一種類金剛石碳微懸梁臂及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)及微加工領(lǐng)域，尤其涉及的是一種類金剛石碳微懸梁臂及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微懸梁臂是MEMS里面一種非常重要的執(zhí)行器，加上靜電、壓電等驅(qū)動(dòng)單元后被廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)、藥學(xué)、健康醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域，其作為主動(dòng)光學(xué)元器件的調(diào)制單元，也具備制備簡(jiǎn)單、片上可集成等諸多優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的微懸梁臂通常用硅(多孔硅、單晶硅等)，陶瓷(二氧化硅、氮化硅等)，金屬，金屬碳化物，聚合物等材料，其中以硅的應(yīng)用最為廣泛。硅在MEMS很多應(yīng)用領(lǐng)域具有很好的力學(xué)與電學(xué)特性，而且硅材料與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝兼容，在成本控制、工藝成熟度方面具備很大優(yōu)勢(shì)。但是硅材料也具有本身的限制，例如楊氏模量較低、韌性不足、摩擦系數(shù)較大、耐磨性較差等。其他的各種材料，各自都有各種各樣的局限性，例如陶瓷與金屬碳化物(如SiNx，TiN，SiC，TiC等)通常內(nèi)部應(yīng)力較大，影響其機(jī)械特性與穩(wěn)定性；聚合物(polymer)等材料則在熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)電特性等方面具有局限性。目前，很多MEMS傳感應(yīng)用，都以開發(fā)一種參數(shù)調(diào)節(jié)彈性大、各方面性能可彌補(bǔ)現(xiàn)有材料特別是硅材料的不足方面的材料與工藝為目標(biāo)，獲得高性能的微懸梁臂MEMS執(zhí)行器。而DLC在各方面都表現(xiàn)出色，包括楊氏模量、硬度、穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)電性等。但是目前DLC的制備工藝繁多，各種工藝制作出來(lái)的DLC性能各異而且大部分工藝制作出來(lái)的DLC結(jié)構(gòu)松散，抗腐蝕性能較差，無(wú)法滿足傳感平臺(tái)工作環(huán)境復(fù)雜等應(yīng)用需求。
[0003]因此，現(xiàn)有技術(shù)存在缺陷，需要改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種具有高楊氏模量、高硬度、耐腐蝕性好、低熱膨脹系數(shù)的類金剛石微懸梁臂及其制備方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種類金剛石碳微懸梁臂，包括硅襯底、在硅襯底上制作的過渡層、以及通過高能量脈沖式磁控濺射方法制作并覆蓋在過渡層表面的DLC薄膜層。
[0006]應(yīng)用于上述技術(shù)方案，所述的類金剛石碳微懸梁臂中，過渡層包括設(shè)置在硅襯底上的第一過渡層和設(shè)置第一過渡層上的第二過渡層，其中，硅襯底為硅晶圓襯底，第一過渡層為金屬過渡層，第二過渡層為金屬碳化物過渡層。
[0007]—種類金剛石碳微懸梁臂的制備方法，包含以下幾個(gè)步驟:步驟一:將硅晶圓清洗干凈，通過光刻將DLC的圖案寫在硅晶圓表面；步驟二:將帶有光刻膠圖案的硅晶圓置入真空腔中，對(duì)真空腔抽真空；步驟三:通入氬氣，打開直流或者脈沖電源，對(duì)硅晶圓進(jìn)行等離子體清洗；步驟四:打開直流或者脈沖電源，在硅晶圓的表面制作過渡層；步驟五:通入反應(yīng)氣體，打開脈沖電源，在過渡層的表面進(jìn)行高能量脈沖式磁控濺射，形成DLC薄膜層；步驟六:關(guān)閉濺射陰極及電源，關(guān)閉氬氣與反應(yīng)氣體，充入氮?dú)?，取出樣品；步驟七:用丙酮/異丙酮(IPA)/去離子水清洗樣品，對(duì)光刻膠進(jìn)行剝離；步驟八:在硅晶圓背面旋涂上光刻膠作為保護(hù)層，然后將剝離干凈的樣品置入KOH溶液中，用濕法刻蝕將裸露的硅晶圓刻蝕掉，形成懸空的類金剛石碳微懸梁臂。
[0008]應(yīng)用于各個(gè)上述技術(shù)方案，所述的制備方法中，步驟一中，采用單面拋光的350微米厚的硅晶圓，并且，光刻時(shí)所使用的光刻膠為負(fù)膠。
[0009]應(yīng)用于各個(gè)上述技術(shù)方案，所述的制備方法中，步驟二中，對(duì)真空腔抽真空時(shí)，使真空腔的真空度低于8E-5Torr。
[0010]應(yīng)用于各個(gè)上述技術(shù)方案，所述的制備方法中，步驟四中，在硅晶圓的表面制作過渡層時(shí)，在硅晶圓的表面制作第一過渡層，并且，還在第一過渡層的表面制作第二過渡層，其中，第一過渡層為金屬過渡層，第二過渡層為金屬碳化物過渡層。
[0011]應(yīng)用于各個(gè)上述技術(shù)方案，所述的制備方法中，步驟五中，在過渡層的表面進(jìn)行高能量脈沖式磁控濺射時(shí)，所采用的脈沖電源的脈沖開/脈沖關(guān)的占空比為10~80us/100~300us，平均功率密度5~25kW/m2，DLC/C復(fù)合層的沉積率為0.8-1.5微米/小時(shí)，沉積時(shí)間為1~2小時(shí)。
