一种微机械结构牺牲层及微机械结构制作方法

摘要

本发明提供了一种微机械结构牺牲层及微机械结构制作方法。采用低熔点合金作为材料制作微机械结构牺牲层；所述低熔点合金是指合金熔点在300摄氏度以下的合金材料。能够使微机械结构牺牲层达到数百微米，可快速有效的去除，并与有机物兼容。基于该牺牲层工艺的微机械结构制作方法操作简单，工艺周期相对于常用薄膜沉积方法缩短4倍。

权利要求

1.一种微机械结构牺牲层制作方法，其特征在于：采用低熔点合金作为材料制作牺牲层；所述低熔点合金是指合金熔点在300摄氏度以下的合金材料；所述低熔点合金牺牲层的制作方法步骤为：一、将形成低熔点合金的金属混合物材料涂覆在基底结构上；

二、对所述金属混合物材料进行加热合金化形成低熔点合金的填充；

所述金属混合物材料涂覆的量要保证加热合金化后形成的低熔点合金高度大于等于有效结构的高度。

2.根据权利要求1所述的牺牲层制作方法，所述方法还包括，制作低熔点合金牺牲层前，先设置使低熔点合金分布均匀的辅助结构。

3.根据权利要求2所述的牺牲层制作方法，所述辅助结构高度与有效结构高度一致。

4.根据权利要求2或3所述的牺牲层制作方法，所述辅助结构密度根据有效结构高度而定，高度越大，密度越大。

5.根据权利要求1到2之一所述的牺牲层制作方法，所述方法还包括，制作低熔点合金牺牲层前，在低熔点合金与基片、辅助结构和有效结构接触表面设置过渡金属层。

6.一种微机械结构制作方法，其特征在于：具体方法步骤为：制作微机械结构的基底结构，包括基片及有效结构；

将形成低熔点合金的金属混合物材料涂覆在基底结构上；

对所述金属混合物材料进行加热合金化形成低熔点合金的填充；

对填充后的表面进行平坦化，并露出有效结构的上表面；

在平坦化后的牺牲层表面制作需要的各种结构，与步骤1中的基底结构形成悬置或封闭的腔体；

选择性的去除低熔点合金牺牲层；

所述低熔点合金是指合金熔点在300摄氏度以下的合金材料。

7.根据权利要求6所述的微机械结构制作方法，在步骤1和步骤2之间的步骤还包括：设置使低熔点合金分布均匀的辅助结构。

8.根据权利要求6或7所述的微机械结构制作方法，在步骤1和步骤2之间的步骤还包括：在低熔点合金与基片、辅助结构和有效结构接触表面设置过渡金属层。

说明书

一种微机械结构牺牲层及微机械结构制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种微机械结构牺牲层及微机械结构制作方法。

背景技术

[0002] 牺牲层工艺是微机械结构制作的关键技术之一。在微机械结构的制作过程中保留或填充牺牲材料，以保证后续工艺步骤的可行性。当所有结构制作完成后，通过选择性的去除牺牲层材料，能够释放得到悬浮结构，或者空腔结构。该工艺最早由美国加州大学伯克利分校开发，结构材料采用多晶硅，牺牲材料为二氧化硅。随着微机械技术的发展，对牺牲层材料提出了更高的要求，包括更大的厚度、更低的成本、更容易实现选择性去除的难度等。

[0003] 经过多年的发展，已找到多种可用于微机械结构制作的牺牲层材料。从材料类别上看，可分为有机物牺牲材料和无机牺牲材料两类。

[0004] 有机物牺牲材料包括聚酰亚胺、光刻胶等，一般使用旋涂或喷涂的涂覆方式。但涂覆的厚度受到限制，通常小于100微米。少数光刻胶厚度能够达到100微米以上，但随着厚度的增加容易导致图形化工艺困难、应力增大以及在较为封闭的结构中难以去除。另外，如结构中出现多种有机物，面临有机物之间的兼容性问题，如多种光刻胶在制作过程中的互溶、有机物材料选择性去除问题。

