专利名称：一种离心分离牺牲层工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及MEMS工艺中微结构的制作方法，尤其涉及一种离心分离牺牲层工艺。
背景技术：
牺牲层技术也称分离层技术，就是利用不同材料在同一腐蚀液中腐蚀速率的巨大差异，将已按一定形状和顺序叠加在一起的多层薄膜材料中的一层选择性地去掉，从而得到所需的结构，其中被去掉的这一层被称为牺牲层。根据牺牲层去除方法的不同，牺牲层技术主要分为干法腐蚀牺牲层技术和湿法腐蚀牺牲层技术。
干法腐蚀牺牲层技术就是用气态腐蚀或等离子体刻蚀的方法来去除牺牲层。例如采用气态HF和甲醇来去除SiO2牺牲层；用O2等离子体去除光刻胶等有机材料牺牲层等。干法腐蚀牺牲层技术虽然不存在由于表面张力而使结构失效的问题，但存在腐蚀时间较长，容易造成基片表面损伤和玷污；需要在悬空结构上做一系列的小孔来释放牺牲层，从而破坏驱动结构的完整性；牺牲层材料绝大多数是有机牺牲层材料，即牺牲层的可选择性比较差；设备通常较昂贵等问题，限制了其进一步的应用范围。
湿法腐蚀牺牲层技术就是利用某些牺牲层材料可溶于特定的溶剂或腐蚀液，而掩蔽层材料基本不溶于该溶剂或腐蚀液的特性，来去除牺牲层。例如作为牺牲层的光刻胶可用丙酮去除；聚酰亚胺(烘干温度通常低于200℃时)可以用碱性显影液去除；氧化多孔硅和硅磷玻璃PSG可以用HF溶液去除等。湿法腐蚀牺牲层技术速度较快且不易造成基片表面污染，但由于溶液表面张力的影响，在液体干化过程中，容易使驱动结构与基底粘连，造成微结构失效。因此，如何使驱动结构不会因表面粘连或断裂而失效，成为湿法腐蚀牺牲层技术的关键，目前提出了如临界点干化法、多溶剂干化法、特定几何形状法等各种方法来解决表面粘连问题，上述几种分离方法虽然可以达到分离的效果，但是都存在时间长、工艺繁复以及成品率低等问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是针对以上去除牺牲层方法的不足之处，提出一种离心分离牺牲层工艺，该方法利用离心力来解决表面粘接问题，且具有工艺简单、时间较短、成品高等优点。
本发明的技术解决方案是一种离心分离牺牲层工艺，其特征在于通过控制离心机的转速，将离心力控制在既能够克服下拉的液体表面张力，同时又不至于破坏空气膜桥或悬臂梁等微结构之间，达到去除液体，释放微结构的目的，其具体步骤如下(1)基片清洗；分别用HF溶液、去离子水和丙酮+乙醇溶液清洗单晶硅基片，然后将基片放入烘箱内烘干；(2)牺牲层涂覆；在基片上涂覆牺牲层，首先，在基片上涂增黏剂；然后，旋涂聚酰亚胺牺牲层后烘干，烘干后聚酰亚胺牺牲层的厚度为2-3μm；(3)第一次旋涂光刻胶；在聚酰亚胺牺牲层上涂覆光刻胶层，光刻胶层厚度为5-7μm；(4)进行第一次光刻；在所述的光刻胶层上采用掩膜版光刻出悬臂梁或膜桥的锚位图形；(5)丙酮去除光刻胶；采用丙酮去除牺牲层上的光刻胶层，聚酰亚胺不溶于丙酮，而保留下来；(6)第二次旋涂光刻胶；在聚酰亚胺牺牲层上再涂覆一层光刻胶，光刻胶层厚度为3-5μm；(7)进行第二次光刻；
