一种微弹簧的加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微纳结构的加工技术，特别涉及一种微弹簧的加工方法。
【背景技术】
[0002]以娃材料为基础的微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical-System，简称MEMS)被认为是21世纪的革命性的新技术，对科学技术、生产方式以及人类的生活都将产生深远的影响。
[0003]MEMS加工技术可以分为表面微加工技术、体微加工技术、键合技术、光刻电铸成型技术和牺牲层光刻电铸成型技术等。
[0004]表面微加工技术的含义就是先在基片上淀积一层牺牲层材料，然后再淀积一层结构材料，腐蚀掉牺牲层后形成各种微结构。
[0005]目前，在表面微加工技术中，普通微弹簧的加工通常采用湿法腐蚀牺牲层的方法。湿法腐蚀是最早用于微机械结构制造的加工方法。所谓湿法腐蚀，就是将硅晶片置于液态的化学腐蚀液中进行腐蚀。在腐蚀过程中，腐蚀液将把它所接触的材料通过化学反应逐步浸蚀溶掉。用于化学腐蚀的试剂很多，有酸性腐蚀剂、碱性腐蚀剂以及有机腐蚀剂等。根据所选择的腐蚀剂，又可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀剂。各向同性腐蚀的试剂，包含各种盐类(如氰基、亚氨基等)和酸，由于受到能否获得高纯试剂，以及希望避免金属离子的玷污这两个因素的限制，因此广泛采用氢氟酸-硝酸腐蚀系统。各向异性腐蚀是指对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率。基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种各样的微结构。各向异性腐蚀剂一般分为两类，一类是有机腐蚀剂，包括EPW(Ethylenediamine、Pyrocatechol and Water，乙二胺、邻苯二酸和水)和联胺等，另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化铵等。
[0006]普通的微弹簧通常选用PMMA(Polymethyl Methacrylate，聚甲基丙稀酸甲醋)聚合物或光刻胶作为牺牲层，然后用丙酮刻蚀掉。但是，用这种方法制造微弹簧时，一旦丙酮挥发，微弹簧容易塌陷，而且处在溶液中的微弹簧不利于光学表征和力学方面的测试。另夕卜，丙酮具有毒性，且易燃，使用时需小心谨慎。
[0007]另外，普通的微弹簧卷曲方法为了克服坍塌问题，通常采用超临界干燥的方法。但是一方面，超临界干燥的设备比较昂贵，其操作也给微弹簧的制造带来一定的复杂性。另一方面，微弹簧会在干燥过程中很容易被流动的液体损坏。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种微弹簧的加工方法，使得制造出来的微弹簧不坍塌，便于测试与应用。
[0009]为解决上述技术问题，本发明提供了一种微弹簧的加工方法，包含以下步骤:
[0010]提供一洁净娃片作为衬底；
[0011]在所述衬底上淀积图形化牺牲层；其中，所述牺牲层的材料为非定形碳；
[0012]在所述牺牲层和未淀积牺牲层的衬底上淀积薄膜，所述衬底上的薄膜形成固定锚点，所述牺牲层上的薄膜形成结构层；其中，所述结构层为条带状，且靠近所述固定锚点的厚度大于远离所述固定锚点的厚度；
[0013]干法刻蚀掉所述牺牲层，获取所述结构层卷曲形成的所述微弹簧。
