刻胶3和光刻有支撑立柱4的结构图形的示意图。
图4是图3的衬底上电镀有支撑立柱4的示意图。
图5是图4的衬底上溅射有第二粘附-种子层2’的示意图。
图6是图5的衬底上甩有第二光刻胶3’和光刻有悬梁5的结构图形的示意图。
图7是图6的衬底上电镀有悬梁5的示意图。
图8是图7的衬底上甩有第二光刻胶3’、光刻有加强筋6的结构图形和电镀有加强筋6的示意图。
图9是图8的衬底上的悬空结构释放后的示意图。其中，带有加强筋6的悬梁5悬于衬底1的上方。
具体实施例方式
现通过实施例和附图详细说明本发明的技术方案。所有实施例均按照以上的发明内容所述方法的操作步骤进行操作。每个实施例仅罗列各自的关键的技术数据。
实施例1第三步中，第一光刻胶3的厚度是1μm；第四步中，电镀支撑立柱4的金属是坡莫合金；第六步中，第二光刻胶3’的厚度是1μm；第七步中，电镀的金属是坡莫合金，悬梁5的厚度为1μm；第八步中，第三光刻胶3”的厚度是1μm；电镀的金属是坡莫合金，加强筋6的厚度为1μm。
实施例2第三步中，第一光刻胶3的厚度是10μm；第四步中，电镀支撑立柱4的金属是硬磁材料；第六步中，第二光刻胶3’的厚度是5μm；第七步中，第三光刻胶3”的厚度是8μm；电镀的金属是坡莫合金，悬梁5的厚度为5μm；第八步中，电镀的金属是坡莫合金，加强筋6的厚度为8μm。
实施例3第三步中，第一光刻胶3的厚度是30μm；第四步中，电镀支撑立柱4的金属是坡莫合金；第六步中，第二光刻胶3’的厚度是30μm；第七步中，第三光刻胶3”的厚度是30μm；电镀的金属是坡莫合金，悬梁5的厚度为30μm；第八步中，电镀的金属是坡莫合金，加强筋6的厚度为30μm。
权利要求
1.一种用叠层光刻胶牺牲层制备MEMS悬空结构的方法，其特征在于，具体工艺操作步骤第一步以玻璃片、硅片、氧化铝陶瓷片或其它表面平整的基片作衬底1，用传统方法清洗和烘干衬底1；第二步在经第一步处理的衬底1上溅射Cr，作粘附层，再在粘附层上溅射Cu，作种子层，粘附层与种子层合为第一粘附-种子层2，第一粘附-种子层2的厚度为80nm，其中粘附层和种子层的厚度分别为20nm和60nm；第三步在第一粘附-种子层2上甩第一光刻胶3，传统方法烘胶后光刻支撑立柱4的结构图形，第一光刻胶3的厚度是1～30μm；第四步在第三步得到的支撑立柱4的结构图形上电镀支撑立柱4，电镀的金属是坡莫合金、镍或硬磁材料，支撑立柱4的厚度与第一光刻胶3的相同，剩余的第一光刻胶3充当牺牲层；第五步在第一光刻胶3和支撑立柱4上溅射Cr，作粘附层，再在粘附层上溅射Cu，作种子层，粘附层和种子层合为第二粘附-种子层2’，第二粘附-种子层2’的厚度为80nm，其中粘附层和种子层的厚度分别为20nm和60nm；第六步在第二粘附-种子层2’上甩第二光刻胶3’，第二光刻胶3’的厚度是1～30μm，形成牺牲层+粘附-种子层+光刻胶结构，烘胶，烘胶后在第二光刻胶3’上光刻悬梁5的结构图形，所述的烘胶的工艺参数如表1所示；表1第二光刻胶3’的烘胶工艺参数
第七步在第六步得到的悬梁5的结构图形上电镀悬梁5，电镀的金属是坡莫合金或镍，悬梁5的厚度为1～30μm；第八步在悬梁5和第二光刻胶3’上甩第三光刻胶3”，第三光刻胶3”的厚度是1～30μm，烘胶，烘胶后在第三光刻胶3”上光刻加强筋6的结构图形，在得到的加强筋6的结构图形上电镀加强筋6，电镀的金属是坡莫合金或镍，加强筋6的厚度为1～30μm，至此，由加强筋6和悬梁5组成的悬空结构形成，所述的烘胶工艺参数如表2所示；表2第三光刻胶3”的烘胶工艺参数
第九步逐步刻蚀光刻胶牺牲层采用2％或更稀的KOH溶液浸泡溶解去除第三光刻胶3”和第二光刻胶3’，对于第二粘附-种子层2’，采用滴加了双氧水的氨水溶液体系去除Cu膜，然后用K3Fe(Cn)6∶NaOH∶H2O的质量比＝3∶2∶100的腐蚀体系刻蚀去除Cr膜，当K3Fe(CN)6溶液接触到牺牲层光刻胶，反应生成黑色絮状物时，用水流冲洗衬底1，再用去离子水浸泡，去除絮状物，Cr膜与光刻胶的交界处，第二光刻胶3’呈红棕色，第一光刻胶3呈淡土黄色，依此明显分界面可以判断Cr膜去除终点，采用2％或更稀的KOH溶液浸泡溶解去除第一光刻胶3；对于第一粘附-种子层2，采用滴加了双氧水的稀氨水溶液体系去除Cu膜，然后用K3Fe(Cn)6∶NaOH∶H2O的质量比＝3∶2∶100的稀腐蚀体系刻蚀去除Cr膜，当牺牲层光刻胶去除后，如果仍有一些难除物依附在悬梁结构上，采用丙酮、碱溶液浸泡均不能除去，可对其进行如下处理将衬底1悬空提夹在盛有去离子水的烧杯中，然后采用低功率超声波或兆声波进行干涉去除，每次仅操作3～6秒钟，多次进行，进行2～5次后可将依附物完全除尽；第十步逐步释放悬空结构悬空结构单元用无水酒精浸泡，溶解悬空结构中的水于无水酒精中，用丙酮浸泡，将酒精溶于丙酮中，用氟利昂浸泡，使氟利昂充分浸润悬空结构，取出悬空结构，自然蒸发氟利昂，得到释放的自由可动的悬空结构，至此，完成悬空结构释放带有加强筋6的悬梁5悬于衬底1的上方。
全文摘要
一种用于制作MEMS悬空结构的叠层光刻胶牺牲层技术方法，包括以下工艺操作步骤衬底的准备；溅射Cr/Cu电镀种子层；甩胶、烘胶、光刻图形化；电镀支撑用立柱；溅射Cr/Cu电镀种子层；甩胶、烘胶、光刻图形化；电镀悬梁与加强筋的叠层悬空结构；分层刻蚀法去除光刻胶及部分电镀种子层；用逐步替换法实现悬空结构的湿法释放。该方法的优点是光刻胶牺牲层可以直接、高精度地图形化，因而能够更容易地实现复杂自由结构的加工并选择性释放，简化了器件集成制造的工艺；该方法与传统IC加工的材料与工艺有很好的兼容性。
文档编号B81C1/00GK101030033SQ20071003901
公开日2007年9月5日 申请日期2007年3月30日 优先权日2007年3月30日
发明者张永华, 刘蕾, 欧阳炜霞, 赖宗声 申请人:华东师范大学