在第二次旋涂的光刻胶上采用掩膜版进行第二次曝光，刻蚀掉悬臂梁和膜桥图形之外的部分，形成光刻胶的悬臂梁和膜桥结构；(8)显影去除牺牲层；由于聚酰亚胺牺牲层溶于碱性显影液，而桥梁未曝光部分的光刻胶不溶于碱性显影液，从而在显影液形成膜桥和悬臂梁结构；(9)离心分离；把在去离子水中漂洗好的基片取出，将其背面用固定于工件台上；接着把工件台放在离心机上，通过控制离心机的转速1400rpm-1600rpm，去除基片表面的液体，使微结构得到释放。
本发明与现有技术的比较的优点在于本发明与临界点干化法、多溶剂干化法、特定几何形状法等其他湿法分离工艺相比，离心分离牺牲层工艺可以在几分钟之内达到分离效果，且不会对分离结构造成破坏，而且对设备的要求不高。因此该工艺具有快速，操作简单，成品率高等特点，具有很大的实用价值。此外，本发明除应用于制作膜桥和悬臂梁等微结构外，也可应用于制作其它微机械驱动结构，具有很高的实用价值。
图1为本发明的1#掩膜版示意图，用于第一次光刻，图1中阴影区域为不透光区，白色区域为透光区；图2为本发明的2#掩膜版示意图，用于第二次光刻，将用这块掩模版曝光刻蚀掉悬臂梁和膜桥图形之外的部分，形成光刻胶的悬臂梁和膜桥结，图2中1为空气膜桥结构，2为悬臂梁结构；图3为本发明步骤(2)的示意图，即在已经清洗好的硅基片表面上旋涂一层聚酰亚胺牺牲层3；图4为本发明步骤(3)的示意图，即在牺牲层上涂覆光刻胶层4；图5为本发明步骤(4)的示意图，即进行第一次光刻，在硅基片上暴露出来空气膜桥5和悬臂梁的锚位6，图中箭头所指的部位就是锚位；
图6为本发明步骤(5)的示意图，即丙酮去除牺牲层上的光刻胶，聚酰亚胺牺牲层不溶于丙酮，而保留下来；图7为本发明步骤(6)的示意图，即在聚酰亚胺牺牲层上再旋涂一层光刻胶7；图8为本发明步骤(7)和步骤(8)的示意图，即用2#掩膜版曝光，显影去除牺牲层。由于聚酰亚胺牺牲层溶于碱性显影液，而桥梁未曝光部分的光刻胶不溶于碱性显影液，形成膜桥8和悬臂梁结构9；图9为本发明步骤(9)的示意图，即通过离心分离，使得空气膜桥10和悬臂梁11微结构悬空；图10为本发明采用的离心分离装置的示意图，其中12为工件台、13为离心机、14为基片，用于离心分离的离心机应当配有真空系统，工作时可以将工件台吸在离心机上；图11为本发明的悬臂梁整体结构的SEM照片；图12为本发明的空气膜桥结构的SEM照片，长度为200μm；图13为本发明的空气膜桥结构的光学显微镜照片，长度为400μm；图14为本发明的悬臂梁结构的光学显微镜照片；图15为本发明的空气膜桥结构在液体表面张力作用下与基底表面粘连时的光学显微镜照片。
具体实施例方式
本发明的一个典型实施例，是利用离心分离牺牲层工艺制作光刻胶空气膜桥和悬臂梁微结构，其制作过程如下(1)基片清洗基片清洗的目的，是为了清除基片表面的各种有机和无机杂质，增强光刻胶及牺牲层与基片表面的粘附力，提高成品率。
第一步，用10％HF洗去单晶硅基片表面的氧化层，再用去离子水(电阻率≥16MΩ)超声波清洗15min；第二步，将基片在离心机上用丙酮+乙醇溶液清洗，甩干；第三步，将基片放入烘箱，170℃温度下烘120min。
(2)牺牲层涂覆在基片上涂覆牺牲层。首先在基片上涂增黏剂，以增加基片表面和聚酰亚胺的附着力，减轻烘胶时聚酰亚胺的缩胶现象；再旋涂聚酰亚胺，在热板上100℃温度下烘干时间100s，再放入烘箱中，在170℃温度下烘30min。聚酰亚胺牺牲层3的厚度约2.5μm，如图3所示。
