專利名稱：用于mems領域的可圖形化聚合物薄膜的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種微機電系統(tǒng)技術領域的制備方法，具體是一種用于MEMS領域的可圖形化聚合物薄膜的制備方法。
背景技術：
微機械系統(tǒng)(MEMS)加工是制造微傳感器、微執(zhí)行器、微結構和系統(tǒng)的手段，MEMS中的平面工藝可以說是薄膜制備技術和光刻、刻蝕技術的組合。表面微機械加工通常包括在基片的頂部上淀積大量的不同薄膜，依次進行淀積、蝕刻和布圖工序，以得到期望的微型結構，這些薄膜通常作為掩膜層、結構層或者犧牲層。薄膜制備技術在MEMS加工工藝中占有重要地位，掩膜層、結構層或犧牲層都離不開薄膜結構。MEMS中使用的傳統(tǒng)薄膜制備主要為(l)機械旋涂法(Spin coating)，工作原理是高速旋轉基片，利用離心力使滴在基片上的膠液均勻的涂在基片上，常用于各種溶膠凝膠(Sol-Gel)實驗中的薄膜制作；(2)真空薄膜制備技術，主要包括Physical V即or D印osition (PVD，物理氣相沉積)和ChemicalVapor D印osition (CVD，化學氣相沉積)，即通過物理或化學反應在襯底上形成薄膜；(3)磁控濺射法；(4)熱氧化法。 在MEMS器件中，薄膜制備是器件加工的一道關鍵工藝。但是傳統(tǒng)的薄膜制備方法，或多或少地存在自身的缺點和局限性。首先，薄膜生長速度緩慢，而且淀積的厚度有限，很難得到理想厚度的薄膜，如化學氣相沉積和濺射法。其次，即使可以做到厚度較好的控制，但其與基底的結合力卻很差，如旋涂法制備出的負性SU-8光刻膠，其結合力一直是制約SU-8光刻膠應用的主要瓶頸之一。再次，很多薄膜通常都是在高溫下進行淀積或生長，因此薄膜中存在的殘余應力使得結構在最后釋放懸空的時候出現(xiàn)了變形翹曲，不能保持懸臂結構的平直，直接影響著器件特性，如真空薄膜制備技術及熱氧化法，而且這些設備價格昂貴，制備成本較高。最后，這些薄膜制備方法都不能直接實現(xiàn)器件結構的圖形化，需要額外的掩膜刻蝕技術實現(xiàn)圖形化，如反應離子刻蝕(RIE)，等離子體刻蝕，離子束刻蝕等等，這些掩膜刻蝕技術不僅需要選擇性較好的掩膜材料，而且刻蝕工藝復雜，設備昂貴，圖形側壁鉆蝕現(xiàn)象較為嚴重。 經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，申請?zhí)?00710039997. 1的中國發(fā)明專利申請，提出采用SU-8膠薄膜包裹鎳電阻條構成的三明治結構，以制得微驅動器的運用結構。這種方法只能大面積涂膜，然后反面濕法刻蝕，選擇性差，去除困難；且SU-8膠薄膜和基底結合力差，很容易脫落。 電泳沉積(electrophoresis-coating)是利用外加電場使懸浮于電泳液中的帶電微粒定向遷移并沉積于電極之一的基底表面的方法。電泳沉積法是近30年來發(fā)展起來的一種特殊涂膜成型方法，是對水性聚合物最具實際意義的施工工藝。采用直流電源，金屬工件浸于電泳液中，通電后，陽離子聚合物粒子向陰極工件移動，陰離子涂料粒子向陽極工件移動，繼而沉積在工件上，在工件表面形成均勻、連續(xù)的涂膜。當涂膜達到一定厚度(漆膜電阻大到一定程度)，工件表面形成絕緣層，"異極相吸"停止，電泳沉積過程結束。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種用于MEMS領域的可圖形化聚合