[0005] 无机牺牲材料包括硅、二氧化硅以及一些金属材料（如Al、Ti、Zn等）。中国专利CN102060260A公开了一种以低熔点为牺牲层的微机械结构器件制备方法，采用真空热蒸发或磁控溅射的方法沉积低熔点牺牲层。这些方法均采用物理沉积或化学沉积的方法，同样难以形成数百微米的牺牲层材料，而且工艺周期长、成本高。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种牺牲层厚度能达到数百微米的微机械结构牺牲层制作方法。

[0007] 本发明采用的技术方案如下：一种微机械结构牺牲层制作方法，其特征在于：采用低熔点合金作为材料制作牺牲层；所述低熔点合金是指合金熔点在300摄氏度以下的合金材料。

[0008] 作为优选，所述低熔点合金牺牲层的制作方法步骤为：

[0009] 一、将形成低熔点合金的金属混合物材料涂覆在基底结构上；

[0010] 二、对所述金属混合物材料进行加热合金化形成低熔点合金的填充；

[0011] 所述金属混合物材料涂覆的量要保证加热合金化后形成的低熔点合金高度大于等于有效结构的高度。

[0012] 作为优选，所述方法还包括，制作低熔点合金牺牲层前，先设置使低熔点合金分布均匀的辅助结构。

[0013] 作为优选，所述辅助结构高度与有效结构高度一致。

[0014] 作为优选，所述辅助结构密度根据有效结构高度而定，高度越大，密度越大。

[0015] 作为优选，所述方法还包括，制作低熔点合金牺牲层前，在低熔点合金与基片、辅助结构和有效结构接触表面设置过渡金属层。

[0016] 一种微机械结构制作方法，其特征在于：具体方法步骤为：

[0017] 1、制作微机械结构的基底结构，包括基片及有效结构；

[0018] 2、将形成低熔点合金的金属混合物材料涂覆在基底结构上；

[0019] 3、对所述金属混合物材料进行加热合金化形成低熔点合金的填充；

[0020] 4、对填充后的表面进行平坦化，并露出有效结构的上表面；

[0021] 5、在平坦化后的牺牲层表面制作需要的各种结构，与步骤1中的基底结构形成悬置或封闭的腔体；

[0022] 6、选择性的去除低熔点合金牺牲层；

[0023] 所述低熔点合金是指合金熔点在300摄氏度以下的合金材料。

[0024] 作为优选，所述方法还包括：在步骤1和步骤2之间的步骤还包括：设置使低熔点合金分布均匀的辅助结构。

[0025] 作为优选，所述方法还包括：在步骤1和步骤2之间的步骤还包括：在低熔点合金与基片、辅助结构和有效结构接触表面设置过渡金属层。

[0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用低熔点合金作为牺牲层的制作方法，能够使微机械结构牺牲层达到数百微米，可快速有效的去除，并与有机物兼容。

[0027] 采用涂覆金属混合物材料后加热合金化的低熔点合金牺牲层制作方法，牺牲层制作与传统的需要几个小时的时间相比，只要几分钟就能完成，制作工艺周期短，成本低。

附图说明

[0028] 图1所示为待填充基底结构示意图，包括基片1、有效结构2和辅助结构3；

[0029] 图2所示为在基底结构上沉积过渡层金属4结构示意图；

[0030] 图3所示为低熔点金属混合物5填充结构示意图；

[0031] 图4所示为低熔点金属混合物加热合金化形成低熔点合金6填充结构示意图；

[0032] 图5所示为表面平坦化，露出有效结构表面7结构示意图；

[0033] 图6所示在牺牲层上制作微机械结构8结构示意图；

[0034] 图7所示为低熔点合金牺牲层去除后，实现悬空或空腔结构9结构示意图。

具体实施方式

[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0036] 本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

[0037] 具体实施例一

[0038] 一种微机械结构牺牲层制作方法，采用低熔点合金作为材料制作牺牲层；所述低熔点合金是指合金熔点在300摄氏度以下的合金材料。 该方法不仅解决厚度超过500微米牺牲层的填充与去除问题。由于采用低熔点合金，工艺过程中热应力较小，实现过程简单，成本低廉。同时可与结构中的有机物材料的兼容。

