專利名稱：一種硅與金屬復合材料的微結構加工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微細加工領域；特別是涉及一種硅與金屬復合材料的微結構制作方法。
背景技術：
微納米加工歸根結底是要在各種功能材料上制作微納米結構。所謂功能材料是能夠制作各種微納米器件的材料，例如硅和二氧化硅是微機械和微流體系統(tǒng)使用最廣泛的材料，也是半導體工業(yè)的基礎材料。I960年，R. Feymarm在加州理工大學的一次演講中定義了微機械的概念。1962年，第一個硅壓力傳感器問世，其后又開發(fā)出50 500 um的齒輪、齒輪泵、氣動渦輪及連接件等微結構。1982年，K.E.Peterson發(fā)表一篇題為“Silicon as a Mechanical Material"的綜述性文章，對硅微機械加工技術的發(fā)展起到了奠基的作用。但是受技術和社會需求的影響，硅微機械加工在上世紀80年代以前一直沒有得到長足的發(fā)展。感應耦合等離子體(ICP)進行深度反應刻蝕(De印Reactive Ion Etching, DRIE)是近年來出現一種新型干法刻蝕技術，能夠將光刻膠圖形高精度的轉移到硅襯底上，具有刻蝕速率高和各向異性刻蝕等優(yōu)點，它的出現對制作硅微結構尤其是具備大高寬比結構，提供了批量化生產制作的可能。因此在諸多領域，單晶硅材料作為一種新型的功能材料被廣泛的運用在微機械領域，例如機械表芯部件，尤其在擒縱機構中的硅擒縱叉，硅擒縱輪片， 硅夾板等。硅材料的引入帶來許多創(chuàng)新性的設計。因為相比傳統(tǒng)的金屬或者合金材料，硅材料具有質量輕，慣量小，硬度高，耐磨損及非常低的摩擦系數和熱膨脹系數等優(yōu)點。然而，硅材料相比金屬材料也有一定的缺陷，比如脆性太大、韌性不足、易于斷裂等。因此在機械配合的關鍵部位，如要求過盈配合處，往往發(fā)生硅結構部件爆裂，脆斷等情形。目前解決上述問題的主要辦法，是在硅材料上孔軸配合的關鍵部位設計一些彈性結構，如美國專利公開號7575369 B2和歐洲專利公開號1655642，是將孔軸接觸的切線方向上分角度的設計一些直紋條狀的槽，緩沖裝配時金屬軸對脆性硅材料孔產生的力沖擊， 避免造成硅結構的破壞。該辦法能夠一定程度的解決金屬零件與硅零件的裝配問題，降低裝配造成的廢品率，但改善有限，硅彈性結構仍無法能夠提供裝配所需的材料有效的塑性變形能力。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種在硅零件的裝配部位制作金屬結構，能夠提供裝配所需的彈塑性變形能力，從根本上解決部件的裝配和使用問題。由于微機械的硅零件本身尺寸較小，嵌入式的制作金屬結構，難度較大，同時仍存在嵌入裝配的問題。本發(fā)明將提出一種硅材料與金屬結構一次成型的制作方法，克服以上問題，最大程度的發(fā)揮微機械硅零件的使用效能。本發(fā)明所采用的技術方案是一種硅與金屬復合材料的微結構加工方法，包括，步驟一硅片(Si)與硅襯底上的金屬電鑄種子層(Ti/Au/Ti)的共熔鍵合；步驟二 AZ正膠電鑄金屬圖案的光刻；步驟三第一層硅結構的深度刻蝕；步驟四電鑄金屬內裝結構；步驟五AZ正膠硅結構圖案的光刻；步驟六第二層硅結構的深度刻蝕；步驟七去除光刻膠和分離基底，釋放出硅與金屬復合材料的微結構。所述步驟一包括金屬電鑄種子層是在硅襯底上濺射Ti/Au/Ti金屬種子層，所述硅片與金屬電鑄種子層在真空氮氣烘箱內實現共熔鍵合；所述步驟二包括涂敷^4620卩光刻膠，紫外光刻獲得第一層結構的掩模圖案；所述步驟三以步驟二所得圖案為掩模，選用 DRIE深度刻蝕第一層硅結構；所述步驟四以步驟三所得結構為模板電鑄金屬內裝結構；所述步驟五包括涂敷AZ4620P光刻膠，對準紫外光刻獲得第二層結構的掩模圖案；所述步驟六以步驟五所得圖案為掩模，選用DRIE深度刻蝕第二層硅結構；所述步驟七包括去除剩余的光刻膠和分離帶有金屬電鑄種子層的硅襯底。本發(fā)明的有益效果是由于將功能型硅片鍵合在具有金屬種子層(Ti/Au/Ti)的硅襯底上，在運用反應離子耦合(ICP)的干法硅深度刻蝕技術刻蝕，電鑄金屬結構，刻蝕其他的硅結構；該方法獲得的微結構尺寸精度高，電鑄金屬結構完美，因為深度刻蝕的硅側壁本身具有扇貝型條紋，電鑄的金屬結構與硅結構互相咬合，不易分離脫落；另外，由于采用深度刻蝕和電鑄工藝，重復性好。