(3)旋涂光刻胶在牺牲层上涂覆光刻胶层4，光刻胶层厚度约6.0μm，在热板上100℃温度下烘干时间120s，如图4所示。
(4)第一次光刻1#掩膜版用于第一次光刻，将用这块掩模版在牺牲层和光刻胶层上曝光刻蚀出悬臂梁和膜桥的锚位，其版图如图1所示，图中阴影区域为不透光区，白色区域为透光区。左边的透光区分成多个矩形形状，右边的透光区是连成一体的长条形状。将在每个透光区制作锚位，再在左透光区和右透光区之间建立膜桥，在右透光区右边建立悬臂梁，如图2所示，每个左透光区与右透光区之间的距离不同，是为了同时制作多个长度不同的膜桥。
在光刻胶层上刻出锚位图形。采用如图1所示的1#掩膜版在光刻胶上曝光48s，室温下在303A(1∶6)碱性显影液中显影。正性光刻胶在曝光后受到紫外光照射的那部分光刻胶会由于光化学反应而降解，溶于显影液，而未受到紫外光照射的光刻胶不会溶于显影液。这样，正性光刻胶曝光部分及其下面牺牲层将分别溶于显影液，而牺牲层3上未曝光部分的光刻胶将作为掩蔽层保护其不溶于显影液，从而将1#掩膜版的微细图形传递到聚酰亚胺牺牲层3，曝光、显影后，在中间留下的部分上制作膜桥，在两边去掉露出基底的部位上制作锚位。如图5所示，图中硅基片暴露出来的位置就是膜桥5和悬臂梁的锚位6。
(5)丙酮去除光刻胶丙酮去除牺牲层上的光刻胶，聚酰亚胺牺牲层不溶于丙酮，而保留下来，如图6所示。
(6)旋涂光刻胶在制作膜桥和锚位的区域再涂覆一层光刻胶7。旋涂AZ9260正性光刻胶，放入热板，120℃温度下烘3min。光刻胶层4厚度为6.4μm，在聚酰亚胺牺牲层上面的光刻胶层厚度约为4μm，如图7所示。
(7)第二次光刻用2#掩膜版曝光48s，如图8所示，图中膜桥和悬臂梁图形之外的区域为曝光区。
2#掩膜版用于第二次光刻，将用该掩模版曝光刻蚀掉悬臂梁和膜桥图形之外的部分，形成光刻胶的膜桥和悬臂梁结构，其版图如图2所示。图中阴影区域为不透光区，白色区域为透光区。其中左边小图为膜桥结构的放大图，图中箭头所指的细小阴影区域即为膜桥，两端较大的阴影区域为膜桥的锚位；右边小图为悬臂梁结构的放大图，图中箭头所指的阴影区域即为悬臂梁，左边较大的阴影区为悬臂梁的锚位。2#掩膜版设计了几种长度不同的膜桥图形，也是为了在实验中同时制作多个不同尺寸的膜桥。
(8)显影去除牺牲层室温下在303A(1∶6)显影液中显影约180s，再将其放入去离子水中漂洗。由于聚酰亚胺牺牲层溶于碱性显影液，而桥梁未曝光部分的光刻胶不溶于碱性显影液，形成膜桥和悬臂梁结构，如图8所示。
(9)离心分离首先把去除牺牲层后的基片放入去离子水中小心漂洗，之后取出基片，将基片背面用双面胶粘于工件台上，接着把工件台放在离心机上，离心甩干，去除液体，释放微结构。如图9所示。
如图10所示，本发明所采用的离心分离装置由工件台12、离心机13、基片14组成，工件台12的旋转半径约为20mm，离心机的转速为1400-1600rpm，离心甩干的时间约3～4min。
通过本实施例证，利用离心分离牺牲层工艺制做出光刻胶空气膜桥和悬臂梁结构。空气膜桥10和悬臂梁悬空结构11的厚度都在4μm左右，其中悬臂梁的长度在150μm左右，而空气膜桥的长度可以有200μm、300μm和400μm三种。
