類金剛石薄膜的反應離子刻蝕實驗
在微機電系統(MEMS) 中,利用微電子行業中的硅集成電路工藝和技術來制備硅基微型化傳感器執行器以及微結構,在生命科學、汽車工業、航空航天、國防等領域得到廣泛應用。但硅基的微運動部件摩擦力較大,對扭矩的消耗較大,由此造成的磨損降低了部件的可靠性和使用壽命。類金剛石薄膜(diamond2like carbon films,DLC)是一種極具發展潛力的新型功能材料,具有硬度高、導熱性能好、摩擦系數小、耐磨損、耐腐蝕的特點,可在室溫下制備,能沉積在包括低熔點在內的幾乎所有基底上。在MEMS 領域有廣闊的應用前景,引起了科技工作者的廣泛興趣 。
由于類金剛石薄膜具有極高的硬度和化學穩定性,使其難以用常規的方法進行加工。目前國內外存在類金剛石薄膜圖形化的方法有:選擇性生長、模型復制、激光刻蝕和等離子刻蝕。前三種方法都存在各種難以克服的困難,如選擇性生長由于是各向同性生長,微結構的精度受到限制,尤其在生長較厚的微結構時,常會出現粘結現象;模型復制通常要破壞基體,與其它部分集成也有一定難度,后續加工也依賴于其它微加工技術,用途有限;激光刻蝕容易使金剛石薄膜發生石墨化,制備出微結構的性能降低,而且完全做到既刻蝕掉目標位置的類金剛石薄膜又不損傷基體和留下的微結構是當前一個題。等離子體刻蝕類金剛石薄膜存在很大優勢,利用低能活性氧離子與碳發生化學反應進行類金剛石薄膜圖形化,具有刻蝕率高、對基體損傷小的優點。基于此,本文對電子回旋共振(electron cyclotronresonance,ECR) 微波反應離子刻蝕類金剛石薄膜進行研究,研究了主要工藝參數對刻蝕率的影響,刻蝕出結構完整、失真度小、獨立的微齒輪,并進行了組裝。
本實驗在ECR 微波反應離子刻蝕機上進行(如圖1 示) ,該設備采用2145GHz 微波,外加磁場在ECR 區為B = 010875T,具有高的穩定性和電離率 。
圖1 電子回旋共振微波等離子體反應裝置
樣品制備工藝(如圖2 所示) :用丙酮和去離子水超聲波清洗干凈硅片后,用紅外燈烘干,利用LPP2CVD 方法制備類金剛石薄膜,然后利用磁控濺射在類金剛石膜上鍍鋁膜作為掩護層,再在上面甩一層光刻膠,經光刻、化學腐蝕,把微圖形轉移到Al掩膜上,再用反應離子刻蝕,形成所需的類金剛石薄膜微結構,最后腐蝕硅片,得到“獨立”的微器件,并進行組裝。
圖2 樣品制備工藝
利用AlphaStep2500 型臺階儀測量薄膜的刻蝕深度,用掃描電境(LEQ2S440) 和6JA 干涉顯微鏡測量微齒輪的形貌和尺寸,由于類金剛石薄膜的導電性較差,用SEM測量時,做了噴金處理。
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