專利名稱：鎳鈦合金薄膜多元化學刻蝕劑的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種化學刻蝕劑，尤其是一種對光刻膠穩(wěn)定的鎳鈦合金薄膜多元化學刻蝕劑，主要用于鎳鈦系形狀記憶合金薄膜的圖形化化學刻蝕，屬化學技術領域。
現(xiàn)有技術中，形狀記憶合金薄膜(特別是鎳鈦系列)被認為是毫米到微米尺度上微驅動器驅動機構的最好選擇之一。與常見的電磁，靜電，壓電，熱膨脹及固溶體相變等原理驅動的微執(zhí)行器相比，單位體積形狀記憶合金薄膜的驅動能量高且位移大，除此之外，還具有回復應力大、工作電壓低、結構簡單、壽命長，對人體無毒害等優(yōu)點。由于可以在硅基體上制作鎳鈦合金形狀記憶薄膜微驅動器件，因此易于與控制回路集成為一體，進行批量低成本生產(chǎn)。所以，作為微驅動器的驅動機構，形狀記憶合金薄膜具有極其誘人的前景，然而，鎳鈦系合金薄膜的圖形化比較困難，Nakamura認為這是阻礙其廣泛應用的主要技術障礙之一(Proc.of the conf.On energing technologies and factoryautomation.1996262-266)。
濕法化學刻蝕是最為常見的薄膜材料圖形化技術手段之一，Krulevitch等曾用含有氫氟酸和硝酸的稀溶液作鎳鈦合金薄膜的化學刻蝕劑(J.ofMicroelectromechanical systems，1996，Vol 5，No.4270-281)，該方法所用的光刻膠掩模需作高溫后烘固化，以提高掩模穩(wěn)定性，但在上述刻蝕劑中仍然不夠穩(wěn)定，掩模光刻膠被刻蝕劑浸蝕現(xiàn)象明顯，加上對鎳鈦合金薄膜的刻蝕速率不夠快，容易造成掩模光刻膠過早損壞，圖形化效果不夠理想。在化學刻蝕難以得到滿意結果的情況下，又用起了早期遮擋式掩模技術，然而這實在是無奈的選擇，不但掩模制作困難，而且難以得到細微精致的圖形，還有可能在濺射沉積較厚薄膜時造成掩模上下金屬膜的粘連而導脫模失敗。
使用干法刻蝕技術直接刻蝕鎳鈦合金薄膜以解決圖形化問題也比較困難，因為若用一般的離子銑技術(Ion milling)，要完成幾個微米(一般大于5微米)厚Ni-Ti合金膜的刻蝕需要很長時間，掩模材料也較難選擇；若用反應離子刻蝕，很難找到對Ni和Ti兩種元素同時有效的反應氣體。但是，Nakamura等(Proc.of the conf.On energing technologies and factoryautomation.1996262-266)以金屬鉻薄膜作過渡掩模材料，用反應離子刻蝕聚酰亞胺薄膜制作形狀記憶合金薄膜的掩模，然后在掩模圖形的空白處沉積鎳鈦合金薄膜，最后再用KOH溶液去掉圖形中尚存的聚酰亞胺以達到剝離(Lift-Off)的效果。雖燃該方法利用刻蝕聚酰亞胺避免了直接刻蝕鎳鈦合金薄膜的難題，但圖形復制的精度降低了，工藝步驟也要復雜得多，成本很高；還有一種可能，作為記憶合金掩模的聚酰亞胺在Ni-Ti合金濺射沉積過程中可能污染記憶合金薄膜，影響其形狀記憶特性，所以，這也不是一種好的選擇。
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術存在的不足，尋找一種性能優(yōu)越的化學刻蝕劑，用濕法化學刻蝕作為Ni-Ti系形狀記憶合金薄膜圖形化的更好選擇，以實現(xiàn)簡單、低成本、高精度圖形化微加工。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明以含特定氧化劑的氫氟酸溶液為基礎，配以經(jīng)大量篩選產(chǎn)生的掩模穩(wěn)定劑，刻蝕增速劑等數(shù)種功能性添加劑，組成一種全新的多元鎳鈦合金化學刻蝕劑，用于鎳鈦系形狀記憶合金薄膜的圖形化化學刻蝕。
