一種基於深刻蝕技術的微小金屬零件製備及裝配方法
2023-05-23 01:55:26
專利名稱：一種基於深刻蝕技術的微小金屬零件製備及裝配方法
技術領域：
本發明涉及微機械加工技術，特別涉及基於深刻蝕技術的零件製備方法及基於對準鍵合技術的轉移裝配方法。
背景技術：
自20世紀80年代以來，微機電系統(MEMS)發展迅速，其應用領域逐步擴大，如微型機械、微傳感器、微驅動、微加速度計等研究已經涉及到航空航天、軍事、生物醫學工程等領域。僅作為例子，作為微執行器和傳動結構中重要部件的微型齒輪，已成功通過LIGA和精密機械加工技術製造並組裝得到微齒輪行星減速器。目前，微型零件加工的材料可分為:矽和矽化物、金屬和有機聚合物。應用矽材料加工得到的各種MEMS零器件已經廣泛用於汽車、航天等領域，但矽材料本身非常脆、易碎，因此並不適合大衝擊、大載荷等的應用；此外，在震動和摩擦的環境下，矽基器件也容易失效。正因為如此，利用金屬，這一傳統機械加工中最重要的材料，加工製備微型零件，是較理想的選擇。金屬不僅具有很好的楊氏模量和彈性，而且具備良好的延展性、導電性和很高的斷裂韌度。隨著金屬材料刻蝕技術的研究發展，使得利用金屬材料加工微型小零件成為可倉泛。伴隨著機械零件的微小型化，微型零件的低成本、批量製造及裝配技術成為微細加工領域的重要研究方向。微機械零件的加工技術，仍局限於傳統微機械加工技術，如利用微細電火花加工技術、微精細機械加工技術，不僅對設備要求高，而且單次單件的加工方式，加工成本高，可重複性低；雖然在MEMS技術領域，利用LIGA技術，成功製備出微齒輪等微機械零件，但該方法並不是直接對金屬材料進行加工，而是通過在矽、玻璃等基底上通過光刻等方法製備出零件模塊，再通 過電鍍得到金屬件。雖然實現了微機械零件的並行加工，單批次製備的零件一致性好，但LIGA技術對設備要求高，在一定程度上增加了微零件製造成本；此外，可電鍍的材料種類有限，且電鍍材料的均勻性和工藝穩定性較差；電鍍金屬不如金屬體材，如電鍍金屬孔隙率多，在一定程度上影響了微機械零件的機械性能。無論是通過微機械加工技術還是LIGA技術製備出零件，需要單件逐個裝配，而微尺度下的表面效應使得微小機械零件的拾取和放置過程難度加大，且單件逐個裝備容易誤裝、漏裝。也有一些研究人員通過利用零件有效功能結構表面處理，如靜電力、範德華力和表面張力的影響，實現零件自裝配，且定位精度高，但裝配精度與結合點尺寸成正比，要達到高精度對準就要消耗較大的面積，待裝配零件的尺寸難以進一步縮小；裝配方向性差；無法實現三維精度的對準。
發明內容
基於現有技術中存在的技術問題，本發明的目的在於提供一種基於深刻蝕技術的微小金屬零件製備及裝配方法，本發明利用金屬(鈦、鑰、鎢等)深刻蝕技術加工製備零件，並通過對準鍵合技術實現零件的轉移裝配。
1.在第一基片上，通過刻蝕、電鍍或者傳統機械加工技術，如精細電火花、雷射切割等，得到固定結構的零件部件I;2.複合基片製備:利用介質層/中間層鍵合技術，製備由零件層、中間層、支撐層組成的複合基片；3.在複合基片的零件層上，通過刻蝕得到零件部件2 ；4.在第一基片或複合基片上，包覆(噴塗、CVD等)一層介質層材料；5.第一基片和複合基片對準鍵合，實現零件部件2和部件I套準裝配；6.按零件大小，將鍵合片劃成小片；7.零件釋放，通過溼法、幹法刻蝕技術去除複合基片的中間層，及步驟4包覆的介質層材料，得到一定公差配合的微機械零件；上述步驟1、步驟3中刻蝕所需的掩膜材料可以是有機聚合物或無機物，所述的有機物例如聚對二甲苯(Parylene)、光刻膠,所述的無機物包括金屬(如N1、Al)和半導體化合物(如二氧化矽、氮化矽等)。定義掩膜圖形的方式可以為光刻、絲網印刷、雷射、刻蝕(包括溼法腐蝕和幹法刻蝕)等；上述步驟4中，提到的介質層材料可以為光刻膠、高聚物。上述步驟3中，複合基片的零件層和支撐層可以為金屬(鈦、鑰、鎢等)、玻璃等材料；複合基片的中間層可以為光刻膠、Parylene、polymer、PMMA、壓敏膠、熱敏膠等聚合物。上述步驟7中，提到的零件結構釋放，可以是先中間層釋放，使得複合基片零件層脫離支撐層，再鍵合層釋放；可以是`先鍵合層釋放，再中間層釋放；也可以是中間層和鍵合層同時釋放。與現有技術相比，本發明的積極效果為:>本發明的零件製備、裝配和釋放，可廣泛應用於MEMS微型零、器件的製備，如開關、齒輪、彈黃等；>該方法適用於圓片級的製備與裝配，可以實現大批量零件並行加工及裝配，效率高、裝配精度高、一致性高、成本低；>該方法製備、裝配的零件，一次成形，且位置固定，得到一定公差裝配的零件；>本發明的零件裝配方法，可有效減少漏裝、誤裝，且裝配設備易於操作，裝配過程簡單；>鍵合介質層的塗覆，可以固定零件，且利於後續釋放過程。