物薄膜的制備方法，直接制備出圖形化的聚合物薄膜材料， 一次成型，不需要額外的掩膜刻
蝕等圖形化處理，與MEMS技術兼容。同時，本方法制備的電泳聚合物，相比旋涂聚合物SU-8
光刻膠和CVD聚合物Parylene等聚合物材料，其與基底基底或金屬的結合力要比后兩者提
高很多，這樣可以制備各種各樣結合力較好的多元材料兼容的MEMS器件。且本發(fā)明制備的
聚合物薄膜材料操作方便，工藝簡單，成本低廉，適合批量集成制造。 本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟 步驟一、在干凈基底上或已圖形化結構上依次濺射粘結層和金屬種子層； 所述的基底采用玻璃片、硅片、氧化鋁或陶瓷制成。所述依次濺射粘結層和種子層
是指設置本底真空壓力為2X 10—乍a、工作壓力為8X 10—中a、濺射功率600W以及濺射時間
30 60min，依次濺射Cr作為粘結層、Cu作為金屬種子層。 所述的粘結層為Cr，其厚度為600 800 ; 所述的金屬種子層為Cu，其厚度為800 1000 ; 步驟二、通過甩光刻膠并光刻圖形化，然后通過顯影處理后留下了圖形化的金屬種子層； 所述的甩光刻膠是指以1000 3000rpm/min的轉速在金屬種子層上旋涂光刻膠； 所述的光刻膠是指正性光刻膠或負性光刻膠。 步驟三、將帶有金屬種子層的基底和惰性金屬浸入陰極電泳液中以金屬種子層為陰極，惰性金屬為陽極，進行電泳處理，制成柔性聚合物薄膜； 所述的陰極電泳液是指質量百分比濃度為10% 70%的陰極電泳漆，該陰極電泳漆包括環(huán)氧聚酯型、丙烯酸型和純聚酯型。 所述的電泳處理是指采用直流電源，施加50 100V電壓，通電15 60s后，電
泳液中的聚合物在電流作用下吸附到導電基底表面，形成柔性聚合物薄膜； 所述的柔性薄膜的厚度為5 50 ii m ; 步驟四、將帶有圖形化柔性薄膜的基底置于烘箱進行初步固化處理，然后通過濕法刻蝕法去除光刻膠掩膜層，最后將帶有柔性薄膜的基底再次置于烘箱中進行二次固化處理，得到固化的聚合物薄膜結構。 所述的初步固化處理是指將烘箱設置于120°C的環(huán)境下進行固化20 40min ;
所述的二次固化處理是指將烘箱設置于200°C的環(huán)境下進行固化20 40min。
本發(fā)明以微機電系統(tǒng)加工技術為基礎，采用室溫下圖形化導電種子層以及電泳技術來實現(xiàn)可圖形化聚合物薄膜的制作。與現(xiàn)有薄膜制備技術相比本發(fā)明具有以下優(yōu)點
(1)本方法可直接制備出圖形化的聚合物薄膜材料， 一次成型，不需要額外的掩膜刻蝕等圖形化處理，且厚度可控，與MEMS技術兼容。 (2)本方法制備的電泳聚合物與基底結合力好。測試表明，電泳聚合物與基底或金屬材料的結合力為2. 5MPa 3. 2MPa，而采用機械旋涂的聚合物如負性SU-8光刻膠的結合力為0. 3MPa 0. 5MPa，采用CVD技術成型的聚合物如Parylene薄膜的結合力為0. 67MPa 0. 8MPa?？梢钥闯?，電泳聚合物薄膜與基底或金屬的結合力相比旋涂聚合物SU-8光刻膠和CVD聚合物Parylene要大4 8倍。 (3)本發(fā)明制備的可圖形化聚合物薄膜材料操作方便，工藝簡單，成本低廉，適合 批量集成制造。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。
實施例1 :通用可圖形化聚合物薄膜制作方法
本實施例包括如下步驟 步驟一、將準備好的基底清洗干凈后，在基底上依次濺射粘結層和種子層； 所述的濺射的具體操作參數(shù)為本底真空2X 10—4Pa ;工作壓力8X 10—屮a，功率
