一种硅与金属复合材料的微结构加工方法

日期:2019-03-02 15:11:21

专利名称:一种硅与金属复合材料的微结构加工方法
技术领域
本发明涉及一种微细加工领域;特别是涉及一种硅与金属复合材料的微结构制作方法。
背景技术
微纳米加工归根结底是要在各种功能材料上制作微纳米结构。所谓功能材料是能够制作各种微纳米器件的材料,例如硅和二氧化硅是微机械和微流体系统使用最广泛的材料,也是半导体工业的基础材料。I960年,R. Feymarm在加州理工大学的一次演讲中定义了微机械的概念。1962年,第一个硅压力传感器问世,其后又开发出50 500 um的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及连接件等微结构。1982年,K.E.Peterson发表一篇题为“Silicon as a Mechanical Material"的综述性文章,对硅微机械加工技术的发展起到了奠基的作用。但是受技术和社会需求的影响,硅微机械加工在上世纪80年代以前一直没有得到长足的发展。感应耦合等离子体(ICP)进行深度反应刻蚀(De印Reactive Ion Etching, DRIE)是近年来出现一种新型干法刻蚀技术,能够将光刻胶图形高精度的转移到硅衬底上,具有刻蚀速率高和各向异性刻蚀等优点,它的出现对制作硅微结构尤其是具备大高宽比结构,提供了批量化生产制作的可能。因此在诸多领域,单晶硅材料作为一种新型的功能材料被广泛的运用在微机械领域,例如机械表芯部件,尤其在擒纵机构中的硅擒纵叉,硅擒纵轮片, 硅夹板等。硅材料的引入带来许多创新性的设计。因为相比传统的金属或者合金材料,硅材料具有质量轻,惯量小,硬度高,耐磨损及非常低的摩擦系数和热膨胀系数等优点。然而,硅材料相比金属材料也有一定的缺陷,比如脆性太大、韧性不足、易于断裂等。因此在机械配合的关键部位,如要求过盈配合处,往往发生硅结构部件爆裂,脆断等情形。目前解决上述问题的主要办法,是在硅材料上孔轴配合的关键部位设计一些弹性结构,如美国专利公开号7575369 B2和欧洲专利公开号1655642,是将孔轴接触的切线方向上分角度的设计一些直纹条状的槽,缓冲装配时金属轴对脆性硅材料孔产生的力冲击, 避免造成硅结构的破坏。该办法能够一定程度的解决金属零件与硅零件的装配问题,降低装配造成的废品率,但改善有限,硅弹性结构仍无法能够提供装配所需的材料有效的塑性变形能力。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是,提供一种在硅零件的装配部位制作金属结构,能够提供装配所需的弹塑性变形能力,从根本上解决部件的装配和使用问题。由于微机械的硅零件本身尺寸较小,嵌入式的制作金属结构,难度较大,同时仍存在嵌入装配的问题。本发明将提出一种硅材料与金属结构一次成型的制作方法,克服以上问题,最大程度的发挥微机械硅零件的使用效能。本发明所采用的技术方案是一种硅与金属复合材料的微结构加工方法,包括,步骤一硅片(Si)与硅衬底上的金属电铸种子层(Ti/Au/Ti)的共熔键合;步骤二 AZ正胶电铸金属图案的光刻;步骤三第一层硅结构的深度刻蚀;步骤四电铸金属内装结构;步骤五AZ正胶硅结构图案的光刻;步骤六第二层硅结构的深度刻蚀;步骤七去除光刻胶和分离基底,释放出硅与金属复合材料的微结构。所述步骤一包括金属电铸种子层是在硅衬底上溅射Ti/Au/Ti金属种子层,所述硅片与金属电铸种子层在真空氮气烘箱内实现共熔键合;所述步骤二包括涂敷^4620卩光刻胶,紫外光刻获得第一层结构的掩模图案;所述步骤三以步骤二所得图案为掩模,选用 DRIE深度刻蚀第一层硅结构;所述步骤四以步骤三所得结构为模板电铸金属内装结构;所述步骤五包括涂敷AZ4620P光刻胶,对准紫外光刻获得第二层结构的掩模图案;所述步骤六以步骤五所得图案为掩模,选用DRIE深度刻蚀第二层硅结构;所述步骤七包括去除剩余的光刻胶和分离带有金属电铸种子层的硅衬底。本发明的有益效果是由于将功能型硅片键合在具有金属种子层(Ti/Au/Ti)的硅衬底上,在运用反应离子耦合(ICP)的干法硅深度刻蚀技术刻蚀,电铸金属结构,刻蚀其他的硅结构;该方法获得的微结构尺寸精度高,电铸金属结构完美,因为深度刻蚀的硅侧壁本身具有扇贝型条纹,电铸的金属结构与硅结构互相咬合,不易分离脱落;另外,由于采用深度刻蚀和电铸工艺,重复性好。