圖1是實施例新型硅與金屬復合微結構的加工方法流程圖。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明
本發(fā)明硅與金屬復合材料的微結構加工方法，包括，步驟一在硅襯底上濺射Ti/Au/ Ti金屬種子層，硅片與金屬種子層在真空氮氣烘箱內實現共熔鍵合；步驟二 在硅片上涂敷AZ4620P光刻膠，通過掩模板曝光光刻膠，顯影至圖案轉移獲得第一層結構的掩模圖案； 步驟三以步驟二所得圖案為掩模，選用DRIE對第一層硅結構深度刻蝕；步驟四電鑄金屬內裝結構；步驟五在硅片上涂敷AZ4620P光刻膠，通過Cr掩模板經UV曝光光刻膠，顯影至圖案轉移獲得第二層結構的掩模圖案；步驟六以步驟五所得圖案為掩模，選用DRIE對第二層硅結構深度刻蝕；步驟七去除剩余的光刻膠和分離帶有金屬電鑄種子層的基底。該七項步驟的具體工藝細節(jié)為
(1)硅片與金屬電鑄種子層(Ti/Au/Ti)的共熔鍵合首先選用適 當厚度(根據結構定制厚度100-500um)，要求的晶向(如<100>，<111>)和大小(3-4英寸)的單晶硅片和濺射有金屬種子層(Ti/Au/Ti，20/200/20 nm)硅片襯底(厚度500um，<lll>晶向，大小4-6英寸)， 然后在氮氣(N2)保護下，鍵合溫度為420-450度，壓力大于IO4 Pa，鍵合時間大于30分鐘， 實現Au/Si的共熔鍵合。(2)光刻定義電鑄金屬結構的圖案dfAz4620P型光刻膠倒在單晶硅片上，以 3000RPM轉速，25秒時間涂敷，獲得光刻膠厚度為7um ；然后用第一塊掩模進行紫外光刻，如 Karl Suss MA4系列光刻機，紫外光波長400nm。(3)以光刻定義電鑄金屬結構的圖案獲得Az正膠圖案為掩模進行第一層硅結構的深度刻蝕將帶有第一層光刻膠掩模結構的單晶硅片放入Oxford PlasmaLablOO進行刻蝕，工藝參數如下
表1 :DRIE刻蝕需要電鑄金屬結構的工藝參數，該工藝可獲得比較粗糙的側壁結構，利于電鑄后的金屬相互咬合。
權利要求
1.一種硅與金屬復合材料的微結構加工方法，其特征在于，包括，步驟一硅片(Si)與硅襯底上的金屬電鑄種子層(Ti/Au/Ti)的共熔鍵合；步驟二 AZ正膠電鑄金屬圖案的光刻；步驟三第一層硅結構的深度刻蝕；步驟四電鑄金屬內裝結構；步驟五AZ正膠硅結構圖案的光刻；步驟六第二層硅結構的深度刻蝕；步驟七去除光刻膠和分離基底，釋放出硅與金屬復合材料的微結構。
2.根據權利要求1所述的硅與金屬復合材料的微結構加工方法，其特征在于，所述步驟一包括金屬電鑄種子層是在硅襯底上濺射Ti/Au/Ti金屬種子層，所述硅片與金屬電鑄種子層在真空氮氣烘箱內實現共熔鍵合；所述步驟二包括涂敷AZ4620P光刻膠，紫外光刻獲得第一層結構的掩模圖案；所述步驟三以步驟二所得圖案為掩模，選用DRIE深度刻蝕第一層硅結構；所述步驟四以步驟三所得結構為模板電鑄金屬內裝結構；所述步驟五包括涂敷 AZ4620P光刻膠，對準紫外光刻獲得第二層結構的掩模圖案；所述步驟六以步驟五所得圖案為掩模，選用DRIE深度刻蝕第二層硅結構；所述步驟七包括去除剩余的光刻膠和分離帶有金屬電鑄種子層的硅襯底。
全文摘要
本發(fā)明公開一種硅與金屬復合材料的微結構加工方法，包括一.硅片與硅襯底上的金屬電鑄種子層的共熔鍵合；二.AZ正膠電鑄金屬圖案的光刻；三.第一層硅結構的深度刻蝕；四.電鑄金屬內裝結構；五AZ正膠硅結構圖案的光刻；六.第二層硅結構的深度刻蝕；七.去除光刻膠和分離基底，釋放出硅與金屬復合材料的微結構。有益效果是由于將功能型硅片鍵合在具有金屬種子層的硅襯底上，在運用反應離子耦合的干法硅深度刻蝕技術刻蝕，電鑄金屬結構，刻蝕其他的硅結構；該方法獲得的微結構尺寸精度高，電鑄金屬結構完美，因為深度刻蝕的硅側壁本身具有扇貝型條紋，電鑄的金屬結構與硅結構互相咬合，不易分離脫落；另外，由于采用深度刻蝕和電鑄工藝，重復性好。
文檔編號B81C1/00GK102167282SQ20111008618
公開日2011年8月31日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權日2011年4月7日
發(fā)明者江爭, 王英男, 郭育華, 馬廣禮 申請人:天津海鷗表業(yè)集團有限公司, 精藝工程研發(fā)所有限公司