一种制备硅微悬梁无铅压电厚膜执行器的方法

摘要

本发明公开了一种制备硅微悬梁无铅压电厚膜执行器的方法，包括：①硅片清洗，生长二氧化硅和氮化硅层；②刻蚀硅片背面腐蚀窗口后刻蚀硅微桥；③采用剥离工艺制备Pt/Ti下电极；④印刷法制备无铅压电厚膜并进行抛光；⑤沉积Au上电极并对其湿法刻蚀，最后去掉微桥一端得到悬梁。本发明的优点是：结构、工艺简单，低的驱动电压，更大的位移，响应速率快，谐振频率高；采用致密的无铅压电膜，无毒环保，符合当前电子材料与器件的发展趋势；用途广泛，可用作各种微夹持、驱动的执行部件，改变尺寸参数也可用于微传感器。

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)技术领域，特别涉及一种制备硅微悬梁无铅压电厚膜执行器的方法，所制备的无铅压电厚膜执行器具有低驱动电压、大输出位移、快响应速率和环保型的特点。

背景技术

近年来，高灵敏度微型压电传感器和执行器成为研究热点，并且是喷墨打印机打印头，高密度硬盘驱动器、高分辨超声成像传感器以及微泵等器件的关键部件。压电厚膜材料兼顾了体材料和薄膜材料的优点，与薄膜相比有更大的驱动能力，较少受界面和表面影响，具有更为明显的压电效应。与体材料相比，由压电厚膜制成的器件不仅工作电压低、响应速率更快、使用频率范围宽而且能够与半导体集成电路兼容，所以非常适合用来制作微传感以及执行器部件。

但是，目前正在应用的器件很多都是通过陶瓷减薄技术将块体陶瓷减薄得到陶瓷薄片，然后将这些陶瓷薄片组装成器件，块体陶瓷变成陶瓷薄片要经过一系列的切割打磨抛光过程要耗费大量时间，工序复杂，成本高，而且对材料浪费严重。而基于压电薄膜的微执行器件中，常采用溅射、脉冲激光、溶胶凝胶法、物理气相沉积或化学气相沉积制备压电薄膜，不但设备和原材料昂贵，而且敏感元厚度有限使执行器位移太小。

文献“Characterization of composite piezoelectric thick film for MEMSapplication.”(用于MEMS系统的复合压电厚膜)(Z.H.Wang，W.G.Zhu，C.Chen，C.L.Zhao，X.F.Chen.Surface & Coatings Technology 198(2005)384-388)涉及的用于MEMS执行器的PZT膜采用复合溶胶凝胶方法制备厚度仅为3～10μm，其输出位移仅为纳米级，而且材料中铅含量较多；文献“A multilayer thick-film PZT actuator for MEMs applications.”(用于MEMS系统的PZT多层压电厚膜执行器)(N.R.Harris，M.Hill，R.Torah，R.Townsend，S.Beeby，N.M.White，J.Ding.Sensors and Actuators A 132(2006)311-316)在氧化铝衬底上制作了单层厚度为80μm的多层执行器，采用夹层电极共烧的叠层结构，相邻两层PZT厚膜极化方向相反，从而使器件整体微驱动位移增大，但是，此结构不利于MEMS系统的集成，氧化铝衬底不利于加工，含铅PZT材料也不环保。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种制备硅微悬梁无铅压电厚膜执行器的方法，该方法可实现大阵列制备并能与微电子集成工艺兼容，所制备的无铅压电厚膜执行器驱动电压低、输出位移大、响应速率快，并且材料环保。

