[发明专利]一种高深宽比碳微机电器件的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳微结构器件的制备方法，具体涉及一种高深宽比碳微机电器件的制备方法。

背景技术

近年来碳材料应用于微机电系统(microelectromechanical system，MEMS)已引起了国内外众多学者的关注。碳是自然界中一种十分常见又具有特殊意义的元素，金刚石、石墨、焦碳、玻璃碳，以及具有特殊结构的巴基球(C60)和近来倍受关注的碳纳米管、碳纳米纤维等均是碳的存在形式。正因为如此，才使得碳材料被广泛应用于物理学、化学、机械学、热学、以及电子学领域。选用碳材料是MEMS发展几十年以来的又一次材料上的创新。碳材料的优势是显著的，它具有比硅更完美的晶格结构、较宽的电化学稳定窗口、化学惰性、良好的生物兼容性和导电导热性，同时其制备方法简便、造价低。已有研究表明，将光刻胶高温热解后得到的碳膜，其性质与玻璃碳(glassy carbon)相似，具有生物兼容性，在包括微电池、生物MEMS、微电化学传感器等以电极起决定作用的微型器件上有着十分广泛的应用前景。

碳材料微结构的制备起源于石油化学领域，是通过对有机气体进行高温热处理来生成碳材料；也有人使用聚焦离子束、反应离子刻蚀技术等先进工艺来制备碳结构，但这种方法既费时又昂贵。近来，一些非传统的碳结构的微制造方法已被报道。G.M.Whitesides等人在“Fabricationand Characterization of Glassy Carbon MEMS”一文(Chemistry of Materials，1997，Vol.9：1399-1406)报道了用软光刻的方法制备出了玻璃碳，他们将树脂材料(如：糠醇)在橡胶微模型里进行造型，接着将其放入惰性气氛中加热(500～1100℃)，可使之转变为玻璃碳。但这种方法仍然存在流程复杂、成本高的缺点，限制了其发展前景。

制备高深宽比微结构一直是MEMS领域的研究热点和挑战。对微电极而言，它的表面要进行电化学反应，所以高深宽比电极会带来器件性能的提升。然而目前绝大部分微电极均为低深宽比的平面电极结构，电极厚度不超过几百纳米，所以平面电极普遍存在低通量的问题。虽然过去也有许多提高平面电极通量的尝试但几乎都需要施加高电压以及复杂的工艺。而具有高深宽比的三维电极则可以轻松解决这个问题。

在MEMS制造方法中，光刻、电铸和注塑工艺(LIGA)是目前制得高深宽比三维结构最为成功的方法。由该技术所制得的三维结构器件侧壁陡峭、表面平整，厚度可达几百至上千微米。但是其所需要的同步辐射光源和特制的掩膜版十分昂贵，目前出现了一系列的LIGA替代工艺，例如使用高黏度的SU-8光刻胶制作高深宽比的微结构，见LORENZ H等人的论文“High-aspect-ratio，ultrathick，negative-tone near-UV photoresist anditsapplication for MEMS”，(Sensors and Actuators，1998，Vol.64：33-39)。理论上SU-8光刻胶可制得深宽比达20以上的微结构。除此之外，SU-8光刻胶还具有优越的性能，它不仅有良好的力学机械性能和光可塑性，还具有较好的抗腐蚀性、热稳定性。

使用SU-8光刻胶制作超高深宽比的微结构一直是一个具有挑战性的问题。目前运用的方法主要有：(1)多次曝光/显影(2)使用嵌入式金属掩膜板(3)模型法。但这三种方法均不能取得令人满意的效果。第一种方法容易导致顶层过曝光和底层过加热引起的图形失真，第二种则需要繁琐地进行光刻胶与金属交替淀积，而使用深度反应离子刻蚀(DRIE)和感应耦合等离子体(ICP)在硅基片上刻出深孔作为光刻胶微模型的方法则常出现光刻胶难以流入深孔的状况。