一种类金刚石碳微悬梁臂及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电系统(MEMS)及微加工领域，尤其涉及的是一种类金刚石碳微悬梁臂及其制备方法。
【背景技术】
[0002]微悬梁臂是MEMS里面一种非常重要的执行器，加上静电、压电等驱动单元后被广泛应用于生物、化学、药学、健康医疗、汽车等领域，其作为主动光学元器件的调制单元，也具备制备简单、片上可集成等诸多优点。传统的微悬梁臂通常用硅(多孔硅、单晶硅等)，陶瓷(二氧化硅、氮化硅等)，金属，金属碳化物，聚合物等材料，其中以硅的应用最为广泛。硅在MEMS很多应用领域具有很好的力学与电学特性，而且硅材料与传统半导体工艺兼容，在成本控制、工艺成熟度方面具备很大优势。但是硅材料也具有本身的限制，例如杨氏模量较低、韧性不足、摩擦系数较大、耐磨性较差等。其他的各种材料，各自都有各种各样的局限性，例如陶瓷与金属碳化物(如SiNx，TiN，SiC，TiC等)通常内部应力较大，影响其机械特性与稳定性；聚合物(polymer)等材料则在热膨胀系数、导电特性等方面具有局限性。目前，很多MEMS传感应用，都以开发一种参数调节弹性大、各方面性能可弥补现有材料特别是硅材料的不足方面的材料与工艺为目标，获得高性能的微悬梁臂MEMS执行器。而DLC在各方面都表现出色，包括杨氏模量、硬度、稳定性、热膨胀系数、导电性等。但是目前DLC的制备工艺繁多，各种工艺制作出来的DLC性能各异而且大部分工艺制作出来的DLC结构松散，抗腐蚀性能较差，无法满足传感平台工作环境复杂等应用需求。
[0003]因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:提供一种具有高杨氏模量、高硬度、耐腐蚀性好、低热膨胀系数的类金刚石微悬梁臂及其制备方法。
[0005]本发明的技术方案如下:一种类金刚石碳微悬梁臂，包括硅衬底、在硅衬底上制作的过渡层、以及通过高能量脉冲式磁控溅射方法制作并覆盖在过渡层表面的DLC薄膜层。
[0006]应用于上述技术方案，所述的类金刚石碳微悬梁臂中，过渡层包括设置在硅衬底上的第一过渡层和设置第一过渡层上的第二过渡层，其中，硅衬底为硅晶圆衬底，第一过渡层为金属过渡层，第二过渡层为金属碳化物过渡层。
[0007]—种类金刚石碳微悬梁臂的制备方法，包含以下几个步骤:步骤一:将硅晶圆清洗干净，通过光刻将DLC的图案写在硅晶圆表面；步骤二:将带有光刻胶图案的硅晶圆置入真空腔中，对真空腔抽真空；步骤三:通入氩气，打开直流或者脉冲电源，对硅晶圆进行等离子体清洗；步骤四:打开直流或者脉冲电源，在硅晶圆的表面制作过渡层；步骤五:通入反应气体，打开脉冲电源，在过渡层的表面进行高能量脉冲式磁控溅射，形成DLC薄膜层；步骤六:关闭溅射阴极及电源，关闭氩气与反应气体，充入氮气，取出样品；步骤七:用丙酮/异丙酮(IPA)/去离子水清洗样品，对光刻胶进行剥离；步骤八:在硅晶圆背面旋涂上光刻胶作为保护层，然后将剥离干净的样品置入KOH溶液中，用湿法刻蚀将裸露的硅晶圆刻蚀掉，形成悬空的类金刚石碳微悬梁臂。
[0008]应用于各个上述技术方案，所述的制备方法中，步骤一中，采用单面抛光的350微米厚的硅晶圆，并且，光刻时所使用的光刻胶为负胶。
[0009]应用于各个上述技术方案，所述的制备方法中，步骤二中，对真空腔抽真空时，使真空腔的真空度低于8E-5Torr。
[0010]应用于各个上述技术方案，所述的制备方法中，步骤四中，在硅晶圆的表面制作过渡层时，在硅晶圆的表面制作第一过渡层，并且，还在第一过渡层的表面制作第二过渡层，其中，第一过渡层为金属过渡层，第二过渡层为金属碳化物过渡层。
[0011]应用于各个上述技术方案，所述的制备方法中，步骤五中，在过渡层的表面进行高能量脉冲式磁控溅射时，所采用的脉冲电源的脉冲开/脉冲关的占空比为10~80us/100~300us，平均功率密度5~25kW/m2，DLC/C复合层的沉积率为0.8-1.5微米/小时，沉积时间为1~2小时。
