硅基PZT壓電薄膜微傳感器的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、集成電路技術(shù)的發(fā)展使得微電子學由電路集成進入系統(tǒng)集成時代，在集成化芯片系統(tǒng)中，不僅需要強大的信號處理、運算分析能力，同時需要感知外界信號的微傳感器和以及將運算結(jié)果作用于外界環(huán)境的微執(zhí)行器。與此同時，微傳感器和微執(zhí)行器技術(shù)的研究比較薄弱，適用于芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝兼容的微傳感器很少，已成為限制芯片系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。因此，本論文將從理論分析和實驗研究兩方面著手，開展新型壓電薄膜微傳感器/微執(zhí)行器的器件原理、結(jié)構(gòu)和與CMOS兼容的加工技術(shù)等基礎(chǔ)研

2、究，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)壓電薄膜微壓力傳感器和微型開關(guān)樣品的研制。 本論文的主要研究工作如下： 1.分析研究了MEMS技術(shù)的材料和現(xiàn)狀，尤其是對MEMS系統(tǒng)的常用材料、分析設(shè)計和微加工技術(shù)進行了較為詳細的論述，介紹了鐵電薄膜用于MIEMS的優(yōu)勢，為MEMS器件設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。 2.系統(tǒng)地研究了MEMS微傳感器的核心技術(shù)一微傳感器結(jié)構(gòu)與驅(qū)動技術(shù)，在對多種微傳感器及其相應(yīng)驅(qū)動方案的結(jié)構(gòu)、原理和關(guān)鍵工藝技術(shù)進行分析的基礎(chǔ)上

3、，選定了硅基壓電薄膜直接驅(qū)動雙晶片微懸臂梁結(jié)構(gòu)的微傳感器單元做為研究重點，并設(shè)計出了硅基壓電薄膜微傳感器的基本結(jié)構(gòu)。 3.在壓電原理和材料力學理論的基礎(chǔ)上，采用簡化的等效微器件結(jié)構(gòu)建立了數(shù)學分析模型，并利用有限元軟件ANSYS對壓電薄膜微懸臂梁結(jié)構(gòu)進行了性能模擬(包括力一電壓關(guān)系和電壓一位移關(guān)系)和優(yōu)化設(shè)計。在1 u N級的外力和相應(yīng)位移作用時，其輸出電壓可達數(shù)十mV，而在2V驅(qū)動電壓時，微懸臂梁端頭位移可達數(shù)十u m以上，并隨

4、外力的頻率有相應(yīng)的變化，這證明了該結(jié)構(gòu)兼具微傳感器/微執(zhí)行器的雙重功能和與微電子電路兼容的性能指標。 4.對壓電薄膜微傳感器制備過程中的關(guān)鍵工藝進行了系統(tǒng)的研究，包括多晶硅結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力控制問題、多孔硅犧牲層的制備、PZT壓電薄膜的制備和刻蝕、電極的剝離工藝以及工藝兼容性。 5.完成了雙槽電化學法制備多孔硅犧牲層，從其制備的多孔硅表面SEM形貌可以看出：表面均勻平整，孔結(jié)構(gòu)分布規(guī)則均勻，孔徑比較小(在u m數(shù)量級)，形成的

5、多孔硅厚度大(可達100多u m)。在多孔硅形成的大部分時間內(nèi)，其生成的深度和時間基本上呈線性關(guān)系，即在恒定電流下其腐蝕速率為一定值，且多孔硅的腐蝕速率與電流密度成正比。室溫下在極稀的弱堿溶液中就可以得到去除，腐蝕方向性好。 6.以SF6和SF6+Ar為刻蝕氣體，采用電子回旋共振(ECR)等離子體刻蝕工藝成功地對溶膠-凝膠工藝制備的鋯鈦酸鉛薄膜(PZT)進行了有效的刻蝕去除。系統(tǒng)地研究了不同氣體總流量、混合比、微波功率等因素對刻

6、蝕速率的影響，實驗指出當氣體混合比約為20％時，刻蝕速率達到最大值。XPS能譜分析表明，在SF6和SF6+Ar氣體中被刻蝕后的樣品Pb含量大大減少。SEM分析表明，刻蝕后表面光潔，僅有少量殘留物。 7.米用(H2O：HCL：HF=280ml：120ml：4drops)腐蝕液，在室溫下進行了PZT薄膜的濕法腐蝕工藝，腐蝕過程采用光刻膠作為掩蔽，未結(jié)晶的PZT薄膜可以很輕易的得到去除，圖形化效果好，將圖形化后的PZT薄膜進行再結(jié)晶處

7、理。實驗結(jié)果表明這種處理方式可以用于壓電薄膜微器件的制備。 8.根據(jù)MEMS工藝和標準硅基IC工藝的特點，獲得了壓電薄膜微結(jié)構(gòu)加工的關(guān)鍵工藝技術(shù)及典型工藝條件，確定了壓電薄膜微傳感器/微執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的13步系統(tǒng)工藝流程，研制了相應(yīng)的四塊光刻版。通過對結(jié)構(gòu)和版圖的改進，較好地克服了電極圖形化后PZT結(jié)晶性能差、極化過程中邊緣擊穿以及犧牲層釋放后梁和襯底的粘附等問題，獲得了硅基PZT壓電薄膜微傳感器/微執(zhí)行器結(jié)構(gòu)樣品。 最后對