DLC膜用于解决MEMS黏附问题研究

　　0　引　言

　　在微机电系统(MEMS)的制造和使用中,微构件间的黏附已成为影响MEMS成品率和可靠性的主要原因之一.如何解决黏附问题已成为MEMS领域的研究热点[1、2].要克服黏附问题,人们首先容易想到的是在构件结构设计和制作工艺方面做些调整,但往往收效不大.从概念上分析,降低易黏附构件的表面能应是最基本的措施[3].表面改性是一种降低表面能的有效方法.类金刚石(diamond-like carbon, DLC)膜具有较低的表面能、可以在低温下制备以及可以采用反应离子刻蚀工艺图形化[4],使得采用DLC膜进行表面改性技术在解决MEMS黏附问题上有着潜在的应用前景,但这方面研究工作的报道很少.特别是对于悬臂梁等构件,要防止悬臂梁和基底间的黏附,需要对悬臂梁的下表面进行改性,这在改性技术和MEMS制造技术两方面都有一些工艺问题需要研究解决.

　　本文对MEMS中存在的黏附问题进行探讨,采用牺牲层技术和在多晶硅悬臂梁下表面制备DLC膜改性技术来防止黏附,并通过扫描电子显微镜(SEM)表征未发生黏附的悬臂梁最长长度,同时利用原子力显微镜(AFM)测量硅和DLC膜表面的黏附力,分析DLC膜在解决多晶硅悬臂梁黏附问题中的作用.

　　1　MEMS中黏附问题

　　在MEMS微结构制作工艺中,由于微结构表面积与体积比相对增加,结构间距离处于微纳米量级,表面作用力对微结构的影响显著增强,微结构受到的表面作用力主要包括毛细引力、静电力、范德华力、固体间桥联力(solid bridging)和氢键力[5]等.在微结构清洗干燥过程中,截留在结构间隙处液体的表面张力引起毛细引力(Fc);在微结构使用过程中,由于湿气在结构间隙处吸附形成液桥,也会引起毛细引力.图1是液体毛细引力的示意图,毛细引力的大小可以通过下面公式[5]计算:

　　2.2　悬臂梁阵列的表征

　　采用扫描电子显微镜观察多晶硅悬臂梁阵列发生黏附的情况,测量未发生黏附的悬臂梁最长长度.原子力显微镜测量硅和DLC膜表面的黏附力的实验在超净实验室中进行,硅探针缓慢压在固体表面上,然后,探针向上移动与固体表面分离,通过压入和分离过程中法向力随位移变化表征固体表面的黏附力.

　　3　结果与讨论

　　多晶硅悬臂梁阵列黏附情况如图3所示,衬底上有DLC膜时,未发生黏附悬臂梁的最长长度统计平均值约为145μm,而没有DLC膜时,平均值不到80μm,可以看出通过沉积DLC膜在一定程度上减轻了多晶硅悬臂梁的黏附.

　　沉积DLC膜主要是考虑消除或减弱微构件间的毛细引力和固体间作用力的作用.在多晶硅悬臂梁结构从去离子水中取出,进行干燥过程中,在悬臂梁与衬底之间形成液体半月面(如图1),产生毛细引力. DLC膜接触角在90°左右,表现为疏水性,而氧化性硅表面的接触角在0～30°.把接触角的值代入式(1)进行比较可知,没有DLC膜时,两个表面都是亲水性的;有DLC膜时,悬臂梁背面亲水,而衬底表面疏水,有效地降低了微构件间的毛细引力.