本發(fā)明的刻蝕劑由氫氟酸，硝酸與適量的掩模穩(wěn)定劑和刻蝕增速劑構成。
氫氟酸是刻蝕劑的主要成份之一，其含量在1％-25％(V)之間；硝酸是刻蝕劑中主要的氧化性成份，含量可以在0.5％-15％(V)之間；掩模穩(wěn)定劑可顯著提高掩模光刻膠的穩(wěn)定性，其主要成份是鹽酸，含量可在2％-20％(V)之間；刻蝕速率促進劑可以顯著提高鎳鈦合金的刻蝕速率，其主要成份是碘酸鉀，次氯酸鈉，過氧醋酸或雙氧水中的一種或多種混合物，含量在1％-10％(Wt％)之間，其中，碘酸鉀含量在1％-5％(Wt)之間，次氯酸鈉含量在1％-4％(Wt)之間，過氧醋酸含量在1％-10％(Wt)之間，雙氧水含量在1％-8％(Wt)之間。
由上述各組份按適當順序混合所構成的刻蝕劑可以在室溫下方便地使用，能夠正常工作的溫度范圍是5-35℃，上述刻蝕劑可以在多種常規(guī)攪拌條件下正常工作，如往復運動式，磁力旋轉攪拌或噴淋式等。
上述刻蝕劑中，普通的集成電路用光刻膠非常穩(wěn)定(如Az系列)，光刻后的圖形無需高溫后烘，給后續(xù)處理帶來明顯便利，能夠與常規(guī)集成電路工藝相匹配。
本發(fā)明刻蝕劑對常規(guī)工藝處理的光刻膠浸蝕速度非常慢，浸泡10分鐘看不到浸蝕跡象，20分鐘后表面稍顯粗糙，厚度變化尚不足以檢測到。而通常用于鎳鈦薄膜刻蝕的時間不會大于10分鐘，很少有機會要刻蝕15分鐘以上。上述穩(wěn)定性優(yōu)勢可以保證圖形轉移的精度，提高對復雜細微掩模圖形的復制能力。光刻膠的高穩(wěn)定性同時可以提高批量加工的成品率。
本發(fā)明除了對光刻膠穩(wěn)定之外，許多有機化合物如聚酰亞胺，PMMA等都可以長期浸泡而保持穩(wěn)定，可以用這一類物質作為襯底。對于金，鉑之類的惰性金屬同樣不產(chǎn)生明顯腐蝕作用，也可以作為襯底層使用。本發(fā)明與硅的反應較慢，一般不會對硅作為襯底材料產(chǎn)生不利影響。方便與傳統(tǒng)IC工藝集成。
本發(fā)明對二氧化硅刻蝕速率較快，但對于SiO2襯底上圖形線寬5-10微米以上的鎳鈦合金薄膜刻蝕不會造成困難，當線寬小于薄膜厚度時，如果不能精確控制刻蝕終點，有可能會導致圖形剝離。
本發(fā)明對即鍍狀態(tài)的鎳鈦合金薄膜可以刻蝕出十分平滑的邊界，即鍍狀態(tài)薄膜的刻蝕速率在1-5微米/分鐘之間，浸泡式刻蝕能夠實現(xiàn)的刻蝕比在1-2之間。
本發(fā)明對即鍍狀態(tài)的鎳鈦合金薄膜進行刻蝕，刻蝕界面非常光滑，粗糙度僅為數(shù)十納米。
本發(fā)明對于熱處理以后的鎳鈦合金薄膜同樣可以進行圖形化刻蝕，但刻蝕界面和線條邊界呈現(xiàn)出與晶粒尺寸相當?shù)那?，對細線條復制有一定影響。
本發(fā)明的刻蝕劑可以通過定時定量添加有效活性成份而維持其反應活性，正確地使用和維護能夠使刻蝕劑有效成份更新20次以上而無需廢棄母液，從而使加工成本和廢液處理成本非常低。
本發(fā)明的刻蝕劑中掩模光刻膠無需高溫后烘固化即十分穩(wěn)定，對濺射態(tài)的Ni-Ti合金薄膜可以得到與光刻的掩模圖形完全一致的平滑刻蝕邊界。
