一種mems電熱致動器及其制造工藝的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于MEMS技術領域，具體涉及一種MEMS電熱致動器及其制造工藝。
【背景技術】
[0002] MEMS (Micro electro mechanical Systems--微機電系統(tǒng)）是將微電子技術與 機械工程融合到一起的一種工業(yè)技術，它的操作范圍在微米范圍內(nèi)?，F(xiàn)有的MEMS電熱致動 器的材料通常為Cu-Si02、Al-Si02S Au-SiO 2幾種。現(xiàn)有的MEMS電熱致動器的制造工藝， 國外采用專用的MEMS生產(chǎn)線。而在國內(nèi)主要是在集成電路的工藝生產(chǎn)線上進行MEMS電熱 致動器的加工，由于加工MEMS電熱致動器的同時加工集成電路，因此，多數(shù)集成電路的工 藝生產(chǎn)線不兼容加工銅和金。MEMS電熱致動器中的加熱層材料通常采用多晶硅，由于國外 工藝成熟，加熱層多晶硅（如氮化硅）的電阻值可以達到幾~幾十歐姆，而國內(nèi)的工藝只能 達到幾百歐姆，這樣在產(chǎn)生同樣的熱和變形時就需要較大的電壓，功耗大，反應慢，影響實 際應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種MEMS電熱致動器及其制造工藝，解決了 MEMS電熱致動 器獨立加工的技術問題，實現(xiàn)了 MEMS電熱致動器工作電壓小，且在通電狀態(tài)下的工作變形 大、功耗小和反應快。
[0004] 本發(fā)明的技術方案是，一種MEMS電熱致動器為懸臂梁，所述懸臂梁由焊盤和梁構(gòu) 成，梁有固定端和懸臂端，焊盤位于梁固定端的兩側(cè)。
[0005] 梁為層次結(jié)構(gòu)，梁包括上層、中層、下層、粘合層和絕緣層，上層材料和下層材料的 熱膨脹系數(shù)不同，中層為加熱層，粘合層位于中層與下層之間，在梁的縱截面內(nèi)中層和粘合 層的形狀均為"U"形，絕緣層位于中層與下層之間，且絕緣層將中層的上表面覆蓋，在絕緣 層上嵌入有兩個電極，兩個電極分別與加熱層的"U"形上部兩端側(cè)面接觸，且兩個電極與上 層為一體，梁固定端的下層底部為基底層。
[0006] 所述上層的材料為鋁，中層的材料為鉑，下層的材料為二氧化硅，粘合層的材料為 鈦，絕緣層的材料為鋁，焊盤和基底的材料均為硅。
[0007] -種MEMS電熱致動器的制造工藝的具體步驟如下：
[0008] 第一步：制備梁的下層，即采用干法氧化法制備二氧化硅層，
[0009] (1)硅片的干法氧化，采用一片晶向為100的P型硅片，且P型硅片厚度為505~ 545 μ m，對該P型硅片進行清洗，去掉其表面污染雜質(zhì)和自然氧化層；將清洗后的P型硅片 放置在溫度為1050 °C的臥式加熱爐管中，對硅片的一面進行厚度為15〇〇〇i\的氧化，即在P 型硅片上形成梁的下層。
[0010] 第二步：采用光刻剝離技術制備梁（2)的中層（5)和粘合層（4)，
[0011] (1)將帶有二氧化硅層的硅片放置在180°烘箱中烘干90min，然后用六甲基二硅 胺烷做成膜處理，此過程持續(xù)lOmin ;然后在二氧化硅層表面上涂厚度為1. 5um的AZ5214 光刻膠，光刻膠采用正膠，將掩膜板I覆蓋在光刻膠表面上，掩膜板I的透光區(qū)為"U"形，將 涂有光刻膠的硅片進行曝光，然后將其放入烘箱中，在溫度為110°c下進行烘烤2min ;之后 再廣泛曝光15s ;將曝光后的硅片放入顯影液中，顯影時間為3~5min ;顯影后將顯影區(qū)殘 留的光刻膠去除；
[0012] (2)使用電子束蒸發(fā)系統(tǒng)，在光刻后的P型硅片的二氧化硅層上蒸發(fā)厚度為100Λ 的鈦，然后在鈦層上再蒸發(fā)厚度為2000Λ的鉑，之后先將其放入丙酮中浸泡12小時以上， 再先后在丙酮、乙醇和去離子水中分別浸泡半小時，去掉光刻膠；
[0013] 第三步：制備梁的絕緣層，并刻蝕出制動器懸臂梁形狀，