600W，時間45min ; 所述的粘結層為Cr，其厚度為700 ;
所述的種子層為Cu，其厚度為900 ; 步驟二、通過甩光刻膠并用金屬結構掩膜版光刻圖形化，然后通過顯影處理后留 下了圖形化的種子層； 所述的甩光刻膠的具體操作參數(shù)為2000rpm/min ;
所述的光刻膠厚度為20 ii m。 步驟三、在種子層上進行電鍍處理，制成lOym高的金屬結構；
所述的電鍍處理的具體操作參數(shù)為電流密度10mA/cm2，時間30min ;
所述的金屬結構的厚度為10 ii m，由Cu制成； 步驟四、將帶有金屬結構的基底和惰性金屬浸入陰極電泳液中進行電泳處理，以 金屬結構為陰極，惰性金屬為陽極，制成柔性聚合物薄膜； 所述的陰極電泳液的組分及其含量為環(huán)氧聚酯型陰極電泳漆，質量濃度為 30% ; 所述的電泳處理是指采用直流電源，施加70V電壓，通電60s后，電泳液中的聚合 物在電流作用下吸附到導電金屬結構表面，形成圖形化的柔性聚合物薄膜；
所述的柔性聚合物薄膜的厚度為10 ii m ; 步驟五、將表面帶有柔性聚合物薄膜的金屬結構置于烘箱進行初步固化處理，然
后去除光刻膠掩膜層，得到柔性聚合物薄膜懸臂梁結構，最后將帶有柔性納米薄膜懸臂梁
的基底再次置于烘箱中進行二次固化處理，得到固化的聚合物懸臂梁結構。 所述的初步固化處理是指將烘箱設置于120°C的環(huán)境下進行固化20min ; 所述的二次固化處理是指將烘箱設置于200°C的環(huán)境下進行固化30min。 實施例2 :金屬/聚合物復合懸臂梁制作方法 本實施例包括如下步驟 步驟一、將準備好的基底清洗干凈后，在基底上依次濺射粘結層和種子層； 所述的濺射的具體操作參數(shù)為本底真空2X10—4Pa ;工作壓力8X10—屮a，功率
600W，時間30min ;
所述的粘結層為Cr，其厚度為600 ;
所述的種子層為Cu，其厚度為800 。 步驟二、通過甩光刻膠并用基座掩膜版光刻圖形化，然后通過顯影處理后留下了 圖形化的種子層； 所述的甩光刻膠的具體操作參數(shù)為1000rpm/min ;
所述的光刻膠厚度為30 ii m。 步驟三、在種子層上進行電鍍處理，制成金屬基座； 所述的電鍍處理的具體操作參數(shù)為電流密度10mA/cm2，時間60min ; 所述的金屬基座的厚度為30 ii m，由Ni制成。 步驟四、在基座上再依次濺射粘結層和種子層； 所述的濺射的具體操作參數(shù)為本底真空2X10—4Pa ;工作壓力8X10—屮a，功率 600W，時間30min ; 所述的粘結層為Cr，其厚度為600 ;
所述的種子層為Cu，其厚度為800 。 步驟五、通過甩光刻膠并用金屬梁掩膜版光刻圖形化，然后通過顯影處理后留下 了圖形化的種子層； 所述的甩光刻膠的具體操作參數(shù)為3000rpm/min ;
所述的光刻膠厚度為10 ii m。 步驟五、在第二層種子層上進行電鍍處理，制成金屬懸臂梁； 所述的電鍍處理的具體操作參數(shù)為電流密度10mA/cm2，時間25min ;; 所述的金屬基座的厚度為5 ii m，由Ni制成； 步驟六、將帶有金屬梁的基底和惰性金屬浸入陰極電泳液中進行電泳處理，以金 屬懸臂梁為陰極，惰性金屬為陽極，制成柔性懸臂梁聚合物薄膜； 所述的陰極電泳液的組分及其含量為丙烯酸型陰極電泳漆，質量濃度為10% ;
所述的電泳處理是指采用直流電源，施加50V電壓，通電30s后，電泳液中的聚合 物在電流作用下吸附到金屬懸臂梁表面，形成柔性聚合物懸臂梁結構；