本發(fā)明的刻蝕劑可以用于鎳鈦系形狀記憶合金薄膜的圖形化化學刻蝕，在掩模穩(wěn)定性，刻蝕速率，刻蝕面平滑程度，圖形轉移復制精度，批量加上可靠性和加工成本等方面顯著優(yōu)于此前所用的化學刻蝕劑。
下面通過二個應用實例進一步說明本發(fā)明的技術方案以及本發(fā)明的刻蝕劑所體現(xiàn)的優(yōu)越性能。
實施例1、批量加工的均勻性掩模光刻膠AZ4620，厚度3-4微米，后烘溫度100℃，后烘時間30分鐘。
掩模圖形一組不同線寬的直線條所構成的圖案，線寬從5微米到50微米，長度2500微米，重復分布在整個3英寸硅片上，共有30個圖案。
待刻蝕的鎳鈦合金薄膜厚度為3.2微米，未經(jīng)熱處理。
刻蝕劑組成氫氟酸5％，硝酸2％，鹽酸5％，次氯酸鈉2％，其余是水。
室溫20℃，往復運動式攪拌。
刻蝕效果刻蝕速率1.2微米/分鐘，所有圖形邊界清楚，線條平滑，與掩模光刻膠邊界走勢完全一致，同一硅片上30組相同圖案中選取線寬15微米的線條測量電阻以評價一致性，所有線條偏差在±1％以內，重復三次，一致性一概如此。
實施例2、微泵驅動機構圖形化刻蝕掩模光刻膠AZ4620，厚度3-4微米，后烘溫度100℃，后烘時間30分鐘。
掩模圖形是特殊設計的用于微泵驅動之曲折回線，線條寬度為50微米，相鄰線條間隔40微米，回線總長度約10000微米，反向回轉彎折12次。
常規(guī)烘膠工藝制作。
待刻蝕的鎳鈦合金薄膜厚度8-10微米，未經(jīng)熱處理。
刻蝕劑組成氫氟酸8％，硝酸1.5％，鹽酸6％，過氧醋酸10％，其余是水。
室溫20℃，往復運動式攪拌刻蝕效果刻蝕速率2.2微米/分鐘，所有圖形邊界清楚平滑，與掩模光刻膠邊界走勢完全一致，通過電阻率測量可知各單元電阻條均勻一致，經(jīng)掃描電子顯微鏡測量縱向與橫向刻蝕比為1.5。
權利要求
1.一種鎳鈦合金薄膜多元化學刻蝕劑，其特征在于該刻蝕劑由1％-25％(V)氫氟酸，0.5％-15％(V)硝酸，2％-20％(V)鹽酸和主要成份是碘酸鉀，次氯酸鈉，過氧醋酸或雙氧水中的一種或多種混合物的刻蝕速率促進劑及水組成。
2.一種如權利要求1所說的鎳鈦合金薄膜多元化學刻蝕劑，其特征在于其中刻蝕速率促進劑可以是碘酸鉀，含量在1％-5％(Wt)之間。
3.一種如權利要求1所說的鎳鈦合金薄膜多元化學刻蝕劑，其特征在于其中刻蝕速率促進劑可以是次氯酸鈉，含量在1％-4％(Wt)之間。
4.一種如權利要求1所說的鎳鈦合金薄膜多元化學刻蝕劑，其特征在于其中刻蝕速率促進劑可以是過氧醋酸，含量在1％-10％(Wt)之間。
5.一種如權利要求1所說的鎳鈦合金薄膜多元化學刻蝕劑，其特征在于其中刻蝕速率促進劑可以是雙氧水，含量在1％-8％(Wt)之間。
6.一種如權利要求1所說的鎳鈦合金薄膜多元化學刻蝕劑，其特征在于該刻蝕劑可以通過補充消耗的活性成份而維持使用性能。
全文摘要
一種鎳鈦合金薄膜多元化學刻蝕劑,由1%—25%(V)氫氟酸,0.5%—15%(V)硝酸,2%—20%(V)鹽酸和主要成份是碘酸鉀,次氯酸鈉,過氧醋酸或雙氧水中的一種或多種混合物的刻蝕速率促進劑組成,并可以通過補充消耗的活性成份而維持使用性能。本發(fā)明對光刻膠及許多有機化合物具有高穩(wěn)定性,可以保證圖形轉移的精度,提高對復雜細微掩模圖形的復制能力,同時可以提高批量加工的成品率,加工成本和廢液處理成本非常低。
文檔編號C23F1/10GK1242438SQ9911392
公開日2000年1月26日 申請日期1999年7月29日 優(yōu)先權日1999年7月29日
發(fā)明者丁桂甫, 徐東 申請人:上海交通大學