[0014] (1)使用低溫氧化物工藝模塊，在300°C的溫度條件下，將經(jīng)過上述工藝的硅片上 淀積40ΟΘ A的二氧化硅，形成絕緣層；
[0015] (2)將經(jīng)上述加工步驟后的硅片放置在180°C烘箱中，烘干90min，然后用六甲基 二硅胺烷做成膜處理，此過程持續(xù)lOmin ;硅片隨工作臺旋轉(zhuǎn)，將9912光刻膠旋轉(zhuǎn)涂抹于絕 緣層上，光刻膠厚度為1. 5um ;覆蓋掩膜板II后進行曝光，掩膜板II的不透光區(qū)形狀為長方 形，與梁的形狀一致；再進行顯影液顯影；再將顯影區(qū)殘留的光刻膠去除；然后在120°C條 件下烘干40min，再進行干法刻蝕，將沒有光刻膠保護的二氧化硅刻蝕直至硅基底上，形成 梁的長方形；進行干法去膠，再分別浸泡丙酮、乙醇、等離子水去膠，使去膠完全；
[0016] (3)使用掩膜板III，采用干法刻蝕方法，在梁的固定端的絕緣層上刻蝕2個通孔， 這2個孔通直至鉑層的"U"形上部兩端側(cè)面；掩膜板III透光區(qū)為兩個方孔，該兩個方孔對應 2個通孔位置；
[0017] 具體步驟為：將經(jīng)上述加工步驟后的硅片放置在180°C烘箱中烘干90min，然后用 六甲基二硅胺烷做成膜處理，成膜處理過程的時間為lOmin，使用9920光刻膠在95°C旋轉(zhuǎn) 涂抹于絕緣層上；利用掩膜板III進行曝光；在110°C條件下烘烤lmin ;利用顯影液顯影；將 顯影區(qū)殘留的光刻膠去除；在120°C條件下烘干40min ;進行干法刻蝕，將沒有光刻膠保護 的二氧化硅刻蝕通孔，形成2個通孔；進行干法去膠lOmin，再分別浸泡丙酮、乙醇、等離子 水去膠，使去膠完全；使用100:1的氫氟酸溶液清洗。
[0018] 第四步：制備梁的上層和焊盤，
[0019] 在硅片的絕緣層上面濺射厚度為13D00爲的鋁，形成上層（7);將經(jīng)上述加工步驟 后的硅片放置在95°C烘箱中，烘干90s ;將S9920光刻膠涂抹在鋁層上，厚度為1. 8um ;利用 掩膜板IV進行曝光；在110°條件下烘烤lmin ;利用顯影液顯影35s ;將顯影區(qū)殘留的光刻 膠去除；再在120°條件下烘干40min ;利用腐蝕液將無光刻膠保護的鋁濕法腐蝕掉；使用 丙酮浸泡5min、乙醇浸泡5min，并用水沖洗去膠；
[0020] 第五步：制備致動器梁的固定端和懸臂端，采用釋放工藝清掉梁懸臂端下層底部 的基底，保留梁的固定端下層底部的基底；
[0021] 步驟如下：對不需要釋放的位置涂光刻膠保護，然后利用掩膜板曝光，使用乂必2釋 放挖除厚度為100 μ m的硅；釋放后，干法去膠，從而形成梁的懸臂端，完成電熱致動器的制 備。
[0022] 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明通過對電熱致動器材料選擇，結(jié)構(gòu)制造工藝的設計， 可以通過施加外界電壓使電熱致動器快速響應產(chǎn)生一定的翹曲變形，達到致動目的，此結(jié) 構(gòu)整體厚度小于200um表面尺寸小于1 X 1mm2。同時通過MEMS工藝加工制作的電熱致動 器可以在同一硅基底上集成，以達到系統(tǒng)集成的目的，其通過焊點由電路板供電，此種致動 器的主要優(yōu)點可以歸結(jié)為：1)電熱致動器功耗很小，電熱致動器響應快；2)實現(xiàn)片外位移， 變形較大，致動力較大；3)結(jié)構(gòu)簡單，可多次重復使用；4)可以用于光路信號遮斷等其他場 合，避免信號電壓干擾，能夠在外界環(huán)境溫度很低的狀態(tài)下工作。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明一種MEMS電熱致動器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2為圖1的A-A向剖視圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細的描述。
[0026] 如圖1所示，本發(fā)明的一種MEMS電熱致動器為懸臂梁結(jié)構(gòu)，該懸臂梁由焊盤1和 梁2構(gòu)成，梁2