镍钛合金形状记忆薄膜的化学刻蚀[1]

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1、1999年微　细　加　工　技　术№.3第3期MicrofabricationTechnology1999文章编号:100328213(1999)0320020207镍钛合金形状记忆薄膜的化学刻蚀丁桂甫,徐东,赵小林,张寿柏,蔡炳初,沈天慧(上海交通大学信息存储研究中心薄膜与微细加工开放实验室,上海200030)摘要:镍钛合金形状记忆薄膜的图形化技术曾是其实用化的主要障碍之一,现在,一种工作性能优越的化学刻蚀液可以实现薄膜的高精度图形化,该刻蚀液常温工作,性能稳定,刻蚀速率在1～5微米ö分之间均可得到满意的刻蚀线条。常规制作

2、的光刻胶掩模在该刻蚀液中非常稳定。该刻蚀液用于溅射态的形状记忆合金薄膜可得到与掩模图形完全一致的刻蚀结果,刻蚀线条光滑平直,刻蚀系数大于115。当用于热处理以后的薄膜时,刻蚀面有一定程度的粗糙化,只能用于刻蚀相对较粗的线条,这是热处理后薄膜中晶粒与晶界刻蚀速率不同所致。用该刻蚀液图形化的形状记忆合金薄膜驱动机构已成功用于微泵制造,所制作的微泵流量达到200微升ö分钟以上。关键词:形状记忆合金薄膜;化学刻蚀;微驱动机构;微泵+中图分类号:TN304·D55,TN405.983文献标识码:A1　引言形状记忆合金薄膜(特别是镍钛

3、系列)被认为是毫米到微米尺度上微驱动器驱动机构的最〔1〕好选择之一。与常见的电磁、静电、压电、热膨胀及固溶体相变等原理驱动的微执行器相比,单位体积形状记忆合金薄膜的驱动能量高且位移大,除此之外,还具有回复应力大、工作电压低、结构简单、寿命长、对人体无毒害等优点。由于可以在硅基体上制作镍钛合金形状记忆薄膜微驱动器件,因此易于与控制回路集成为一体,进行低成本批量生产。所以,作为微驱动器的驱〔2〕动机构,形状记忆合金薄膜具有诱人的前景,然而,镍钛系合金薄膜的图形化比较困难,被认〔3〕为是阻碍其广泛应用的主要技术障碍之一。〔4〕湿

4、法化学刻蚀是最为常见的薄膜材料图形化技术手段之一,含有氢氟酸和硝酸的稀溶〔5,1〕液被推荐用于镍钛合金薄膜的化学刻蚀。该方法用高温固化的光刻胶作掩模,但在上述刻蚀液中不够稳定;加上刻蚀速率不够快,容易造成掩模过早损坏,图形化效果不够理想。然而在收稿日期:1999201218作者简介:丁桂甫,男,1963年生,现任上海交通大学副教授,从事电化学微加工和化学电源研究;徐东,女,1957年生,高级工程师,从事功能薄膜材料和微驱动器系统研究;赵小林,男,1953年生,上海交大信息存储中心副主任,实验室主任,从事微细加工技术研究工作

5、。20©1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net没有更多选择的情况下也经常为微器件研制者试用。〔1〕在化学刻蚀难以得到满意结果的情况下,有的研究者又用起了早期遮挡式硬掩模技术,然而这实在是无奈的选择,不但掩模制作困难,而且难以得到细微精致的图形,还有可能在溅射沉积较厚薄膜时造成掩模上下金属膜的粘连而导致脱模失败。使用干法刻蚀技术直接刻蚀镍钛合金薄膜以解决图形化问题也比较困难,因为若

6、用一般的离子铣(Ionmilling)技术完成几个微米(一般大于5微米)厚Ni2Ti合金膜的刻蚀需要很长时间,掩模材料也较难选择;若用反应离子刻蚀,则很难找到对Ni和Ti两种元素同时有效的反应气体。另外干法刻蚀还有可能导致杂质元素引入记忆合金薄膜而影响记忆效应。〔3〕Y.Nakamura等人以金属铬薄膜作过渡掩模,用反应离子刻蚀聚酰亚胺薄膜制作形状记忆合金薄膜的掩模图形,然后在掩模的空白处沉积镍钛合金薄膜,最后再用KOH溶液去掉图形中尚存的聚酰亚胺以达到脱模的效果,虽然该方法利用过刻蚀聚酰亚胺可以避免掩模上下沉积膜的贯通,

7、但图形复制的精度降低了,工艺复杂,成本很高;还有一种可能,作为掩模的聚酰亚胺在Ni2Ti合金溅射沉积中会污染记忆合金薄膜,有可能影响其记忆功能。〔4〕与上述非化学刻蚀方法相比,湿法化学刻蚀具有明显的优势,它仍有可能作为Ni2Ti系形状记忆合金薄膜图形化的较好选择,关键在于寻找性能优越的刻蚀液。我们以含特定氧化剂的氢氟酸溶液为基础,配以经大量筛选产生的掩模稳定剂、刻蚀增速剂以及刻蚀面平滑促进剂等数种功能性添加剂组成一种全新的镍钛合金化学刻蚀液,该刻蚀液中掩模光刻胶无需高温固化即十分稳定,对溅射态的Ni2Ti合金薄膜可以得到与

8、掩模图形完全一致的平滑刻蚀边界,用该刻蚀液完成图形化的镍钛合金薄膜所驱动的微泵已制作完成,工作性能优异。本文介绍该刻蚀液的优越工作性能。2　实验方法实验所用的形状记忆合金薄膜是用日本Anelva公司SPF2210磁控溅射台沉积的镍钛合金薄膜,成份为富钛型。溅射态的镍钛合金薄膜为非晶态,经600℃热处理1