[0012]应用于各个上述技术方案，所述的制备方法中，步骤五中，通入的反应气体为甲烷(CH4)或者乙炔(C2H2)，并且，进行高能量脉冲式磁控溅射时，通入溅射气体氩气(Ar)，溅射气压为 1.5E-3~6E-3Torr0
[0013]应用于各个上述技术方案，所述的制备方法中，步骤八中，所采用的KOH浓度为15~20%，刻蚀时间为25~30小时。
[0014]应用于各个上述技术方案，所述的制备方法中，在执行步骤四和五的过程中，还对样品施加偏置电源，其中，偏压电源的脉冲时间为0.6-2.3Ps，偏压电源的脉冲频率为10~350kHz，偏压电源的电压为10~50V，偏压电源的电流为0.1-1.2A。
[0015]采用上述方案，本发明具有的优点在于:
(I)微悬梁臂由DLC薄膜层构成，DLC即类金刚石碳，其具有很高的杨氏模量，因此微悬梁臂可以在高频震荡，例如，在频率>100kHz，调整微悬梁臂的尺寸可获得超过10MHz的本征震荡频率。这个特点应用在光学调制方面可以制作相对高速的光学器件。
[0016](2)通过高能量脉冲式磁控溅射方法成DLC薄膜层，薄膜层的致密性很好，加上DLC材料本身具有非常好的抗腐蚀性，因此器件具有很好的抗腐蚀性。这个优点对于工作在复杂环境中的气体与液体传感器显得尤为重要。
[0017](3)微悬梁臂的热膨胀系数较低，DLC材料在高温化学性能稳定，导热性能优良，因此器件受外界环境变化干扰较低，能长时间稳定工作。
[0018](4)DLC微悬梁臂制作工艺简单，所述高能量脉冲式磁控溅射设备可以在传统设备上改装而成，成本相对低廉。
【附图说明】
[0019]图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中高能量脉冲式磁控溅射脉冲的形状示意图；
图3是本发明中DLC薄膜层的XPS测试结果图；
图4是本发明DLC薄膜层在电子显微镜下的横截面图；
图5是本发明的电学性能测试曲线图。
【具体实施方式】
[0020]以下本发明结合附图进行详细说明。
[0021]本发明利用高能量脉冲式磁控溅射技术，优化了传统DLC薄膜的机械特性与致密性，制作而成的DLC微悬梁臂具有优良的机械、电学与热学特性，而且这些特性可以通过调整磁控溅射过程的脉冲波形来调整。
[0022]实施案例一:
本实施例提供一种类金刚石碳微悬梁臂及其制备方法，通过优化镀膜工艺改良薄膜材料特性，获得新型MEMS器件。如图1所示，类金刚石碳微悬梁臂即DLC微悬梁臂，建于硅衬底4之上，硅衬底为硅晶圆衬底，在DLC薄膜层I与硅衬底之间是第一过渡层3与第二过渡层2，其中，第一过渡层3设置硅衬底4上表面，第二过渡层2设置在第一过渡层3的上表面，第一过渡层3为金属过渡层，例如，可以是Ti金属过渡层，第二过渡层为金属碳化物过渡层，例如，TiC过渡层。俩过渡层保证了 DLC薄膜层I与硅衬底4间具有良好的粘附性。该类金刚石碳微悬梁臂的制备过程如下:
步骤一:将切割好的硅晶圆分别用丙酮、IPA、去离子水置于超声波水槽中清洗5分钟然后烘干。将光刻胶AZ5214旋涂于硅晶圆表面，旋涂参数为10s/1500rpm (匀胶)，20s/3000rpm (旋涂)，5s/4000rpm (去边)，然后置于电热炉(hot plate)在80度温度下烘80s，将烘干的样品在UV灯(功率15W)下曝光2s (~150mJ/cm2)o在把样品置于电热炉在100度温度下烘80s，再放UV灯(功率15W)下曝光4s (>200mJ/cm2)o用MIF300显影液显影后，光刻胶图案制作完毕。
[0023]步骤二:将带有光刻胶图案的样品置入真空腔内，对真空腔进行抽真空，直至腔内真空度低于8E-5Torr。
[0024]步骤三:通入氩气lOOsccm，打开连接于Ti金属靶的直流电源，保持Ti靶挡板关闭，真空腔体气压稳定在4E-3Torr，打开直流电源，设定电压460V，等离子体点着后电流为
0.4A。在此设定下对样品进行5分钟等离子体清洗。
[0025]步骤四:在步骤三的设定下，打开Ti靶挡板，同时打开连接样品基座的偏置电源，设定电压为50V，电流读数0.2A，脉冲宽度0.8us，脉冲频