一种MEMS电热致动器及其制造工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种MEMS电热致动器及其制造工艺，解决了独立加工的问题，实现了工作电压小、变形大、功耗小和反应快。电热致动器为悬臂梁，梁(2)包括上层(7)、中层(5)、下层(3)、粘合层(4)和绝缘层(6)，上层材料和下层材料的热膨胀系数不同，中层(5)为加热层，粘合层(4)位于中层(5)与下层(3)之间，绝缘层(6)将中层(5)的上表面覆盖，在绝缘层(6)上嵌入有两个电极，两个电极分别与加热层的“U”形上部两端侧面接触，且两个电极与上层(7)为一体，梁固定端的下层底部为基底层。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS电热致动器及其制造工艺
本专利技术属于MEMS
，具体涉及一种MEMS电热致动器及其制造工艺。
技术介绍
MEMS(MicroelectromechanicalSystems——微机电系统)是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。现有的MEMS电热致动器的材料通常为Cu-SiO2、Al-SiO2或Au-SiO2几种。现有的MEMS电热致动器的制造工艺，国外采用专用的MEMS生产线。而在国内主要是在集成电路的工艺生产线上进行MEMS电热致动器的加工，由于加工MEMS电热致动器的同时加工集成电路，因此，多数集成电路的工艺生产线不兼容加工铜和金。MEMS电热致动器中的加热层材料通常采用多晶硅，由于国外工艺成熟，加热层多晶硅(如氮化硅)的电阻值可以达到几～几十欧姆，而国内的工艺只能达到几百欧姆，这样在产生同样的热和变形时就需要较大的电压，功耗大，反应慢，影响实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种MEMS电热致动器及其制造工艺，解决了MEMS电热致动器独立加工的技术问题，实现了MEMS电热致动器工作电压小，且在通电状态下的工作变形大、功耗小和反应快。本专利技术的技术方案是，一种MEMS电热致动器为悬臂梁，所述悬臂梁由焊盘和梁构成，梁有固定端和悬臂端，焊盘位于梁固定端的两侧。梁为层次结构，梁包括上层、中层、下层、粘合层和绝缘层，上层材料和下层材料的热膨胀系数不同，中层为加热层，粘合层位于中层与下层之间，在梁的纵截面内中层和粘合层的形状均为“U”形，绝缘层位于中层与下层之间，且绝缘层将中层的上表面覆盖，在绝缘层上嵌入有两个电极，两个电极分别与加热层的“U”形上部两端侧面接触，且两个电极与上层为一体，梁固定端的下层底部为基底层。所述上层的材料为铝，中层的材料为铂，下层的材料为二氧化硅，粘合层的材料为钛，绝缘层的材料为铝，焊盘和基底的材料均为硅。一种MEMS电热致动器的制造工艺的具体步骤如下：第一步：制备梁的下层，即采用干法氧化法制备二氧化硅层，(1)硅片的干法氧化，采用一片晶向为100的P型硅片，且P型硅片厚度为505～545μm，对该P型硅片进行清洗，去掉其表面污染杂质和自然氧化层；将清洗后的P型硅片放置在温度为1050℃的卧式加热炉管中，对硅片的一面进行厚度为的氧化，即在P型硅片上形成梁的下层。第二步：采用光刻剥离技术制备梁(2)的中层(5)和粘合层(4)，(1)将带有二氧化硅层的硅片放置在180°烘箱中烘干90min，然后用六甲基二硅胺烷做成膜处理，此过程持续10min；然后在二氧化硅层表面上涂厚度为1.5um的AZ5214光刻胶，光刻胶采用正胶，将掩膜板Ⅰ覆盖在光刻胶表面上，掩膜板Ⅰ的透光区为“U”形，将涂有光刻胶的硅片进行曝光，然后将其放入烘箱中，在温度为110℃下进行烘烤2min；之后再广泛曝光15s；将曝光后的硅片放入显影液中，显影时间为3～5min；显影后将显影区残留的光刻胶去除；(2)使用电子束蒸发系统，在光刻后的P