为实现上述目的，本发明提供的制备硅微悬梁无铅压电厚膜执行器的制备方法，包括以下步骤：

(1)对单晶硅片进行清洗，得到干净的硅片；

(2)采用低压化学气相淀积工艺、等离子增强化学气相淀积工艺淀积或热生长工艺，在上述硅片上制备厚度为1～2μm的二氧化硅层；

(3)采用低压化学气相沉积或等离子增强化学气相淀积工艺，在上述二氧化硅层上淀积厚度为0.5～1μm的氮化硅层；

(4)采用湿化学法或反应离子刻蚀法，刻蚀上述硅片背面，得到腐蚀窗口；

(5)采用湿化学法，刻蚀上述腐蚀窗口，得到硅微桥；

(6)在上述氮化硅层上，沉积Pt/Ti电极，并采用剥离工艺刻蚀下电极图形；

(7)在上述电极图形上印刷厚膜浆料，再放平，烘干，预烧，然后在700～1000℃下退火10～60分钟，得到无铅压电厚膜；

(8)对无铅压电厚膜进行化学机械抛光处理；

(9)利用真空蒸发或真空直流溅射法，在上述无铅压电厚膜上制备Au电极，作为上电极；

(10)湿法刻蚀上电极图形；

(11)采用反应离子刻蚀、等离子刻蚀或化学辅助离子刻蚀工艺，刻蚀去掉硅微桥的一端，得到微悬梁。

本发明具有以下优点：

1)在保持低电压驱动的前提下，使用压电厚膜使微执行器具有更大的位移。

2)结构简单，采用标准硅表面加工工艺，响应速率快，谐振频率高。

3)采用致密的无铅压电膜，无毒环保，符合当前电子材料与器件的发展趋势。

4)用途广泛，可用作各种微夹持、驱动的执行部件，改变尺寸参数也可用于微传感器。

附图说明

图1为本发明所选取的双面抛光硅片剖面示意图；

图2是本发明图1的硅片沉积氧化硅层与SiN_x层并刻蚀出硅片背面腐蚀窗口后的剖面示意图；

图3为本发明图2刻蚀出微桥后的剖面示意图；

图4为本发明图3制备出Pt/Ti上电极后的剖面示意图；

图5为本发明图4印刷无铅压电厚膜层后的剖面示意图；

图6为本发明图5沉淀刻蚀上电极后的剖面示意图；

图7为本发明图6刻蚀掉微桥一端后的剖面示意图；

图8为背面湿法刻蚀出微桥的SEM图；

图9为实施例1制备的无铅压电厚膜微悬梁SEM图；

图10为实施例1制备的无铅压电厚膜微悬梁的微位移随所加电压的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

本发明制备硅微悬梁无铅压电厚膜执行器的方法，包括以下步骤：

(1)选用<100>、<110>或<111>型单晶硅片，先用由去离子水、双氧水与氨水按5∶2∶1体积比混合而成的1号液煮沸，然后用由去离子水、双氧水与盐酸按5∶2∶1体积比混合而成的2号液煮沸，再用热、冷去离子水各冲洗2-6次后，得到如图1所示的干净硅片1；

(2)采用低压化学气相淀积工艺、等离子增强化学气相淀积工艺或热生长工艺在单晶硅片上制备二氧化硅层，其厚度为1～2μm，如图2-图7中层2；

(3)低压化学气相沉积或等离子增强化学气相淀积工艺在二氧化硅层上淀积氮化硅(SiN_x)层，其厚度为0.5～1μm，如图3-图7中层3；

(4)湿化学法或反应离子刻蚀硅片背面腐蚀窗口，如图2所示；

(5)湿化学法刻蚀硅微桥。在四甲基氢氧化铵水溶液中加入KOH形成对(100)、(111)面腐蚀速度较快的氢氧化钾四甲基氢氧化铵水(KTMAH)腐蚀液，既提高了单纯TMAH的腐蚀速度和腐蚀坑的平整度，又降低了单纯KOH对掩膜的钻蚀，其中，四甲基氢氧化铵水溶液的浓度为15～30％，四甲基氢氧化铵与KOH的摩尔比为1∶1～3∶1。

(6)沉积Pt/Ti电极并采用剥离工艺刻蚀下电极图形。光刻胶在2000～4000rpm速度下匀胶20～40s后，在60～100℃下前烘5～20min，曝光40～80s后在显影液中显影，其中显影液与去离子水的体积比为1∶1，得到很好的显影剖面后在烘箱中进行坚膜，然后再采用真空镀膜法蒸镀40～60nm厚Ti层，采用直流溅射法制备厚度为600～1000nm的Pt层4，最后在丙酮中采用超声去胶的方法将光刻胶去掉，得到需要的电极图形，如图4-图7中层4；

(7)制备无铅压电厚膜并进行烧结。将厚膜浆料经过印刷，放平，预烧后在700～1000℃下退火10～60分钟，得到无铅压电厚膜，如图4-图7中层5。

本发明可以选用由助烧剂、无铅压电粉体、粘合剂、溶剂、分散剂和增塑剂混合球磨而成的厚膜浆料，其制备过程为：先按1～7％的质量比在无铅压电粉体中掺入助烧剂得到固相粉体；然后选用甲基纤维素、乙基纤维素或PVB作为粘合剂，选用松油醇作为溶剂，将粘合剂与溶剂按质量比为3∶100～9∶100配料，得到有机混合物；再将上述固相粉体与有机混合物按质量比15∶10～90∶10混合，碾磨成浆料；最后在上述浆料中按100∶0.5～100∶3的质量比加入增塑剂混合再次碾磨后倒入球磨罐进行球磨，增塑剂为聚乙二醇或邻苯二甲酸二丁酯；

助烧剂可以采用制备功能陶瓷材料中常用的助烧剂，如B₂O₃-SiO₂，Bi₂O₃-Li₂O，Bi₂O₃-ZnO，Li₂CO₃-Bi₂O₃-CuO，CuO，Cu₂O-PbO，或K₄CuNb₈O₂₃，Na₂CO₃，V₂O₅或BiFeO₃。

