一种用于柔性MEMS器件的转印工艺方法与流程

本发明属于半导体/mems制造工艺技术领域，是一种通过改进牺牲层和工艺条件以提高多层微结构转印成功率的工艺方法，适用在柔性mems器件的转印工艺流程中。

背景技术：

可延展柔性mems电子器件将无机电子材料与柔性基体巧妙结合，既保持了无机电子材料优越的电学性能，又具备良好的延展性，在显示、能源、医疗健康、人机交互等领域具有广泛的应用前景。但是无机电子材料无法在柔性基体上直接生长和加工，为解决这一难题，研究者发展了转印技术，将无机薄膜从其生长基体上剥离并印制到柔性基体上，因此随着柔性mems器件的兴起和发展，转印技术已经成为决定柔性mems器件制造成功率的关键工艺。而由于某些脆性微结构在转印工艺的复杂环境下极其易于失效，导致转印工艺的成功率一直以来都很低。

目前常用的转印工艺有印章转印法、胶带转印法等。在水溶性胶带转印法中，由于胶带有很强的黏附，可很容易地将器件从施主基体上剥离下来，然后通过水或其他溶剂对胶带界面或整个胶带进行处理，使胶带界面或胶带本身发生化学反应失去黏附力，从而实现印制，来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究者利用水溶性胶带制备了柔性电池。基于热释放胶带的转印技术，则是通过加热处理，使胶带界面或胶带本身发生化学反应失去黏附力来实现转印过程，来自斯坦福大学的研究者通过热释放胶带转印了硅纳米线。高聚物印章转印技术主要通过拾取和印制两个过程将器件从施主基体上转印到柔性受主基体上，来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的canandagdeviren等人以sio2作为牺牲层，通过湿法腐蚀释放、pdms印章转印的方法制作了柔性能量收集器。

热释放胶带转印法对转印温度和时间的精确把握要求较高；水溶性胶带遇水会分解，但有少量残留物残留在结构表面，污染结构；pdms是柔性转印工艺中最广泛应用的印章材料，工艺可行性最高，但传统的转印工艺往往以sio2为释放工艺的牺牲层，而在多次实验中发现以sio2作为牺牲层时释放时间过长，导致器件结构由于在hf酸缓冲液中浸泡时间过长而失效，且在印制的过程中，器件与柔性受主衬底的黏附力太弱。因此，提出一种以pecvd沉积的sinx作为牺牲层的转印工艺方法，大大缩短了湿法腐蚀的释放时间，并在印制的过程中对pdms印章和柔性聚酰亚胺衬底加温加压，以增强柔性mems器件结构与柔性聚酰亚胺衬底在印制时的黏附力，从而有效提高转印成功率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种以pecvd沉积的sinx作为牺牲层的pdms印章转印工艺方法，缩短湿法腐蚀释放的时间以避免器件结构由于在hf酸缓冲液中浸泡时间过长失效。并在印制的过程中对pdms印章和柔性聚酰亚胺衬底加温加压，以增强在印制时柔性mems器件结构与柔性聚酰亚胺衬底的黏附力。

本发明的技术方案：

一种用于柔性mems器件的转印工艺方法，步骤如下：

步骤一，在单晶硅片上利用pecvd沉积一层厚度为0.6-1.2μm的sinx牺牲层薄膜；

步骤二，在sinx牺牲层薄膜上制作柔性mems器件结构(以下简称为器件结构)，然后在已制作好的器件结构表面，通过旋涂(500-700r/min旋涂9s，2500-3000r/min旋涂25-30s)、前烘(温度为100-120℃，时间为3-5min)、氮气烘箱固化(固化采用阶梯烘，其温度为50℃、30min，140℃、30min，350℃、60min，整个固化过程的升温速率为3.5℃/min，并在氮气的保护下进行，固化完成后随炉冷却)工艺制作一层聚酰亚胺绝缘层并露出电极引线孔，最后旋涂一层光刻胶(500-700r/min旋涂9s、2500-3000r/min旋涂25-30s)以保护器件结构不被hf酸缓冲液腐蚀；

步骤三，用10-15wt％的hf酸和nh4f配置hf酸缓冲液，nh4f的浓度为0.04-0.05g/l；

步骤四，在柔性聚酰亚胺衬底上旋涂(500-700r/min旋涂9s，4000-5000r/min旋涂25-30s)一层聚酰亚胺前驱体，以增强印制时器件结构与柔性聚酰亚胺衬底的黏附力；

步骤五，制作1-2mm厚的pdms印章，并分割成尺寸为1.5cm*1.5cm的小块；

步骤六，将hf酸缓冲液水浴加热至35-45℃，将步骤二得到的制作在sinx牺牲层薄膜上的器件结构放入hf酸缓冲液中腐蚀sinx牺牲层薄膜进行释放，实时观察sinx牺牲层薄膜的腐蚀情况，待器件结构完全从sinx牺牲层薄膜上释放下来后，记录释放的用时，夹住硅片并拖起器件结构；

步骤七，用滤纸吸去器件结构上残留的hf酸缓冲液，用pdms印章拾起器件结构，然后将带有器件结构的pdms印章紧贴在步骤四得到的旋涂有聚酰亚胺前驱体的柔性聚酰亚胺衬底表面，同时加温(100-120℃)加压(压强为200-300pa)并计时，到时间(10-15min)后缓慢揭下pdms印章完成印制；

