一種類金剛石碳微懸梁臂及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微機電系統(MEMS)及微加工領域，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】
[0002]微懸梁臂是MEMS里面一種非常重要的執行器，加上靜電、壓電等驅動單元后被廣泛應用于生物、化學、藥學、健康醫療、汽車等領域，其作為主動光學元器件的調制單元，也具備制備簡單、片上可集成等諸多優點。傳統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，其中以硅的應用最為廣泛。硅在MEMS很多應用領域具有很好的力學與電學特性，而且硅材料與傳統半導體工藝兼容，在成本控制、工藝成熟度方面具備很大優勢。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)通常內部應力較大，影響其機械特性與穩定性；聚合物(polymer)等材料則在熱膨脹系數、導電特性等方面具有局限性。目前，很多MEMS傳感應用，都以開發一種參數調節彈性大、各方面性能可彌補現有材料特別是硅材料的不足方面的材料與工藝為目標，獲得高性能的微懸梁臂MEMS執行器。而DLC在各方面都表現出色，包括楊氏模量、硬度、穩定性、熱膨脹系數、導電性等。但是目前DLC的制備工藝繁多，各種工藝制作出來的DLC性能各異而且大部分工藝制作出來的DLC結構松散，抗腐蝕性能較差，無法滿足傳感平臺工作環境復雜等應用需求。
[0003]因此，現有技術存在缺陷，需要改進。

【發明內容】

[0004]本發明所要解決的技術問題是:提供一種具有高楊氏模量、高硬度、耐腐蝕性好、低熱膨脹系數的類金剛石微懸梁臂及其制備方法。
[0005]本發明的技術方案如下: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]應用于上述技術方案，所述的類金剛石碳微懸梁臂中，過渡層包括設置在硅襯底上的第一過渡層和設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，對真空腔抽真空；步驟三:通入氬氣，打開直流或者脈沖電源，對硅晶圓進行等離子體清洗；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:通入反應氣體，打開脈沖電源，在過渡層的表面進行高能量脈沖式磁控濺射，形成DLC薄膜層；步驟六:關閉濺射陰極及電源，關閉氬氣與反應氣體，充入氮氣，取出樣品；步驟七:用丙酮/異丙酮(IPA)/去離子水清洗樣品，對光刻膠進行剝離；步驟八:在硅晶圓背面旋涂上光刻膠作為保護層，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]應用于各個上述技術方案，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，光刻時所使用的光刻膠為負膠。
[0009]應用于各個上述技術方案，所述的制備方法中，步驟二中，對真空腔抽真空時，使真空腔的真空度低于8E-5Torr。
[0010]應用于各個上述技術方案，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，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]應用于各個上述技術方案，所述的制備方法中，步驟五中，在過渡層的表面進行高能量脈沖式磁控濺射時，所采用的脈沖電源的脈沖開/脈沖關的占空比為10~80us/100~300us，平均功率密度5~25kW/m2，DLC/C復合層的沉積率為0.8-1.5微米/小時，沉積時間為1~2小時。
[0012]應用于各個上述技術方案，所述的制備方法中，步驟五中，通入的反應氣體為甲烷(CH4)或者乙炔(C2H2)，并且，進行高能量脈沖式磁控濺射時，通入濺射氣體氬氣(Ar)，濺射氣壓為 1.5E-3~6E-3Torr0
[0013]應用于各個上述技術方案，所述的制備方法中，步驟八中，所采用的KOH濃度為15~20%，刻蝕時間為25~30小時。
[0014]應用于各個上述技術方案，所述的制備方法中，在執行步驟四和五的過程中，還對樣品施加偏置電源，其中，偏壓電源的脈沖時間為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，本發明具有的優點在于:
(I)微懸梁臂由DLC薄膜層構成，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，調整微懸梁臂的尺寸可獲得超過10MHz的本征震蕩頻率。這個特點應用在光學調制方面可以制作相對高速的光學器件。
[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。這個優點對于工作在復雜環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較低，DLC材料在高溫化學性能穩定，導熱性能優良，因此器件受外界環境變化干擾較低，能長時間穩定工作。
[0018](4)DLC微懸梁臂制作工藝簡單，所述高能量脈沖式磁控濺射設備可以在傳統設備上改裝而成，成本相對低廉。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是本發明中高能量脈沖式磁控濺射脈沖的形狀示意圖；
圖3是本發明中DLC薄膜層的XPS測試結果圖；
圖4是本發明DLC薄膜層在電子顯微鏡下的橫截面圖；
圖5是本發明的電學性能測試曲線圖。
【具體實施方式】
[0020]以下本發明結合附圖進行詳細說明。
[0021]本發明利用高能量脈沖式磁控濺射技術，優化了傳統DLC薄膜的機械特性與致密性，制作而成的DLC微懸梁臂具有優良的機械、電學與熱學特性，而且這些特性可以通過調整磁控濺射過程的脈沖波形來調整。
[0022]實施案例一:
本實施例提供一種類金剛石碳微懸梁臂及其制備方法，通過優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設置硅襯底4上表面，第二過渡層2設置在第一過渡層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，對真空腔進行抽真空，直至腔內真空度低于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靶擋板關閉，真空腔體氣壓穩定在4E-3Torr，打開直流電源，設定電壓460V，等離子體點著后電流為
0.4A。在此設定下對樣品進行5分鐘等離子體清洗。
[0025]步驟四:在步驟三的設定下，打開Ti靶擋板，同時打開連接樣品基座的偏置電源，設定電壓為50V，電流讀數0.2A，脈沖寬度0.8us，脈沖頻