镀膜涂层加工领域 百腾在Parylene等特殊涂层领域具有强大的开发创新能力,拥有成熟稳定的生产工艺以及面向全球的市场运营能力
派瑞林镀膜技术在微电子领域的应用(上)
发布时间:2022-02-10 16:13:12 点击次数:1174

近年来,新型的聚合物被广泛应用于MEMS微传感器和微执行器上。相比于硅、多晶硅等传统的MEMS材料,聚合物不仅具有柔韧的特性,而且有较好的机械特性、低成本、易制作等优点。常用到的聚合物材料有PDMS、SU28、PMMA、Parylene等其中,派瑞林(Parylene以其优良的电性能已经广泛应用在微电子产业和医疗产业中。

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派瑞林(Parylene)是在室温下沉积而成,透明且具有良好的机械强度,材料无应力,与集成电路制造工艺相兼容,同时具有很好的生物相容性。随着MEMS技术的进一步发展,Parylene以其特有的优点越来越受到MEMS领域的青睐,应用到从微结构到集成微流体系统中。

 

本次就派瑞林(Parylene)在MEMS方面的应用对近几年的成果作一简要的总结,介绍了派瑞林(Parylene)薄膜材料,包括制备工艺和图形化方法。着重介绍了派瑞林(Parylene)在MEMS的应用,主要包括微阀、微泵和微通道等微流体系统以及人工耳蜗、视网膜假体等可植入微系统。

 

派瑞林(Parylene)介绍

派瑞林(Parylene)是一种对二甲苯的聚合物,最早由MichaelMojzeszSwarc在1947年发现,1965年Wil2liamFGorham发展了一种可行的聚合物沉积系统之后,由美国UnionCarbide公司商业化的一种新的敷形涂层材料。派瑞林(Parylene)薄膜是一种无支链、高结晶、分子量超过50万的聚合物。根据分子结构的不同, 派瑞林(Parylene)可分为N、C、D、AF4型等多种类型,主要区别在于分子上取代基不同,分子式的不同也决定了其热稳定性能和绝缘性能等有所不同。其中,ParyleneC薄膜涂层是目前使用最广泛的一种。Parylene薄膜具有防潮、绝缘、耐腐蚀、生物相容性、无针孔涂层、良好的机械性能和热稳定性,广泛应用在航空、航天、军工、微电子、半导体、医疗、文物保护等领域。

 

派瑞林(Parylene)的主要特征

派瑞林(Parylene)的制备采用化学气相沉积工艺(CVD),其原料是对二甲苯环二聚体(不同类型的Parylene对应不同取代基的聚对二甲苯环二聚体原料)。制备的沉积过程大体可分为三步:首先在真空,150下将固态原料升华成气态;二聚体气体进入裂解腔,在650下,二聚体的分子被断开,裂解成具有反应活性的单体;最后在室温的真空沉积室里,派瑞林(Parylene)气态单体在器件的表面上沉积并聚合。其他粉材如D、N、F、AF4型粉材类型的派瑞林(Parylene)制备过程类似。

在沉积过程中,气态单体进入沉积腔室,首先扩散至沉积表面附近,吸附到各个表面后,开始聚合和结晶,直接形成固体,避免了液相的出现,消除了涂层厚度不均匀和其中的缺陷。通过沉积能够渗透和涂覆非常复杂的几何图形的物体,包括尖锐的棱边、裂缝里和内表面,实现均匀的涂层。Parylene薄膜能在室温下涂覆,具有较低的热应力,整个操作过程简单,沉积厚度由其应用所决定,范围从几十个纳米到数十微米。

 

派瑞林(Parylene)在MEMS的应用

派瑞林(Parylene)在MEMS领域的应用在90年代后期得到了快速的发展,派瑞林(Parylene)由于其特有的优点,在微器件的制作中作为结构材料使用,如基于派瑞林(Parylene)的加速度计和眼内压力传感器等,也有报道将派瑞林(Parylene)处理后作为牺牲层使用。下面,主要对派瑞林(Parylene)作为结构材料在微流体系统和可植入系统两方面的应用作一介绍。

 

1 微流体系统

微流体系统是MEMS的一个重要部分,近年来随着生命科学的发展,进一步促进了微流体系统的快速发展,通过微加工工艺制作的微流体器件,广泛应用于生命科学领域,如微量配给、微量注射、微分析系统、芯片实验室等。派瑞林由于其较低的杨氏模量和液/气渗透率、无应力均匀覆盖性和化学惰性,广泛应用在微流体器件中,如派瑞林微阀、质谱分析的派瑞林微喷嘴、自适应流程控制的派瑞林扑翼、派瑞林电泳微通道、派瑞林气相色谱柱、派瑞林微泵等。下面主要对基于派瑞林的微阀、微泵、微通道器件在近年来的发展作一介绍。

 