所述的柔性聚合物薄膜的厚度為5 ii m ; 步驟七、將帶有柔性聚合物懸臂梁薄膜的復合懸臂梁結構置于烘箱進行初步固化 處理，然后去除光刻膠掩膜層，得到金屬和柔性聚合物薄膜的復合懸臂梁結構，最后將帶有 柔性聚合物懸臂梁薄膜的基底再次置于烘箱中進行二次固化處理，得到固化后的金屬/聚 合物復合懸臂梁薄膜結構。 所述的初步固化處理是指將烘箱設置于12(TC的環(huán)境下進行固化40min ;
所述的二次固化處理是指將烘箱設置于200°C的環(huán)境下進行固化20min。
權利要求
一種用于MEMS領域的可圖形化聚合物薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一、在干凈基底或任何已圖形化結構上依次濺射粘結層和金屬種子層；步驟二、通過甩光刻膠并光刻圖形化，然后通過顯影處理后留下了圖形化的金屬種子層；步驟三、將帶有金屬種子層的基底和惰性金屬浸入陰極電泳液中進行電泳處理，以金屬種子層為陰極，惰性金屬為陽極，制成柔性聚合物薄膜；步驟四、將帶有柔性聚合物薄膜的基底置于烘箱進行初步固化處理，然后去除光刻膠掩膜層，最后將帶有柔性聚合物薄膜的基底再次置于烘箱中進行二次固化處理，得到固化的聚合物薄膜結構。
2. 根據(jù)權利要求1所述的用于MEMS領域的可圖形化聚合物薄膜的制備方法，其特 征是，所述依次濺射粘結層和種子層是指設置本底真空壓力為2X10—乍a、工作壓力為 8X 10—屮a、濺射功率600W以及濺射時間30 60min，依次濺射Cr作為粘結層、Cu作為金屬 種子層。
3. 根據(jù)權利要求1所述的用于MEMS領域的可圖形化聚合物薄膜的制備方法，其特征 是，所述的陰極電泳液是指質量百分比濃度為10% 70%的陰極電泳漆。
4. 根據(jù)權利要求4所述的用于MEMS領域的可圖形化聚合物薄膜的制備方法，其特征 是，所述的陰極電泳漆包括環(huán)氧聚酯型、丙烯酸型和純聚酯型。
5. 根據(jù)權利要求1所述的用于MEMS領域的可圖形化聚合物薄膜的制備方法，其特征 是，所述的電泳處理是指采用直流電源，施加50 100V電壓，通電15 60s后，電泳液中 的聚合物在電流作用下吸附到導電基底表面形成柔性聚合物薄膜。
6. 根據(jù)權利要求1所述的用于MEMS領域的可圖形化聚合物薄膜的制備方法，其特征 是，所述的初步固化處理是指將烘箱設置于12(TC的環(huán)境下進行固化20 40min。
7. 根據(jù)權利要求1所述的用于MEMS領域的可圖形化聚合物薄膜的制備方法，其特征 是，所述的二次固化處理是指將烘箱設置于20(TC的環(huán)境下進行固化20 40min。
全文摘要
一種用于MEMS領域的可圖形化聚合物薄膜的制備方法，包括在基底和任何已圖形化結構上依次濺射粘結層和金屬種子層；通過甩光刻膠并光刻圖形化，顯影處理后留下了圖形化的金屬種子層；然后以金屬種子層為陰極，惰性金屬為陽極進行電泳處理，制成柔性聚合物薄膜；初步固化處理后去除光刻膠掩膜層，最后將帶有柔性聚合物薄膜的基底再次置于烘箱中進行二次固化處理，得到固化的聚合物薄膜結構。本發(fā)明制備的可圖形化聚合物薄膜材料一次圖形化成型，工藝簡單，操作方便，且與襯底或金屬的結合力較好，成本低廉，適合批量集成制造。
文檔編號C23C14/14GK101693515SQ20091030915
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權日2009年10月30日
發(fā)明者丁桂甫, 吳義伯, 吳日新, 毛勝平, 汪紅, 程吉鳳 申請人:上海交通大學;