[0012]應(yīng)用于各個(gè)上述技術(shù)方案，所述的制備方法中，步驟五中，通入的反應(yīng)氣體為甲烷(CH4)或者乙炔(C2H2)，并且，進(jìn)行高能量脈沖式磁控濺射時(shí)，通入濺射氣體氬氣(Ar)，濺射氣壓為 1.5E-3~6E-3Torr0
[0013]應(yīng)用于各個(gè)上述技術(shù)方案，所述的制備方法中，步驟八中，所采用的KOH濃度為15~20%，刻蝕時(shí)間為25~30小時(shí)。
[0014]應(yīng)用于各個(gè)上述技術(shù)方案，所述的制備方法中，在執(zhí)行步驟四和五的過程中，還對(duì)樣品施加偏置電源，其中，偏壓電源的脈沖時(shí)間為0.6-2.3Ps，偏壓電源的脈沖頻率為10~350kHz，偏壓電源的電壓為10~50V，偏壓電源的電流為0.1-1.2A。
[0015]采用上述方案，本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)在于:
(I)微懸梁臂由DLC薄膜層構(gòu)成，DLC即類金剛石碳，其具有很高的楊氏模量，因此微懸梁臂可以在高頻震蕩，例如，在頻率>100kHz，調(diào)整微懸梁臂的尺寸可獲得超過10MHz的本征震蕩頻率。這個(gè)特點(diǎn)應(yīng)用在光學(xué)調(diào)制方面可以制作相對(duì)高速的光學(xué)器件。
[0016](2)通過高能量脈沖式磁控濺射方法成DLC薄膜層，薄膜層的致密性很好，加上DLC材料本身具有非常好的抗腐蝕性，因此器件具有很好的抗腐蝕性。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于工作在復(fù)雜環(huán)境中的氣體與液體傳感器顯得尤為重要。
[0017](3)微懸梁臂的熱膨脹系數(shù)較低，DLC材料在高溫化學(xué)性能穩(wěn)定，導(dǎo)熱性能優(yōu)良，因此器件受外界環(huán)境變化干擾較低，能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。
[0018](4)DLC微懸梁臂制作工藝簡(jiǎn)單，所述高能量脈沖式磁控濺射設(shè)備可以在傳統(tǒng)設(shè)備上改裝而成，成本相對(duì)低廉。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明中高能量脈沖式磁控濺射脈沖的形狀示意圖；
圖3是本發(fā)明中DLC薄膜層的XPS測(cè)試結(jié)果圖；
圖4是本發(fā)明DLC薄膜層在電子顯微鏡下的橫截面圖；
圖5是本發(fā)明的電學(xué)性能測(cè)試曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下本發(fā)明結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0021]本發(fā)明利用高能量脈沖式磁控濺射技術(shù)，優(yōu)化了傳統(tǒng)DLC薄膜的機(jī)械特性與致密性，制作而成的DLC微懸梁臂具有優(yōu)良的機(jī)械、電學(xué)與熱學(xué)特性，而且這些特性可以通過調(diào)整磁控濺射過程的脈沖波形來(lái)調(diào)整。
[0022]實(shí)施案例一:
本實(shí)施例提供一種類金剛石碳微懸梁臂及其制備方法，通過優(yōu)化鍍膜工藝改良薄膜材料特性，獲得新型MEMS器件。如圖1所示，類金剛石碳微懸梁臂即DLC微懸梁臂，建于硅襯底4之上，硅襯底為硅晶圓襯底，在DLC薄膜層I與硅襯底之間是第一過渡層3與第二過渡層2，其中，第一過渡層3設(shè)置硅襯底4上表面，第二過渡層2設(shè)置在第一過渡層3的上表面，第一過渡層3為金屬過渡層，例如，可以是Ti金屬過渡層，第二過渡層為金屬碳化物過渡層，例如，TiC過渡層。倆過渡層保證了 DLC薄膜層I與硅襯底4間具有良好的粘附性。該類金剛石碳微懸梁臂的制備過程如下:
步驟一:將切割好的硅晶圓分別用丙酮、IPA、去離子水置于超聲波水槽中清洗5分鐘然后烘干。將光刻膠AZ5214旋涂于硅晶圓表面，旋涂參數(shù)為10s/1500rpm (勻膠)，20s/3000rpm (旋涂)，5s/4000rpm (去邊)，然后置于電熱爐(hot plate)在80度溫度下烘80s，將烘干的樣品在UV燈(功率15W)下曝光2s (~150mJ/cm2)o在把樣品置于電熱爐在100度溫度下烘80s，再放UV燈(功率15W)下曝光4s (>200mJ/cm2)o用MIF300顯影液顯影后，光刻膠圖案制作完畢。
[0023]步驟二:將帶有光刻膠圖案的樣品置入真空腔內(nèi)，對(duì)真空腔進(jìn)行抽真空，直至腔內(nèi)真空度低于8E-5Torr。
[0024]步驟三:通入氬氣lOOsccm，打開連接于Ti金屬靶的直流電源，保持Ti靶擋板關(guān)閉，真空腔體氣壓穩(wěn)定在4E-3Torr，打開直流電源，設(shè)定電壓460V，等離子體點(diǎn)著后電流為
0.4A。在此設(shè)定下對(duì)樣品進(jìn)行5分鐘等離子體清洗。
[0025]步驟四:在步驟三的設(shè)定下，打開Ti靶擋板，同時(shí)打開連接樣品基座的偏置電源，設(shè)定電壓為50V，電流讀數(shù)0.2A，脈沖寬度0.8us，脈沖頻