步骤八，在氮气烘箱中固化旋涂在柔性聚酰亚胺衬底表面的聚酰亚胺前驱体(固化过程中温度时间关系同步骤二)，最后在丙酮中去掉顶层保护光刻胶，完成转印工艺。

本发明的有益效果：通过以pecvd沉积的sinx作为牺牲层，大大缩短了湿法腐蚀释放时间，并在印制的过程中对pdms印章和柔性聚酰亚胺衬底加温加压，增强了器件结构与柔性聚酰亚胺衬底在印制时的黏附力，从而有效提高转印成功率。

附图说明

图1为转印工艺步骤图；

图2(a)为释放前器件结构的显微照片，图2(b)为释放后硅衬底的显微照片；

图中：1-光刻胶(bp212)；2-上电极(cr/au)；3-pzt；4-下电极(ti/pt)；5-聚酰亚胺绝缘层；6-sinx牺牲层；7-硅衬底；8-pdms印章；9-聚酰亚胺前驱体；10-柔性聚酰亚胺衬底。(注：在本专利中将2、3、4总称为器件结构)

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式：

一种用于柔性mems器件的转印工艺方法，具体步骤如下：

步骤一，如图1步骤①中所示，在清洗完毕的2英寸单晶硅片上利用pecvd沉积一层sinx牺牲层薄膜，其中nh3和sih4的通入比例为8:1，反应温度为450℃，反应压力为160pa，沉积速率1nm/s。沉积完毕后测量其厚度，本实例中sinx牺牲层的厚度为0.8μm；

步骤二，如图1步骤①中所示，在sinx牺牲层上制作底电极ti(50nm)/pt(200nm)-pzt(500nm)-上电极cr(10nm)/au(100nm)三层器件结构，在已制作好的器件结构表面通过旋涂(低速600r/min，匀胶时间9s，高速3000r/min，匀胶时间30s)、前烘(温度为120℃，时间为3min)、氮气烘箱固化(固化采用阶梯烘，其温度为50℃、30min，140℃、30min，350℃、60min，整个固化过程的升温速率为3.5℃/min，并在氮气的保护下进行，固化完成后随炉冷却)等工艺制作一层pw-1500s型聚酰亚胺绝缘层并露出引线孔，最后旋涂(低速600r/min，匀胶时间9s，高速2600r/min，匀胶时间30s)一层bp212光刻胶盖住引线孔并进行前烘(温度为85℃，时间30min)、显影、后烘(温度为85℃，时间30min)，保护器件结构免于受到hf酸缓冲液的侵蚀；

步骤三，用10wt％的hf酸和nh4f配置hf酸缓冲液(每10mlhf酸中加入4.6gnh4f)，准备塑料器皿以盛放hf酸缓冲液；

步骤四，用金刚石笔和镊子沿晶向分割硅片以适应所用的塑料器皿，并在分割硅片时保证不伤到硅片上制作好的器件结构；

步骤五，准备厚度为75μm的柔性聚酰亚胺衬底，裁至2cm*3cm的大小后将其用细胶带粘至玻璃片上，然后在柔性聚酰亚胺衬底上旋涂(低速600r/min，匀胶时间9s，高速5000r/min，匀胶时间30s)一层pw-1500s型聚酰亚胺前驱体，以增强印制时器件结构与柔性聚酰亚胺衬底的黏附力；

步骤六，制作1mm厚的pdms印章，并分割为1.5cm*1.5cm的小块；

步骤七，如图1步骤②中所示，将hf酸缓冲液放入塑料器皿中，并水浴加热至39℃，把制作在sinx牺牲层上的器件结构放入hf酸缓冲液中，计时并观察器件结构的释放情况，待器件结构完全从牺牲层上释放下来后，用镊子夹住硅片小心拖起器件结构。在该实例中以pecvd沉积sinx作为牺牲层的释放时间为8min，同时采用了以干氧氧化的厚度为0.8μm的sio2作为牺牲层和以pecvd沉积的厚度为0.8μm的sio2作为牺牲层的实验片进行对比，记录到以干氧氧化的sio2作为牺牲层的实验片释放时间为45min，以pecvd沉积的sio2作为牺牲层的实验片释放时间为30min。两种以sio2作为牺牲层的器件由于释放时间过长，尽管器件被包裹在聚酰亚胺中，但从侧隙也有少量hf酸缓冲液进入器件结构内层，对器件结构造成腐蚀。只有以pecvd沉积的sinx作为牺牲层的器件能够在较短的时间内，完整的将结构释放下来，如图2所示，图2(a)为释放前器件结构的显微照片，图2(b)为释放后硅衬底的显微照片，释放前后的对比可见，释放后的硅片上几乎没有残留；

步骤八，如图1步骤③到步骤⑤中所示，用滤纸吸去器件结构上残留的hf酸缓冲液，将pdms印章与器件结构完全接触，利用其粘性快速粘下器件结构，将带有器件结构的pdms印章印到旋涂有pw-1500s型聚酰亚胺前驱体的柔性聚酰亚胺衬底上，使其完全接触后放置在热板上加热至120℃，并在pdms印章上放置65g的质量块，10min后缓慢揭下pdms印章完成印制；

步骤九，如图1步骤⑥中所示，在氮气烘箱中固化(固化过程中温度时间关系同步骤二)pw-1500s型聚酰亚胺前驱体，然后将带有器件结构的柔性基片置于丙酮中去除顶层的光刻胶，完成转印工艺。