(8)对无铅压电厚膜进行化学机械抛光处理；

(9)真空蒸发或真空直流溅射法制备Au上电极；

(10)湿法刻蚀上电极图形，如图6-图7中层6；

(11)采用反应离子刻蚀、等离子刻蚀、化学辅助离子刻蚀刻蚀去掉微桥一端得到微悬梁，如图7。

实施例1

(1)选取双面抛光厚度350μm电阻率为12～17Ω·cm的n型(100)单晶硅1，尺寸为14×18mm²，在由去离子水、双氧水与氨水(H₂O∶H₂O₂∶HN₄OH＝5∶2∶1)配成的1号溶液中煮沸5分钟，然后在由去离子水、双氧水与盐酸(H₂O∶H₂O₂∶HCl＝8∶2∶1)配成的2号溶液中煮沸5分钟，然后采用热、冷去离子水各冲洗2次；

(2)采用干～湿～干交替氧化法制备二氧化硅层，在1160℃下以0.5升/分氧流量干氧化1小时，然后接入湿氧瓶(保持约95℃)，氧化4小时(氧流量不变)，最后再以0.5升/分氧流量干氧化1小时。即得厚约1μm的二氧化硅层2；

(3)在650℃下低压化学气相沉积(LPCVD)厚度约500nm的SiN_x层3；

(4)采用BP212正性光刻胶，丙酮作溶剂超声去胶，得到尺寸为0.6×2mm²的光刻窗口，采用氢氟酸缓冲液(按HF∶HN₄F∶H₂O＝3ml∶6g∶1ml的比例配制，其中氢氟酸的浓度为：48％)40℃下腐蚀25s即可；

(5)在四甲基氢氧化铵水溶液(TMAH)中加入KOH形成对(100)、(111)面腐蚀速度较快的KTMAH腐蚀液，既提高了单纯TMAH的腐蚀速度和腐蚀坑的平整度，又降低了单纯KOH对掩膜的钻蚀，在质量分数为25％的KTMAH溶液中80℃下腐蚀6小时，得其微桥深度为260μm，剩余硅片的厚度约为40μm(微桥如图8所示)。

(6)光刻胶在3000rpm速度下匀胶30s后，在80℃下前烘15min，曝光60s后在显影液中显影(显影液与去离子水的体积比为1∶1)，得到很好的显影剖面后在烘箱中进行坚膜，然后再采用真空镀膜法蒸镀50nm厚Ti层，采用直流溅射法制备厚度为900nm的Pt层4，最后在丙酮中采用超声去胶的方法将光刻胶去掉，得到需要的电极图形。

(7)以掺入质量比为5％的助烧剂(0.6B₂O₃与0.4SiO₂)的钛酸铋钠粉体制成的厚膜浆料(剪切速率为18^-1s时粘度为20-80Pa.s)，在320目筛网下印刷尺寸为0.3×0.9mm²的压电厚膜，重复印刷8次后在900℃下退火20分钟即得40μm的无铅压电厚膜层5；

(8)采用化学机械抛光打磨法在AVANT1472抛光机上，对压电厚膜进行抛光处理；

(9)采用直流真空溅射制备厚度约500μm的金上电极层6；

(10)采用浓度为30％的碘化钾(KI)溶液在60℃下刻蚀出金上电极图形；

(11)采用磁增强ME～3型反应离子刻蚀(RIE)机，刻蚀去掉微桥一端得到悬梁。

制得微悬梁执行器中心位置在25V电压下的微位移为2.8μm。

实施例2

步骤(1)同实施例1，步骤(2)中，采用纯干氧化法制备二氧化硅层，在1160℃下以0.5升/分氧流量干氧化10小时，得到厚约600nm的二氧化硅层，步骤(7)中，浆料为不加入助烧剂的锆钛酸钡基无铅压电陶瓷粉体制成，重复印刷6层后在1200℃下退火30分钟，其余步骤同实施例1，制得微悬梁执行器中心位置在25V电压下的微位移为2.6μm。

实施例3

步骤(1)-(4)同实施例1，步骤(5)中，采用不加四甲基氢氧化铵水溶液的KOH溶液作腐蚀液进行微桥腐蚀，步骤(6)中，光刻胶在2000rpm速度下匀胶30s后，在80℃下前烘30min，曝光60s后在显影液中显影(显影液与去离子水的体积比为1∶1)，得到很好的显影剖面后不需坚膜直接蒸镀Ti层，其余步骤同实施例1。

实施例4

步骤(1)-(6)同实施例1，步骤(7)中重复印刷16层压电厚膜后退火得80μm厚无铅压电膜，其余步骤同实施例1，制得微悬梁执行器中心位置在60V电压下的微位移为2.3μm。

实施例5

步骤(1)-(6)同实施例1，步骤(7)中重复印刷尺寸为0.3×0.6mm²的压电厚膜，其余步骤同实施例1，制得微悬梁执行器中心位置在25V电压下的微位移为1.8μm。