型硅片的二氧化硅层上蒸发厚度为的钛，然后在钛层上再蒸发厚度为的铂，之后先将其放入丙酮中浸泡12小时以上，再先后在丙酮、乙醇和去离子水中分别浸泡半小时，去掉光刻胶；第三步：制备梁的绝缘层，并刻蚀出制动器悬臂梁形状，(1)使用低温氧化物工艺模块，在300℃的温度条件下，将经过上述工艺的硅片上淀积的二氧化硅，形成绝缘层；(2)将经上述加工步骤后的硅片放置在180℃烘箱中，烘干90min，然后用六甲基二硅胺烷做成膜处理，此过程持续10min；硅片随工作台旋转，将9912光刻胶旋转涂抹于绝缘层上，光刻胶厚度为1.5um；覆盖掩膜板Ⅱ后进行曝光，掩膜板Ⅱ的不透光区形状为长方形，与梁的形状一致；再进行显影液显影；再将显影区残留的光刻胶去除；然后在120℃条件下烘干40min，再进行干法刻蚀，将没有光刻胶保护的二氧化硅刻蚀直至硅基底上，形成梁的长方形；进行干法去胶，再分别浸泡丙酮、乙醇、等离子水去胶，使去胶完全；(3)使用掩膜板Ⅲ，采用干法刻蚀方法，在梁的固定端的绝缘层上刻蚀2个通孔，这2个孔通直至铂层的“U”形上部两端侧面；掩膜板Ⅲ透光区为两个方孔，该两个方孔对应2个通孔位置；具体步骤为：将经上述加工步骤后的硅片放置在180℃烘箱中烘干90min，然后用六甲基二硅胺烷做成膜处理，成膜处理过程的时间为10min，使用9920光刻胶在95℃旋转涂抹于绝缘层上；利用掩膜板Ⅲ进行曝光；在110℃条件下烘烤1min；利用显影液显影；将显影区残留的光刻胶去除；在120℃条件下烘干40min；进行干法刻蚀，将没有光刻胶保护的二氧化硅刻蚀通孔，形成2个通孔；进行干法去胶10min，再分别浸泡丙酮、乙醇、等离子水去胶，使去胶完全；使用100:1的氢氟酸溶液清洗。第四步：制备梁的上层和焊盘，在硅片的绝缘层上面溅射厚度为的铝，形成上层(7)；将经上述加工步骤后的硅片放置在95℃烘箱中，烘干90s；将S9920光刻胶涂抹在铝层上，厚度为1.8um；利用掩膜板Ⅳ进行曝光；在110°条件下烘烤1min；利用显影液显影35s；将显影区残留的光刻胶去除；再在120°条件下烘干40min；利用腐蚀液将无光刻胶保护的铝湿法腐蚀掉；使用丙酮浸泡5min、乙醇浸泡5min，并用水冲洗去胶；第五步：制备致动器梁的固定端和悬臂端，采用释放工艺清掉梁悬臂端下层底部的基底，保留梁的固定端下层底部的基底；步骤如下：对不需要释放的位置涂光刻胶保护，然后利用掩膜板曝光，使用XeF2释放挖除厚度为100μm的硅；释放后，干法去胶，从而形成梁的悬臂端，完成电热致动器的制备。本专利技术的有益效果是，本专利技术通过对电热致动器材料选择，结构制造工艺的设计，可以通过施加外界电压使电热致动器快速响应产生一定的翘曲变形，达到致动目的，此结构整体厚度小于200um表面尺寸小于1×1mm2。同时通过MEMS工艺加工制作的电热致动器可以在同一硅基底上集成，以达到系统集成的目的，其通过焊点由电路板供电，此种致动器的主要优点可以归结为：1)电热致动器功耗很小，电热致动器响应快；2)实现片外位移，变形较大，致动力较大；3)结构简单，可多次重复使用；4)可以用于光路信号遮断等其他场合，避免信号电压干扰，能够在外界环境温度很低的状态下工作。附图说明图1为本专利技术一种MEMS电热致动器的结构示意图；图2为图1的A-A向剖视图。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细的描述。如图1所示，本专利技术的一种MEMS电热致动器为悬臂梁结构，该悬臂梁由焊盘1和梁2构成，梁2有固定端和悬臂端，焊盘1位于梁固定端的两侧，是给梁2接电的部分。如图2所示，梁2为层次结构，梁2包括上层7、中层5、下层3、粘合层4和绝缘层6，上层材料和下层材料的热膨胀系数差异较大，利用上层材料和下层材料的热膨胀系数差异导致梁2的变形，从而实现致动器的功能。中层5为加热层，在梁的纵截面内中层5和粘合层4的形状均为“U”形。