如图11-图15所示，通过扫描电子显微镜(SEM)照片和光学显微镜照片，可以明显看出采用离心分离牺牲层工艺制备出的光刻胶膜桥和悬臂梁结构完整，没有与基底发生粘连。其中图11和图12图分别为本发明的悬臂梁整体结构和空气膜桥结构的SEM照片，图中可以清楚地看到空气膜桥和悬臂梁的边缘部分是完全悬空的。由于SEM照片中只能看到微结构的边缘是否悬空，无法观察到微结构里面是否也是悬空的，因此需要结合光学显微镜照片来判断分离结构是否悬空。图13和图14分别为完全悬空的空气膜桥和悬臂梁光学显微镜照片，图15为部分悬空的空气膜桥光学显微镜照片，比较图13、图14与图15可以明显看到部分悬空的空气膜桥结构有彩色干涉条纹，而完全悬空的空气膜桥和悬臂梁结构没有干涉条纹。
权利要求
1.一种离心分离牺牲层工艺，其特征在于具体步骤如下(1)对基片进行清洗；(2)牺牲层涂覆；在基片上涂覆牺牲层，首先，在基片上涂增黏剂；然后，旋涂聚酰亚胺牺牲层后烘干；(3)第一次旋涂光刻胶；在聚酰亚胺牺牲层上涂覆光刻胶层；(4)进行第一次光刻；在所述的光刻胶层上采用掩膜版光刻出悬臂梁或膜桥的锚位图形；(5)采用丙酮去除光刻胶层；(6)进行第二次旋涂光刻胶；在聚酰亚胺牺牲层上再涂覆一层光刻胶；(7)进行第二次光刻；在第二次旋涂的光刻胶上采用掩膜版进行第二次曝光，刻蚀掉悬臂梁和膜桥图形之外的部分，形成光刻胶的悬臂梁和膜桥结构；(8)显影去除牺牲层，从而在显影液形成膜桥和悬臂梁结构；(9)进行离心分离，离心机的转速为1400rpm-1600rpm，去除基片表面的液体，使微结构得到释放。
2.根据权利要求1所述的离心分离牺牲层工艺，其特征在于所述的步骤(2)中烘干后聚酰亚胺牺牲层的厚度为2-3μm。
3.根据权利要求1所述的离心分离牺牲层工艺，其特征在于所述的第一次光刻的光刻胶层的厚度为5-7μm。
4.根据权利要求1所述的离心分离牺牲层工艺，其特征在于所述的第二次光刻的光刻胶层的厚度为3-5μm。
5.根据权利要求1所述的离心分离牺牲层工艺，其特征在于所述的步骤(1)中基片清洗为分别用HF溶液、去离子水和丙酮+乙醇溶液清洗单晶硅基片，然后将基片放入温度为160-180℃烘箱内烘干25-35min。
全文摘要
离心分离牺牲层工艺，包括以下步骤对基片进行清洗；牺牲层涂覆；进行第一次旋涂光刻胶；进行第一次光刻；采用丙酮去除光刻胶层；进行第二次旋涂光刻胶；进行第二次光刻；显影去除牺牲层，从而在显影液形成膜桥和悬臂梁结构；进行离心分离，离心机的转速为1400rpm－1600rpm，去除基片表面的液体，使微结构得到释放。本发明利用旋转时产生的离心力，来克服液体干化过程中对驱动结构产生向下的表面张力，通过控制离心机的转速，将离心力控制在既克服下拉的表面张力，同时又不破坏悬臂梁或膜桥等微结构。本发明可以制备出结构完好悬臂梁和膜桥等微机械结构，方法简单易行，设备要求不高，低成本，时间短，成品率高，具有很高的实用价值。
文档编号B81C1/00GK1817781SQ20051008689
公开日2006年8月16日 申请日期2005年11月17日 优先权日2005年11月17日
发明者赵泽宇, 侯得胜, 张万里, 蒋洪川, 谌贵辉 申请人:中国科学院光电技术研究所