基于体硅工艺的静电致动微夹持器制作工艺分析

　　1　引　言

　　微纳米技术发展的关键之一是在于微细加工技术的发展。研究微细加工技术与方法是保证微器件特性的重要因素,也是微机械器件质量优劣的关键,因此微细加工技术研究受到广泛的重视[1_2]。90年代中期,随着DRIE(deep reactiveion etching)技术特别是ICP蚀刻技术的出现,体硅加工技术的发展获得长足的进步,多种基于深蚀刻技术的新工艺被开发出来。体硅工艺发展的特点主要表现为键合与深蚀刻技术的组合,追求大质量块和低应力以及三维加工[3]。采用体硅工艺研制的出梳状静电致动微夹持器其结构如图1所示,由微操作部分、限位结构、梳状动驱动器以及S形柔性结构等组成。该夹持器采用夹持臂导电且接地,固定梳齿加驱动电压的致动方式,防止静电对被夹持物产生影响,开合量可达12~140μm。其工艺简单、可控性好,可适用于多种微操作任务。

　　2　微夹持器加工工艺

　　微夹持器的结构厚度为60μm;梳齿宽度6μm,深宽比达10∶1;梳齿间隙4μm,深宽比达15∶1,微夹持器最大尺寸为2 456μm。微夹持器采用体硅工艺制作,截面结构如图2所示。硅结构的几何形状(参见图1)构成了微夹持器的结构主体,决定了微夹持器的性能。玻璃用键合方式与硅结构连接,作为硅结构的支撑;硅结构的表面溅射有金属膜作为压焊引线的键合层,同时增强了梳状结构的导电性。

　　制作工艺共需进行2次光刻,1次键合。工艺流程如图3所示。

　　3　微夹持器制作中的关键工艺分析

　　3.1　蚀刻时间对结构的影响

　　MEMS器件加工中,主要难点在于结构复杂、大深宽比的狭长微夹持臂加工。ICP蚀刻速率的均匀程度和蚀刻时间的控制,直接影响到梳齿结构以及狭长的夹持臂的质量。蚀刻时间对细梁细缝结构的影响情况如表1所示。

　　ICP蚀刻主要问题是钻蚀(footing)和现滞后(lag)现象。开槽的宽度对蚀刻速率有很大影响。槽越宽,蚀刻速率越快;缝越窄,速率越慢。因此当蚀刻时间不足时,宽缝结构底部结构刻开,窄缝处的结构尚未刻开,造成欠蚀刻现象,出现滞后现象。如图4所示。

　　当蚀刻继续进行,宽缝结构横向边沿被侵蚀出现钻蚀现象,如图5所示,结构的上面4/5部分光滑平整,下面1/5部分观察到明显的边缘侵蚀现象。钻蚀现象造成结构底部宽度方向的扩腐蚀,结构的横向尺寸减小,深宽比大时尤其严重,使梁结构变坏甚至造成失败。钻蚀现象即使在正常加工细梁结构的情况下也会出现,导致细梁结构厚度方向的加工尺寸不一致,影响到器件的静态与动态特性。当发生过蚀刻时,钻蚀的速率会很快,对于细梁结构,将导致梁底部被部分钻蚀,结构厚度受到严重影响。在严重过蚀刻的情况下,甚至整个梁结构被完全侵蚀,只剩下一层掩膜,如图6所示。为改善蚀刻速率在硅片各处的一致性,应精确控制蚀刻时间,以提高结构的质量。