图1是实施例新型硅与金属复合微结构的加工方法流程图。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明作进一步详细说明
本发明硅与金属复合材料的微结构加工方法,包括,步骤一在硅衬底上溅射Ti/Au/ Ti金属种子层,硅片与金属种子层在真空氮气烘箱内实现共熔键合;步骤二 在硅片上涂敷AZ4620P光刻胶,通过掩模板曝光光刻胶,显影至图案转移获得第一层结构的掩模图案; 步骤三以步骤二所得图案为掩模,选用DRIE对第一层硅结构深度刻蚀;步骤四电铸金属内装结构;步骤五在硅片上涂敷AZ4620P光刻胶,通过Cr掩模板经UV曝光光刻胶,显影至图案转移获得第二层结构的掩模图案;步骤六以步骤五所得图案为掩模,选用DRIE对第二层硅结构深度刻蚀;步骤七去除剩余的光刻胶和分离带有金属电铸种子层的基底。该七项步骤的具体工艺细节为
(1)硅片与金属电铸种子层(Ti/Au/Ti)的共熔键合首先选用适 当厚度(根据结构定制厚度100-500um),要求的晶向(如<100>,<111>)和大小(3-4英寸)的单晶硅片和溅射有金属种子层(Ti/Au/Ti,20/200/20 nm)硅片衬底(厚度500um,<lll>晶向,大小4-6英寸), 然后在氮气(N2)保护下,键合温度为420-450度,压力大于IO4 Pa,键合时间大于30分钟, 实现Au/Si的共熔键合。(2)光刻定义电铸金属结构的图案dfAz4620P型光刻胶倒在单晶硅片上,以 3000RPM转速,25秒时间涂敷,获得光刻胶厚度为7um ;然后用第一块掩模进行紫外光刻,如 Karl Suss MA4系列光刻机,紫外光波长400nm。(3)以光刻定义电铸金属结构的图案获得Az正胶图案为掩模进行第一层硅结构的深度刻蚀将带有第一层光刻胶掩模结构的单晶硅片放入Oxford PlasmaLablOO进行刻蚀,工艺参数如下
表1 :DRIE刻蚀需要电铸金属结构的工艺参数,该工艺可获得比较粗糙的侧壁结构,利于电铸后的金属相互咬合。
权利要求
1.一种硅与金属复合材料的微结构加工方法,其特征在于,包括,步骤一硅片(Si)与硅衬底上的金属电铸种子层(Ti/Au/Ti)的共熔键合;步骤二 AZ正胶电铸金属图案的光刻;步骤三第一层硅结构的深度刻蚀;步骤四电铸金属内装结构;步骤五AZ正胶硅结构图案的光刻;步骤六第二层硅结构的深度刻蚀;步骤七去除光刻胶和分离基底,释放出硅与金属复合材料的微结构。
2.根据权利要求1所述的硅与金属复合材料的微结构加工方法,其特征在于,所述步骤一包括金属电铸种子层是在硅衬底上溅射Ti/Au/Ti金属种子层,所述硅片与金属电铸种子层在真空氮气烘箱内实现共熔键合;所述步骤二包括涂敷AZ4620P光刻胶,紫外光刻获得第一层结构的掩模图案;所述步骤三以步骤二所得图案为掩模,选用DRIE深度刻蚀第一层硅结构;所述步骤四以步骤三所得结构为模板电铸金属内装结构;所述步骤五包括涂敷 AZ4620P光刻胶,对准紫外光刻获得第二层结构的掩模图案;所述步骤六以步骤五所得图案为掩模,选用DRIE深度刻蚀第二层硅结构;所述步骤七包括去除剩余的光刻胶和分离带有金属电铸种子层的硅衬底。
全文摘要
本发明公开一种硅与金属复合材料的微结构加工方法,包括一.硅片与硅衬底上的金属电铸种子层的共熔键合;二.AZ正胶电铸金属图案的光刻;三.第一层硅结构的深度刻蚀;四.电铸金属内装结构;五AZ正胶硅结构图案的光刻;六.第二层硅结构的深度刻蚀;七.去除光刻胶和分离基底,释放出硅与金属复合材料的微结构。有益效果是由于将功能型硅片键合在具有金属种子层的硅衬底上,在运用反应离子耦合的干法硅深度刻蚀技术刻蚀,电铸金属结构,刻蚀其他的硅结构;该方法获得的微结构尺寸精度高,电铸金属结构完美,因为深度刻蚀的硅侧壁本身具有扇贝型条纹,电铸的金属结构与硅结构互相咬合,不易分离脱落;另外,由于采用深度刻蚀和电铸工艺,重复性好。
文档编号B81C1/00GK102167282SQ20111008618
公开日2011年8月31日 申请日期2011年4月7日 优先权日2011年4月7日
发明者江争, 王英男, 郭育华, 马广礼 申请人:天津海鸥表业集团有限公司, 精艺工程研发所有限公司


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