圖1 (a)-(e)為通過深刻蝕製備零件，並通過轉移實現零件裝配的流程圖；圖2為釋放後得到的零件示意圖。
具體實施例方式下邊結合附圖，通過實施例進一步對本發明進行詳細說明，但不以任何方式限制本發明的範圍。製備第一基片和複合基片所需的金屬圓片，利用線切割的方式製備出四寸金屬圓片。進行低溫真空退火以及化學機械拋光，得到500μπι IOOOym厚四寸雙面拋光金屬圓片。
I製備零件部件I在第一基片上，製備零件部件I的掩膜，通過DIRE刻蝕形成零件部件I。如圖1 (a)所示。2製備零件部件2(I)製備複合基片:使用AZ系列光刻膠作為中間粘附層，在壓力(500N)、溫度(90 100°C )條件下，將金屬圓片和襯底玻璃片鍵合在一起，然後通過拋光減薄將金屬圓片減薄到零件所需厚度，得到複合基片，如圖1(c)所示。(2)製備零件部件2在複合基片上，根據裝配設計製備零件部件2的掩膜，通過DRIE刻蝕形成零件部件2，適當過刻保證刻蝕至中間粘附層。如圖1(d)所示。3鍵合膠塗覆通過噴塗方法，在已刻蝕圖形化的第一基片或複合基片上，塗覆一定厚度的光刻膠，比如正性光刻膠，如AZ4620/9260光刻膠(6 μ m 8 μ m)，烘膠一定時間(2min 5min)，如圖1 (b)所示。4零件對準裝配使用EVG系列鍵合機，實現第一基片和複合基片對準，在一定的壓力(500N)、溫度(90 100°C )條件完成 鍵合，實現零件部件I和部件2的對準裝配；如圖1 (e)所示。5按零件單元大小，將鍵合片劃成小片。6零件釋放將裝配好的零件浸入去膠液、丙酮或者其他AZ系列光刻膠可溶溶液中，使得零件與玻璃基底的分離，並去除鍵合層光刻膠，待光刻膠完全被去除後，將零件浸入乙醇溶液中進一步清洗。至此，完成零件的釋放，得到複雜結構的微機械零件，如圖2所示。
權利要求
1.一種基於深刻蝕技術的微小金屬零件製備及裝配方法，其步驟為 1)在第一基片上製備若干固定零件部件； 2)在一複合基片的零件層上刻蝕製備用於與所述固定零件部件裝配的若干零件部件；其中，所述複合基片包括支撐層、零件層以及將所述支撐層與零件層鍵合在一起的中間層； 3)利用鍵合機將第一基片與複合基片對準鍵合，得到一鍵合片； 4)按零件單元大小對鍵合片進行劃分；然後將複合基片上的零件釋放，實現所述固定零件部件與複合基片上的零件部件裝配。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於通過DRIE刻蝕所述零件層，且刻蝕至所述中間層。
3.如權利要求I所述的方法，其特徵在於將複合基片上的零件釋放的方法為首先對所述中間層釋放，使得複合基片上的零件層脫離所述支撐層；然後對第一基片與複合基片之間的鍵合層釋放。
4.如權利要求I所述的方法，其特徵在於將複合基片上的零件釋放的方法為首先對第一基片與複合基片之間的鍵合層釋放；然後對所述中間層釋放，使得複合基片上的零件層脫離所述支撐層。
5.如權利要求I所述的方法，其特徵在於將複合基片上的零件釋放的方法為對所述中間層，以及第一基片與複合基片之間的鍵合層同時釋放。
6.如權利要求3或4或5所述的方法，其特徵在於採用溼法腐蝕技術或幹法刻蝕技術進行零件釋放。
7.如權利要求I所述的方法，其特徵在於將第一基片與複合基片對準鍵合的方法為首先在第一基片或複合基片的鍵合面上噴塗鍵合膠並烘膠設定時間，得到一鍵合層，然後利用鍵合機將第一基片與複合基片對準鍵合。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於所述鍵合膠為光刻膠。
9.如權利要求I所述的方法，其特徵在於所述零件層和支撐層為金屬材料或玻璃材料；所述中間層為聚合物。
全文摘要
本發明公開了一種基於深刻蝕技術的微小金屬零件製備及裝配方法。本方法為1)在第一基片上製備若干固定零件部件；2)在一複合基片的零件層上刻蝕製備用於與所述固定零件部件裝配的若干零件部件；其中，所述複合基片包括支撐層、零件層以及將所述支撐層與零件層鍵合在一起的中間層；3)利用鍵合機將第一基片與複合基片對準鍵合，得到一鍵合片；4)按零件單元大小對鍵合片進行劃分；然後將複合基片上的零件釋放，實現所述固定零件部件與複合基片上的零件部件裝配。本方法適用於圓片級的製備與裝配，可以實現大批量零件並行加工及裝配，效率高、裝配精度高、一致性高、成本低。
文檔編號B81C3/00GK103253628SQ20131016174
公開日2013年8月21日 申請日期2013年5月6日 優先權日2013年5月6日
發明者陳兢, 李男男, 張士斌, 孫悅, 何舒瑋 申請人:北京大學