粘合层位于中层5与下层3之间，增强中层5与下层3之间的黏附作用。绝缘层6位于中层5与下层3之间，且将中层5的上表面覆盖，在绝缘层上嵌入有两个电极，两个电极分别与加热层的“U”形上部两端侧面接触，电热致动器使用时，该两个电极与电源接通，从而实现为加热层供本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS电热致动器，其特征是：该电热致动器为悬臂梁，所述悬臂梁由焊盘(1)和梁(2)构成，梁(2)有固定端和悬臂端，焊盘(1)位于梁固定端的两侧；梁(2)为层次结构，梁(2)包括上层(7)、中层(5)、下层(3)、粘合层(4)和绝缘层(6)，上层材料和下层材料的热膨胀系数不同，中层(5)为加热层，粘合层(4)位于中层(5)与下层(3)之间，在梁(2)的纵截面内中层(5)和粘合层(4)的形状均为“U”形，绝缘层(6)位于中层(5)与下层(3)之间，且绝缘层(6)将中层(5)的上表面覆盖，在绝缘层(6)上嵌入有两个电极，两个电极分别与加热层的“U”形上部两端侧面接触，且两个电极与上层(7)为一体，梁固定端的下层底部为基底层。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS电热致动器，其特征是：该电热致动器为悬臂梁，所述悬臂梁由焊盘(1)和梁(2)构成，梁(2)有固定端和悬臂端，焊盘(1)位于梁固定端的两侧；梁(2)为层次结构，梁(2)包括上层(7)、中层(5)、下层(3)、粘合层(4)和绝缘层(6)，上层材料和下层材料的热膨胀系数不同，中层(5)为加热层，粘合层(4)位于中层(5)与下层(3)之间，在梁(2)的纵截面内中层(5)和粘合层(4)的形状均为“U”形，绝缘层(6)位于上层(7)与下层(3)之间，且绝缘层(6)将中层(5)的上表面覆盖，在绝缘层(6)上嵌入有两个电极，两个电极分别与加热层的“U”形上部两端侧面接触，且两个电极与上层(7)为一体，梁固定端的下层底部为基底层。2.按照权利要求1所述的一种MEMS电热致动器，其特征在于：所述上层(7)的材料为铝，中层(5)的材料为铂，下层(3)的材料为二氧化硅，粘合层(4)的材料为钛，绝缘层(6)的材料为二氧化硅，焊盘(1)和基底的材料均为硅。3.按照权利要求2所述的一种MEMS电热致动器的制造工艺，其特征是：所述制造工艺的具体步骤如下：第一步：制备梁的下层(3)，即采用干法氧化法制备二氧化硅层，(1)硅片的干法氧化，采用一片晶向为100的P型硅片，且P型硅片厚度为505～545μm，对该P型硅片进行清洗，去掉其表面污染杂质和自然氧化层；将清洗后的P型硅片放置在温度为1050℃的卧式加热炉管中，对硅片的一面进行厚度为的氧化，即在P型硅片上形成梁(2)的下层(3)；第二步：采用光刻剥离技术制备梁(2)的中层(5)和粘合层(4)，(1)将带有二氧化硅层的硅片放置在180°烘箱中烘干90min，然后用六甲基二硅胺烷做成膜处理，此过程持续10min；然后在二氧化硅层表面上涂厚度为1.5um的AZ5214光刻胶，光刻胶采用正胶，将掩膜板Ⅰ覆盖在光刻胶表面上，掩膜板Ⅰ的透光区为“U”形，将涂有光刻胶的硅片进行曝光，然后将其放入烘箱中，在温度为110℃下进行烘烤2min；之后再广泛曝光15s；将曝光后的硅片放入显影液中，显影时间为3～5min；显影后将显影区残留的光刻胶去除；(2)使用电子束蒸发系统，在光刻后的P型硅片的二氧化硅层上蒸发厚度为的钛，然后在钛层上再蒸发厚度为的铂，之后先将其放入丙酮中浸泡12小时以上，再先后在丙酮、乙醇和去离子水中分别浸泡半小时，去掉光刻胶；第...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋荣昌，关平，陈庆森，申跃跃，吕永佳，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11