一种mems电热致动器及其制造工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于MEMS技术领域，具体涉及一种MEMS电热致动器及其制造工艺。
【背景技术】
[0002] MEMS (Micro electro mechanical Systems--微机电系统）是将微电子技术与 机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。现有的MEMS电热致动 器的材料通常为Cu-Si02、Al-Si02S Au-SiO 2几种。现有的MEMS电热致动器的制造工艺， 国外采用专用的MEMS生产线。而在国内主要是在集成电路的工艺生产线上进行MEMS电热 致动器的加工，由于加工MEMS电热致动器的同时加工集成电路，因此，多数集成电路的工 艺生产线不兼容加工铜和金。MEMS电热致动器中的加热层材料通常采用多晶硅，由于国外 工艺成熟，加热层多晶硅（如氮化硅）的电阻值可以达到几~几十欧姆，而国内的工艺只能 达到几百欧姆，这样在产生同样的热和变形时就需要较大的电压，功耗大，反应慢，影响实 际应用。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种MEMS电热致动器及其制造工艺，解决了 MEMS电热致动 器独立加工的技术问题，实现了 MEMS电热致动器工作电压小，且在通电状态下的工作变形 大、功耗小和反应快。
[0004] 本发明的技术方案是，一种MEMS电热致动器为悬臂梁，所述悬臂梁由焊盘和梁构 成，梁有固定端和悬臂端，焊盘位于梁固定端的两侧。
[0005] 梁为层次结构，梁包括上层、中层、下层、粘合层和绝缘层，上层材料和下层材料的 热膨胀系数不同，中层为加热层，粘合层位于中层与下层之间，在梁的纵截面内中层和粘合 层的形状均为"U"形，绝缘层位于中层与下层之间，且绝缘层将中层的上表面覆盖，在绝缘 层上嵌入有两个电极，两个电极分别与加热层的"U"形上部两端侧面接触，且两个电极与上 层为一体，梁固定端的下层底部为基底层。
[0006] 所述上层的材料为铝，中层的材料为铂，下层的材料为二氧化硅，粘合层的材料为 钛，绝缘层的材料为铝，焊盘和基底的材料均为硅。
[0007] -种MEMS电热致动器的制造工艺的具体步骤如下：
[0008] 第一步：制备梁的下层，即采用干法氧化法制备二氧化硅层，
[0009] (1)硅片的干法氧化，采用一片晶向为100的P型硅片，且P型硅片厚度为505~ 545 μ m，对该P型硅片进行清洗，去掉其表面污染杂质和自然氧化层；将清洗后的P型硅片 放置在温度为1050 °C的卧式加热炉管中，对硅片的一面进行厚度为15〇〇〇i\的氧化，即在P 型硅片上形成梁的下层。
[0010] 第二步：采用光刻剥离技术制备梁（2)的中层（5)和粘合层（4)，
[0011] (1)将带有二氧化硅层的硅片放置在180°烘箱中烘干90min，然后用六甲基二硅 胺烷做成膜处理，此过程持续lOmin ;然后在二氧化硅层表面上涂厚度为1. 5um的AZ5214 光刻胶，光刻胶采用正胶，将掩膜板I覆盖在光刻胶表面上，掩膜板I的透光区为"U"形，将 涂有光刻胶的硅片进行曝光，然后将其放入烘箱中，在温度为110°c下进行烘烤2min ;之后 再广泛曝光15s ;将曝光后的硅片放入显影液中，显影时间为3~5min ;显影后将显影区残 留的光刻胶去除；
[0012] (2)使用电子束蒸发系统，在光刻后的P型硅片的二氧化硅层上蒸发厚度为100Λ 的钛，然后在钛层上再蒸发厚度为2000Λ的铂，之后先将其放入丙酮中浸泡12小时以上， 再先后在丙酮、乙醇和去离子水中分别浸泡半小时，去掉光刻胶；