[0039] 如图3和图4所示，在本具体实施例中，所述低熔点合金牺牲层的制作方法步骤为：

[0040] 一、将形成低熔点合金的金属混合物材料涂覆在基底结构上；通过印刷或手工等方法在基底结构上均匀涂覆上低熔点金属混合物；低熔点合金材料的种类及组份含量选择应依据工艺流程中所需经历的条件确定，如温度等。

[0041] 二、对所述金属混合物材料进行加热合金化形成低熔点合金的填充，冷却后清洗表面上的残余物质；加热温度及时间参考具体所使用低熔点金属混合物材料；

[0042] 所述金属混合物材料涂覆的量要保证加热合金化后形成的低熔点合金高度大于等于有效结构的高度。

[0043] 低熔点合金材料填充，是采用印刷或手工等方法将低熔点金属混合物涂覆在结构表面，然后加热合金化以达到低熔点合金填充的目的。

[0044] 如图1所示，所述方法还包括，制作低熔点合金牺牲层前，先设置使低熔点合金分布均匀的辅助结构。辅助结构设计，是在产品图形设计时，在没有图形空白区域布置合理的辅助图形，以使低熔点合金在这个基片区域内形成均匀分布。

[0045] 所述辅助结构高度与有效结构高度一致，以增强牺牲层填充的均匀性。

[0046] 所述辅助结构密度根据有效结构高度而定，高度越大，密度越大，以增强牺牲层填充的均匀性。

[0047] 如图2所示，所述方法还包括，制作低熔点合金牺牲层前，在低熔点合金与基片、辅助结构和有效结构接触表面设置过渡金属层。在所暴露出来的图形表面沉积过渡层金属，金属层结构和厚度依据有效结构材料确定。过渡层金属是指在填充低熔点合金之前在基底结构上沉积一层或多层金属，用以防止低熔点合金牺牲材料对有效结构材料产生影响，并使低熔点合金在过渡层金属表面浸润提高附着力。

[0048] 具体实施例二

[0049] 一种微机械结构制作方法，具体方法步骤为：

[0050] 1、如图1所示，制作微机械结构的基底结构，包括基片及有效结构；在微机械结构制作悬浮或最后封闭结构层之前，去除微结构加工所用辅助材料，露出需要低熔点合金填充的基底结构，包括有效结构和辅助结构。

[0051] 2、如图3所示，将形成低熔点合金的金属混合物材料涂覆在基底结构上；

[0052] 3、如图4所示，对所述金属混合物材料进行加热合金化形成低熔点合金的填充；将低熔点金属混合物均匀涂覆在结构中，然后加热合金化，形成较为平整的低熔点合金填充。冷却后清洗表面残余物质。

[0053] 4、如图5所示，对填充后的表面采用研磨抛光的方法对表面进一步平坦化，并露出有效结构的上表面。对填充后的表面进行平坦化，为后续结构的制作提供平坦的表面。同时要求将掩埋在低熔点合金牺牲材料中的有效结构上表面7暴露出来，才能够和后续结构形成可靠的连接。

[0054] 5、如图6所示，在平坦化后的牺牲层表面制作需要的各种结构8，与步骤1中的基底结构形成悬置或封闭的腔体；如为封闭的腔体，需在合理的位置布置适当大小的释放孔，以便低熔点合金的有效去除。

[0055] 6、如图7所示，选择性的去除低熔点合金牺牲层。制作悬浮或最后封闭结构层后，使用化学腐蚀的方法去除悬浮结构下或空腔中的低熔点合金牺牲材料。如需要，可进一步使用对应溶液去除所述的过渡层金属。

[0056] 如图1所示，所述方法还包括：在步骤1和步骤2之间的步骤还包括：设置使低熔点合金分布均匀的辅助结构。

[0057] 如图2所示，所述方法还包括：在步骤1和步骤2之间的步骤还包括：在低熔点合金与基片、辅助结构和有效结构接触表面设置过渡金属层。

[0058] 本发明所涉及低熔点合金牺牲层材料成本低廉，牺牲层厚度可达500微米以上，并可快速有效的去除，并与有机物兼容。基于该牺牲层工艺的微机械结构制作方法操作简单，工艺周期相对于常用薄膜沉积方法缩短4倍。