1.1 微阀

阀门是实现流体控制的基本元件,传统的微型阀可以分为被动阀和主动阀两种。X.Yang等人制成了采用热驱动的微阀。它由4个部分组成:阀座、硅树脂橡胶/派瑞林薄膜、加热芯片和后背板。阀座的设计能够防止微粒引起的泄漏,工作液体为Fluori2nertTMPF25060。微阀在进口压力为165kPa时,61mW的功率能够产生N21.1L/min的流速。在进口压力为483kPa时,微阀没有任何的损坏。在输入功率为100mW时,膜产生了大于120μm的偏转。由硅树脂橡胶和派瑞林薄膜组成的复合物膜,有效地防止了蒸气的泄漏,同时保证了薄膜具有较大的冲程。

 

由加州理工Y.C.Tai等人研制了两种基于派瑞林薄膜的高性能止回阀。第一种为派瑞林扭曲膜微型止回阀。微阀具有扭曲型的派瑞林膜,当有流体顺流时,派瑞林薄膜抬起,允许流体通过;当有流体逆时,派瑞林薄膜封住了通道阻止其流动。该结构的微阀顺流冲破压力小于0.5kPa,逆流的制止压力达600kPa以上,同时具有较低的反向泄漏,性能非常好。由于派瑞林较小的杨氏模量,产生了较大的变形,基本可以忽略由薄膜引起的流体阻抗。

 

第二种为单通道常闭微止回阀,整个微阀和微通道都是由派瑞林C制成的,其结构为在圆形阀座上的一个圆形的密封板。密封板是固定在子腔薄膜的顶部中心,由于大气压强使子腔压缩到底部,从而获得微阀的闭合模式。这种新型的子腔结构是通过牺牲层结构的释放和在真空条件下派瑞林薄膜的气相沉积来实现的。通过减小密封板和阀座的重叠面积和溅射金属金来减小静摩擦力,从而减小顺流冲破压力。据报道,此种结构的微阀的顺流冲破压力为20~40kPa,在逆流压力为270kPa也不会出现可见的泄露现象。

 

K.S.Ryu等人发展了一种能用热气驱动和静电驱动的微阀,微阀薄膜采用派瑞林制成,相对于只有静电驱动的微阀,驱动电压从幅值180V降为45V,通过增加电压和减小电极之间的间距可以有效地减小反向泄漏。

 

1.2 微泵

微型泵是微流动系统的一个重要执行器件。根据其有无可动阀片,微型泵可分为有阀微型泵和无阀微型泵。

 

G.H.Feng等人制作了一种单向阀型压电驱动微泵,通过石蜡成型技术将隔膜设计为拱形,同时微阀和隔膜由聚合物派瑞林制成,保证了隔膜较大的形变以产生较大的泵送效率。微泵采用压电ZnO薄膜来驱动Parylene拱形隔膜,以此驱动两个派瑞林微止回阀来实现泵送流体。实验表明,该泵具有功率低(如对于5.5mm)直径的隔膜,工作频率在30kHz,泵送水速度为1μL/min,功率仅为1mW)和批量加工的优点,对于悬臂梁式微阀的微泵,在400Pa时,有较小的泄漏产生,而对于桥式微阀的微泵,在反向压力为800Pa时,几乎没有泄漏产生。

 

C.L.Chen等人在Parylene衬底上制作的电液动力(EHD)微泵,电极采用锯齿形,间距为20μm,电极宽度为10μm,微通道采用SU28制作。实验表明,以异丙醇为工作液体,当施加电压为20V时,液体流速为190mm/min,在施加电压为30V时,泵送压力为490Pa,同时具有较低的功率。

 

1.3微通道

H.S.Noh等人采用Parylene的热键合工艺来制作Parylene微通道,首先采用深反应离子刻蚀制作硅微通道,然后沉积派瑞林C在硅微通道上,同时Parylene沉积在纯铁片上,在其上制作金电极,最后在200真空箱内将Parylene键合,剥去纯铁片以及采用lift2off工艺释放Parylene微通道。用这种方法,通过控制Parylene沉积的厚度,可以在相同的硅模微通道上制作不同深宽比的Parylene微通道,同时也可以制作多层结构微通道。应用此方法制作的各种微通道(所有微通道的内径为80μm宽、50μm深、壁厚为10μm)。通过此方法,可以快速低成本地制作Parylene微通道,并通过释放工艺可以获得很好的Parylene微通道,同时可以重复使用硅模,广泛用于气相色谱分析等微流体系统分析中。

 

以上是百腾小编分享的派瑞林镀膜技术在微电子产业中的镀膜防护应用,派瑞林由于其优异的性能,逐渐成为MEMS领域青睐的聚合物材料。派瑞林通过CVD真空镀膜制备,材料具有无应力、无针孔覆盖和良好的生物相容性等优异的特性。下期小编将会分享瑞林镀膜技术在医疗产业中的镀膜防护应用。

 

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