[0013] 第三步：制备梁的绝缘层，并刻蚀出制动器悬臂梁形状，
[0014] (1)使用低温氧化物工艺模块，在300°C的温度条件下，将经过上述工艺的硅片上 淀积40ΟΘ A的二氧化硅，形成绝缘层；
[0015] (2)将经上述加工步骤后的硅片放置在180°C烘箱中，烘干90min，然后用六甲基 二硅胺烷做成膜处理，此过程持续lOmin ;硅片随工作台旋转，将9912光刻胶旋转涂抹于绝 缘层上，光刻胶厚度为1. 5um ;覆盖掩膜板II后进行曝光，掩膜板II的不透光区形状为长方 形，与梁的形状一致；再进行显影液显影；再将显影区残留的光刻胶去除；然后在120°C条 件下烘干40min，再进行干法刻蚀，将没有光刻胶保护的二氧化硅刻蚀直至硅基底上，形成 梁的长方形；进行干法去胶，再分别浸泡丙酮、乙醇、等离子水去胶，使去胶完全；
[0016] (3)使用掩膜板III，采用干法刻蚀方法，在梁的固定端的绝缘层上刻蚀2个通孔， 这2个孔通直至铂层的"U"形上部两端侧面；掩膜板III透光区为两个方孔，该两个方孔对应 2个通孔位置；
[0017] 具体步骤为：将经上述加工步骤后的硅片放置在180°C烘箱中烘干90min，然后用 六甲基二硅胺烷做成膜处理，成膜处理过程的时间为lOmin，使用9920光刻胶在95°C旋转 涂抹于绝缘层上；利用掩膜板III进行曝光；在110°C条件下烘烤lmin ;利用显影液显影；将 显影区残留的光刻胶去除；在120°C条件下烘干40min ;进行干法刻蚀，将没有光刻胶保护 的二氧化硅刻蚀通孔，形成2个通孔；进行干法去胶lOmin，再分别浸泡丙酮、乙醇、等离子 水去胶，使去胶完全；使用100:1的氢氟酸溶液清洗。
[0018] 第四步：制备梁的上层和焊盘，
[0019] 在硅片的绝缘层上面溅射厚度为13D00爲的铝，形成上层（7);将经上述加工步骤 后的硅片放置在95°C烘箱中，烘干90s ;将S9920光刻胶涂抹在铝层上，厚度为1. 8um ;利用 掩膜板IV进行曝光；在110°条件下烘烤lmin ;利用显影液显影35s ;将显影区残留的光刻 胶去除；再在120°条件下烘干40min ;利用腐蚀液将无光刻胶保护的铝湿法腐蚀掉；使用 丙酮浸泡5min、乙醇浸泡5min，并用水冲洗去胶；
[0020] 第五步：制备致动器梁的固定端和悬臂端，采用释放工艺清掉梁悬臂端下层底部 的基底，保留梁的固定端下层底部的基底；
[0021] 步骤如下：对不需要释放的位置涂光刻胶保护，然后利用掩膜板曝光，使用乂必2释 放挖除厚度为100 μ m的硅；释放后，干法去胶，从而形成梁的悬臂端，完成电热致动器的制 备。
[0022] 本发明的有益效果是，本发明通过对电热致动器材料选择，结构制造工艺的设计， 可以通过施加外界电压使电热致动器快速响应产生一定的翘曲变形，达到致动目的，此结 构整体厚度小于200um表面尺寸小于1 X 1mm2。同时通过MEMS工艺加工制作的电热致动 器可以在同一硅基底上集成，以达到系统集成的目的，其通过焊点由电路板供电，此种致动 器的主要优点可以归结为：1)电热致动器功耗很小，电热致动器响应快；2)实现片外位移， 变形较大，致动力较大；3)结构简单，可多次重复使用；4)可以用于光路信号遮断等其他场 合，避免信号电压干扰，能够在外界环境温度很低的状态下工作。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明一种MEMS电热致动器的结构示意图；
[0024] 图2为图1的A-A向剖视图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。
[0026] 如图1所示，本发明的一种MEMS电热致动器为悬臂梁结构，该悬臂梁由焊盘1和 梁2构成，梁2