硅基PZT壓電薄膜微傳感器的關鍵技術研究.pdf

1、集成電路技術的發(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)行器技術的研究比較薄弱，適用于芯片系統(tǒng)結構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、結構和與CMOS兼容的加工技術等基礎研

2、究，在此基礎上實現壓電薄膜微壓力傳感器和微型開關樣品的研制。 本論文的主要研究工作如下： 1.分析研究了MEMS技術的材料和現狀，尤其是對MEMS系統(tǒng)的常用材料、分析設計和微加工技術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器件設計奠定理論基礎。 2.系統(tǒng)地研究了MEMS微傳感器的核心技術一微傳感器結構與驅動技術，在對多種微傳感器及其相應驅動方案的結構、原理和關鍵工藝技術進行分析的基礎上

3、，選定了硅基壓電薄膜直接驅動雙晶片微懸臂梁結構的微傳感器單元做為研究重點，并設計出了硅基壓電薄膜微傳感器的基本結構。 3.在壓電原理和材料力學理論的基礎上，采用簡化的等效微器件結構建立了數學分析模型，并利用有限元軟件ANSYS對壓電薄膜微懸臂梁結構進行了性能模擬(包括力一電壓關系和電壓一位移關系)和優(yōu)化設計。在1 u N級的外力和相應位移作用時，其輸出電壓可達數十mV，而在2V驅動電壓時，微懸臂梁端頭位移可達數十u m以上，并隨

4、外力的頻率有相應的變化，這證明了該結構兼具微傳感器/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鍵工藝進行了系統(tǒng)的研究，包括多晶硅結構層的應力控制問題、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，孔結構分布規(guī)則均勻，孔徑比較小(在u m數量級)，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，其生成的深度和時間基本上呈線性關系，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薄膜進行再結晶處

7、理。實驗結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MEMS工藝和標準硅基IC工藝的特點，獲得了壓電薄膜微結構加工的關鍵工藝技術及典型工藝條件，確定了壓電薄膜微傳感器/微執(zhí)行器結構的13步系統(tǒng)工藝流程，研制了相應的四塊光刻版。通過對結構和版圖的改進，較好地克服了電極圖形化后PZT結晶性能差、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)行器結構樣品。 最后對