[0014]本发明实施方式相对于现有技术而言，是利用非定型碳作为牺牲层的材料，并干法刻蚀掉牺牲层实现释放微弹簧。具体地说，首先，提供一洁净硅片作为衬底。接着，在衬底上的部分区域淀积图形化牺牲层(即牺牲层的形状为预设的图案)，其中，该牺牲层的材料为非定形碳；接着，在牺牲层和未淀积牺牲层的衬底上淀积薄膜，衬底上的薄膜形成固定锚点，牺牲层上的薄膜形成结构层；其中，结构层为条带状，且靠近固定锚点的厚度大于远离固定锚点的厚度。最后，干法刻蚀掉牺牲层，获取结构层卷曲形成的微弹簧。由于利用非定型碳作为牺牲层的材料，并干法刻蚀牺牲层实现释放微弹簧，使得制造出来的微弹簧不坍塌，便于测试与应用。而且，由于结构层靠近固定锚点的厚度大于远离固定锚点的厚度，所以保证了在刻蚀掉牺牲层后，结构层卷曲形成微弹簧，且更易卷曲，同时形成的微弹簧更结实，不易断裂。另外，非定型碳没有毒性，使得该方法的加工过程无安全隐患。
[0015]另外，所述结构层与所述固定锚点呈预设角度；其中，所述预设角度大于零度且小于九十度。结构层与固定锚点的夹角在零与九十度之间时，结构层卷曲形成的微弹簧更规则。
[0016]另外，在所述牺牲层和未淀积牺牲层的衬底上淀积薄膜的步骤中，采用电子束蒸发或者溅射的方法。其中，所述固定锚点向电子束的蒸发源方向倾斜，且电子束的束流方向与所述衬底的夹角大于零度且小于九十度；或者，所述固定锚点向溅射源方向倾斜，且溅射的方向与所述衬底的夹角大于零度且小于九十度。
[0017]由于固定锚点向电子束的蒸发源方向或者溅射源方向倾斜，固定锚点所在侧距电子束的蒸发源或者溅射源较近，所以保证了在电子束蒸发或者溅射时，结构层靠近固定锚点的厚度大于远离固定锚点的厚度，使结构层更易卷曲形成微弹簧。
[0018]另外，在所述干法刻蚀掉所述牺牲层，获取所述结构层卷曲形成的所述微弹簧的步骤中，采用氧气作为反应气体。
[0019]用氧气(O2)作为反应气体，在干法刻蚀牺牲层的过程中，非定型碳(C)与氧气(O2)发生反应，生成二氧化碳(CO2)气体挥发掉，使得实现了干法释放微弹簧。
[0020]另外，所述衬底上具有周期性点阵结构的孔。这样，制作的微弹簧上具有周期性的凸起点阵，从而使微弹簧具备更好的光学与机械性质。
【附图说明】
[0021]图1是根据本发明第一实施方式的微弹簧的加工方法流程图；
[0022]图2是根据本发明第一实施方式的微弹簧的加工方法的102步骤对应的结构剖面示意图；
[0023]图3是根据本发明第一实施方式的微弹簧的加工方法的103步骤对应的俯视图；
[0024]图4是根据本发明第一实施方式的微弹簧的加工方法的103步骤对应的结构剖面示意图；
[0025]图5是根据本发明第一实施方式的微弹簧的加工方法的104步骤中的微弹簧的示意图。
【具体实施方式】
[0026]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
[0027]本发明的第一实施方式涉及一种微弹簧的加工方法，具体流程如图1所示，包含以下步骤:
[0028]步骤101，提供一洁净硅片作为衬底。
[0029]步骤102，在衬底上淀积图形化牺牲层；其中，牺牲层的材料为非定形碳；牺牲层可以为矩形，牺牲层的一条边沿X轴方向，相邻的另一条边沿Y轴方向。本步骤对应的结构剖面示意图如图2所示，201为衬底，202为牺牲层。
[0030]在本实施方式中，牺牲层的厚度为2微米；非定型碳为a_C(a相碳)。首先，采用非定型碳制备牺牲层，工艺简单，采用简单的CVD(化学气相淀积)就可以制成；其次，制备工艺与半导体工艺完全兼容；再次，利用非定型碳制备的牺牲层还可图形化，应力小、不会碎；最后，碳很容易氧化，采用非定型碳制备的牺牲层，可快速地利用氧等离子体刻蚀或是直接氧气氛氧化掉。此外，由于非定型碳没有毒性，使得该方法的加工过程无安全隐患。
[0031]步骤103，在牺牲层和未淀积牺牲层的衬底上淀积一层薄膜，衬底上的薄膜形成固定锚点，牺牲层上的薄膜形成结构层；其中，结构层为条带状，且靠近固定锚点的厚度大于远离固定锚点的厚度；固定锚点用于固定结构层。本步骤对应的俯视图如图3所示，301为结构层，302为固定锚点，α为结构层的长边与X轴的夹角；本步骤对应的结构剖面示意图如图4所示。
[0032]由于结构层靠近固定锚点的厚度大于远离固定锚点的厚度，梁的应力分